Результат интеллектуальной деятельности: Способ ремедиации техногенно-нарушенной почвы, загрязненной тяжелыми металлами

Изобретение относится к области ремедиации техногенно-нарушенной почвы, загрязненной тяжелыми металлами, в частности техногенных пустошей, образовавшихся вследствие воздействия выбросов медно-никелевых металлургических предприятий.

Выбросы предприятий цветной металлургии, содержащие потенциально токсичные тяжелые металлы, приводят к их накоплению в почвах и нарушению биогеохимических процессов, вызывая деградацию растительности с последующим развитием эрозионных процессов и истощением органического углерода в почвах. Восстановление таких почв крайне затруднено, либо практически невозможно без искусственной инициализации почвообразовательного процесса, сопряженного с нанесением на загрязненную почву слоя из нетоксичных материалов или внесением в нее материалов, снижающих токсичность и увеличивающих влагоемкость техногенно-нарушенной почвы. Для этих целей обычно применяют материалы, которые слабо эффективны в длительной перспективе, и возникает нарушение территорий, используемых для изъятия этих материалов.

Известен способ ремедиации нарушенных земель (см. пат. 2484613 РФ, МПК А01В 79/02, В09С 1/00 (2006.01), 2013), включающий нанесение на поверхность загрязненного грунта: горнопромышленных отходов, содержащих кальцит и/или гидросиликат магния, в виде слоя толщиной 5-10 см, комплексных азотно-фосфорно-калийных удобрений, слоя вспученного вермикулита толщиной до 1 см и проведение посева семян многолетних трав. После этого осуществляют полив водой и покрытие полимерной пленкой, которую удаляют через 5-7 дней. В качестве горнопромышленных отходов используют карбонатитовые отходы или отсев оливинитовой руды, или серпентинитомагнезит.

К недостаткам данного способа следует отнести значительный объем используемых горнопромышленных отходов и удобрений, требующихся для рекультивации нарушенных земель, а также ускоренное снижение содержания несвязанного азота в рекультивированном слое вследствие его вымывания атмосферными осадками и грунтовыми водами.

Известен также принятый в качестве прототипа способ ремедиации техногенно-нарушенной почвы, загрязненной тяжелыми металлами, в том числе медью и никелем (см. Иванова Т.К., Слуковская М.В., Мосендз И.А. и др. Модифицированные материалы на основе слоистых силикатов как мелиоранты для ремедиации подзола техногенной пустоши // Вестник Российского университета дружбы народов, Серия: Агрономия и животноводство. - 2021, т.16, №4; С. 370-388) путем создания почвосмеси из подзола, отработанного серпентинсодержащего сорбента и термовермикулита и посева семян растения в виде овса обыкновенного или клевера лугового. Подзол и термовермикулит используют в виде смеси при массовом отношении 1:1-4, к которой добавляют серпентинсодержащий сорбент при массовом отношении сорбента и смеси 1:3-5. Подзол имеет исходную актуальную кислотность 4,2-4,8, при содержании водорастворимых меди не более 11 мг/кг и никеля не более 3,1 мг/кг. Значения рН почвосмеси в зависимости от количества вносимого серпентинсодержащего сорбента и термовермикулита составляет 8,04-8,86 при содержании водорастворимых меди 0,81-1,66 мг/кг и никеля 0,06-0,20 мг/кг. В результате ремедиации в лабораторных условиях через 21 день длина ростков овса обыкновенного составила 167-171 мм, клевера лугового 29-34 мм.

Недостатками известного способа являются невысокая степень очистки подзола от водорастворимых меди и никеля и повышенное значение рН полученной почвосмеси на основе подзола. Кроме того, способ не предусматривает повышения содержания азота в почве, что отрицательно сказывается на питании растений.

Изобретение направлено на достижение технического результата, заключающегося в восстановлении почвенно-растительного покрова за счет снижения актуальной кислотности техногенно-нарушенной почвы, концентрации водорастворимых меди и никеля и повышения содержания связанного азота.

Технический результат достигается тем, что в способе ремедиации техногенно-нарушенной почвы, загрязненной тяжелыми металлами, преимущественно медью и никелем, включающем приготовление почвосмеси из термовермикулита, отработанного серпентинсодержащего сорбента и загрязненной почвы и посев семян растения в приготовленную почвосмесь, согласно изобретению, термовермикулит предварительно насыщают раствором удобрения с содержанием азота не более 1,7 г/л, смешивают с отработанным серпентинсодержащим сорбентом в соотношении 1:0,5-2 и вносят полученную смесь в загрязненную почву при соотношении 1:2-5.

Технический результат достигается также тем, что техногенно-нарушенная почва имеет исходную актуальную кислотность рН 3,7-4,8.

Технический результат достигается также и тем, что раствор удобрения для насыщения термовермикулита берут в виде водного раствора мочевины или азотно-фосфорно-калийного удобрения.

