СПОСОБ ИММОБИЛИЗАЦИИ СВИНЦА В ЗАГРЯЗНЕННЫХ ПОЧВАХ
METHOD OF LEAD IMMOBILIZATION IN POLLUTED SOILS

Изобретение относится к области охраны окружающей среды и может быть использовано в целях детоксикации загрязненных свинцом почв территорий промышленных предприятий. Также изобретение может быть использовано для повышения экологической устойчивости почвогрунтовых конструкций в городской среде и садово-огородных товариществах городских агломераций.
Свинец является приоритетным загрязняющим элементом среди тяжелых металлов. Источники поступления свинца в объекты окружающей среды имеют место во многих сферах хозяйственной деятельности и быта человека: металлургия, химическая промышленность, теплоэнергетика, добывающая промышленность, автотранспорт, твердые бытовые отходы и прочие [1].
Депонируясь в почве в колоссальных концентрациях, свинец вызывает необратимые экосистемные изменения. Территории, испытывающие мощный антропогенный пресс, зачастую загрязнены свинцом. Наибольшими содержаниями свинца отличаются почвы промышленных территорий и лентические участки почв прилегающих к автомагистралям [2].
Проблема загрязнения почв промышленных территорий требует специфических решений. Так как наличие на территориях промышленных комплексов почв с озелененной дневной поверхностью является обязательным условием, закрепленным законодательно. Однако рост растений ингибируют токсичные концентрации свинца. Поэтому в настоящее время крайне важными являются технологии, позволяющие снизить токсичность почв и увеличить экологическую стойкость и срок службы почвогрунтовых конструкций в урбосреде.
Одним из наиболее выгодных и относительно эффективных способов очистки почв является фиторемидиация - очистка почв от металлов с помощью растений фитомилиорантов. Однако этот метод требует значительных временных затрат и малоэффективен для территорий с повышенным уровнем загрязнения [3].
Детоксикация почв с «ураганными» концентрациями свинца методом фиторемедиации не представляется возможной. Поэтому иммобилизация свинца insitu возможна только с применением сорбционного метода. Сегодня сорбционный способ очистки почв является одним из самых эффективных среди стабилизационных методов. Важным аспектом является использование сорбентов на основе экологически чистых природных материалов, позволяющих увеличивать буферные свойства почв, не вызывая побочных сопутствующих загрязнений.
Известен способ удержания тяжелых металлов, мигрирующих в техногенных потоках загрязнения [4]. Сущность способа заключается в создании на путях миграции потока поглотительных барьеров за пределами источника загрязнения. Барьер представляет собой цепь скважин, в которые нагнетают гелеобразующие растворы с временем гелеобразования 1-1,5 ч, формирующие гель, например щавелево-алюмосиликатный, поглощающий тяжелые металлы.
Недостатком известного способа является то, что барьер частично проницаем для жидкого потока и сорбционное насыщение происходит достаточно быстро, за 50-85 суток, что ограничивает срок действия данного устройства по своему прямому назначению. Также в результате миграции, расширяется зона поражения почвенных горизонтов, т.к поглотительные горизонты устанавливаются за пределами источника загрязнения. Использование этого способа не эффективно в засушливый период, т.к необходим мощный водный сток.
Аналоговым является метод использования экстрагент-сорбента [2]. Данный экстрагент-сорбент для очистки почвы, включающий поверхностно-активное вещество, дополнительно содержит хвою, кору, опилки, и/или лигнин, и/или бумажную пыль, и/или цеолит, и живицу. Наличие его в почве ограничивает миграцию тяжелых металлов со сточными водами за счет образования комплексов, которые в то же время легко усваиваются растениями. Такой метод не достаточно эффективен для его использования на территории промышленных комплексов. Кроме того, до конца не исследованы дозы внесения продукта на единицу площади.
Наиболее близким аналогом, выбранным в качестве прототипа, является способ очистки почв от тяжелых металлов гуминовыми кислотами из природноокисленных углей. Повышенная сорбционная емкость обусловлена введением в состав гуминовых кислот новых реакционных центров для связывания с ионами металлов [6].
Недостатком этого способа является использование в качестве действующего вещества производных полезных ископаемых, которые достаточно трудно получить. Остается открытым вопрос срока службы сорбента, не указано, через какой промежуток времени осуществлять внесение последующих доз сорбента, требующихся для фиксации вновь поступающих в почвы выбросов промышленных предприятий. К тому же, применение отходов угледобычи на удаленных территориях повышает финансовую стоимость данного способа очистки.
Целью нашей разработки является создание доступного, экономичного и эффективного способа иммобилизации свинца в гумусово-аккумулятивном горизонте почв с использование недорогих природных сорбентов.
Технической задачей изобретения является иммобилизация подвижных форм свинца в загрязненных почвах с целью ограничения их миграции в сопредельные компоненты экосистем и поглощения их растениями.
Технический результат достигается тем, что в известном способе иммобилизации свинца в загрязненных почвах путем внесения в почву сорбента на основе природных материалов, согласно изобретению, сорбент готовят путем смешивания сухих извести и сапропеля в соотношении 5:1 и равномерно вносят на поверхность почвы в весенний период времени (март-апрель) в дозах 0,5-1,5 т/га.
