Способ рекультивации загрязненных земель и отвалов
METHOD FOR RECLAMATION OF CONTAMINATED LANDS AND WASTE DUMPS

Изобретение относится к области природоохранных технологий и предусматривает рекультивацию земель, содержащих токсичные отходы в местах их размещения, в том числе твердых бытовых отходов и отходов промышленных предприятий.
Известен способ рекультивации породных отвалов и бортов карьеров [авт. св. СССР N 1041052, кл. А01В 79/02, 1983], включающий укладку пород в отвал, покрытие слоем почвенного грунта и посев трав, при этом перед нанесением почвенного грунта отвалы и борта покрывают слоем доломито-известковых отходов фракции 0-5 мм толщиной 15-30 см, затем наносят слой почвенного грунта толщиной 3-5 см, вновь покрывают слоем доломито-известковых отходов толщиной 3-5 см, высевают травы с последующим покрытием семян трав слоем доломито-известковых отходов толщиной 0,5-1 см и в период начального роста трав производят 3-5 разовый полив раствором полного минерального удобрения.
Недостатком данного способа является то, что он применим только для рекультивации небольших участков земли.
Известен способ рекультивации [Патент РФ N 2684236, кл. А01В 79/02, 04.04.2019 г.], согласно которому для рекультивации и создания потенциально плодородного слоя, используют почвенный слой, который формируют путем внесения в голый грунт субстрата, приготовленного из смеси ила с городских очистных сооружений, ила со дна пруда-охладителя вод теплоэлектроцентрали глиноземного производства и вскрышной породы добычи песка в соотношении по массе 0,5:0,5:1, толщиной слоя субстрата 15-20 см, а в качестве травосмеси используют смесь трав в следующем соотношении: - мятлик луговой - 40%, тимофеевка луговая - 40%, клевер белый - 20%.
Недостатком данного способа является то, что он трудно осуществим на практике при рекультивации токсичных отходов, так как не имеет в своем составе защитного гидроизоляционного слоя и применяется смесь трав мало приемлемая для песчаных грунтов.
Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ рекультивации загрязненных земель (Патент РФ 2329882 опубл. 27.07.2008 бюл. №21), согласно которому загрязненную токсическими веществами площадку покрывают последовательно 10 см слоем цеолитсодержащей породы, 15 см слоем карбонатной глины, 10 см слоем смеси почвы с полиакриламидным полимером АК-639 в объемном соотношении 100:1 и 20 см слоем почвы с последующим залуживанием поверхности, включающим посев корневищных многолетних трав костреца и пырея в весовом соотношении семян 1:1 и нормой высева 20 кг/га.
Недостатком этого способа является то, что он требует укладки 4-х слоев с небольшой толщиной каждого слоя, что крайне затруднительно при проведении рекультивации на практике в условиях пересеченной местности.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является разработка экономически выгодного и практически выполнимого экологичного способа рекультивации отвалов токсичных отходов с использованием природных материалов и полимера.
Поставленная задача достигается тем, что в способе рекультивации загрязненных земель и отвалов, включающем покрытие последовательно защитными слоями, состоящими из глинистого минерала, полиакриламидного полимера, с дальнейшим залуживанием поверхности посевом трав, согласно изобретению, осуществляют укладку отходов в отвал, вначале укладывают нижний защитный слой субстрата из смеси: бентонита с 2-5% мас. полиакриламидного полимера, природного песка и воды в соотношении, масс %: бентонит : песок : вода = (10-15):(75-80):10 толщиной до 1 м с последующим укатыванием данной смеси до толщины 30-40 см и нанесением поверх слоя субстрата слой из вскрышной породы карьера добычи песка толщиной до 20 см с залуживанием поверхности посевом многолетних трав в следующем соотношении, масс %,: овсяница луговая - 40, житняк - 40 клевер красный - 20.
Техническим результатом изобретения является рекультивация загрязненных земель и отвалов токсичных отходов и восстановление растительного и почвенного покровов на загрязненных участках с получением стойкого защитного гидроизоляционного покрытия в видь субстрата из природных материалов и плодородного слоя из техногенных не токсичных материалов и применение травосмеси, обеспечивающей ее высокую продуктивность при использовании в процессе рекультивации песчаных грунтов.
2
4
10
2
2
3
5
Отличительной особенностью заявляемого способа является приготовление защитного гидроизоляционного слоя в виде гелеобразной суспензии бентонита и полиакриламидного полимера. Бентонит является природным минералом, основным компонентом которого является монтмориллонит (Al[SiO](OH)×nHO), обладающий высокой степенью набухания и способностью образовывать гелеобразную суспензию в смеси с полиакриламидным полимером (CHNO)n), что не происходит в способе-прототипе, так как по прототипу смешивают полиакриламидный полимер с почвой. Глинистый гель набирает свои свойства уплотненного защитного материала по мере того, как данный гель поглощает больше влаги данной смесью. Структура глинистого геля приводит к образованию новых химических соединений, получаемых за счет водородных и анионных связей монтмориллонита и полиакриламидного полимера. В качестве плодородного слоя предложено применить вскрышную породу карьера добычи песка, а не черноземный плодородный грунт, что позволяет значительно снизить затраты на рекультивацию. При этом, учитывается, что данный слой является супесью и для нее предложен наиболее эффективный состав многолетних трав: овсяница луговая - 40%, житняк - 40%, клевер красный - 20%, обеспечивающий высокую продуктивность травосмеси, в том числе обеспечивается хорошая морозостойкость, что важно при проведении рекультивации в условиях Сибири.
