ROCZNIKI GLEBOZNAWCZE TOM LVII NR 1/2 WARSZAWA 2006: 67-74
ARKADIUSZ BIENIEK1, KAZIMIERZ GRABOWSKI2, ANDRZEJ KOLASIŃSKI3
POTRZEBY REKULTYWACYJNE GLEB ZBIORNIKÓW
DOCZYSZCZAJĄCYCH ŚCIEKI KOMUNALNE
RECLAMATION NEEDS OF SOILS IN RESERVOIRS USED
FOR FINAL CLEANING OF MUNICIPAL SEWAGE
!Katedra Gleboznawstwa i Ochrony Gleb, 2Katedra Łąkarstwa, Uniwersytet Warmińsko-Mazurski w Olsztynie; 3Iławskie Wodociągi
Abstract: Based on field studies and laboratory analyses o f soil material, the value and suitabi lity o f soils developed spontaneously during a 4-year period on the bottom o f a former water reservoir used for final cleaning o f sewage. It was shown that the soils formed had a low content o f organic matter, were polluted with zinc (II0), and that clay layers present in the profile limited precipitation water filtration. They are overgrown with grasses o f wet habitats and numerous species o f hydrophilic dicotyledonous plants. It was assumed that reclamation needs o f the analyzed soils are alternative and result from the chosen use. In case o f natural development, reclamation is redundant as spontaneous natural development secured biodiversity o f their habitat. For the purpose o f extensive farming, reclamation works should aim at improvement o f water relations, increase o f organic matter resources and development by means o f agricultural technology.
Słowa kluczowe: gleby antropogeniczne, właściwości gleb, zbiorowiska roślinne. Key w ords: anthropogenic soils, properties o f soils, plant communities.
WSTĘP
W polskich przepisach prawnych przewiduje się, że grunty trwale wyłączone z użytkowania rolniczego bądź leśnego, po ustaniu na nich działalności przemysłowej, podlegają obowiązkowi rekultywacji [Ustawa z dnia 3.02.1995]. Niezbędne jest przy tym ustalenie stopnia ograniczenia wartości gruntów podlegających rekultywacji, które określa się na podstawie sporządzanych opinii. Problem ten istnieje w oczyszczalniach ścieków komunalnych. Budowa nowych oczyszczalni i modernizacja istniejących sprawiła, że wiele dawnych wodnych zbiorników ziemnych, została wyeliminowana z procesu technologicznego oczyszczania ścieków i wymaga rekultywacji. Dużym ich
zagrożeniem (poza istniejącąinfrakstrukturątechniczną) jest skład chemiczny stagnu- jących wód pościekowych. Według badań Bobreckiej-Jamro i in. [2005], oczyszczone ścieki zawierają dużo sodu (103 m gxdnr3), o połowę mniej wapnia (57 m gxdnr3) i potasu (51 mgxdm"3), a niewiele azotu (28 mgxdm'3), magnezu (14,7 mgxdnr3) i fosforu (6,8 mgxdm 3). Z metali ciężkich najwięcej jest w nich Zn (około (0,025 mgxdm-3) o połowę mniej Cr, Cu i Ni oraz śladowe ilości Pb i Cd.
Celem pracy jest ocenienie potrzeb rekultywacyjnych gleb wybranego zbiornika doczyszczającego ścieki komunalne. Długotrwałe stagnowanie w nim wód pościekowych spowodowało wytworzenie się gleb o nie zawsze korzystnych właściwościach fizycznych i chemicznych.
MATERIAŁ I METODY
Badaniami objęto dawny wodny zbiornik ziemny oczyszczalni ścieków komunalnych w Dziamach koło Iławy w woj. warmińsko-mazurskim, o powierzchni 6,2 ha. W latach 1991-2000 spełniał on funkcję stawu doczyszczającego (napowietrzającego) wody pościekowe. Przy 2 m głębokości czynnej jego pojemność wynosiła ok. 100 tys. m3. Po modernizacji oczyszczalni staw został opróżniony i wyłączony z procesu doczyszczania ścieków. Usytuowanie w terenie uniemożliwia wykorzystanie stawu do celów gospodarczych, stąd zasadne jest rolnicze lub inne jego użytkowanie.
