ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ПОЧВЫ

В настоящее время установлено, что в организме человека содержится около 60 различных химичес­ких элементов, что составляет около 0,6% от общего веса. Наличие микроэлементов хотя бы в небольших количествах постоянно связано с их ролью в усвое­нии азота и фотосинтеза. Только для поддержания нормального состава крови человека необходимо около 25 микроэлементов, а в состав грудного молока их входит более 30. Степень обеспеченности расти­тельных и животных организмов микроэлементами находится в прямой зависимости от наличия их в земной коре (почве). Именно на этот момент впервые указал академик В. Вернадский. На основе этого А.П. Виноградов создал учение об аномальных биогеохи­мических провинциях (территориях), где отсутствие или избыток того или другого элемента приводит к появ­лению эндемических заболеваний (биогеохимических эндемий). В 1958 г. на территории бывшего СССР на­считывалось 14 естественных биогеохимических про­винций, а к 1990 г. в связи с более глубоким изучением новых территорий их количество удвоилось.

Вместе с тем в результате хозяйственной деятель­ности человека в почву непосредственно или опосре­дованно попадает огромное количество химических веществ, что может существенно менять ее химичес­кий состав.

Все химические вещества, попадающие в почву, можно разделить на 2 группы:

I. Химические вещества, вносимые в почву плано­мерно, целенаправленно, организованно:

а) пестициды (до 90-100 тыс. тонн в год);

б) минеральные удобрения;

в) структурообразователи почвы;

г) стимуляторы роста растений и др. Только в случае избыточного внесения их в почву они становятся загрязнителями.

II. Химические вещества, попадающие в почву слу­чайно с техногенными жидкими, твердыми и газооб­разными отходами. Территориально это связано с кон­кретными видами промышленности, а следовательно, с определенным видом химического загрязнения. Эти территории, разумеется, страдают избытком опреде­ленных химических веществ. На территории России имеется около 40 территорий, которые определяют как искусственные биогеохимические провинции. Уже взя­ты на учет области с избытком свинца, фтора, кадмия, талия, брома, ртутных соединений и даже бериллия. Эти вещества включаются в биологический цикл и, ес­тественно, не минуют человека.

Опасность соединений как первой, так и второй группы определяется их токсичностью, бластомоген-ным, аллергенным, мутагенным, эмбриогенным и дру­гими видами воздействия.

То, что сейчас происходит в процессе загрязнения почвы химическими веществами ученые называют "хи­мической" атакой неуправляемого технологического процесса на человека. Расчеты, основанные на дан­ных генетиков, показывают, что к 2000 г. свыше 30% людей, родившихся за последние 30 лет, будут иметь генетические отклонения. Нанося вред окружающей среде и прежде всего почве человек поступает как самоубийца.

Химические вещества экзогенного происхождения при их накоплении в почве почти полностью подавля­ют весь биоценоз почвы, извращают процессы само­очищения.

Уже сейчас с химическим загрязнением опреде­ленных районов тесно увязывается повышенный уро­вень заболевания населения, частота уродств, аномалий развития, нарушения физического разви­тия и формирования психики.

Загрязнение почвы неизбежно ведет к деградации среды обитания человека.

Оценка эпидемиологических вопросов, касающих­ся почвы, связана с выяснением степени ее загрязне­ния органическими веществами.

В чистой, незагрязненной почве обитает не так много возбудителей инфекций. В основном это воз­будители раневых инфекций (столбняк, газовая ган­грена), ботулизма, сибирской язвы. Это споровые микроорганизмы и их споры сохраняют жизнеспособ­ность до 25 лет.

Постоянно загрязняющаяся органическими веще­ствами почва всегда содержит возбудителей кишеч­ных инфекций (дизентерия, брюшной тиф), сроки выживания которых могут колебаться от нескольких месяцев до полутора лет, полиомиелита — до 110 дней.

