Способ рекультивации нарушенных земель
Владельцы патента RU 2336684:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Пермский государственный университет" (RU)
Изобретение относится к области экологии. Способ включает внесение на поверхность почвы отходов химических производств, в качестве которых используют шлам - отход содового завода в количестве 10-40 кг/м2. Затем проводят вспашку. После вспашки дополнительно вносят активный ил очистных сооружений химического завода в количестве 4-5 кг/м2 с последующим посевом семян растений. Шлам - отход содового завода содержит, мас.%: кальцит (СаСО3) - 79-97, арагонит (СаСО3) - 1-2, доломит - до 1, кварц - 1-8, вода - остальное. Активный ил очистных сооружений химического завода содержит, мас.%: минеральные вещества - 53-78, органические вещества - 22-47, в т.ч. общего азота до 3,6%, фосфора до 4,8%. В качестве семян растений предпочтительно используют канареечник тростниковидный, клевер луговой, люцерну посевную и пырей ползучий. Способ позволяет создать устойчивый растительный покров на нарушенных землях, нейтрализовать токсичность земель и утилизировать отходы химических производств. 3 з.п. ф-лы, 1 ил., 3 табл.
Область техники
Изобретение относится к области экологии, а именно к рекультивации нарушенных угледобычей земель.
Уровень техники
Проблема рекультивации нарушенных угледобычей земель разрабатывается более полувека. Первые опыты по рекультивации имели место на территории Донецкого угольного бассейна в 30-е годы прошлого века, однако наиболее активно исследования для целей рекультивации развернулись уже в 1960-1970-е годы на объектах Подмосковья (Л.В.Моторина и др.), Кузбасса (Л.П.Баранник, С.С.Трофимов и др.). В 1975 году для решения природоохранных проблем угольной отрасли создан отраслевой научно-исследовательский институт - ВНИИОСуголь (в настоящее время - ФГУП МНИИЭКОТЭК) с мощной лабораторно-научной базой, в том числе для разработки рекультивационной тематики (Т.К.Надршин и др.). Длительный период проработки вопросов рекультивации специфических по геохимической обстановке техногенных территорий районов угледобычи не дал эффективного результата. До настоящего времени остается неразработанной даже методическая база быстрой локализации негативных процессов, не известны методы результативной консервации техногенных ареалов и рекультивации нарушенных земель. Предусматриваемые стандартными проектами рекультивационные мероприятия ориентированы на приемы и способы, отработанные на объектах других отраслей, не учитывают специфики объектов угледобычи. По сложившейся традиции ведущим направлением восстановления земель обычно избирается природоохранное, предусматривающее выравнивание и залужение нарушенной поверхности. Нейтрализация токсичных грунтов при этом проводится путем создания глинистого экрана, подстилающего потенциально плодородный почвенно-грунтовый слой, или внесением громадных объемов извести. Данные мероприятия в большинстве случаев неэффективны, поскольку не дают гарантии успешного восстановления древесно-кустарниковой растительности и не могут быть реализованы в лесной зоне. Печальный опыт лесной рекультивации объектов Подмосковного бассейна широко известен (Моторина Л.В. Проблемы и перспективы рекультивации земель в СССР // Научно-технические проблемы рекультивации земель, нарушенных при добыче полезных ископаемых в СССР. М., 1982).
В последнее десятилетие неоднократно предпринимались попытки ускоренной рекуперации токсичных грунтосмесей штаммами микроорганизмов. Опыт микробиологической рекультивации, выполненной научным подразделением ФГУП МНИИЭКОТЭК, имел место и на объектах Кизеловского угольного бассейна (далее КУБа), но результата не дал вследствие низкой толерантности микробной культуры, ее повышенных требований к температурному режиму грунтов (Рекультивация территории Кизеловского пруда. Рабочий проект. Т.I-IV. ФГУП МНИИЭКОТЭК. Пермь, 2004).
Из патентной литературы известен способ рекультивации нарушенных почв путем покрытия рекультивируемой поверхности органическим субстратом. При этом сначала укладывают слой опилок, а затем слой ила очистных сооружений. В органический субстрат вносят дополнительно дезинфицирующее вещество, например хлорную известь, а после укладки ила его обрабатывают аммиаком (а.с. СССР №1360617, МПК А01В 79/02, Бюл. №47, 1987 г.).
Недостатком способа является низкая его эффективность из-за трудоемкости формирования плодородного слоя, низкой приживаемости растений на субстрате и вследствие этого длительность процесса рекультивации нарушенных почв.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому является способ рекультивации нарушенных при добыче угля земель, предусматривающий планировку поверхности, внесение угольных отходов перед вспашкой, посев семян растений и инокуляцию штаммом Azotobacter chroococcum Mut-1 N ВНИИСХМ В-35Д с посевом семян растений, при этом культуру берут в количестве 100-200 г/га (патент РФ №2072756, МПК А01В 79/02, опубл. 10.02.1997 г.).