Технический результат достигается и тем, что в качестве посевного растения используют райграс пастбищный.

Существенные признаки заявленного изобретения, определяющие объем правовой охраны и достаточные для получения вышеуказанного технического результата, выполняют функции и соотносятся с результатом следующим образом.

Предварительное насыщение термовермикулита раствором удобрения с содержанием азота не более 1,7 г/л позволяет обеспечить необходимое для питания растений содержание связанного азота в почвосмеси и замедлить его вымывание из почвы атмосферными осадками и грунтовыми водами.

Смешивание термовермикулита, насыщенного раствором удобрения, с отработанным серпентинсодержащим сорбентом в соотношении 1:0,5-2 и внесение полученной смеси в загрязненную почву при соотношении 1:2-5 обеспечивает благоприятные условия для восстановления почвенно-растительного покрова.

Содержание отработанного серпентинсодержащего сорбента в указанном соотношении менее 0,5 приводит к недостаточному снижению концентраций водорастворимых меди и никеля в загрязненной почве, а содержание отработанного сорбента в соотношении более 2 приводит к излишне высокому значению рН.

Содержание загрязненной почвы в указанном соотношении менее 2 приводит к переизбытку (более 0,53 г/кг) азота в питании растений, а содержание почвы в указанном соотношении более 5 ведет к недостаточной (менее 0,14 г/кг) обеспеченности почвы азотом.

Совокупность вышеуказанных признаков необходима и достаточна для достижения технического результата изобретения, заключающегося в восстановлении почвенно-растительного покрова за счет снижения актуальной кислотности техногенно-нарушенной почвы, концентрации водорастворимых меди и никеля и повышения содержания в почве азота.

В частных случаях осуществления изобретения предпочтительны следующие режимные параметры.

Состав техногенно-нарушенной почвы с исходной актуальной кислотностью рН 3,7-4,8 и повышенным содержанием тяжелых металлов, обусловлен выбросами предприятий цветной металлургии и является токсичным для растительности.

Использование раствора удобрения для насыщения термовермикулита в виде водного раствора мочевины или азотно-фосфорно-калийного удобрения позволяет обеспечить длительное питание растений азотом.

Использование райграса пастбищного в качестве растения при посеве семян в приготовленную почвосмесь обусловлено его ростовой активностью и стойкостью к низким температурам и позволяет обеспечить устойчивость растительного покрова к воздействию тяжелых металлов.

Вышеуказанные частные признаки изобретения позволяют осуществить способ в оптимальном режиме с точки зрения восстановления почвенно-растительного покрова при снижении актуальной кислотности техногенно-нарушенной почвы, а также концентрации водорастворимых меди и никеля, и повышения содержания в почве азота.

Сущность и преимущества заявленного способа ремедиации техногенно-нарушенной почвы, загрязненной тяжелыми металлами, могут быть более наглядно проиллюстрированы следующими Примерами конкретного выполнения.

В Примерах в качестве компонентов почвосмеси используют техногенно-нарушенную почву, которая представлена подзолом с актуальной кислотностью рН 3,7-4,8 и содержанием меди 12,5-13,8 мг/кг и никеля 3,5-5,1 мг/кг, термовермикулит, насыщенный водным раствором азотсодержащего удобрения и отработанный серпентинсодержащий сорбент.

Термовермикулит крупностью 0,45-2 мм получают из вермикулитового концентрата Ковдорского месторождения путем обжига при 500°С. Термовермикулит насыщают раствором удобрения с содержанием азота не более 1,7 г/л. Удобрение берут в виде водного раствора мочевины или азотно-фосфорно-калийного удобрения. Объем водного раствора удобрения для насыщения соответствует влагоудерживающей способности вермикулита.

Насыщенный водным раствором удобрения термовермикулит смешивают с отработанным серпентинсодержащим сорбентом в разных соотношениях. В качестве отработанного серпентинсодержащего сорбента используют сорбент после очистки концентрированных кислых растворов от ионов цветных металлов и железа. Химический состав сорбента, мас. %: SiO₂ 35,0-40,0, MgO 29,0-35,0, Al₂O₃ 0,9-1,8, Fe₂O₃ 9,0-13,0, CaO 0,6-0,8, NiO 0,4-0,5, SO₂ 0,4-0,6, H₂O 14,6-19,8. Кислотонейтрализующая способность отработанного сорбента составляет 7,04-9,02 мг-экв/г. Полученную смесь насыщенного термовермикулита и отработанного серпентинсодержащего сорбента вносят в загрязненную техногенно-нарушенную почву в разных соотношениях.

Для оценки токсичности полученных почвосмесей определяли значение рН, содержание водорастворимых меди и никеля, а также проводили посев семян райграса пастбищного в приготовленную почвосмесь в полевых условиях. Делянки с посевами после увлажнения семян укрывали полимерной пленкой для сохранения влаги до начала появления первых зеленых всходов. Орошение грунта производили по мере необходимости. Длину надземной части растений определяли через 14 и 21 день. Для сравнительной контрольной оценки использовали почвосмесь, содержащую термовермикулит, насыщенный водой.

