Проблемы и перспективы рекультивации и реабилитации промышленных территорий

УДК 502.654

ПРОБЛЕМЫ И ПЕРСПЕКТИВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ РЕКУЛЬТИВАЦИИ И РЕАБИЛИТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ ТЕРРИТОРИЙ

© 2008 г. Ю.А. Попова, М.А. Куликова

The main objects and the most promising ways of revegetation were considered. It was obsereved that it is necessary to take into account physiographic factors by choosing methods and means of revegetation.

Введение

Развитие промышленности, строительство городов и путей сообщения, каналов приводят к разрушению почвенного покрова. Сильно нарушается слой почвы при открытой добыче угля, руд, торфа, фосфоритов, строительных материалов и других полезных ископаемых. Земельный фонд Южного региона составляет 10096,7 тыс. га. В Ростовской области имеется 357,9 тыс. га орошаемых земель, однако 150 тыс. га из них требует реабилитации [1, 2]. В результате интенсивного антропогенного, техногенного и геологического воздействия практически все земли затронуты процессами деградации. При недостаточном внесении органических и минеральных удобрений в почвах отмечается такое негативное явление, как дегумификация и засоление. В последние годы отмечен значительный недостаток внесения в почву органических и минеральных удобрений, объяснимый их высокой стоимостью. Кроме того, в Южном федеральном округе в отвалах находится свыше 500 млн т отвальных пород угольных шахт, которые используются или могут быть использованы в различных отраслях промышленности. Анализ вещественного состава отвальных масс позволяет рассматривать их в качестве дешевых и эффективных природных сорбентов, способных не только адсорбировать и удерживать вредные токсичные вещества, но и улучшать санитарно-токсикологическое состояние почв и поверхностных водоисточников.

Рекультивация— комплекс работ, направленных на восстановление нарушенных территорий, а также на улучшение условий окружающей природной среды. Различают техническую и биологическую рекультивацию.

В рамках государственной научно-технической программы «Недра России» с целью обеспечения экологической безопасности и повышения эффективности восстановления нарушенных территорий, основная задача состоит в том, чтобы как можно быстрее интенсифицировать почвообразовательный процесс и ускорить окультуривание бесплодных пород. Для этого проводят различные фитомелиоративные работы в зависимости от свойств окультуриваемых пород [3, 4]. Поэтому целесообразно проведение исследований эффективности реабилитации промышленных террито-

рий с применением различных отходов угледобывающей промышленности и дальнейшим повышением плодородия за счет внесения в почву животноводческих стоков высокой агромелиоративной ценности.

Методика и условия проведения исследовании

Исследования проводились в 2003—2006 гг. на аллювиально-луговых солонцеватых почвах и черноземе обыкновенном карбонатном в районе г. Новочеркасска Ростовской области. Изучение эффективности жидких отходов животноводческих комплексов, обработанных кальцийсодержащими реагентами проводили в вегетационном опыте в фитотроне Всероссийского научно-исследовательского института удобрений и агропочвоведения имени Д. Н. Прянишникова.

При проведении исследований почва была в некоторой степени деградирована: плотность — 1,21 г/см3; плотность твердой фазы—2,6 г/см3; общая пористость— 52 %; влажность— 22 %; рН — 7,2—7,8. Аллювиально-луговая карбонатная малогумусная почва характеризовалась следующими показателями: физ. глина— 45 %; ил— 26,6 %; гумус— 4,2 %; СаС03-0,7 %; подвижный фосфор в пересчете на Р205—4 мг/100 г; К20— 56 мг/100 г; Ca2++Mg2+— 32,8 мг/100 г. Чернозем обыкновенный карбонатный среднемощ-ный среднегумусный: физ. глина— 53,1 %; ил— 32,4 %; гумус— 3,9 %; СаС03—1,1 %; подвижный фосфор в пересчете на Р205—3,2 мг/100 г; К20— 32,8 мг/100 г; Ca2++Mg2+— 33 мг/100 г [5].