Недостатками способа-прототипа являются трудоемкость процесса, а также значительные материальные затраты на операции планировки поверхности, инокуляцию и получение штаммов микроорганизмов.
Раскрытие изобретения
Задачей изобретения является создание устойчивого растительного покрова на землях, нарушенных в результате угледобычи, нейтрализация токсичной, дефляционно-активной поверхности с минимальными материальными затратами, охрана окружающей среды и утилизация отходов химических производств.
Поставленная задача решается с помощью признаков, указанных в 1-мпункте формулы изобретения, общих с прототипом, таких как способ рекультивации нарушенных земель, включающий внесение на поверхность почвы отходов, вспашку и посев семян растений, и отличительных существенных признаков, таких как в качестве отхода химических производств используют шлам - отход содового завода в количестве 10-40 кг/м2, причем после вспашки дополнительно вносят активный ил очистных сооружений химического завода в количестве 4-5 кг/м2 с последующим посевом семян растений.
В пункте 2 формулы изобретения раскрыто содержание отхода содового завода, а именно шлам - отход содового завода содержит, мас.%:
| кальцит (СаСО3) | 79-97 |
| арагонит СаСО3) | 1-2 |
| доломит | до 1 |
| кварц | 1-8 |
| вода | остальное |
В пункте 3 формулы изобретения раскрыто содержание активного ила, а именно активный ил очистных сооружений химического завода содержит, мас.%:
| минеральные вещества | 53-78 |
| органические вещества | 22-47 в т.ч. общего азота до 3,6%, |
| фосфора | до 4,8%. |
В пункте 4 формулы изобретения отражены виды семян, используемые в процессе, а именно в качестве семян растений предпочтительно используют канареечник тростниковидный, клевер луговой, люцерну посевную и пырей ползучий.
Снижение затрат и упрощение процесса достигается за счет использования в качестве нейтрализующего реагента для устранения токсичности грунтов отходов содового производства (г.Березники) в количестве 10-40 кг/м2, а в качестве органического удобрения - активного ила очистных сооружений ОАО «Метафракс» (г.Губаха) в количестве 4-5 кг/м2. Вышеуказанное количество отходов является оптимальным и установлено опытным путем.
Авторы впервые предлагают, используя производственные отходы смежных и прилегающих хозяйственных объектов, создать на участках прежнего сброса кислых шахтных вод КУБа почвенно-грунтовый слой, отвечающий требованиям биологической рекультивации - провести задернение поверхности отвалов.
Исходные компоненты для постановки опытов:
- Участки прежнего сброса кислых шахтных вод. Они сформировались в период работы добывающих шахт, когда шахтную воду приходилось постоянно откачивать из горных выработок и сбрасывать на поверхность до ближайшего водотока. После закрытия шахт (1990-е гг.) откачка вод прекращена, однако нарушенные земли до сих пор остаются непригодными для развития растений вследствие высокого содержания сульфатов, железа, алюминия, тяжелых металлов. Грунты этих участков представляют собой измененные суглинки, имеют кислую реакцию среды - водородный показатель рН 2,7-3,0. Минеральный состав представлен аморфными окислами и гидроокислами железа. Кроме того, вынос загрязнителей с участков приводит к загрязнению поверхностных и подземных вод прилегающих территорий, обуславливает деградацию существующих экосистем.
- Отходы БСЗ используются в качестве нейтрализующего реагента для устранения токсичности грунтов. Относятся к 5 классу опасности, он более чем на 90% состоит из тонкодисперсного карбоната кальция. Водородный показатель вытяжки рН составляет 9-12. Содержание водорастворимых хлоридов, сульфатов, натрия в отходе этого слоя имеет низкие значения. Содержание 38 определенных спектральным анализом микроэлементов не превышает ПДК для валового содержания в почвах. Вредных органических примесей в шламе не обнаружено. Объем шлама, готового к использованию в качестве реагента для рекультивации нарушенных земель, без какой-либо подготовки превышает 1 млн.м3. ТУ-9023-01-5903003548-2002 «Реагент карбонатный».
- Активный ил очистных сооружений ОАО «Метафракс» впервые применяется авторами в качестве органического удобрения, содержащего в доступных формах элементы, необходимые для развития растений. Исследования показали высокие качества ила при его использовании для целей рекультивации. Он представляет собой гигроскопичную (влажность 49-54%) смесь минерального (53-78%) и органического (22-47%) вещества с достаточно высоким содержанием общего азота - до 3,6% и фосфора - до 4,8%. Водородный показатель вытяжки составляет 4,5-6,0. Концентрация тяжелых металлов не превышает предельных концентраций для почв в жилых районах и экосистем неаграрного назначения (СП 11-102-97). Содержание радионуклидов в норме. Имеется сертификат №СЕР (373)-В-26/ОС-26, согласно которому ил относится к IV классу опасности (малоопасные отходы).
