Способ очистки почвы от тяжелых металлов

Изобретение относится к биотехнологии и может применяться в коммунальном хозяйстве для рекультивации загрязненных почв, в горнодобывающей промышленности, в химической промышленности для утилизации загрязненных шламов и осадков. Способ включает выращивание культурных растений-аккумуляторов на рекультивированных почвах с соблюдением агротехники к возделываемой культуре и с использованием побуждающего вещества - закислителя почвы, сбор частей растений-аккумуляторов, в которых накоплен тяжелый металл. Дополнительно выращивают растения, выделяющие подкисляющие вещества в почву, а через электроды, размещенные в прикорневой зоне растений-аккумуляторов или подсоединенные к самим растениям-аккумуляторам, подают положительный и/или отрицательный потенциал от 1 до 1000 В. Способ позволяет рекультивировать почву быстрее в 5-15 раз, при этом повышается плодородие и кадастровая ценность земель. 6 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к биотехнологии и может применяться в коммунальном хозяйстве для рекультивации загрязненных почв, в горнодобывающей промышленности редких, цветных и драгоценных металлов, в химической промышленности для утилизации загрязненных шламов и осадков.

Известен способ фиторекультивации выращиванием растений, в частности ячменя. Ячмень аккумулирует за вегетационный период с 1 га - не более 112 г селена. Чтобы рекультивировать участок от селена (ПДК - 565 мг на л), потребуется пять лет и 4 месяца достижения ПДК в почве / Куркова Т.Н., Скрыпник Л.Н. Определение микрограммовых количеств селена в растениях методом атомно-абсорбционной спектроскопии с проточно-инжекционным генерированием гибридов. // Химическое загрязнение среды обитания и проблемы экологической реабилитации нарушенных экосистем: сб. мат. II Всероссийской научно-практической конференции. - Пенза, 2004. - С.100-102/. Селен в почве находится в виде осадка в связанном виде, часть его корням растений недоступна и для биоконцентрирования селена требуется много времени.

Известно использование очищения агроэкосистемы за счет введения в почву цеолитов /Цицишвили Г.В. Исследование природных цеолитов / Адсорбенты, их получение, свойства и применение. - Л.: Наука, 1985. - С.121-125 /, использование цеолитов имеет временный эффект, так как тяжелые металлы не извлекаются, а только временно связываются. Цеолиты - ценное и дорогостоящее сырье, не всегда находящееся на территории агроэкосистемы, а значит малодоступное для повсеместного применения.

Известен способ рекультивации почв, загрязненных нефтью и нефтесодержащими продуктами / Патент РФ №2009626, А01В 79/02, 30.03.1994 /, его недостатком является использование только на почвах, загрязненных нефтью и нефтесодержащими продуктами. Указанный способ не позволяет извлекать нефтепродукты из почвы, а только способствует вымыванию в окружающую среду.

Известен способ фиторекультивации почв с использованием растений аккумуляторов загрязненной /Керимова З.М., Исламова Ф.И. Топинамбур - высокоэкологическая и биоэнергетическая культура реабилитации и рекультивации загрязненных земель // Химическое загрязнение среды обитания и проблемы экологической реабилитации нарушенных экосистем: сб. мат. II Всероссийской научно-практической конференции. - Пенза, 2004. - С.81-83/. Использование Козлятника Восточного (Galega Orientalis) на объектах после взрыва ЧАЭС/топинамбура (Helianthus tuberosus) с использованием в промежуточной трофической цепи.

Недостатком этого способа является то, что выращенные растения не собирают и утилизации их не происходит, почва после перегнивания растительных остатков остается. Использование на ограниченной территории эродированных почв из-за большой глубины залегания корневой системы, которая впоследствии будет являться засорителем поля следующего севооборота /Луценко Л.А. Агробиоэнергетическая и радиологическая оценка многолетних трав в одновидовых и смешанных посевах на эродированных почвах, загрязненных радионуклидами. // Химическое загрязнение среды обитания и проблемы экологической реабилитации нарушенных экосистем: сб. мат. II Всероссийской научно-практической конференции. - Пенза, 2004. - С.110-115/.

Ближайшим аналогом является способ индуцирования гипераккумулирования металла в побегах растения / Заявка РФ №9811945, В09С 1/10, 2000/, включающий в себя посадку растения в почвенную среду, загрязненную одним или несколькими металлами, культивирование растения в почвенной среде при условиях и в течение времени, достаточных для того, чтобы растение аккумулировало металл в своих корнях, осуществляют манипулирование почвенной средой для увеличения подачи металлов из среды в растение и воздействие на растение побуждающего вещества при условиях и в течение времени, достаточных для индуцирования побуждающим веществом гипераккумулирования металла в побегах растения. Вводят дополнительные гербициды, добавки, кислоты до кислотности рН 3-5.

