Результат интеллектуальной деятельности: Способ адсорбционной подготовки почвы к фиторемедиации

Изобретение относится к области экологической безопасности и может быть использовано для очистки от тяжелых металлов как техногенного грунта, так и земель сельскохозяйственного назначения.

Известно (статья Белюченко И.С. Вопросы защиты почв в системе агроландшафта, Научный журнал КубГАУ, №95 (1), 2014, с. 1-32), что ежегодно тяжелые металлы в значительных количествах с атмосферными осадками, удобрениями, пылью, соломой, посевным материалом попадают в почву и существенно снижают ее плодородие.

Из СанПиН 2.1.7.1287-03 (Приложение 2) известно, что земли сельхозназначения категории «чрезвычайно опасная» могут засеваться только техническими культурами, которые осуществляют фиторемедиацию.

Известно, что фиторемедиация наиболее эффективна при посадке растений-аккумуляторов на конкретные поллютанты, например, сафлор (патент РФ №2365078, 2009 г.) для удаления тяжелых металлов. Семена сафлора высевают в загрязненную тяжелыми металлами почву из расчета 20-22 кг/га, доводят взрослые растения до фазы окончания цветения и начала отмирания нижних листьев, после чего полностью удаляют из почвы. Недостатком способа является способность аккумулирования тяжелых металлов сафлором при концентрациях их порядка 10 ПДК.

Известен способ (патент РФ 2311973, 2007 г.), взятый нами за прототип, в котором для повышения эффективности фиторемедиации в почву добавляются вещества-комплексоны (аминокислоты, мочевина, молочная, винная кислоты и др.) и для снижения вязкости почвенного раствора через систему электродов создают импульсы напряжения 1-20 кВт и длительностью 1-10 мс. Предложенный способ позволяет нормально развиваться растениям-аккумуляторам за счет связывания комплексонами ионов тяжелых металлов. Оригинальный и эффективный способ подготовки пораженных земель к фиторемедиации, но экономически дорог и трудно реализуем на больших площадях.

Техническая проблема предлагаемого изобретения это разработка способа подготовки «высоко зараженной» тяжелыми металлами почвы или техногенного грунта (с содержанием загрязнителя более 10 предельно допустимых концентраций ПДК) к фиторемедиации.

Техническим результатом является снижение содержания поллютантов до предельно допустимых норм и восстановление плодородия почв. Поставленная проблема решается тем, что в способе адсорбционной подготовки почв категории «чрезвычайно опасная» для дальнейшей ее очистки фиторемедиацией, предварительно в загрязненные тяжелыми металлами почвы вносится смесь адсорбентов гидрофильной и гидрофобной природы, и в течение 30 суток осуществляется увлажнение ее и аэрирование (путем взрыхления). Выбор временного отрезка объясняется тем, что в ходе проведенных экспериментов наиболее лучший эффект был достигнут на 30 сутки. При этом в качестве гидрофобного адсорбента предлагается косточковый активированный уголь, который поглощает из почвенного раствора органические соединения тяжелых металлов, а в качестве гидрофильного адсорбента предлагается вермикулит или цеолит, адсорбирующие непосредственно ионы тяжелых металлов из почвенного раствора. После адсорбционной подготовки почвы категории «чрезвычайно опасная» можно эффективно очищать ее методом фиторемедиации путем выращивания наиболее эффективных растений-аккумуляторов, так как биологическая функция почв полностью восстанавливается.

Предлагаемый способ отрабатывали на образцах почвы, которые были отобраны в соответствии с ГОСТ 28168-89: чернозем типичный, каштановая и дерново-подзолистая почва. Отобранные типы почв были с агрохимическими паспортами.

Почву помещают в пластиковые контейнеры и проводят увлажнение при равномерном поливе для обеспечения 60% влажности.

Подготовленные образцы почвы «заражают» ионами тяжелых металлов (ТМ) до уровня 100 предельно допустимых концентраций (ПДК). В качестве загрязнителей используют водорастворимые соли ТМ: сульфат никеля (Ni₂SO₄×7Н₂O), сульфат цинка (ZnSO₄), сульфат кадмия (3CdSO₄×8Н₂O) и ацетат свинца (Pb(CH₃COO)₂×3Н₂O). На каждый загрязнитель делают 5 закладок по 3 кг почвы каждого типа, соответственно, количество соли ТМ ([С]) рассчитывают на 15 кг почвы одного типа (при n=5). Навески солей ТМ вносят в виде раствора, равномерно выливая на поверхность почвы с последующим объемным рыхлением.