Po wieloletnim stagnowaniu toksycznych ścieków w zbiorniku doczyszczającym niezbędne są prace rekultywacyjne. W celu określenia ich zakresu, w maju 2005 roku wykonano szczegółowe badania gleboznawcze i florystyczne. Roślinność określono metodą Klappa w 10-stopniowej skali. W reprezentatywnych punktach (na powierzchni 5 m x 5 m) oceniono skład flory styczny, a na podstawie gatunków dominujących, tj. stanowiących powyżej 25% udziału, wydzielono zbiorowiska roślinne. Opisano trzy profile glebowe i pobrano próbki gleby do analiz laboratoryjnych. W próbkach glebowych oznaczono:
• skład granulometryczny metodą areometryczną;
• gęstość objętościową dla poziomów powierzchniowych - przy użyciu cylinder- ków o pojemności 100 cm3;
porowatość ogólną wy liczoną z gęstości objętościowej i zawartości materii organicznej;
pH w KC1 o stężeniu 1 molxdm-3 - metodą potencjometryczną; • zawartość węgla organicznego metodą Tiurina;
• zawartość azotu ogólnego - metodą Kjeldahla;
• kwasowość hydrolityczną (Hh) w roztworze (CH3COO)2Ca, a sumę zasado wych kationów wymiennych (S) w CH3COONH4 o stężeniu 1 molxdm“3 - me todą Kappena;
• całkowitą zawartość makroskładników (P, K, Mg, Ca, Na) i metali ciężkich (Cd, Cr, Cu, Ni, Pb, Fe, Zn, Hg) po trawieniu próbek w wodzie królewskiej;
Potrzeby rekultywacyjne gleb zbiorników doczyszczających ścieki 69
WYNIKI I DYSKUSJA
Stwierdzono, że dno stawu stanowi płaską powierzchnię, sztucznie obniżoną i uformowaną w czasie budowy zbiornika. Dno zbudowane jest z lokalnych utworów mineralnych, warstwowanych o uziamieniu piasków i glin (tab. 1). Od czterech lat zbiornik jest osuszony, jednak w okresie dłuższych opadów atmosferycznych ulega widocznemu zabagnieniu (woda gruntowa okresowo stagnuje na powierzchni). Jest to skutkiem wytworzenia się w profilach nieprzepuszczalnych warstewek iluwialnych o uziamieniu iłu i glin ciężkich pylastych. Warstewki te o miąższości 2-6 cm występują w górnych poziomach podpowierzchniowych, są spójne, plastyczne i ograniczają filtrację wód opadowych. Jest to zawodnienie sezonowe, niemniej na potrzeby rolnictwa zintegrowanego winno się tu zastosować głębokie, spulchniające zabiegi agromelio- racyjne [Bykowski i in. 2000].