Численность микроорганизмов в почве определяли с помощью метода последовательных разведений и высева на плотные питательные среды: мясо-пептонный агар— для сапрофитных (гетеротрофных) микроорганизмов, среда Таусона— для углеводородокисляющих микроорганизмов, голодный агар— для олигокарбофилов, подкисленная среда Чапека— для микроскопических грибов, крахмало-аммиачный агар— для микроорганизмов круговорота азота [6]. Для определения общей токсичности исследуемых почв использовали стандартную методику биотестирования, приведенную в СанПиН 2.1.7.573—96 [7]. Плодородие почв определяли методом биотестов с использованием общепринятых методик [8]. В

качестве тест-растений использовали редис розовый с белым кончиком (Raphanus sativus var. radicula) и овес сорта Скакун (Avena sativa L.) урожая 2002 г. Математическую обработку экспериментальных данных производили с помощью пакета статистического анализа Microsoft Excel.

Исходя из рекомендаций по применению отходов угледобывающей промышленности (горелых пород и отходов углеобогатительных фабрик) были приняты дозы вносимых детоксикантов: 200 кг/га и 400 кг/га. Внесение сорбентов в дисперсной форме производилось без заделки в почву и с заделкой на глубину 8—10 см. Эксперимент проводился в холодный период, с ноября по апрель. При этом контролировались микробное население (сапрофитная микрофлора) и продуктивность почвы. Полученные данные представлены на рис. 1.

Анализ данных полевого эксперимента показал, что отходы обогатительной фабрики обладают наибольшей сорбционной способностью по отношению к загрязняющим веществам, о чем свидетельствует рост микробного населения. Максимальный эффект достигался при внесении отходов углеобогатительной фабрики в количестве 400 кг/га с заделкой в почву: прирост биомассы тест-растений при внесении отходов углеобогатительной фабрики составил 12,4%; при внесении горелых пород— 10,6%.

Возможность регенерации детоксикантов подтверждена количественным анализом углеводоро-докисляющих микроорганизмов: до обработки в черноземе обыкновенном карбонатном их численность составила 2,2.106 кл/г, в аллювиально-лу-говых солонцеватых почвах— 2,0106 кл/г, после— 8,48106 и 4,8106 кл/г соответственно. Эти данные указывают на активизацию аборигенной углево-дородокисляющей микрофлоры при внесении детоксикантов, что характеризует повышение способности почвы к самоочищению от данного вида токсикантов.

В лабораторных условиях на кафедре «Инженерной экологии и защиты окружающей среды» ЮРГТУ (НПИ) проведены исследования воздей-

ствия жидких отходов животноводческих комплексов, обработанных отходом производства ацетилена— шламом карбида кальция с последующей нейтрализацией суперфосфатом, на микробные сообщества почвы.

Для определения влияния обработанных животноводческих стоков на почвенную микрофлору провели посевы на питательные среды водной суспензии (разбавление 1:10) исходной почвы и почвы, обработанной жидкими отходами животноводства с дозами по азоту, равными 200 и 400 мг/дм3 (^00 и Н400). Исследование проводили в течение 90 сут., результаты представлены на рис. 2.

Полученные результаты свидетельствуют о том, что на пятый день после внесения в почву жидких отходов животноводства количество микроорганизмов начинает резко увеличиваться по сравнению с их числом в исходной почве. Максимальное количество микроорганизмов всех экологических групп наблюдали на 30 сутки испытаний. Жидкие животноводческие отходы в дозе Н200 способны значительно увеличивать биоактивность почвы, особенно на 30 день после внесения в почву, а потому способствуют повышению ее плодородия.

В качестве органических удобрений испытывали твердую фракцию жидких отходов свинокомплекса и подстилочный навоз крупного рогатого скота.

По приведенным выше основным агрохимическим показателям, обработанные кальцийсо-держащими реагентами жидкие животноводческие отходы соответствуют требованиям, предъявляемым к жидким органическим удобрениям (ОСТ 10-118-96).

Подстилочный навоз крупного рогатого скота отличается нейтральной реакцией среды (рН 6,9), более высоким по сравнению с жидкими отходами свинокомплекса содержанием органического вещества, но более низким содержанием общего азота, фосфора и более широким отношением углерода к азоту (С:Н=29).

