Биологическая рекультивация и ремедиация техногенно нарушенных земель

Биологическая рекультивация и ремедиация техногенно нарушенных земель 

Чекасина Е.В., Егоров И.В.

В России, из хозяйственного оборота ежегодно выпадает тысячи и тысячи гектар плодородной земли. Виной тому – отходы после сжигания углей в топках ТЭЦ и ГРЭС, шламоотвалы и хвостохранилища предприятий горнорудной и угольной промышленности, черной и цветной металлургии. В перспективе, проблема может усугубиться переходом выработки электроэнергии с газа на уголь с высокой зольностью. Как это не прискорбно, но большая часть площадей интенсивнее всего отчуждается в центре и на юге европейской части, а также на юге Западной Сибири. То есть там, где природой созданы наиболее благоприятные условия для сельскохозяйственного производства и проживания человека. Ухудшение экологических условий имеет особенно глубокий резонанс из-за высокой плотности населения. К сожалению, видимого прогресса по решению проблем рекультивации и ремедиации нарушенных земель за последние годы наблюдать не приходится. К тому же, все эти техногенные и антропогенные нарушения изменяют санитарное состояние в месте их образования. Ухудшают условия жизнеобитания людей, подчас вызывая аллергии или респираторные заболевания. 

Так, зола после сжигания каменных углей в топках ГРЭС и ТЭЦ, представляет собой бесструктурную, однородную тёмно-серую, рассыпчатую, сильно пылящую массу, Она является причиной пыльных бурь в районах размещения зольников. Плотность твёрдой фазы золы 1,80 г/см3, объёмная масса 0,68 г/см3. По химическому составу – это сложное вещество, содержащее оксиды кремния, алюминия, железа, тяжелые металлы. Было установлено, что почвенная микрофлора в субстратах загрязнителях насчитывает, не более нескольких тысяч КОЕ на 100 граммов субстрата. Данные микробиологического анализа также показывают, что почвенная микрофлора золоотвала представлена аммонифицирующими, денитрофицирующими, масляно-кислыми бактериями. В образцах обнаружено малое количество олигонитрофильных нитрифицирующих, а также бактерий, разлагающих клетчатку, грибов и актиномицетов. Содержание подвижного калия (К2О) –7,0 мг на 100 г субстрата, нитратного азота менее 1,7 мг на 100 г субстрата, рНсол 9,3. Самозаростание отвалов идет крайне медленно. Это связано с небольшим содержанием азота в субстрате и неустойчивостью водного режима. Поэтому, применительно к каждому субстрату загрязнителю была разработана композиция биопрепаратов на основе бактерий - диазотрофов фосфат растворяющих бактерий Azotobacter chroococcum, Bacillus mucilaginosus, а также консорциумов микроорганизмов, продуцирующих фитогормоны и регуляторы роста. Такой способ рекультивации оказался очень эффективным. Его можно рассматривать как интродукцию комплекса отселектированных почвенных микроорганизмов в субстрат, которые приживаются в почвогрунте уже через 2-3 месяца. 

Способ биологической рекультивации, разработанный и запатентованный нами, в течение нескольких лет применялся на зольниках ТЭЦ в Павлодарской области (Северный Казахстан), на хвостохранилищах и шламоотвалах Качканарского горно-обогатительного комбината, угольных отвалах Приморского края. Он включал: 1.Отбор проб субстрата для микробиологического и химического анализа. 2. Составление технологической карты рекультивации (рекомендуемый набор биопрепаратов и минеральных добавок, норма расхода и последовательность их применения, способы высева семян и обработок биопрепаратами и т. д.). 3. Обработка рекультивируемой площади биопрепаратами в соответствии с технологической картой. 4. Обработка растений биопрепаратами. 5. Фенологические наблюдения и почвенные анализы. 6.Оценка эффективности обработки. 7. Отбор пробы растений для анализа на вынос вредных веществ и тяжелых металлов. Чтобы воссоздать плодородие почв рекультивируемого грунта, вначале высевают травы, которые не предъявляют высоких требований к почвенным условиям. По мере восстановления плодородия на рекультивируемых землях возделываются более ценные с/х культуры.

На рекультивируемую площадь вносились минеральные удобрения (нитроаммофос), а непосредственно перед посевом семян – активатор почвенной микрофлоры. Предпосевную обработку, семян многолетних трав эндемиков (люцерна, эспарцет, житняк, волосенец, донник белый и желтый, эспарцет), проводили активатором прорастания семян, азотовитом, ризоком-плексом и бактофосфином. Через месяц после появления всходов посевы обрабатывали активатором фотосинтеза. Визуальная оценка рекультиви-руемой площадки на второй год рекультивации выявила 80-85% зелёного покрова от проектного. Высота травостоя в среднем составляла 50-70 см. Кроме того, появились дикорастущие травы, семена которых были занесены ветром. Определён их ботанический состав – это полынь горькая, вейник, пырей ползучий, бескильница, кохия и др. С помощью трав происходит также очищение рекультивируемого грунта от тяжелых металлов, которые через корневую систему попадают в листья и стебли. После скашивания трава сжигается в герметичных печах, а из золы выделяются металлы. Данные выноса тяжелых металлов представлены в таблице. 

