Józefa Wiater, Adam Łukowski Politechnika Białostocka, Katedra Badań Technologicznych Henryk Fitko, Sławomir Stelmach, Aleksander Sobolewski, Jan Figa. Instytut Chemicznej Przeróbki Węgla w Zabrzu WSTĘPNE BADANIA APLIKACYJNE GRANULOWANYCH NAWOZÓW ORGANICZNO-MINERALNYCH NA BAZIE OSADÓW ŚCIEKOWYCH. PRELIMINARY INVESIGATION APLIKATIVE OF GRANULATE FERTILIZER ORGANIC-MINERAL ON BASE OF SLUDGE SEVAGES Streszczenie Short english W doświadczeniu polowym na glebie średniej stosowano w dwu dawkach granulat wytworzony z osadów + KNO 3. Dla porównania stosowano osad ścieków komunalnych. Po zbiorze roślin określono zawartość form mineralnych azotu na trzech głębokościach gleby do 90cm. Stwierdzono, że migracja azotu z granulatu była znacznie mniejsza, niż z osadu ściekowego. W warstwach wierzchnich gleby było w tych obiektach więcej azotu amonowego, niż azotanowego. 1. Wstęp Niedobór składników pokarmowych w glebie uzupełnia się poprzez jej nawożenie. Często jednak, licząc na lepszy skutek, stosuje się bardzo duże dawki nawozów, co wpływa niekorzystnie na środowisko naturalne. Rolnictwo intensywne, stosujące wysokie dawki nawozów mineralnych, przyczynia się w znaczący sposób do zanieczyszczania wód gruntowych i powierzchniowych oraz degradacji ekosystemów wodnych. Niewykorzystane przez rośliny składniki nawozowe wymywane są z gleby przez wody opadowe, pogarszając jakość i przydatność gospodarczą wód użytkowych. Za stan ten odpowiedzialne są przede wszystkim wypłukiwane z wierzchniej warstwy gruntu, nie pobrane przez uprawianą roślinność, azotany (saletry) i w mniejszym stopniu fosforany. Związki te wypłukiwane są z gleby tak szybko, że uprawiane rośliny nie nadążają z przyswojeniem całej dawki stosowanego nawozu. Tylko w Polsce roczny ładunek azotu ogólnego odpływającego rzekami do morza Bałtyckiego w 1999 roku wynosił 206 tys. ton, a fosforu ogólnego blisko 14 tys. ton. [20]. Nadmierna eutrofizacja wód powierzchniowych zmusza do podejmowania wszelkich zabiegów i działań mających na celu rozwiązanie tego ogólnoświatowego problemu. Celem referatu jest przedstawienie koncepcji ograniczenia efektu wypłukiwania z gleby nawozów mineralnych, która pozwoli na przeciwdziałanie zjawisku eutrofizacji wód powierzchniowych. Idea taka mogłaby zostać zrealizowana poprzez wytworzenie i aplikację granulowanych nawozów organiczno-mineralnych. Produkty takie otrzymywane byłyby poprzez granulację dopuszczonych do rolniczego wykorzystania osadów ściekowych z mineralnymi nawozami zawierającymi potas, którego zawartość w osadach ściekowych jest niska, a który jest niezbędny dla prawidłowej wegetacji uprawianych roślin. Granulowane nawozy mineralno-organiczne zapewnią dostarczenie niezbędnych składników odżywczych uprawianym roślinom i dodatkowo charakteryzować się będą podwyższoną odpornością na wymywanie z gleby soli mineralnych przez wody opadowe i zalewowe. 2. Osady ściekowe stan aktualny w Polsce Procesy biologicznego oczyszczania ścieków związane są nieodłącznie z powstawaniem dużej ilości osadów ściekowych. Ilość tych osadów to na ogół 1 2% objętości oczyszczanych ścieków. W 2000 roku podczas oczyszczania ścieków komunalnych i przemysłowych powstało w Polsce ponad 1