Микробное население, кл/г 105

120,00 100,00 80,00 60,00 40,00 20,00 0,00

^-.г/.-Г';/

f

.....

.--•.....

•X

0

15

45

65

—4— контроль, микр.нас., чернозем — К - - ООФ, микр.нас., чернозем —•— контроль, микр.нас., алл.-луговая ---1---ООФ, микр.нас., алл.-луговая

90

Время,сут.

а)

Прирост биомассы редиса, %

25,00 20,00 15,00 -10,00 -5,00 0,00 f^ 0

___

-----Jf.

15

45

65 90 Время, сут.

—+— контроль, токсичность, чернозем

— И- — ООФ, токсичность, чернозем

—•— контроль, токсичность, алл.-луговая

— . _ ООФ, токсичность, алл.-луговая

Рис. 1. Кинетика детоксикации почв при внесении отходов обогатительной фабрики: а — микробное население (сапрофитные микроорганизмы), кл/г; б — прирост биомассы редиса (токсичность), %

& ^ к §

s ±:

1,81 1,61 1,41 1,21 1,01 8,01 6,01 <0,01 2,01 5,00

0 5 10 20 25 30 35 40 45 60 70 90 Время инкубации, сут

7

7

Рис. 2. Изменение численности экологических групп микроорганизмов почвы при орошении жидкой фракцией животноводческих отходов дозой по азоту 200 мг/дм3: 1 — микроскопические грибы; 2 — олигокарбофилы; 3 — микроорганизмы круговорота азота; 4 — гетеротрофы

Сравнительное изучение действия этих удобрений показало преимущество обработанной кальцийсодержащими реагентами твердой фракции свиноводческого стока в дозе 200 кг/га по азоту. В этом варианте достигнуто более интенсивное нарастание биомассы растений уже на ранних стадиях развития и получена существенная прибавка урожая зеленой массы по отношению к варианту с навозом крупного рогатого скота — 4,8 г, а также по отношению к неудобренному контролю — 1,7 г при НСР05 1,7 г (таблица). Однако следует отметить, что повышение дозы твердой фракции подготовленного свиноводческого стока в два

раза (с до ^00) не давало эффекта, т. к. урожайность биомассы овса при обеих дозах в этом случае была практически одинаковой.

Аналогичная зависимость урожайности овса от изучаемых удобрений отмечена и при анализе данных сухой растительной массы. При этом прибавка урожая сухой массы овса в варианте внесения твердой фракции жидких отходов свинокомплекса после обработки кальцийсодержащи-ми реагентами в дозе по сравнению с контролем без удобрений составила 10,5 %, а по сравнению с навозом крупного рогатого скота в той же дозе — 40 %.

Влияние твердой фракции жидких отходов свинокомплекса, обработанных кальцийсодержащими

реагентами, на урожайность биомассы овса

Варианты опыта Урожайность, Прибавка

г/сосуд г/сосуд %

Зеленая масса

Контроль (без удобрений) 15,4 - -

Твердая фракция жидких отходов свинокомплекса, обработанная кальцийсодержащими реагентами в дозе N200 17,1 1,7 11,0

Твердая фракция жидких отходов свинокомплекса, обработанная кальцийсодержащими реагентами в дозе N400 17,3 1,9 12,3

Подстилочный навоз крупного рогатого скота в дозе ^00 12,3 -3,1 -20,1

НСР05 1,7

Сухая масса

Контроль (без удобрений) 1,9 - -

Твердая фракция жидких отходов свинокомплекса, обработанная кальцийсодержащими реагентами в дозе ^00 2,1 0,2 10,5

Твердая фракция жидких отходов свинокомплекса, обработанная кальцийсодержащими реагентами в дозе ^00 2,2 0,3 15,8

Подстилочный навоз крупного рогатого скота в дозе ^00 1,5 -0,4 21,0

НСР05 0,2

Чистая продуктивность фотосинтеза изменялась с возрастом растений и была наибольшей в первый срок определения. В среднем за вегетацию она составила на контроле 0,98 г/м2 в сут., а при внесении обработанной реагентами твердой фракции жидких животноводческих отходов в дозах 200 и 400 кг/га азота и необработанного навоза крупного рогатого скота в дозе 200 кг/га азота соответственно 0,98; 1,05 и 1, 3 г/м2 в сут., т. е. этот показатель во всех вариантах органических удобрений находился практически на одном и том же уровне и не отличался от контрольного.