Почва играет специфическую роль передатчика гельминтозов, являясь промежуточной средой разви­тия. Яйца аскарид могут сохранять жизнеспособность в почве 7-10 лет.

Почва, загрязненная органическими веществами, способствует развитию грызунов, являющихся источ­никами и разносчиками возбудителей особо опасных инфекций (бешенство, чума, туляремия).

Загрязненная почва является благоприятным мес­том развития мух (особенно синантропной "комнат­ной" мухи). Наличие большого количества мух явля­ется наглядным показателем санитарного неблагопо­лучия, т.к. свидетельствует о нарушении сроков уда­ления твердых отбросов из населенного пункта. Срок развития мухи от личинки до половозрелой особи — от 4 до 7 суток. Кроме того, мухи сами являются очень активными переносчиками возбудителей, в первую очередь кишечных инфекций.

Почва является естественным приемником всех отбросов жизнедеятельности человека. Об этом пи­сал еще в середине XIX в. гигиенист Рубнер: "Единст­венным местом, удовлетворяющим требованиям и предназначенным самой природой для восприятия органических отбросов, является почва.... и в почве даны все условия к тому, чтобы благодаря соверша­ющимся в ней процессам различные органические вещества превратились в те же формы неорганичес­ких соединений, в виде которых они являются необ­ходимым питательным материалом для растений".

Эти процессы, описанные Рубнером, являются процессами :самоочищения почвы, происходящими под действием целого ряда факторов (физических, химических и биологических).

Под действием физических факторов (солнце, высушивание) значительная часть патогенной микро­флоры погибает. Под действием химических факто­ров (кислород воздуха и почвы) происходит окисле­ние органических веществ (жиры, углеводы) до угле­кислого газа и воды, а азотсодержащие вещества, разлагаясь на аминокислоты и подвергаясь последу­ющему окислению, нитрифицируются. Существенную роль при этом играют микроорганизмы Nitrosomonas и Nitrobacter. В итоге образуются минеральные ве­щества, которые усваиваются растениями.

Очень важно в интенсивности процесса самоочи­щения почвы явление гуммификации. В результате сложного взаимодействия химических реакций, дей­ствия мезофильных и термофильных микроорганиз­мов образуется сложное органическое вещество гу­мус, в состав которого входят гумины, углеводы, жиры, органические кислоты и целый ряд углеродис­тых соединений. Особенность гумуса состоит в том, что он не способен загнивать и, следовательно, не может стать средой размножения микроорганизмов, прежде всего патогенных. Особое значение в подавлении роста и развития нежелательной микро­флоры, в ее последующем отмирании имеет действие бактериофагов и антибиотиков. В результате этих сложных процессов почва становится эпидемиологи­чески безопасной. Становится стабильным состав по­чвенного воздуха.

Санитарная оценка почвы, а именно оценка сте­пени загрязнения органическими веществами, прово­дится по целому ряду показателей.

Показатели чистой почвы:

1. По численности:

личинок мух на площади 0,25 м²- О яиц гельминтов на 1 кг почвы - О коли-титру -1 титру анаэробов -0,1

2. Санитарное число (С) В (азот гумуса) должно приближаться к 1; С= -

А (общий орг. азот)

3. Состав почвенного воздуха

на глубине 1м:

СО, -0,38-0,8%, О, -19,75-20%, СН^ -отсутствует, Н, - отсутствует.

Снижение количества кислорода, увеличение про­цента углекислоты, появление метана и водорода — результат загрязнения.

При длительном наблюдении за процессами само­очищения почвы установлено, что после сильного за­грязнения при коли-титре 0,0001 г только через год показатели достигают нормы (коли-титр 1,0).