W istniejących warunkach, na dnie stawu wytworzyły się gleby antropogeniczne o niewykształconym profilu [Systematyka gleb ... 1989]. W ich poziomach powierzch niowych występuje materia organiczna z kolmatacji osadów w wodach pościekowych, która skupia się w płytkim (8 cm) poziomie próchnicznym Ap lub przemieszana jest mechanicznie z utworami podpowierzchniowymi i tworzy poziomy mieszane AC. Uwagę zwraca stosunkowo mała jej zawartość (22,0-39,4 txha_1), co świadczy o słabej jakości gleb (tab. 2). Jest to jednak materia organiczna o dużej podatności na przemiany
TABELA 1. Skład granulo metryczny badanych gleb TABLE 1. Soil texture o f the investigated soils Nr profilu Profile No. Poziom Horizon Głębokość Depth [cm] % frakcji o średnicy [mm] % fractions with diameter [mm]
Utwór glebowy Soü formation >1,0 1,0 -0,1 0,1 -0 ,0 2 <0,02 <0,002
Gleby antropogeniczne - Anthropogenic soils
1 Ap 0-8 11 75 14 11 4 Pgl CGI 8-52 16 93 4 3 1 Pi WG 52-58 0 13 36 51 26 gcp CG2 58-150 7 32 34 34 15 glp 2 AC 0 -18 8 46 19 35 13 gl CGI 18-54 17 92 3 5 2 Pi CG2 54-150 6 33 30 37 13 gsp 3 AC 0 -18 14 68 17 15 8 Pgl CGI 18-48 8 95 2 3 1 Pi CG2 48-85 7 46 27 27 15 glp С 85-150 5 51 26 23 10 glp pi - piasek luźny; loose sand, pgl - piasek gliniasty lekki; light loamy sand, gl - glina lekka; light loam, glp - glina lekka pylasta; light dusty loâm, gsp - glina średnia pylasta; medium dusty loam, gcp - glina ciężka pylasta; heavy dusty loam
mikrobiologiczne. Zawiera bowiem znaczne ilości azotu ogólnego (0,34-2,09 gxkg'1), a stosunek C:N jest wąski (10,8-12,1). Poziomy powierzchniowe zachowująprzy tym strukturę agregatową, i mają szarą barwę (5 Y 4/1), charakterystyczną dla poziomów próchnicznych. Nie wyczuwa się w nich nieprzyjemnej woni ścieków, związków węglo wodorowych czy wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych. Mają odczyn obojętny i zasadowy (pHKC| 6,83-7,43), wysoką pojemność sorpcyjną (284-300 mmol(+)xkg_l) i są sorpcyjnie nasycone, gdyż stopień wysycenia kompleksu kationami zasadowymi (V) wynosi 89,6-96,7% (tab. 2).
Zawartość makroskładników w glebach jest zróżnicowana zależnie od składu granulometrycznego utworów macierzystych (tab. 3). Najwięcej jest ogólnego wapnia (0,6-23,6 gxkg-') i magnezu (2,0-6,2 gxkg“1), mniej potasu (1,7-5,0 gxkg'1) i fosforu (0,92-1,8 gxkg-1), a najmniej sodu (0,234),43 gxkg-1). W ocenie literaturowej są to zawartości naturalne, charakterystyczne dla nieskażonych gleb Polski [Czarnowska 1996]. Dostępność ich dla roślin jest jednak bardzo zróżnicowana. W poziomach powierzchniowych najwięcej jest przyswajalnego fosforu (62-172 mg Pxkg~‘) i potasu (83-141 mg Kxkg“1), a mniej magnezu (48-63 mg Mgxkg-1). Oceniane na podstawie
TABELA 2. Właściwości fizyczne i fizykochemiczne poziomów Ap badanych gleb TABLE 2. Properties physical and physicochemical of Ap horizons of investigated soils
Wyszczególnienie Specification
Jednostka Unit
Nr profilu - Profile No.
1 2 3
Gęstość - Bulk density [Mgxm-3] 1,27 1,73 1,63 Porowatość ogólna - Total porosity [cm-3X100 cm-3] 51,1 34,6 38,1
Materia organiczna - Organic matter [gxkg'1] 38,8 7,1 12,9 [txha-1] 39,4 22,0 37,9 pH w KCl 6,83 7,43 7,38 С organiczny - organic С [gxkg-1] 22,5 4,1 7,5 N ogólny - N total [gxkÉT1] 2,09 0,34 0,64 С : N 10,8 12,1 11,7 Kwasowość hydrolityczna Hydrolitic acidity [mmol^xkg"1 s.m.] 31 10 10
Suma zasadowych kationów wymiennych - Sum of bases (ВС)
[mmol(+)xkg_1s.m.] 267 274 290
Pojemność sorpcyjna (T)
Cation exchangeable capacity (CEC)
[mmol(+)xkg",s.m.] 298 284 1
300 i Stopień wysycenia kompleksu
kationami zasadowymi - Base saturation (BS)
Potrzeby rekultywacyjne gleb zbiorników doczyszczających ścieki 71
TABELA 3. Niektóre właściwości chemiczne badanych gleb TABLE 3. Some chemical properties o f investigated soils
Wyszczególnienie Specification
Nr profilu - Profile No.