mln Mg s.m. osadów ściekowych [20]. Ilość osadów ściekowych wytworzonych w Polsce w roku 2000 - uwzględniając podział na województwa - prezentuje rysunek 1 [20]. Rysunek 2 przedstawia procentowy udział poszczególnych sposobów zagospodarowania komunalnych osadów ściekowych w każdym z województw. Na podstawie przedstawionych danych można stwierdzić, że dominującą metodą wykorzystania komunalnych osadów ściekowych w Polsce jest ich składowanie. W ten sposób w roku 2000 zostało zagospodarowane ponad 42% osadów ściekowych z oczyszczania ścieków komunalnych; najwięcej w województwach: dolnośląskim 71%, podlaskim 70%, lubuskim 68%, małopolskim 65%, kujawsko-pomorskim 60% i łódzkim 59%. Wykorzystaniu rolniczemu osadów ściekowych z oczyszczania ścieków komunalnych poddano jedynie 14% ich całkowitej ilości. Największy udział rolniczego wykorzystania osadów odnotowały województwa: wielkopolskie - ok. 38% oraz świętokrzyskie, lubelskie i zachodniopomorskie ok. 29%. Kompostowanie, spalanie i wykorzystanie przemysłowe osadów ściekowych stanowiły nieznaczny procent wśród pozostałych sposobów zagospodarowania osadów ściekowych z oczyszczania ścieków komunalnych metodami tymi zagospodarowano niecałe 17% osadów. Dość duża ilość komunalnych osadów ściekowych (ok. 27%) została wykorzystana za pomocą innych metod, co obejmowało m.in. ich użycie do rekultywacji gruntów zdegradowanych, niwelacji terenu lub wypełniania wyrobisk pokopalnianych. Z zaprezentowanych danych jednoznacznie wynika, że rolnicze wykorzystanie osadów ściekowych w Polsce jest ciągle niewielkie, zdecydowanie mniejsze niż w krajach rozwiniętych, np. Luksemburgu (ok. 70%), Danii, Francji (ok. 60%), Hiszpanii, Wielkiej Brytanii, Niemczech czy Belgii (ok. 40%) [2]. komunalne osady ściekowe [50tys. ton s.m.] przemysłowe osady ściekowe [50tys. ton s.m.] 11. 16. 14. 10. 15. 2. 7. 4. 5. 3. 1. 8. 12. 13. 1. dolnośląskie 2. kujawsko-pomorskie 9. 3. lubelskie 4. lubuskie 6. 5. łódzkie 6. małopolskie 7. mazowieckie 8. opolskie 9. podkarpackie 10. podlaskie Sumaryczna ilość na rok: 11. pomorskie 12. śląskie 13. świętokrzyskie < 50.000 50.000-100.000 > 100.000 14. warmińsko-mazurskie 15. wielkopolskie 16. zachodniopomorskie Rys.1. Osady ściekowe wytworzone w Polsce w 2000 r. ( w podziale na województwa). przemysłowe rolnicze kompostowanie spalanie składowanie inne Rys.2. Sposoby zagospodarowania komunalnych osadów ściekowych (w podziale na 3. Osady ściekowe jako nawozy. O glebotwórczej i nawozowej wartości komunalnych osadów ściekowych decyduje w pierwszym rzędzie znaczna zawartość substancji organicznej, azotu, fosforu i pierwiastków śladowych [1,4,6,10,19]. Ponieważ większość gleb w naszym kraju cechuje się niską żyznością, poprawa ich właściwości poprzez wykorzystanie osadów ściekowych, spełniających narzucone ustawą kryteria, wydaje się wysoce racjonalna i uzasadniona. Liczne badania wykonane w Polsce [18,20,21], dotyczące oddziaływania osadów ściekowych na żyzność gleby i plonowanie roślin, dały pozytywne rezultaty. Dotychczasowe wyniki badań krajowych [5,10,13,15,] i zagranicznych [3,11,12,14] świadczą o tym, że osady ściekowe jako odpady