Вновь вспоминая слова Рубнера о том, что почва — естественный приемник всех отбросов, мы долж­ны учитывать относительность этого положения. Ком-пенсаторные силы самой почвы достаточны лишь при очень небольшом в количественном отношении за­грязнении почвы. Резкое увеличение нагрузки на по­чвенные процессы приводит к тому, что процессы самоочищения угнетаются, изменяется биоценоз по­чвы. И увеличение отбросов приводит к следующим неблагоприятным моментам:

1. Изменение воздушной среды. При разложении отбросов в воздух выделяется аммиак, сероводород, метан, индол, скатол, при сильном высушивании легкие предметы поднимаются в воздух.

2. Резко возрастает загрязненность открытых водоемов, а также грунтовых вод и других водонос­ных горизонтов.

3. Сильное загрязнение поверхности на террито­рии населенных пунктов.

Учитывая все это, очистка населенных мест от твердых и жидких отбросов представляется очень важной санитарно-гигиенической задачей. Очистка населенного пункта должна представлять собой еди­ную систему мероприятий, охватывающую всю тер­риторию населенного пункта. Процессы сбора, уда­ления, очистки территории и обезвреживания отбро­сов должны быть в максимальной степени механизи­рованы, а контакт населения и осуществляющего очистку персонала с отбросами должен быть по воз­можности исключен или сведен до минимума.

Классификация отбросов:

— твердые;

— жидкие.

В настоящее время удаление жидких отбросов и их обезвреживание не является острой проблемой. Жидкие отбросы при наличии канализации поступают в замкнутую сеть, они не загрязняют ни почву, ни воз­дух, ни здания, ни дворы. И, наконец, сплав жидких отбросов по трубам является экономически более дешевым, чем вывоз.

Сложнее дело обстоит с твердыми отбросами. Санитарная очистка от твердых бытовых отбросов — одна из актуальнейших проблем населенных мест:

города, поселка, деревни. Значение этой проблемы определяется тем, что во всем мире идет процесс уве­личения количества бытовых отходов, приходящих­ся на 1 человека. Чем выше уровень благоустройст­ва, уровень культуры нашей жизни, тем большее ко­личество отбросов приходится на человека. Уровень благоустройства нашей жизни неуклонно повышает­ся, соответственно, и годовой прирост твердых быто­вых отходов является постоянной цифрой — 5-8% от общего количества.

Для санитарных работников организация очистки населенных мест имеет особое значение также и по­тому, что вопросы обезвреживания накапливающих­ся отбросов во всем мире еще не решены должным образом. Достаточно сказать, что в Западной Европе 70% всех твердых бытовых отбросов, а в США — 85% попадают на свалки, которые очень часто пред­ставляют собой беспорядочное скопление мусора. Такая "организация" очистки неизбежно приводит к огромному, все растущему из год в год загрязнению почвы, безусловно опасному для здоровья населения. Только правильная организация удаления из населен­ных мест твердых отбросов с использованием суще­ствующих методов их обезвреживания может пред­отвратить нежелательные последствия.

Как же правильно организовать очистку населен­ных мест от твердых бытовых отбросов?

Санитарная чистка всегда имеет три этапа: сбор отбросов, их хранение, вывоз к месту обезвре­живания. У нас в стране всю эту работу проделывает специальная организация — коммунальные органы (трест благоустройства, коммунальные хозяйства и т.д.). В обязанности санитарных органов входят про­верка правильности принятой системы очистки и на­блюдение за местами сбора, хранениям обезврежи­вания отбросов.

При организации сбора твердых бытовых отбросов надо знать их качественный и количествен­ный состав.

В качественном составе твердых бытовых отбро­сов (мусора) можно выделить основные составные части, от количества которых будет зависеть возмож­ность переработки мусора разными методами. Это пищевые отходы, бумага, твердые не перерабатывае­мые части (уголь, стекло, зола). Эти составные части будут встречаться в разном по происхождению мусо­ре, но количество их будет зависеть от климатичес­кого пояса, сезона года, уровня благоустройства и от сложившихся исторически привычек населения. Так, если взять мусор разных городов мира, то больше всего пищевых отходов (62%) во Франции, золы (57%) — в Англии, бумаги (65%) — в Финляндии. В мусоре России примерно одинаковое количество пи­щевых отходов и бумаги, но по определенным горо­дам состав мусора неравномерен: в мусоре городов Донбасса, например, 50% угля, а в мусоре Санкт-Пе­тербурга совсем мало пищевых отбросов и т.д.