1 2 3
Glebowy poziom genetyczny - Genetic horizon o f soils Ар CG2 AC CG2 AC CG2
Formy ogólne - Total forms [gx kg_l]
P 0,18 0,10 0,09 0,09 0,10 0,08 К 0,17 0,33 0,50 0,50 0,25 0,30 Mg 0,20 0,34 0,62 0,49 0,28 0,45 Ca Na 0,39 0,06 1,34 2,36 0,39 1,73 0,023 0,027 0,043 0,044 0,024 0,030
Formy przyswajalne - Available forms [mgxkg-1]
P 172 132 62 7 147 12
К 83 25 141 91 83 75
Mg 53 59 63 65 48 53
Metale ciężkie - Heavy metals [mgxkg"1]
Cd 0,36 0,28 0,22 0,32 0,42 0,42 Cr 18,2 20,0 18,0 17,7 18,2 13,2 Cu 16,8 16,4 10,5 9,1 8,6 6,6 Ni 9,1 12,8 17,8 16,2 16,9 12,2 Pb 14,4 13,5 13,4 18,7 16,2 12,0 Fe 7 280 13 055 13 600 10 500 10130 9 450 Zn 114,4 34,9 33,2 30,8 29,7 23,2 Hg 0,074 0,030 0,014 0,020 0,020 0,006
liczb granicznych, w odniesieniu do fosforu i magnezu są to zawartości średnie do bardzo wysokich, a potasu - niskie do średnich. W warunkach użytkowania rolniczego zawartości te należy uwzględniać przy ustalaniu dawek nawozowych.
Z analizy metali ciężkich wynika, że we wszystkich próbkach glebowych stwierdzone zawartości kadmu, chromu, miedzi, niklu, ołowiu, cynku i rtęci zarówno w warstwie powierzchniowej (do 30 cm), jak i podpowierzchniowej (30-150 cm) występują w ilościach poniżej wartości dopuszczalnych stężeń w glebie określonych w „Załączniku do Rozporządzenia Ministra Środowiska z dnia 9 września 2002 roku” [Dz.U. nr 165 poz. 1369]. W rozumieniu przytoczonego Rozporządzenia, rozpatrywane gleby są chemicznie czyste, nieskażone metalami ciężkimi. Jednak w odniesieniu do liczb granicznych określonych
TABELA 4. Skład florystyczny zbiorow isk roślinnych [%] TABLE 4. Floristic com position o f plant communites [%] Lp.
N o .
G atunki - Species N r zdjęcia flo rys tyczne go Floristic survey N o. 1 2 3 1. T raw y - G r a s s e s G ly c e r ia m a x im a (H artm ; Holmb.) 8,8 5,7 7,9 2. G ly c e r ia f lu it a n s (L .) B. Br. 12,4 8,6 18,3 3. C a la m a g r o s tis s tr ic t a (Timm). K oeler 5,3 1,4 + 4. P h a l a ń s a r u n d in a c e a L. 8,8 4,3 2,6 5. P o a tr i v i a l is L. 3,5 8,6 13,1 6. A g ro p y r o n r e p e n s (L.) P. Beauv. 5,3 2,9 + 7. A lo p e c u r u s p r a te n s is L. 7,1 4,3 5,2 8. A g r o s tis s to lo n if e r a L. 3,5 4,3 2,6 9. F e s tu c a r u b r a L. 1,8 2,9 + 10. A g r o s tis g ig a n te a Roth. 3,5 1,4 2,6 11. P o a p r a te n s is L. + 5,3 2,6 1. M o ty lk o w a te - L e g u m e s
T rifo liu m h y b rid u m L. 1,9 1,7 1,7 2. L o tu s u lig in o su s Schkuhr 0,8 1,7 1,7 3. V icia c r a c c a L. 1,7 1,7 + 4. L a th y r u s p r a te n s is L. 0,8 + + 5. L o tu s c o r n ic u la tu s L. + + + 6. L a th y r u s p a l u s t r i s L. + 5,0 1,7 1.