zasobne w substancję organiczną oraz mineralne składniki nawozowe, mogą wpływać nie tylko na właściwości chemiczne, fizykochemiczne gleb czy plonowania roślin, ale także na aktywność mikrobiologiczną tego środowiska. Z przeprowadzonych dotychczas badań nad wpływem osadów na żyzność gleby, plonowanie roślin i aktywność mikrobiologiczną wynika, że mogą one stanowić dobry nawóz pod rośliny uprawne. Istnieją jednak liczne przeszkody ograniczające często możliwość rolniczego wykorzystania osadów ściekowych. Z osadami ściekowymi, oprócz składników pokarmowych, które stanowią o ich wartości nawozowej, wprowadza się do gleby także substancje toksyczne, z których najważniejszymi są metale ciężkie [10,17]. Ich zawartość w osadach zmienia się w szerokim zakresie i wymaga analizy chemicznej każdej partii osadu przeznaczonego do rolniczego wykorzystania. Czynnikiem ograniczającym rolnicze zagospodarowanie komunalnych osadów ściekowych jest często ich zły stan sanitarny, powodowany obecnością jaj helmintów, wirusów i bakterii [9,15]. 4. Granulowane osady ściekowe. Problemy z rolniczym wykorzystaniem osadów ściekowych skłaniają wielu badaczy do szukania różnych sposobów przeróbki osadów w bezpieczną, łatwą do transportowania formę, np. w formie granulatu. W latach osiemdziesiątych zespół naukowców z Lublina opracował metodę przetwarzania uciążliwych odpadów organicznych, (kora, pióra, rogi i sierść) w preparaty nawozowe w postaci granulatów koro-mocznikowych, keratyno-mocznikowych i keratyno-koro-mocznikowych. Preparaty te stosowano na różnych glebach w uprawach polowych i warzywniczo-ogrodniczych. Uzyskane wyniki wskazują na korzystne ich oddziaływanie na właściwości gleby i na rośliny [7,8,22,23]. W krajach wysokorozwiniętych osady ściekowe coraz częściej poddawane są stabilizacji termicznej poprzez suszenie z jednoczesną granulacją. Technologie takie (np. technologie oferowane przez firmy SEGHERS, SWISS COMBI, MOZER, ANDRITZ pozwalają na uzyskiwanie z osadów ściekowych granulatów o dobrych parametrach użytkowych: niskiej zawartości wilgoci, wysokim stopniu higienizacji, właściwym uziarnieniu ułatwiającym procesy przechowywania, załadunku, transportu i wysiewania, wysokiej wytrzymałości mechanicznej ograniczającej ścieranie się produktu (brak pylenia) i braku charakterystycznego dla osadów ściekowych, zapachu. Prowadzone w Instytucie Chemicznej Przeróbki Węgla w Zabrzu badania z zakresu granulacji osadów ściekowych skłoniły ich autorów do przetestowania możliwości wytwarzania na bazie osadów ściekowych granulowanych nawozów organiczno-mineralnych z dodatkiem tradycyjnych nawozów sztucznych, w których osad ściekowy oprócz wprowadzenia składnika nawozowego spełniałby rolę inhibitora wymywania z gleby frakcji mineralnych nawozu. Jak wykazują przeprowadzane liczne badania składu [16,20], osady ściekowe są ubogie w potas (jego zawartość nie przekracza 1% suchej masy). Dlatego postanowiono wstępnie przetestować możliwość preparacji granulowanych nawozów organiczno-mineralnych na bazie komunalnego osadu ściekowego i saletry potasowej (KNO 3 ). W trakcie badań przeprowadzonych w Instytucie Chemicznej Przeróbki Węgla w Zabrzu wytworzono testowe ilości granulatów z nadmiarowych osadów ściekowych pochodzących z Miejskiej Oczyszczalni Ścieków "Śródmieście" w Zabrzu oraz z nawozu mineralnego w postaci saletry potasowej. Jak wykazały przeprowadzone badania osad z tej oczyszczalni może być dopuszczony do zastosowania rolniczego. Wytworzono próbki testowe granulowanych nawozów organiczno-mineralnych stosując różne techniki granulowania (granulator talerzowy, bębnowy, wibracyjny, prasa ślimakowa). Wszystkie otrzymane próbki charakteryzowały się dobrymi właściwościami mechanicznymi a ich właściwości nawozowe zostały ocenione we wstępnych badaniach aplikacyjnych. Na rys 3. przedstawiono otrzymane granule nawozu organiczno-mineralnego w postaci kulek i wytłoczek z prasy ślimakowej.