Недостатком является то, что растения находятся в критических условиях, а окружающая среда дополнительно загрязняется за счет вымывания как гербицидов и прочих добавок, так и за счет загрязнителей, находящихся в почве, т.к скорость биоаккумумуляции сравнительно невелика.

Задачей является создание способа, позволяющего извлечь загрязнители из почв, провести их биоаккумуляцию, исключающую попадание загрязнителей в окружающую среду, вымывание загрязнителей в грунте воды, в условиях оптимального диапазона состава почв для жизнедеятельности растений очистителей, сокращение сроков рекультивации земель и биоаккумуляция.

Поставленная задача достигается тем, что в известном способе очистки почвы от тяжелых металлов, включающем выращивание культурных растений-аккумуляторов на рекультивированных почвах с соблюдением агротехники к возделываемой культуре и с использованием побуждающего вещества - закислителя почвы, сбор частей растений, дополнительно выращивают растения, выделяющие подкисляющие вещества в почву, а через электроды, размещенные в прикорневой зоне растений-аккумуляторов или подсоединенные к самим растениям-аккумуляторам, подают положительный и/или отрицательный потенциал от 1 до 1000 В, способствующий диффузии ионов водорода, и/или гидроксила, и/или комплексона в почву, при этом дополнительно создают разницу потенциалов почвы.

Сбор частей растений-аккумуляторов осуществляют до достижения концентрации металлов в почве менее предельно допустимых.

Для ускорения процесса движения ионов и комплексонов дополнительно создают импульсы напряжения в 1-20 кВ и длительностью 1-10 мс.

Для снижения вязкости водной среды при движении ионов дополнительно прилагают напряжение с частотой 19-21 кГц с периодичностью, равной времени релаксации молекул воды в растениях и/или в почве.

Дополнительно вводят в почву побуждающее вещество, выбранное из группы, включающей: органические кислоты, в т.ч молочную, винную, пировиноградную кислоту, аминокислоты, аммиак, мочевину, оксикислоты, ацетали, хлорофилл, порфирины, в количестве, не превышающем содержание металлов в почве.

Импульсы создают при влажности почвы, превышающей 25%, а влажность определяют по проводимости почв.

При влажности почвы ниже 25% насыщают воздух над растениями аэроионами, создающими нужный знак заряда растений через разрядник с напряжением не менее 1000 В.

Способ осуществляется следующим образом.

На чертеже показана схема осуществления способа. Растение-аккумулятор - 1, 2 - электроды, подключаемые к растению. Вариант «А» - электрод подключен к верхней части растения. Вариант «В» - электрод установлен непосредственно в прикорневую часть растения. 3 - блок питания, 4 - заземляющий электрод, 5 - почва.

В первый год фиторекультивации входит незначительное подкисление субстрата до рН 5-6 молочной кислотой с использованием торфяных горшочков на рекультивированном отвале при наличии в нем ионно-обменной сорбции для предотвращения вымывания и выдувания с подверженных эрозионным процессам поверхностей. Высаживают растения, выделяющие подкисляющие вещества в почву (закислители), с последующим их сбором и утилизацией. В качестве растений-закислителей используют ляденец рогатый, пшеницу, ячмень, полынь, папоротник орляк.

