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.

Химический состав почвы по сути является зеркальным отражением элементарного состава всех земных сфер, так или иначе принимающих участие в процессе формирования поч­вы. По этой причине в состав  почвы входят те же химические элементы, которые широко распространены в атмосфере и воде. Однако благодаря человеку в почву попадают и весьма нехарактерные для нее вещества.

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

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

• пестициды (до 90-100 тыс. тонн в год);
• минеральные удобрения;
• структурообразователи почвы;
• стимуляторы роста растений и др.

Только в случае избыточного внесения их в почву они становятся загрязнителями.

Почва, химический состав которой содержит чрезмерное количество данных веществ является непригодной для выраживания сельскохозяйственных культур, поскольку данные вещества проникают в растения и вместе с ними попадают в организм человека. А поскольку большая часть из них не только не полезна, но и вредна для здоровья, употреблять в пищу продукцию выращенную на такой почве не следует.

II. Химические вещества, попадающие в почву случайно с техногеннымижидкими, твердыми и газообразными отходами. Территориально это связано с конкретными видами промышленность, 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, бластомогенным, 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.

И хотя в химический состав земли  входит практически вся  периодическая систе­ма из таблицы Менделеева, следует понимать, что на практике в нем должно быть всего 15 элементов. Все остальные вещества попадают в почву благодаря воздействию окружающей среды или вмешательству человека, что ведет к загрязнению почвы. Причем большая часть попадающих в почву веществ далеко не безвредна для 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 ихспоры 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.

Только лишь благодаря такому самоочищению, состав почвы остается практически неизменным. Но тем не менее, множество попадающих в почву веществ, например соли тяжелых металлов, не выводятся вовсе, а остаются в почве. И поэтому крайне важно не допустить их попадания в почву, ведь вывести их оттуда не удастся долгие годы, а это сделает почву непригодной для выращивания сельскохозяйственных культур.

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.

При этом оценивается ее химический состав, содержание того либо иного вещества в верхнем слое почвы, и конечно же количество микроорганизмов в почве. Однако довольно часто не требуется серьезная экспертиза, и почвенное загрязнение можно определить довольно простыми методами. Так, проанализировав наличие в почве основних элементов можно судить о ее состоянии.

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).Показатели чистой почвы:

1. По численности: - 0 личинок мух на площади 0,25 м

яиц гельминтов на 1 кг почвы - 0коли-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 1 м:

• СО2 - 0,38-0,8%,
• O2 -19,75-20%,
• СН4 - отсутствует
• H2 - отсутствует

Вновь вспоминая слова Рубнера о том, что почва — естественный приемник всех отбросов, мы должны учитывать относительность этого положения. Компенсаторные 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 жидкихотбросов 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.

Подобный процесс имеет невероятно высокое значение, ведь из-за подобного отношения может измениться и химический состав человека. Да-да, многие химические вещества из подобного рода мусора проникают в почву, затем они попадают в растения, которые употребляет в пищу человек. А многие из подобных веществ самым негативным образом сказываются на здоровье человека.

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, хранения и 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-Петеобурга 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 любыепатогенные бактерии и вирусы.

Поэтому при эпидемиологических обследованиях не следует забывать, что через твердые бытовые отбросы могут передаваться возбудители следующих инфекций и инвазии:

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 3 3

1000 л. Объемный вес 1 м мусора — 0,2 т, т. е. 1 м мусора весит 200 кг.

Существует 2 системы сбора мусора:

1. 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 выплода 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:

1. 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 2м, 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-бактериологические 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.

Виды обезвреживания	% обезвреживания мусора
	Зап. Европа	США	Япония
Сжигание	20%	14,5%	Утилизация
Компостирование	10%	0,5%	75%
Ликвидация на свалках	70%	85%	25%

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 м 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).