5. Badania aplikacyjne. Rys.3 Nawóz organiczno-mineralny granulowany różnymi metodami Bania rozpoczęto w 2001 roku zakładając doświadczenie polowe na glebie bielicowej wytworzonej z piasku gliniastego o zawartości 0,04% N ogółem i węgla organicznego 0,3% odczyn tej gleby był bardzo kwaśny ph 5,2. Do gleby wniesiono osad ściekowy i granulat wytworzony z osadu z KNO 3 (skład chemiczny tab.1). Dawkę osadu i granulatu wyliczono w oparciu o zawartość azotu i wynosiła ona około 120 kg ha -1. Dawkę granulatu zastosowano jako pojedynczą i podwójną. Jako obiekt kontrolny wprowadzono dawkę w nawozach mineralnych. Po zbiorze roślin określono w glebie zawartość azotu mineralnego (N NH 4 i N NO 3 ) z trzech głębokości 0 30 cm, 30 60 cm i 60 90 cm. Obie formy oznaczono w wyciągu 1% K 2 SO 4, metodami kolorymetrycznymi. Omówienie wyników i dyskusja Zawartość azotu mineralnego oznaczonego po zbiorze roślin nosi nazwę azotu resztkowego. Oznacza to, że azot którego nie pobrały rośliny narażony jest (głownie formy mineralne) na wypłukanie gleby o czym donoszą Baran i wsp. [1]. Ilość azotu w glebie, która pozostała po zbiorze roślin była zależna od rodzaju wniesionego nawozu. Najwięcej obu form azotu pozostało po wniesieniu osadów ściekowych i to we wszystkich badanych warstwach gleby. Wysokie stężenie azotu amonowego w warstwach 30 60 i 60 90 cm świadczy o wzmożonej mineralizacji osadu. Również w tym obiekcie zachodziła intensywniej nitryfikacja czego wyrazem jest zawartość N NO 3 szczególnie w warstwie 0 30 cm. Badania Yoneyama [24] wykazały, że mineralizacja związków azotu z osadów przebiegła intensywniej niż po zastosowaniu np. obornika. (tab.1) Tabela 1. Zawartość mineralnych form azotu w glebie w mg kg -1 s.m. gleby. Głębokość Rodzaj nawozu mineralne osady ściekowe granulat I dawka granulat II dawka N - amonowy 0 30 6,28 8,98 5,20 6,05 30 60 5,50 7,48 3,85 4,02 60 90 3,60 7,20 2,30 2,80 Suma 0-90 15,38 23,66 11,35 12,87 N - azotanowy 0 30 4,25 6,20 3,45 4,30 30 60 3,10 3,78 2,38 3,15 60 90 2,70 4,20 2,14 2,65 Suma 0-90 14,18 10,05 7,97 10,10 N mineralny 0 90 cm 37,84 25,43 19,32 22,97
Na podstawie przeprowadzonych badań można przypuszczać, że proces amonifikacji, był stymulowany wąskim stosunkiem C:N w osadzie, a proces nitryfikacji stymulowany był wyższym odczynem gleby po zastosowaniu osadów. Procesy te nie są korzystne po zakończeniu wegetacji roślin ponieważ przyczyniają się do wzrostu zawartości mineralnych form azotu, które mogą przemieszczać się w głąb i migrować do wód gruntowych. Jest to zjawisko szczególnie niebezpieczne na glebach lekkich, z których wymyciu ulega nawet kilkadziesiąt kg azotu rocznie [5]. Znacznie mniejsza ilość azotu resztkowego wystąpiła w glebie gdzie stosowano granulat wytworzony z osadów. W porównaniu do osadów przy takiej samej dawce azotu łącznie w trzech warstwach 0 90 cm zawartość azotu amonowego była niższa o 12 mg kg -1, a azotu