Z io ła i c h w asty - H e rb s a n d w eed s
P o ly g o n u m a m p h ib iu m L. 0,6 + + 2. P o ly g o n u m p e r s i c a r ia L. 1,2 1,5 + 3. L y th r u m s a lic a r ia L. 3,0 1,5 2,8 4. T a ra x a c u m sect. V u lg a ria Dahlast. 3,6 13,3 9,1 5. L y s im a c h ia n u m m u la r ia L. 1,2 1,5 2,8 6. R a n u n c u lu s r e p e n s L. 1,8 3,0 5,7 7. R a n u n c u lu s a c r is L. 0,6 1,5 2,8 8. R a n u n c u lu s a u r io c o m u s L. 0,6 1,5 + 9. R a n u n c u lu s b u lb o s u s L. 0,6 + + 10. P o te n tilla a n s e r in a L. 1,2 4 ,4 2,8 11. A c h ille a m ille fo liu m L. 0,6 1,5 + 12. C irsiu m a r v e n s e (L.) Scop. 1,2 1,5 2,8 13. T u ssila g o f a r f a r a L. 0,6 + + 14. A r te m is ia v u lg a r is L. 1,8 1,5 2,8 15. J u n c u s c o n g lo m e r a tu s L. 3,6 1,5 2,8 16. J u n c u s e ffu su s L. 3,0 1,5 2,8 17. J u n c u s a r tic u la tu s L. 3,0 1,5 + 18. U r tic a d io ic a L. 1,2 1,5 + 19. C o m a r u m p a l u s t r e L. + 20. R u m e x c r is p u s L. 0,6 + 2,8 21. R u m e x o b tu s if o liu s L. 0,6 + + 22. G a liu m a p a r in e L. 0,6 + + 23. M e n th a a r v e n s is L. 0,6 + 24. C a re x a c u tifo r m is Ehrh. 1,2 + 25. T yp h a la tif o lia L. 0,6 26. J u n c u s in fle x u s L. 1,2 + + 27. H e ra c le u m s ib ir ic u m L. + 1,5 + 28. A r te m is ia a b s in th iu m + + 29. L in a r ia v u lg a r is Miller + + + 30. S te lla r ia m e d ia (L .) Vill + + + 31. C irs iu m la n c e o la tu m (L.) Scop. + + 32. G a liu m m o llu g o L. + + 49 Razem - Total 100,0 100,0 100,0
Potrzeby rekultywacyjne gleb zbiorników doczyszczających ścieki 73
dla użytków rolnych [Kabata-Pendias i in. 1993], stwierdza się w nich podwyższoną zawartość cynku (do П0). Gleby te należą zatem do użytków rolnych słabo zanieczyszczonych, tj. na których istniejąograniczenia dotyczące uprawy roślin przeznaczonych do bezpośredniej konsumpcji. Dozwolona jest natomiast bez ograniczeń uprawa zbóż, roślin okopowych i pastewnych oraz kośne i pastwiskowe użytkowanie traw.
Istniejący stan warunków siedliskowych dobrze odzwierciedlają samoistnie pojawiające się zbiorowiska roślinne (tab. 4). Dno zbiornika doczyszczającego porasta zbiorowisko typu
Glyceria fluitans, Glyceńa maxima i Phalaris arundinacea (zdjęcie nr 1), Poa trivialis, Glyceria fluitans i Taraxacum sect. Vulgaria Dahlast (zdjęcie 2) oraz Glyceria fluitans i Poa trivialis (zdjęcie 3). Zadamienie powierzchni wynosi 55-60%. W runi zanotowano 49
gatunków roślin, w tym 32 gatunki zaliczane do grupy ziół i chwastów. Są to głównie gatunki hydrofilne, wśród których najliczniej były prezentowane: Lythrum salicaria L., Lysimachia
nummularia L., Ranunculus repens L., Potentilla anserina L., Artemisia vulgaris L. i Juncus conglomerates L. Pozytywnym zjawiskiem jest udział w runi roślin motylkowatych,
takich jak: Trifolium hybridum L., Lotus uliginosus Schk., Vicia cracca L., Lathyrus
pratensis L., Lotus comiculatus L. i Lathyrus palustris L.