Пример реализации способа.
План-схема опытов предполагала наблюдения за ходом формирования устойчивой дернины и микроэлементным составом наземной фитомассы как потенциального элемента пищевой цепи.
Схема опытов: см. чертеж.
Всего заложено 4 варианта опытов в трех повторностях каждый. На ненарушенном участке почвы в непосредственной близости от опытов размечена аналогичная площадка в качестве контрольной. Дозы вносимых реагентов - отходов содового производства и активного ила - предварительно устанавливались в лабораторных опытах.
Участки перед закладкой опытов размечаются вешками, надежно закрепляются на местности согласно приведенному ниже рисунку, трехкратные повторности разделяются бороздами.
Подбор травосмесей для опытов на участках изливов шахтных вод выполнен с учетом устойчивости травянистых видов к эдафическим условиям опыта, быстро растущих и формирующих противоэрозионную дернину.
С учетом эдафических условий и цели опыта избраны виды:
Канареечник тростниковидный - многолетний корневищный злак высотой до 2 м. Хорошо растет на обедненных элементами питания супесчаных и суглинистые почвах, устойчив как к засухе, так и к избытку влаги. Переносит засуху и затопление, продолжительностью до 50 дней. Зимостоек, хорошо переносит суровые зимы и поздние весенние заморозки. В опытах по рекультивации нефтезагрязненных земель в условиях северной тайги и тундры установлена высокая устойчивость канареечника к нефтепродуктам и прочим загрязнителям.
Клевер луговой - многолетнее стержнекорневое бобовое растение, устойчивое в культурах на кислых, бедных азотом, загрязненных нефтепродуктами почвах. Устойчивость в травосмесях со злаками поддерживается на протяжении длительного времени благодаря интенсивному самообсеменению и сидерофильным (обогащает почву азотом) свойствам.
Люцерна посевная - многолетнее длиннокорневищное растение, малотребовательное к качеству почвы. Сидерат - обогащает почву азотом за счет фиксации его из атмосферы. Благодаря мощной подземной и надземной фитомассе обладает высоким противоэрозионным и мелиоративным потенциалом.
Пырей ползучий - неприхотливый и малотребовательный к качеству почвы дерновинный злак. Устойчив к загрязнению. Морозостоек. Активно распространяется на хорошо освещенных участках благодаря вегетативному (корневищному) воспроизводству.
| Таблица 1 | ||
| Состав травосмеси и нормы высева | ||
| Виды трав | Нормы высева | |
| На 1 м2, г | На 100 м2, г | |
| Канареечник тростниковидный | 1,0 | 100,0 |
| Клевер луговой | 4,0 | 400,0 |
| Люцерна посевная | 2,0 | 200,0 |
| Всего вся травосмесь | 7,0 | 700,0 |
Посев произведен в первых числах июня 2004 г. на влажную, взрыхленную почву вручную путем разбрасывания семян на участке с последующим их тщательным многократным забораниванием граблями. Для ускорения процесса дерновинообразования на участке внедрен пырей ползучий «почвобрикетами». Выполняется это следующим образом: на луговине, обочине дороги и прочих местах, где произрастает пырей, срезается дерновина мощностью 10-15 см, нарезается полосами шириной 15-20 см. Куски дерновины заглубляются на опытной площади (на мощность дерновины) в виде межевых участков между вариантами опыта. При наличии уклона на участке прокладка полос дерновины производится перпендикулярно основной покатости.
Всего на площадках размещено 12 вариантов опыта согласно схеме, представленной выше.
| Таблица 2 | |||||
| Результаты первичной инвентаризации растительности на опытах по задернению поверхности участка прежнего сброса шахтных вод | |||||
| № пп | Объем внесенного для погашения избытка кислотности отхода БСЗ, кг/м2 / объем активного ила, кг/м2 | Продуктивность растительности в вариантах опыта, ц/га сухой массы | |||
| 1 - вскопано | 2 - вскопано, внесен отход БСЗ | 3 - вскопано, внесен отход БСЗ и азофоска | 4 - вскопано, отход БСЗ и активный ил | ||
| 1. | 10,0/4,0 | <0,3 | <0,5 | <1,0 | 9,7 |
| 2. | 20,0/4,5 | <0,5 | <0,5 | <1,0 | 3,5 |
| 3. | 40,0/5,0 | <0,5 | <1,0 | <1,0 | 7,1 |
Оценка опытов по фитопродуктивности и визуальным параметрам (составу травосмеси) показала, что наиболее устойчивый растительный покров сформировался в опыте 1-4 с внесением отхода БСЗ и «активного ила». В данном варианте опыта отмечена наиболее высокая фитопродуктивность - 9,7 ц/га сухой массы. Состояние растительного покрова визуально оценено как наиболее благополучное, т.к. в составе растительности в оптимальной для формирования дернины пропорции представлены бобовые виды и злаки.