Вынос растениями тяжелых металлов из рекультивируемого грунта 

1-й год рекультивации

 

Элементы

Массовая доля элементов мг/кг



В высушенной траве

В золе

Норма в кормах

Бор

342,0

219,0

-

Марганец

52,0

239,0

20

Цинк

20,0

8,8

20

Никель

11,5

11,0

-

Хром

6,8,0

3,8

-

Ртуть

0,23

0,05

0,02

Свинец

3,0

6,3

0,5

Медь

3,7

91,0

3-12

Кадмий

0,2

0,5

0,1

Кобальт

1,0

3,2

0,25

Микробиологический анализ проб почвогрунта к концу вегетационного периода (осенью) подтвердил начало процесса активного развития почвенной микрофлоры. Проведено определение состава микробиоценоза золоотвала в первый и второй годы рекультивации. 

Состав микробиоценоза золоотвала Ермаковской ГРЭС 

Группа микроорганизмов

До рекультивации

1-й год рекультивации

2-й год рекультивации

Сапрофиты

2,3х106

20,3х106

9,4 х106

Актиномицеты

0,2х106

0,26 х106

0,41 х106

Грибы

2,5х106

3,5х103

2,5 х103

Олигонитрофилы в т.ч. азотобактер и клубеньковые бактерии

 

4,8 х106

 

83,2 х106

 

442,3 х106

Бактерии, разлагающие клетчатку

0,3х103

0,3 х103

1,3 х103

Аммонификаторы

2,5 х103

25 х103

25 х103

Денитрификаторы

0,25 х103

0

60 х103

Масляно-кислые

2,5 х103

2,5 х104

1,1 х106

Анаэробные фиксаторы х103 азота

0,25 х103

0,6 х103

0,6 х103

Итого

7,3 х106

103,81 х106

454,94 х106

Данные представлены в таблице показали, что биопрепараты, внесённые в золоотвал, значительно активизировали в нём процессы почвообразования и биологическую активность. Так, например, численность актиномицетов и олигонитрофилов повысилась на три порядка, численность бактерий, разлагающих клетчатку – на несколько порядков, рН достигало 7,5 – 7,6 по сравнению с 9,3 начальным значением. Отмечено начало накопления органического вещества. Обработка почвы биопрепаратами проводилась на протяжении трех лет, и к концу этого периода сформировались основные группы почвенной микрофлоры. Каталазная активность составляла 5-7,5 мл О2, в то время как в начальной пробе, до начала обработки биопрепаратами, определить величину каталазной активности не удавалось. Содержание гумуса составляло 0,15-0,2% ,что свидетельствовало о протекании активного процесса почвообразования.

Отличие разработанной нами технологии рекультивации нарушенных земель от известных, заключается в том, что в момент высева семян эндемиков в рекультивируемый грунт, каждый проросток получает достаточное количество питательных веществ и микроорганизмов. При этом, углерод и азот растения получают из воздуха, за счёт фотосинтеза и азотфиксирующих бактерий. Фосфор и калий выщелачиваются из алюмосиликатов и рекультивируемого субстрата. Благодаря этому при прорастании семян вокруг корешка формируется свой микроагроценоз. Предварительные и последующие внесения агрополезных микроорганизмов способствует объединению между собой множества отдельных агробиоценозов развивающихся растений в сплошной тонкий слой гумуса, с которого и начинается восстановление нормального плодородного слоя.

Предлагаемый способ биологической рекультивации имеет высокую экологическую и социальную значимость так как направлен на решение таких проблем как:

Восстановление плодородия пахотных земель без нанесения плодородного слоя.

Ликвидация операций по технической рекультивации. 

Возвращение в землепользование техногенно и антропогенно нарушенных земель, использование их под кормовые угодия. 

Ликвидация пыльных бурь. 

Оздоровление санитарной и экологической обстановки в районе его применения. 

Полная механизация процесса. 

Использование комплекса экологически чистых биопрепаратов. 

Увеличение занятости населения. 

Биопрепараты обеспечивают ускоренный рост и развитие растений благодаря активации почвенной микрофлоры, улучшению азотного и фосфорного питания. Это приводит к образованию дернины до глубины 18-20 см. Активный травостой, высокая приживаемость микроорганизмов уже в первый год позволяет снизить затраты в 5-8 раз по сравнению с известными. Применение данного способа рекультивации не только ускоряет процесс почвообразования, но и улучшает экологические условия в районе применения. Способствует созданию зеленого ландшафта, оздоровлению воздушной среды и возврату нарушенных земель в землепользование в течение 3-4 лет.