azotonowego o 8 mg kg -1 s.m. gleby. Zawartość obu form azotu we wszystkich warstwach gleby gdzie stosowano granulat była także niższa niż w przypadku gleby gdzie wniesiono nawozy mineralne. Koncentracja obu form azotu w obiektach z nawozami mineralnymi była zbliżona do gleby obiektów z dawką podwójną granulatu, a więc dwukrotnie wyższą dawką azotu. Podsumowanie Wytworzenie i stosowanie nawozów granulowanych z osadów daje nie tylko wymierne korzyści ekonomiczne, ale przede wszystkim środowiskowe: 1) Nowa polityka rolna Unii Europejskiej zakłada istotne ograniczenie zużycia agrochemikaliów w rolnictwie, a więc część nawozów mineralnych można zastąpić granulatem 2) Granulat wyklucza zagrożenie środowiska patogenami, które wnosi się z osadem 3) Na podstawie przeprowadzonych wstępnych badań można stwierdzić, że ta sama dawka azotu wniesiona w granulacie w porównaniu do nawozów mineralnych i osadu ulega znacznie mniejszym stratom, a wiec mniej azotu ulega rozproszeniu w środowisku, co ma znaczenie nie tylko ekonomiczne, ale także ekologiczne. 6. LITERATURA. 1) Baran S., Bielińska E.J., Wiśniewski J.: Wpływ osadu ściekowego i wermikompostu z tego osadu na aktywność enzymatyczną gleby piaszczystej. Ann. UMCS, sec. E, 54, 145-151, 1999. 2) Baran S., Flis Bujak M., Turski R., Żukowska G.: Przemiany substancji organicznej w glebie lekkiej użyźnionej osadem ściekowym. Zesz. Probl. Post. Nauk Rol., 409, 243-250, 1993. 3) Bonmati M., Pujola M., Soliva J.S.M. i in.: Chemical properties, populations of nitrite oxidizers, urease and phosphatase activities in sewage sludge amended soils. Plant and Soil, 84, 79-91, 1985. 4) Boruszko D., Dąbrowski W., Magrel L.: Bilans ścieków i osadów ściekowych w oczyszczalniach ścieków województwa podlaskiego. Fundacja Ekonomistów Środowiska i Zasobów Naturalnych, Białystok 2000. 5) Ciećko Z., Wyszkowski M., Szagała J. : Wpływ 4 letniego stosowania nawozów mineralnych, nawozów azotowych N NO 3 i N - NH 4 w glebach. 1996. 6) Czekała J.: Osady ściekowe źródłem materii organicznej i składników pokarmowych, Fol.Univ. Stetinensis, 200, Agricultura, 77, 33-38, 1999. 7) Dębicki R., Rejman J., Wontroba J.: Oddziaływanie granulatu keratyno-koro-mocznikowego na fizykochemiczne właściwości gleb. Zesz. Probl. Post. Nauk Rol.., 370, 39-48, 1989. 8) Dębicki R., Wiater J.: Wpływ nawożenia różnymi materiałami organicznymi na zawartość białka w ziarnie i słomie żyta ozimego. Zesz. Probl. Post. Nauk Rol.., 370, 151-164, 1989. 9) Furczak J., Wielgosz E.: Aktywność mikrobiologiczna stan sanitarny i niektóre właściwości chemiczne osadu ściekowego poddanego dwuletniej transformacji roślinnej. Zesz. Probl. Post. Nauk Rol., 477, 2001, (w druku, po recenzji). 10) Gambuś F.: Skład chemiczny i wartość nawozowa osadów ścieków z wybranych oczyszczalni regionu krakowskiego. Przyrodnicze użytkowanie osadów ściekowych, III Konferencja Naukowo - Techniczna, IOŚ: 67 78, 1999.