Предлагаемое техническое решение для рекультивации загрязненных земель и отвалов отходов не известно из уровня техники, в связи с чем, можно сделать вывод о соответствии критерию "новизна", а благодаря совокупности заявляемых признаков придает способу рекультивации загрязненных земель и отвалов новый технический результат, не известного из уровня техники и позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критерию "изобретательский уровень".
Заявляемый способ рекультивации загрязненных земель и отвалов проверен на примере использования его для рекультивации полигона твердых бытовых отходов. Способ рекультивации загрязненных земель и отвалов осуществляли следующим образом.
На опытный участок производили укладку твердых бытовых отходов в отвал, вначале укладывали нижний защитный слой субстрата из смеси: бентонита с 2-5% мас. полиакриламидного полимера, природного песка и воды в соотношении, масс %: бентонит : песок : вода = (10-15):(75-80):10 толщиной до 1 м с последующим укатыванием данной смеси до толщины 30-40 см и нанесением поверх слоя субстрата слой из вскрышной породы карьера добычи песка толщиной до 20 см с залуживанием поверхности посевом многолетних трав в следующем соотношении, масс %,: овсяница луговая - 40, житняк - 40 клевер красный - 20.
В бентонитовой глине содержалось большое количество монтмориллонита, обладающего высокой степенью набухания и способностью образовывать гелеобразную суспензию в смеси с полиакриламидным полимером. В качестве полимера был взят полиакриламидный полимер АК-639. Речной песок для приготовления защитного гидроизоляционного слоя использовался из карьера в пойме реки. Плодородный слой был сформирован из вскрышной породы добычи песка из поймы реки Чулым, которая не являлась токсичным почвогрунтом и размещалась в виде отхода производства добычи песка на временных площадках.
Примеры выполнения способа рекультивации загрязненных земель и отвалов приведены в табл. 1. Пример 1 - прототип, примеры 2-13 заявляемый способ.
Применение субстрата с заявляемым составом улучшает качество гидроизоляционного слоя и продуктивные свойства травосмеси (опыты 3, 10, 11). Изменение содержания бентонита в смеси менее 10% масс. и увеличение его доли более 15% масс. приводит к ухудшению качества гидроизоляционного слоя и его растрескиванию и как следствие влияет на снижение продуктивности травосмеси (опыт 4 и 6). Переувлажнение бентонитового геля (более 10% воды) увеличивает время его схватывания и ведет к контакту токсичных отходов с верхним плодородным слоем, тем самым уменьшая продуктивность травосмеси (опыт 5). Уменьшение количества воды до 5% в бентонитово-песчаной смеси не позволяет получить качественный гидроизоляционный слой, при этом наблюдается в нем образование трещин и как следствие, это отрицательно влияет на продуктивность (опыт 7). Толщина гидроизоляционного слоя 0,5 м (опыт 8), которая после укатывания катками становится менее 0,15 м, не обеспечивает эффективной гидроизоляции от слоя токсичных отходов. Уменьшение толщины верхнего плодородного слоя до 10 см (опыт 10) приводило к снижению продуктивности и на практике было трудно осуществимо для обеспечения равномерного распределения плодородного слоя по рекультивируемой поверхности. В качестве травосмеси в заявляемом способе применялась смесь трав, масс %,: овсяница луговая - 40, житняк - 40 клевер красный - 20. Эти растения имеют хорошую всхожесть и продуктивность на песчаных землях, которые присутствуют в пойме реки Чулым и к тому же хорошо переносят низкие температуры Сибири (опыт 3). Применение на песчаных и супесных почвах травосмеси, которая использовалась в способе, принятым за прототип (смесь костреца и пырея в весовом соотношении семян 1:1 и нормой высева 20 кг/га), было проверено и показало сравнительно низкую ее продуктивность (опыт 9). Использование при формировании субстрата полиакриламидного полимера в дозировках менее 2% (опыт 12) не обеспечивало стойкой бентонит-песчаной суспензии и приводило к ухудшению качества гидроизоляционного слоя. А применение дозировок полимера более 5% (опыт 13) - экономически не целесообразно, так как увеличивает затраты на рекультивацию, хотя продуктивность травосмеси остается на достаточно высоком уровне.
Слой вскрышной породы из карьера добычи песка, применяемой в качестве плодородного слоя, наносимый на защитный гидроизоляционный слой, оставляли постоянным толщиной 20 см, так как менее 20 см были затруднения с образованием стойкой корневой системы травосмеси, а более 20 см было экономически не целесообразно.
Применение заявляемого состава травосмеси на песчаных почвогрунтах (масс %,: овсяница луговая - 40, житняк - 40 клевер красный - 20) было предварительно проверено в лаборатории Красноярского ГАУ и показало наиболее высокие показатели по всхожести и продуктивности растений на данных грунтах.
Использование изобретения позволяет существенно повысить продуктивность и обеспечить рекультивацию отвалов с токсичными отходами. Таким образом, на основе данных лабораторных исследований и опытно-промышленных испытаний заявляемый способ обеспечивает в отличие от прототипа повышение продуктивности травосмеси на рекультивируемой поверхности нарушенных земель за счет качественного состава субстрата и плодородного слоя. Применение заявляемого состава травосмеси, на основе овсяницы луговой, житняка и клевера красного позволяет в отличие от прототипа обеспечить необходимую продуктивность травосмеси на применяемых песчаных землях и качественную рекультивацию поверхности нарушенных земель.