Контроль остаточной концентрации ионов ТМ в почве проводят методом пламенной атомно-абсорбционной спектрофотометрии в соответствии с ПНД Ф 14.1:2.214-06 (спектрофотометр марки WFX-120).

Исследуют влияние поллютантов на биологическое состояние почвы по следующим показателям:

1. «Дыхание» почв определяют по Макарову в модификации Галстяна (1961) с использованием в качестве поглотителя СO₂ 0,1 н. раствор NaOH. С помощью экспресс-метода Аристовской и Чугуновой (1989) измеряют скорость разложения в почве мочевины.

2. Биотестирование почвенных проб осуществляют по стандартным методикам с помощью тест-объектов, принадлежащих к разным систематическим группам: Chlorella vulgaris Beijer (ФР. 1.39.2004.01143), Daphnia magna Straus (ПНД Ф 14.1:2:4.12-06 (ПНД Ф Т 16.1:2:3:3.9-06). Для получения сопоставимых результатов по итогам тестирования рассчитывают индекс токсичности оцениваемого фактора (ИТФ) (Кабиров, 1997).

3. Определяют качественный и количественный состав микробоценозов исследуемых почв по общепринятым методикам (Звягинцев, 1991). Идентификацию микроорганизмов проводят с использованием стандартных методик и определителей (Гаузе и др., 1983; Берджи, 1997).

Для связывания ионов тяжелых металлов в модельных образцах были испытаны различные сорбенты: вермикулит (Вер), клиноптилолит (Кл), косточковый активированный уголь (КАУ) в разных дозах, а также их композиции: КАУ+Кл 1 (1 доза сорбента), КАУ+Кл 2 (2 дозы сорбента), КАУ+Кл 3 (3 дозы сорбента); КАУ+Вер 1(1 доза сорбента), КАУ+Вер 2 (2 дозы сорбента), КАУ+Вер 3 (3 дозы сорбента). Количество сорбентов, соответствующее дозам 1, 2, 3 приведено в таблице 1.

Навески сорбентов в соответствующей расчетной дозе вносят в сухом виде равномерно на всю поверхность почвы, после чего производят рыхление на всю глубину вегетационного сосуда. В течение всего периода лабораторных испытаний проводят увлажнение и рыхление почвы. В качестве контроля №2 используют пробы всех типов загрязненных почв без внесения сорбентов.

Установлено, что эффективное связывание поллютантов до низких остаточных уровней в почве (1 ПДК) возможно только при комбинации гидрофобных (косточковый активированный уголь) и гидрофильных (цеолиты, вермикулит) сорбентов. В таблице 2 представлены результаты по остаточным концентрациям различных тяжелых металлов в образцах через 7, 14 и 30 суток исследования.

При достижении через 30 суток уровня содержания в почве поллютанта на уровне 1 ПДК, биологическая активность образцов почв восстанавливалась. Активность почвенного дыхания соответствовала контрольным пробам незагрязненных почв. Это было связано и с последовательным восстановлением показателей микробоценозов загрязненных почв при внесении комбинаций сорбентов. На 30-е сутки практически во всех экспериментальных пробах почв, загрязненных 100 ПДК ТМ, установлено превышение показателей количественного и качественного состава бактерий в среднем в 3 раза по сравнению с результатами на 7-е сутки процесса ремедиации с использованием комбинаций сорбентов, и их соответствие данным контроля 1 (незагрязненных проб почв).

Все экспериментальные пробы почв с внесенными сорбентами к 30 суткам были «не токсичными» или «слаботоксичными». Пробы почв, не содержащие комбинации сорбентов (контроль 2), остались «сильно токсичными» или «токсичными».

Таким образом, после адсорбционной подготовки грунта категории «чрезвычайно опасный», т.е. после внесения в почву смеси адсорбентов гидрофильной и гидрофобной природы с увлажнением ее в течение 30 суток и аэрированием, возможно снизить содержание тяжелых металлов со 100 ПДК до 1 ПДК. Что позволит восстановить ее биологические свойства и, тем самым, подготовить к высокоэффективной фиторемедиации путем выращивания наиболее эффективных растений-аккумуляторов.