Положительный результат от использования активного ила отмечен во всех вариантах опыта, где данный компонент внесен, однако на прочих площадках (варианты 2 и 3) состояние фитомассы по продукционным и видовым характеристикам оказалось не столь впечатляющим: продуктивность фитомассы была ниже, состав травосмеси обеднен бобовыми видами, что свидетельствует о ее неустойчивости в рассматриваемых условиях.
В этой связи была проведена оценка условий по уровню загрязняющей нагрузки в микроэлементной части спектра фитомассы. Для этого в соответствии со стандартными методами выполнен спектральный микроэлементный анализ фитомассы. Результаты анализа приведены в таблице 3. Для оценки уровня нагрузки использован рекомендуемый «Критериями оценки экологической обстановки территорий...» (1992) показатель максимально допустимого уровня (МДУ) насыщенности. Согласно полученным данным из рассмотренного стандартного спектра элементов в концентрациях, превышающих разрешающую способность метода, в фитомассе обнаружены 22 элемента. Практически все они (за исключением титана) входят в группу тяжелых металлов.
Сопоставление полученных концентраций с МДУ показало, что имеющие место концентрации химических элементов в фитомассе, выращенной в опытах, в целом не представляют экологической опасности, поскольку содержания не выходят за рамки природно-фоновых. Незначительное превышение над МДУ содержания Cr, V, Ti и Sr имеет тенденцию к снижению на 2 год наблюдений.
| Таблица 3 | |
| Содержание микроэлементов в сухой массе растительности на участке прежнего водоотлива шахты Широковская |
| Вид растительности (год) | Содержание микроэлементов, мг/кг сухой массы | |||||||||||
| Mi | Co | Cr | Mn | V | Ti | Cu | Zn | Mo | Ва | Sr | Zr | |
| Участок относительного фона | ||||||||||||
| Злаковая (2004) | 2,9 | 0,3 | 0,0 | 286,2 | 1,0 | 9,5 | 8,6 | 28,6 | 0,9 | 47,7 | 28,6 | 4,8 |
| Бобовая (2004) | 2,4 | 0,0 | 0,0 | 308,0 | 0,8 | 8,0 | 5,6 | 8,0 | 0,2 | 47,8 | 15,9 | 3,2 |
| Участок с внесением недостаточного количества реагента | ||||||||||||
| Злаковая (2004/2005) | |  |  |  |  |  |  |  |  |  |  |  |
| Бобовая (2004/2005) |  |  |  |  |  |  |  |  |  |  |  |  |
| Участок с внесением оптимального количества реагента | ||||||||||||
| Злаковая (2004/2005) |  |  |  |  |  |  |  |  |  |  |  |  |
| Бобовая (2004/2005) |  |  |  |  |  |  |  |  |  |  |  |  |
| Участок с внесением избыточного количества реагента | ||||||||||||
| Злаковая (2004/2005) |  |  |  |  |  |  |  |  |  |  |  |  |
| Бобовая (2004/2005) |  |  |  |  |  |  |  |  |  |  |  |  |
| Максимально допустимый уровень* | 5.0 | 1.0 | 1.0 | 300.0 | 1.5 | 10.0 | 30.0 | 60.0 | 1.0 | 190.0 | 37.0 | 10.0 |
| Примечание: * МДУ по Кабата-Пендиас и др. (1989) |
Таким образом, полученные при выполнении биогеохимического опробования результаты закономерны и могут рассматриваться с точки зрения поставленных опытов как удовлетворительные.
1. Способ рекультивации нарушенных земель, включающий внесение на поверхность почвы отходов, вспашку и посев семян растений, отличающийся тем, что в качестве отхода химических производств используют шлам - отход содового завода в количестве 10-40 кг/м2, причем после вспашки дополнительно вносят активный ил очистных сооружений химического завода в количестве 4-5 кг/м2 с последующим посевом семян растений.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что шлам - отход содового завода содержит, мас.%:
| кальцит (СаСО3) | 79-97 |
| арагонит (СаСО3) | 1-2 |
| доломит | до 1 |
| кварц | 1-8 |
| вода | остальное |
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что активный ил очистных сооружений химического завода содержит, мас.%:
минеральные вещества 53-78
органические вещества 22-47 в т.ч. общего азота до 3,6%,
фосфора до 4,8%.
4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве семян растений предпочтительно используют канареечник тростниковидный, клевер луговой, люцерну посевную и пырей ползучий.