Пример 1. Производят ремедиацию загрязненного подзола с исходной актуальной кислотностью рН 3,7 при содержании водорастворимых меди 13,8 мг/кг и никеля 5,1 мг/кг. Берут термовермикулит и насыщают его водным раствором азотно-фосфорно-калийного удобрения с содержанием азота 1,7 г/л. Насыщенный термовермикулит смешивают с отработанным серпентинсодержащим сорбентом в соотношении 1:2. Полученную смесь вносят в загрязненный подзол при соотношении 1:5 с получением почвосмеси, содержащей азот в количестве 0,14 г/кг и производят посев семян райграса пастбищного в приготовленную почвосмесь.

Значение рН почвосмеси составило 7,9, содержание меди - 0,53 мг/кг, никеля - 0,043 мг/кг. В результате ремедиации длина ростков райграса пастбищного через 14 суток составила 201 мм, а через 21 сутки - 212 мм. Длина ростков по сравнению с контрольным образцом увеличилась через 14 суток - на 25%, а через 21 сутки - на 29%.

Пример 2. Производят ремедиацию загрязненного подзола с исходной актуальной кислотностью рН 4,1 при содержании водорастворимых меди 13,1 мг/кг и никеля 4,7 мг/кг. Берут термовермикулит и насыщают его водным раствором мочевины с содержанием азота 1,68 г/л. Насыщенный термовермикулит смешивают с отработанным серпентинсодержащим сорбентом в соотношении 1:1,5. Полученную смесь вносят в загрязненный подзол при соотношении 1:4 с получением почвосмеси, содержащей азот в количестве 0,20 г/кг и производят посев семян райграса пастбищного в приготовленную почвосмесь.

Значение рН почвосмеси составило 7,95, содержание меди - 0,60 мг/кг, никеля - 0,051 мг/кг. В результате ремедиации длина ростков райграса пастбищного через 14 суток составила 175 мм, а через 21 сутки - 193 мм. Длина ростков по сравнению с контрольным образцом увеличилась через 14 суток - на 26%, а через 21 сутки - на 33%.

Пример 3. Производят ремедиацию загрязненного подзола с исходной актуальной кислотностью рН 4,5 при содержании водорастворимых меди 12,8 мг/кг и никеля 4,1 мг/кг. Берут термовермикулит и насыщают его водным раствором мочевины с содержанием азота 1,65 г/л. Насыщенный термовермикулит смешивают с отработанным серпентинсодержащим сорбентом в соотношении 1:1. Полученную смесь вносят в загрязненный подзол при соотношении 1:3 с получением почвосмеси, содержащей азот в количестве 0,31 г/кг и производят посев семян райграса пастбищного в приготовленную почвосмесь.

Значение рН почвосмеси составило 7,98, содержание меди - 0,65 мг/кг, никеля - 0,055 мг/кг. В результате ремедиации длина ростков райграса пастбищного через 14 суток составила 183 мм, а через 21 сутки - 203 мм. Длина ростков по сравнению с контрольным образцом увеличилась через 14 суток - на 40%, а через 21 сутки - на 46%.

Пример 4. Производят ремедиацию загрязненного подзола с исходной актуальной кислотностью рН 4,8 при содержании водорастворимых меди 12,5 мг/кг и никеля 3,5 мг/кг. Берут термовермикулит и насыщают его водным раствором азотно-фосфорно-калийного удобрения с содержанием азота 1,6 г/л. Насыщенный термовермикулит смешивают с отработанным серпентинсодержащим сорбентом в соотношении 1:0,5. Полученную смесь вносят в загрязненный подзол при соотношении 1:2 с получением почвосмеси, содержащей азот в количестве 0,53 г/кг и производят посев семян райграса пастбищного в приготовленную почвосмесь.

Значение рН почвосмеси составило 7,93, содержание меди - 0,58 мг/кг, никеля - 0,044 мг/кг. В результате ремедиации длина ростков райграса пастбищного через 14 суток составила 220 мм, а через 21 сутки - 238 мм. Длина ростков по сравнению с контрольным образцом увеличилась через 14 суток - на 50%, а через 21 сутки - на 53%.

Из вышеприведенных Примеров видно, что способ согласно изобретению позволяет по сравнению с прототипом снизить значение рН полученной почвосмеси на основе подзола на 0,7-1,7%, уменьшить концентрацию водорастворимых меди (на 19-34%) и никеля (на 8-28%). Длина ростков райграса пастбищного вследствие внесения в почву связанного азота по сравнению с контрольными образцами увеличилась через 14 суток - на 25-50%, а через 21 сутки - на 29-53%. Способ относительно прост и может быть реализован в производственных условиях.