Основное, что необходимо знать о качестве мусо­ра — это его эпидемиологическое значение. В твер­дых бытовых отходах всегда содержится большое ко­личество микроорганизмов, среди которых могут быть любые патогенные бактерии и вирусы. Поэтому при эпидемиологических обследованиях не следует забывать, что через твердые бытовые отбросы могут передаваться возбудители следующих инфекций и инвазий:

1) желудочно-кишечных инфекций;

2) гельминтозов;

3) вирусных инфекций;

4) зоонозных инфекций;

5) инфекций, в распространении которых играют роль грызуны;

6) пылевых инфекций;

7) инфекций, возбудители которых вегетируют в почве (порядок перечисления соответствует частоте встречаемости).

Очень важный момент при сборе отбросов — это правильное определение их количества. По объему накапливаемых отбросов проводится расчет количе­ства необходимых мусоросборников. За основу рас­чета принята норма накопления мусора в год на 1 че­ловека, которая сейчас составляет 1000 л. Объемный вес 1 м³ мусора — 0,2 т, т.е. 1 м³ мусора весит 200 кг.

P_m_k 365

Для Москвы и некоторых других крупных городов установлена норма мусора в год в 262 кг.

О — общее количество мусора;

Р — ежедневная норма (удваивается при низкой коммунальной обустроенное™);

к— коэффициент неравномерности (от 1 до 1,3);

365 — дней в году.

Из общих закономерностей изменения состава му­сора можно отметить один процесс: повсеместное уве­личение упаковочного материала в составе отбросов.

Из других особенностей мусора нас интересуют те, которые имеют эпидемиологическое значение. Такой особенностью является содержание органичес­ких веществ и их инфицированность патогенными микроорганизмами и яйцами гельминтов. Нарушение сбора ведет к тому, что эти организмы попадают в почву.

Существует 2 системы сбора мусора:

/. Унитарная система — когда все составные части отбросов поступают совместно в мусоросбор­ники.

2. Раздельный сбор — при этой системе в нашей стране отдельно собираются пищевые отходы. Этот сбор экономически целесообразен и практически возможен в домах не выше трех этажей. Сбор этих пищевых отходов осуществляется заинтересованны­ми предприятиями сельского хозяйства. Причем сбор и вывоз пищевых отходов должен производиться ежедневно.

При унитарной системе мусор в мусоросборниках не должен задерживаться более двух суток. При более длительных сроках создаются условия для вы-плода мух.

В домах выше 5 этажей предусмотрены мусоро­проводы с мусороприемной камерой, устройству которой сейчас уделяется особое внимание.

Учитывая неудачный опыт строительства заглуб­ленных камер, в настоящее время приемные камеры мусоропроводов строятся выше уровня пола первого этажа на 5-10 см, что позволяет максимально очищать камеру при вывозе мусора. Это почти всегда исклю­чалось при заглубленных камерах. Кроме всего, ис­пользуются 2 вида мусоросборников: переносные и сменные (контейнерные).

Расположение мусоросборников во дворах должно быть удобно для населения и при хорошем санитарном состоянии они могут находиться в любой близости от дома.

Удаление твердых бытовых отбросов во всем мире осуществляется исключительно автотранспор­том. Основным недостатком автотранспорта являет­ся его малая полезная грузоподъемность (КПД — 30-35%), а значит высокая стоимость перевозок. Поэто­му, с экономической точки зрения, наиболее оптималь­ным вариантом вывоза мусора является система выво­за с перегрузкой. Из города он вывозится за пределы населенного пункта на обычных мусоровозах, а затем перегружается на другой транспорт (в Англии — на бар­жи, в Голландии — на железнодорожный транспорт, в США и Германии — на специальные автопоезда).