11) Garcia C., Hernandez T.: Effect of bromacil and sewage sludge addition on soil enzymatic activity. Soil Sci. Plant Nutr. 42, 191-195, 1996. 12) Häni H., Siegenthaler A., Candinas T.: Soil effects due to sewage sludge application in agriculture. Fertil. Res., 43, 149-156, 1996. 13) Kalembasa S., Kuziemska B.: Wpływ dawki i termin stosowania osadów na plon siana oraz wartość współczynników wykorzystania azotu i fosforu z osadów, Fol. Univ. Stetinensis 200, Agricultura, 77, 121-124, 1999. 14) Kalembasa S., Symanowicz B.: Wpływ nawożenia mineralnego, mieszanin osadów pościekowych z korą i trocinami na plonowanie i skład chemiczny, Lollium multiflorum Lam., Fol. Univ. Stetinensis 200, Agricultura 77, 129-134, 1999. 15) Kalisz L., Kaźmierczuk M.: Analiza aktualnego stanu sanitarnego osadów ściekowych z oczyszczalni ścieków miejskich pod kątem ich dalszej utylizacji. Katalog zunifikowanych obiektów i rozwiązań w systemie UNIKLAR. Suplement, CTBK, Warszawa 1990. 16) Kobus J., Czaban J., Gajda A.: Wpływ osadu na aktywność biologiczną gleb zdegradowanych i przemiany w nich węgla, azotu, fosforu i cynku. Pam. Puł., 96, 121-137, 1990. 17) Krzywy E., Wołoszyk Cz.: Charakterystyka chemiczna i możliwości wykorzystania do produkcji kompostów osadów ściekowych z miejskich oczyszczalni ścieków. Zesz. Nauk. AR Szczecin 172, Rolnictwo 62, 265-271, 1996. 18) Mazur T., Wojtas A.. Charakterystyka chemiczno-rolnicza osadów ściekowych miasta Olsztyna. Zesz. Probl. Post. Nauk Rol. 409, 9-12, 1993. 19) Mazur T.: Rozważania o wartości nawozowej osadów ściekowych. Zesz. Probl. Post. Nauk. Rol. 437, 13-22, 1996. 20) Ochrona Środowiska 2001. Informacje i opracowania statystyczne GUS. Warszawa 2001. 21) Roszyk E., Roszyk S., Spiak Z.: Wartość nawozowa osadów ściekowych z niektórych oczyszczalni południowo-zachodniej Polski. Cz.II. Doświadczenia wegetacyjne. Rocz. Gleb. 38, 4, 137-144, 1987. 22) Wiater J., Dębicki R.: Następcze oddziaływanie różnych gatunków materiałów organicznych na glebę i roślinę. Cz.I. Wybrane elementy żyzności gleby. Zesz. Probl. Post. Nauk Rol.., 407, 57-64, 1994. 23) Wiater J., Dębicki R.: Następcze oddziaływanie różnych gatunków materiałów organicznych na glebę i roślinę. Cz.II. Skład chemiczny roślin. Zesz. Probl. Post. Nauk Rol.., 407, 65-70, 1994. 24) Yoneyama T., Yoschida T.: Nitrigen mineralization of servage sludges in soil. Soil. Sci. And Plant Nutr. Nr. 1978. Summary In the field experiment on medium-heavy soil a granulate made from sewage sludgies + KNO 3 was applied in two doses. For comparison a municipal sewage sludge was used. After harvest the content of mineral forms of nitrogen on there depths of soil (up to 90cm) was determined. It was found, that migration of nitrogen from granulate was considerably smaller, than from sewage sludge. In these objects, in a top layers of soil it was more ammonium nitrogen, than nitrate nitrogen.