Второй год фиторекультивации включает в себя подбор растений-биоаккумуляторов, к которым подсоединяют электрод, при этом второй заземляют. При рекультивации существует постоянная подача потенциала и также подают дополнительные импульсы, чтобы увеличить количество ионов. При подаче на электроды заданного потенциала за вегетационный период в течение дождливого периода за счет разности потенциалов и кислой среды в присутствии комплексонов происходит диффузия и накопление металлов в растении-аккумуляторе, тем самым само растение становится источником извлечения металлов. Тяжелый металл в растениях накапливается за счет разности потенциалов, которая ускоряет процесс осмотического давления и движет ионы металлов в растении за счет осмоса и диффузии, формируя его как сорбент. При совмещении растений раскислителей и аккумуляторов сроки рекультивации могут быть снижены в два раза. Если молекулы загрязнителя не заряжены, то введение комплексона позволяет создать комплекс - комплексона загрязнителя, обладающего зарядом, а значит и способностью к электромиграции под действием электрических потенциалов. Дополнительно для ускорения физиологических процессов аккумулирования в растении прилагают для снижения вязкости воды в субстрате и в растении напряжение с частотой 19-21 кГц. Импульсы напряжения во влажном субстрате с величиной 1-20 кВ с длительностью 1-10 мс ускоряют процесс движения ионов и комплексонов в растении и субстрате. Расположенные линии электропередач над рекультивируемым полем могут служить средством дополнительного переменного напряжения для электромиграции цвиттер-ионов или полярных веществ. Насыщение аэроионами создает нужный знак заряда растений через разрядник с напряжением не менее 1000 В. Источником такого напряжения могут быть также и линии электропередач, оборудованные специальными разрядниками. Из проведенного эксперимента следует, что растения, выращенные на обработанном субстрате молочной кислотой и подвергшиеся через электроды за счет разности потенциалов электровоздействию, аккумулировали в себе в 1,5 раза больше тяжелых металлов, чем в контрольных вариантах.

Определение микрограммовых количеств веществ в растениях проводят методом атомно-абсорбционной спектроскопии с проточно-инжекционным генерированием гибридов.

Скорость электромиграции ионов металла из почвы в растения определяют следующими уравнениями.

где u - электроподвижность;

V - скорость миграции, м/с;

Х - напряженность электрического поля, В/м;

U - напряжение;

L - расстояние между растениями, м;

τ - время извлечения электрохимическим способом, с.

Коэффициент биоконцентрирования определяли по уравнению

где К - коэффициент концентрации;

Ср - концентрация в растении, мкг/кг;

Сз - концентрация в почве, мкг/г.

Пример 1.

В почву, в двух емкостях содержащую 0,1113 мг на л свинца, поместили семена пшеницы Triticum vulgare, в контрольной пробе, без создания потенциала коэффициент биоконцентрирования составил в зерне - 47,74, в соломе - 42,22. В пробе, на которую подали 14 В в зону листа, за вегетационный период (90 суток) накопление возросло по сравнению с контрольной в 1,5 раза. Время биорекультивации - один сезон.

Пример 2.

В почву, в двух емкостях содержащую 0,1113 мг на л свинца, поместили семена пшеницы Triticum vulgare, в контрольной пробе без создания потенциала коэффициент биоконцентрирования составил в зерне - 47,74, в соломе - 42,22. В пробе, на которую подали 14 В в зону листа, дополнительно поливали раствором молочной сыворотки, за вегетационный период (90 суток) накопление возросло по сравнению с контрольной в 2 раза. Время биорекультивации 90 суток.

Пример 3

В почву, в двух емкостях содержащую 0,0016 мг на л титана, поместили семена пшеницы Triticum vulgare, в контрольной пробе без создания потенциала коэффициент биоконцентрирования составил в зерне - 1625, в соломе - 15500. В пробе, на которую подали 14 В в зону листа, за вегетационный период (90 суток) накопление возросло по сравнению с контрольной в 1,5 раза. Время биорекультивации - один сезон.

Пример 4.

В почву, в двух емкостях содержащую 0,0016 мг на л титана, поместили семена пшеницы Triticum vulgare, в контрольной пробе без создания потенциала коэффициент биоконцентрирования составил в зерне - 1625, в соломе - 15500. В пробе, на которую подали 14 В в зону листа, дополнительно поливали раствором молочной сыворотки, за вегетационный период (90 суток) накопление возросло по сравнению с контрольной в 1,8 раза.

Пример 5.

В почву, в двух емкостях содержащую 1,01 мг на л никеля, поместили семена сои, в контрольной пробе без создания потенциала коэффициент биоконцентрирования составил в зерне - 2,17, в соломе - 14,85. В пробе, на которую подали 14 В в зону листа, за вегетационный период (70 суток) накопление возросло по сравнению с контрольной в 1,6 раза.

Пример 6.

В почву, в двух емкостях содержащую 1,01 мг на л никеля, поместили семена сои, в контрольной пробе без создания потенциала коэффициент биоконцентрирования составил в зерне - 2,17, в соломе - 14,85. В пробе, на которую подали 14 В в зону листа, дополнительно поливали раствором молочной сыворотки, за вегетационный период (70 суток) накопление возросло по сравнению с контрольной в 2,0 раза.

Пример 7.