Таким образом, твердая фракция животноводческих стоков, обработанных кальцийсодер-жащими реагентами, является ценным органическим удобрением и может быть рекомендована для использования под важнейшие сельскохозяйственные культуры. Рекомендуемая доза внесения удобрения по азоту составляет 200 кг/га в год [9].

Выводы

Органические и минеральные вещества отходов добычи и обогащения твердых горючих ископаемых и зольные уносы их сжигания обладают большой сорбционной способностью по отношению к различным неорганическим и органическим соединениям. Поэтому повышение урожайности после внесения отходов угледобывающей промышленности в почву может объясняться их сорбционной способностью по отношению к макро- и микрокомпонентам удобрений (в том числе и органических), препятствующей их быстрому вымыванию из плодородного слоя. Как сорбенты микроэлементов, вносимых вместе с удобрением, углистые породы могут заменять фритты— спеки соединений микроэлементов с песком и соединениями щелочных металлов, применяющиеся для замедления выноса микроэлементов из почвы и способствующие их лучшему усвоению растениями. Отходы угледобывающей промышленности богаты соединениями кальция, микроэлементов, органического вещества, серы, а также обладают относительно большой сорбци-онной способностью для компонентов, способствующих повышению плодородия почв.

Результаты исследований показали целесообразность применения жидких животноводческих отходов на деградированных в результате антропогенного воздействия почвах. Высокий агромели-

оративный потенциал животноводческих стоков позволяет значительно повысить плодородие почв.

Говоря о комплексной рекультивации, а точнее о рекультивации геологической среды, нельзя ограничиваться только восстановлением плодородия или детоксикацией почв, а полученные экспериментальные данные могут служить основанием для проведения дальнейших исследований совместного применения отходов угледобывающей промышленности и животноводческих стоков для реабилитации и рекультивации загрязненных земель.

Литература

1. Экологические аспекты природных почв Ростовской области /В.Н. Агеев, В.Ф. Вальков, A.C. Чешев, Е.Н. Цвелев. — Ростов н/Д, 1996.— 132 с.

2. Вальков В. Ф. Почвы и сельскохозяйственные растения.— Ростов н/Д, 1992. —204 с.

3. Науменко В. П. , Науменко Е. Г. Экологические проблемы почвенного плодородия: учеб. пособие.— Новочеркасск: НГМА, 2000.— 312 с.

4. Волковская С. Г. , Грищенко А. Е. Очистка шахтных вод с утилизацией твердых отходов в товарную продукцию // Уголь.— 2003.— №1.— C. 51-53.

5. Попова Ю. А. Детоксикация почв зоны влияния Новочеркасского электродного завода от загрязнения полициклическими ароматическими углеводородами и тяжелыми металлами: автореф. дис. ... канд. биол. наук.— Ростов н/Д, 2007.— 24 с.

6. Романенко В. И. Экология микроорганизмов пресных водоемов: лабораторное руководство /В. И. Романенко, C. И. Кузнецов.— Л.: Наука, 1974.— 194 с.

7. СанПиН 2.1.7.573-96.2.1.7. Почва. Очистка населенных мест. Бытовые и промышленные отходы. Санитарная охрана почвы. Гигиенические требования к использованию сточных вод и их осадков для орошения и удобрения.

8. Васильев В. А. , Филиппова Н. В. Справочник по органическим удобрениям.— М.: Росаг-ропромиздат, 1988.— 255 с.

9. Федорченко М. А. Экологические и технологические решения утилизации продуктов гидросмыва свиноводческих комплексов с использованием шлама карбида кальция: автореф. дис-канд. техн. наук.— Йошкар-Ола, 2004.— 26 с.

Южно-Российский государственный технический университет

(Новочеркасский политехнический институт) 5 июня 2008 г.