Существует три системы удаления мусора:

/. Планово-поквартирная (в определенный час приезжает транспорт и население выносит мусор из квартир и погружает в транспорт).

2. Планово-регулярная — вывоз мусора из дво­ровых мусоросборников и приемных камер мусоро­проводов.

3. Планово-подворная — сбор мусора из квар­тирных мусоросборников, оставленных во дворе.

Кроме широко распространенного во всем мире вывоза мусора автотранспортом, существуют и дру­гие методы:

1. Дробление мусора на месте его образования с последующим сплавом в канализацию. Впервые при­менен и получил некоторое распространение в США. Недостатком этого метода является:

1) сильный шум во время работы дробильных машин;

2) большой дополнительный расход водопровод­ной воды для смыва мусора в канализацию (6-8 л на 1 кг мусора);

3) большое увеличение нагрузки на сооружения по очистке сточных вод (увеличение осадка на 67%).

2. Система пневматического трубопроводного транспорта. Состоит из вентиляционных камер в зда­ниях, из которых мусор по всасывающим трубам уда­ляется за черту населенного пункта.

Система пневматического трубопроводного транс­порта очень перспективна, т.к. имеет много положи­тельных моментов:

1) исключает ручной труд;

2) исключает хранение мусора в квартирах;

3) исключает применение автотранспорта;

4) исключает применение мусоросборников во дворах;

5) исключает контакт мух, грызунов с отходами. Впервые такая установка была создана в Швейца­рии и обслуживала 5000 квартир (2,5 км). Сейчас та­кая установка действует в Олимпийской деревне в Германии (под Мюнхеном).

Планируется создание таких установок и у нас. Существенную проблему для системы очистки со­ставляют методы обезвреживания твердых отбросов. Эти методы можно разделить на 2 группы:

I. Ликвидационные (без использования ценных свойств мусора).

II. Утилизационные (с утилизацией наиболее цен­ных компонентов мусора). Наиболее часто:

1. Переработка отбросов на компост.

2. Сжигание с использованием тепла (в тепличных хозяйствах).

3. Выделение металлических частей в качестве вто­ричного сырья для металлургии.

4. Выделение бумаги и тряпья для писчебумажной промышленности.

Экспериментальные (США, Япония):

5. Изготовление строительных блоков.

6. Получение этилового спирта.

7. Пиролизное разложение для получения сырья для химической промышленности.

Выбор метода обезвреживания мусора определя­ется системой сбора и его составом. Преобладание в мусоре той или иной части определяет метод обез­вреживания.

Так, при содержании органических веществ менее 25% он не пригоден для компостирования, при низкой теплотворной способности сжигать мусор нецелесо­образно.

Выбор метода обезвреживания в большей степе­ни зависит от экономической значимости. Из двух наиболее часто применяемых методов (компостиро­вание и сжигание) наиболее дорогим является сжи­гание (на 50% дороже компостирования), потому что здесь необходимы мероприятия для предупреждения загрязнений атмосферного воздуха золой и газами.

Однако при оценке общей экономической эффек­тивности следует учесть, что при максимальном при­ближении мусоросжигательных установок к городу получается существенное уменьшение затрат на вы­воз мусора.

Тем не менее наиболее рентабельным в настоящее время является метод компостирования. В основе био­логической переработки мусора на компост лежит аэробная переработка отбросов, происходящая в ре­зультате деятельности термофильных бактерий. По­вышение температуры внутри отбросов до 50-70° С со­здает условия для более быстрого разложения орга­нических веществ и отмирания патогенной микрофло­ры и яиц гельминтов. В обычных, естественных усло­виях полная переработка мусора происходит за 1-1,5 года. Совершенно очевидно, что для успешного и более быстрого процесса необходимо использовать какие-то дополнительные факторы и новые методы.