За счет этого происходит увеличение рН почвенного раствора и возрастает емкость почвенного поглощающего комплекса, что обуславливается увеличением доли минеральных и органо-минеральных почвенных коллоидов, которые обеспечивают мощное накопление тяжелых металлов, их долгосрочную иммобилизацию (3-5 лет) в гумусово-аккумулятивном горизонте загрязненных почв и препятствуют миграции тяжелых металлов в другие компоненты экосистем.
Сапропель (с греч. sapros - гнилой pelos - ил) илистое перегнившее отложение растительного и животного происхождения на дне замкнутых водных бассейнов. В состав сапропеля входят как органические вещества, так и минеральные (макро- и микроэлементы, гуминовые и аминокислоты и др.). По количеству входящего в состав органического вещества можно выделить следующие виды сапропелей: органические (зольность до 30%), органо-минеральные (зольность 30-50%), минерально-органические (зольность 50-70%) и минерализованные (зольность 70-85%).
Наиболее интенсивная минерализация наблюдается при меньшей зольности. При показателе зольности 34,5% и влажности до 93% сапропель минерализуется в большей степени. В процессе минерализации изменяется химический состав сапропеля. В 1,5-2 раза возрастает количество водорастворимых веществ и гуминовых кислот, но снижается содержание органических веществ и легкогидролизуемых соединений.
Входящие в состав сапропеля органические вещества минерализуются постепенно, что позволяет использовать его как удобрение для повышения гумификации почв. Действие может длиться до двух и более лет. Достаточно высокую степень минерализации сапропеля, в первые годы после его внесения в почву, можно объяснить наличием большого количеств легкогидролизуемых веществ. Со временем интенсивность минерализации снижается, так как остаются вещества, трудноразлагаемые микроорганизмами.
В нашем изобретении мы предлагаем сапропель смешивать с известью - компонентом, способствующим снижению кислотности и токсичности почв. Это позволит снизить темпы минерализации сапропеля и увеличить срок его действия, сохраняя буферную способность почвы, экономить средства на очистку почв с применением технологий exsitu и onsite.
Исследование проводилось в лабораторных условиях. Изучалось действие рекультиванта на буферные свойства серой почвы г. Курска. Моделировалось загрязнение почв свинцом дозой, равной 10 ПДК (320 мг/кг). В качестве загрязняющего вещества использовали оксид свинца (РbО). Рекультивант (композиция извести и сапропеля) вносился в двухлитровые контейнеры с почвой в дозах 5, 10, 15 г/сосуд, что соответствует 0,5; 1; 1,5 т/га.
При определении водородного показателя использовали ионометрический метод. Анализируя результаты мониторинга временных изменений  почвенного раствора в водной вытяжки при 40 дневной экспозиции в вариантах опыта с внесенным препаратом, отмечались скачкообразные изменения показателя первые 25 сут, но затем тренды выходили на устойчивые плато. На контроле происходило заметное снижение  и на 25 сут также стабилизировалось. Наиболее высокие показатели щелочности - 8, отмечены в варианте опыта с дозой внесения рекультиванта 15 г/сосуд, наименьший показатель реакции среды () - на контроле (Фиг. 1). Действие рекультиванта обеспечивает повышение щелочности серой почвы, что определенно снизит мобильность свинца в почве.
Определение массовых концентраций подвижных форм свинца в образцах проводили методом атомно-абсорбционной спектрометрии (ААС). Подвижные формы свинца извлекались ацетатно-аммонийным буферным раствором (рН=4,8). В ходе анализа полученных данных отметили, что мобильность свинца при внесении рекультиванта резко снижается, на 82,5-89,8% относительно контроля. Это объясняется внесением тонкодисперсной фракции в составе сапропеля, что увеличивает емкость почвенного поглощающего комплекса и обеспечивает сорбцию свинца на минеральных и органо-минеральных коллоидах. Минимальная доля подвижных форм свинца отмечена при дозе внесенного рекультиванта - 5 г/сосуд (Табл. 1).
Полученные результаты в ходе выполнения эксперимента убедительно доказывают, что применение рекультиванта на основе извести и сапропеля эффективно снижает концентрации подвижных форм свинца в загрязненных почвах.
Источники информации
1. Безуглова О.С. Урбопочвоведение: учебник / О.С. Безуглова, С.Н. Горбов, И.В. Морозов, Д.Г. Невидомская; Южный федеральный университет.
2. Неведров Н.П., Дюканова Е.Н., Неведрова Н.Ю. Содержание тяжелых металлов в поверхностных горизонтах почв функциональных зон Курской городской агломерации //НАУЧНЫЕ ВЕДОМОСТИ Белгородского государственного университета. Серия Естественные науки. - Белгород: изд-во Бел-ГУ, 2016. №11 (232). Выпуск 35, с. 139-145.
3. Патент РФ №2080668. Экстрагент-сорбент для очистки почвы, 1997.
4. Патент РФ №2050334. Способ удержания тяжелых металлов, мигрирующих в техногенных потоках загрязнения, 1995.
5. Патент РФ №2365078 А4 (13)235078 (51), МПК А01В 79/02 (2006.01). Способ очистки почв от тяжелых металлов 2006/01.
6. Патент KZ №25902, KZ (13) В (11) 2590251, C02F 11/01 (16.07.2012). Способ очистки загрязненных почв от тяжелых металлов. - Ростов н/Д, 2012. - 264 с.