В почву, в двух емкостях содержащую 4,09 мг на л стронция, поместили семена сои в контрольной пробе без создания потенциала коэффициент биоконцентрирования составил в зерне - 3,49, в соломе - 8,6. В пробе, на которую подали 14 В в зону листа, за вегетационный период (70 суток) накопление возросло по сравнению с контрольной в 1,4 раза.

Пример 8.

В почву, в двух емкостях содержащую 4,09 мг на л стронция, поместили семена сои, в контрольной пробе без создания потенциала коэффициент биоконцентрирования составил в зерне - 3,49, в соломе - 8,6. В пробе, на которую подали 14 В в зону листа, дополнительно поливали раствором молочной сыворотки, за вегетационный период (70 суток) накопление возросло по сравнению с контрольной в 2,0 раза.

Пример 9.

В почву, в двух емкостях содержащую 0,318 мг на л хрома, поместили семена сои, в контрольной пробе без создания потенциала коэффициент биоконцентрирования составил вил в зерне - 22,95, в соломе - 27,35. В пробе, на которую подали 14 В в зону листа, за вегетационный период (70 суток) накопление возросло по сравнению с контрольной в 1,4 раза.

Пример 10.

В почву, в двух емкостях содержащую 0,318 мг на л хрома, поместили семена сои, в контрольной пробе без создания потенциала коэффициент биоконцентрирования составил в зерне - 22,95, в соломе - 27,35. В пробе, на которую подали 14 В в зону листа, дополнительно поливали раствором молочной сыворотки, за вегетационный период (70 суток) накопление возросло по сравнению с контрольной в 2,0 раза.

Пример 11.

В почву, в двух емкостях содержащую 24,52 мг на л бария, поместили семена пшеницы Triticum vulgare, в контрольной пробе без создания потенциала коэффициент биоконцентрирования составил в зерне - 0,044, в соломе - 0,25. В пробе, на которую подали 14 В в зону листа, за вегетационный период (90 суток) накопление возросло по сравнению с контрольной в 1,5 раза.

Пример 12.

В почву, в двух емкостях содержащую 24,52 мг на л бария, поместили семена пшеницы Triticum vulgare, в контрольной пробе, без создания потенциала коэффициент биоконцентрирования составил в зерне - 0,044, в соломе - 0,25. В пробе, на которую подали 14 В в зону листа, дополнительно поливали раствором молочной сыворотки, за вегетационный период (90 суток) накопление возросло по сравнению с контрольной в 2 раза.

Тем самым показано, что при создании дополнительно электрического потенциала в растении и при подкислении, введении комплексонов биорекультивация происходит быстрее, биоконцентрирование интенсифицируется. По сравнению с известными способами биорекультивацию можно ускорить в 5-15 раз.

Используя севооборот с чередованием выбранных культур по данному способу, можно повышать плодородие и кадастровую ценность земель.

1. Способ очистки почвы от тяжелых металлов, включающий выращивание культурных растений-аккумуляторов на рекультивированных почвах с соблюдением агротехники к возделываемой культуре и с использованием побуждающего вещества - закислителя почвы, сбор частей растений-аккумуляторов, в которых накоплен тяжелый металл, отличающийся тем, что дополнительно выращивают растения, выделяющие подкисляющие вещества в почву, а через электроды, размещенные в прикорневой зоне растений-аккумуляторов или подсоединенные к самим растениям-аккумуляторам, подают положительный и/или отрицательный потенциал от 1 до 1000 В, способствующий диффузии ионов водорода, и/или гидроксила, и/или комплексона в почву, при этом дополнительно создают разницу потенциалов почвы.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что сбор частей растений-аккумуляторов осуществляют до достижения концентрации тяжелых металлов в почве менее предельно допустимых.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительно создают импульсы напряжения в 1-20 кВ и длительностью 1-10 мс.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительно прилагают напряжение с частотой 19-21 кГц с периодичностью, равной времени релаксации молекул воды в растениях и/или в почве.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительно вводят в почву побуждающее вещество - закислитель почвы, выбранное из группы, включающей органические кислоты, в том числе молочную, винную, пировиноградную кислоту, аминокислоты, аммиак, мочевину, оксикислоты, ацетали, хлорофилл, порфирины, в количестве, не превышающем содержание тяжелых металлов в почве.

6. Способ по п.4, отличающийся тем, что импульсы создают при влажности почвы, превышающей 25%.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что при влажности почвы ниже 25% насыщают воздух над растениями аэроионами, создающими нужный знак заряда растений через разрядник с напряжением не менее 1000 В.