Z przeprowadzonych badań wynika, że na dnie stawu doczyszczającego ścieki komunalne, cztery lata po zakończeniu eksploatacji, ukształtowały się siedliska glebowe z określonymi zbiorowiskami roślinnymi. Osuszony staw nie zagraża środowisku, a procesy spontanicznego odtwarzania zbiorowisk roślinnych zaszły już daleko i spełnia on funkcję użytku ekologicznego. Jest zadamiony, stanowi enklawę wielu gatunków roślin i może być miejscem lęgowym ptaków. Takie koncepcje rekultywacji funkcjonują na obszarach przemysłowych [Rostański 2000; Woźniak, Kompała 2000], a procesy naturalne zapewniają trwałą i najlepiej przystosowaną roślinność do określonych warunków siedliska.
WNIOSKI
1. W okresie czterech lat, w osuszonym stawie doczyszczającym ścieki komunalne ukształtowały się gleby antropogeniczne słabo zanieczyszczone cynkiem (II0), które samorzutnie porastają hydrofilne zbiorowiska trawiasto-zielne.
2. Propozycje rekultywacji gleb w likwidowanych stawach są alternatywne i wy nikają z założonego kierunku użytkowania terenu.
3. Rekultywacj a przy zagospodarowaniu przyrodniczym j est zbędna, gdyż sponta niczna renaturyzacja zapewnia bioróżnorodność siedliska.
4. Prace rekultywacyjne na potrzeby rolnictwa zrównoważonego powinny zmie rzać w kierunku:
- poprawy warunków wodnych poprzez likwidację nieprzepuszczalnych warste wek ilastych;
- zwiększenia w glebach zasobów materii organicznej ;
- rolniczego zagospodarowania agrotechnicznego z coroczną uprawą płużną lub wytworzenia właściwego zadamienia.
LITERATURA
BYKOWSKI J., SZAFRAŃSKI C., FIEDLER M. 2000: Oddziaływanie zabiegów agromelioracyj- nych na gospodarkę wodną zdrenowanych gleb intensywnie użytkowanych rolniczo, /« i. Ekol 1: 129-137.
BOBRECKA-JAMRO D., KWIATKOWSKA A., JARECKI W. 2005: Wartość nawozowa ście ków oczyszczonych. Zesz. Probl. Post. Nauk Roln. 506: 41-47.
CZARNOWSKA K. 1996: Ogólna zawartość metali ciężkich w skałach macierzystych jako tło geochemiczne gleb. Rocz. Glebozn. (Supl.) 47: 43-50.
KABATA-PENDIAS A., MOTOWICKA-TERELAK T., PIOTROWSKA M., TERELAK H., WI TEK T. 1993: Ocena stopnia zanieczyszczenia gleb metalami ciężkimi i siarką. Ramowe wy tyczne dla rolnictwa. Puławy, Seria P(53): 20 ss.
ROSTAŃSKI A. 2000: Rekultywacja i zagospodarowanie nieużytków poprzemysłowych - roz wiązania alternatywne. Inż. Ekol. 1: 81-86.
Systematyka gleb Polski. 1989: Rocz. Glebozn. 40(3/4): 1-150.
Ustawa z dnia 3 lutego 1995 roku o ochronie gruntów rolnych i leśnych. Dz. U. z 22 lutego 1995 r. WOŹNIAK G., KOMPAŁA A. 2000: Rola procesów naturalnych w rekultywacji nieużytków
poprzemysłowych. Inż. Ekol. 1: 87-93.
Załącznik do rozporządzenia Ministra Środowiska z dnia 9 września 2002 roku. Dz. U. Nr 165 poz. 1369.
D r inż. Arkadiusz Bieniek
K atedra G leboznaw stw a i O chrony Gleb UW M Olsztyn 10 - 727 Olsztyn, P la c Łódzki 3