I. Компостирование в штабелях.

На специально отведенных полях мусор уклады­вается в штабеля, имеющие форму трапеций (высота

— до 2 м, длина — до 25 м). Сверху засыпается тор­фом (или землей) либо на 2-3 недели закрывают поли­этиленовой пленкой. Площадь территории под ком­постирования —1,5-2 га на 10000 тыс. населения.

II. Бескамерное обезвреживание с дополнитель­ной аэрацией.

Это такое же компостирование в штабелях, но уже высотой штабеля 3-4 м. Внутрь штабеля укладывает­ся вентиляционные дрены, через которые происходит усиленная аэрация мусора в результате разницы меж­ду температурой воздуха и температурой внутри шта­беля. С помощью такого простого приспособления удается сократить длительность процесса до 3-4 ме­сяцев.

III. Биотермические камеры.

Это емкости из железа, бетона, объем которых от 2 до 20 м³. За счет дополнительной аэрации удается достичь температуры 70° С. Срок компостирования сокращается до 60 дней. Однако использование этих камер не получило широкого распространения.

IV. Строительство компостирующих заводов.

Компостирующие заводы представляют собой це­лое промышленное предприятие по переработке му­сора, твердых отбросов. Достоинство этих заводов в том, что процесс переработки заканчивается в тече­ние 5 суток и в некоторых случаях этот процесс со­кращается до 3 суток.

На этих заводах мусор в приемных бункерах сор­тируется, с помощью магнита из него удаляются ме­таллические примеси, затем подается во вращающий­ся барабан, где тщательно измельчается и аэрирует­ся, при этом температура достигает 65° С.

Разновидностью этого вращающегося барабана может быть так называемый бункерный ферментатор

— вертикальная камера, разделенная на 5 этажей. На каждом этаже измельченный мусор находится в те­чение суток, а затем пересыпается на следующий этаж (аналогично передвижению во вращающихся барабанах). Если остаются какие-то некомпостирую­щиеся части, их сжигают.

В настоящее время такие заводы имеются в 25 странах. В России находятся два завода (в Москве и Санкт-Петербурге). К 1990 г. их должно было быть около 50, но эта программа не выполнена.

Из 100 тонн сырого мусора в среднем получается около 70 тонн компоста и лишь 1/10 часть этого му­сора не компостируется. Контроль за качеством пере­работки осуществляется постоянно. Санитарно-бак-териологические показатели компоста должны быть такие же, как у чистой почвы. Не должно быть личи­нок мух, яиц гельминтов и коли-титр 1,0. В России ком­постированию подвергается примерно 3% от обще­го количества. Несмотря на санитарно-гигиенические и экономические выгоды компостирования, в настоя­щее время наиболее распространенным методом обезвреживания мусора является ликвидационный.

В качестве единственного возможного метода (ликвидационного) обезвреживания следует считать усовершенствованные свалки.

На этих свалках слои мусора уплотняются и через каждые 2 м толщины покрываются слоем изолирую­щего материала (водонепроницаемый грунт, лесома­териалы). Распад мусора протекает в анаэробных ус­ловиях. Верхний слой в 2 м перерабатывается в тече­ние 10-15 лет, самые нижние — в течение 100 лет. При организации таких свалок иногда высотой до 40 м с повышенной нагрузкой на м² образуется очень много взрывоопасных веществ (метан).

Особую опасность при этом представляет жидкий фильтрат, составляющий около 10% от веса мусора. Опасность его состоит в том, что этот фильтрат за­грязнен органическими веществами и содержит очень много микроорганизмов, поэтому предусматривают­ся мероприятия по охране грунтовых вод (складиро­вание производится на водонепроницаемой основе, сбор и испарение фильтрата, отвод атмосферных и талых вод от участка).

Лекция 8