Инженерно-экологические решения рекультивации и реабилитации промышленных территорий Южного федерального округа Текст научной статьи по специальности «Сельское хозяйство, лесное хозяйство, рыбное хозяйство»

УДК 502.654

ИНЖЕНЕРНО-ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ РЕКУЛЬТИВАЦИИ И РЕАБИЛИТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ ТЕРРИТОРИЙ ЮЖНОГО ФЕДЕРАЛЬНОГО ОКРУГА

© 2012 г. ЕА. Грибут, МА. Куликова, ЮА. Попова, ОА. Суржко

Южно-Российский государственный South-Russian State

технический университет Technical University

(Новочеркасский политехнический институт) (Novocherkassk Polytechnic Institute)

Исследована эффективность реабилитации промышленных территорий с применением различных отходов угледобывающей промышленности и дальнейшим повышением плодородия за счет внесения в почву животноводческих стоков высокой агромелиоративной ценности. Представлены зависимости продуктивности почвы и динамики микробного населения от доз вносимых отходов. Рассмотрено влияние твердой фракции свиноводческого стока, обработанного кальцийсодержащими реагентами, на урожайность биомассы овса.

Ключевые слова: отходы углеобогащения; жидкие отходы животноводческих комплексов; рекультивация; деградированные почвы; детоксикация.

Explored efficiency to rehabilitations industrial territory with using different departure coal mining industry and further increasing of the fertility to account putting into ground complexes on breeding animal sewer high agro land reclamatiс value. The Presented dependencies to productivity of ground and speakers of the microbial population from doses contributed departure. Considered influence to hard faction breeding pig of the sewer, processed containing calcium reagent, on productivity of the biomass oats.

Keywords: waste of enrichment coal; fluid waste complexes on breeding animal; recultivation; degraded ground; detoxi-cation.

Развитие промышленности, строительство городов и путей сообщения, каналов приводят к разрушению почвенного покрова, нарушается слой почвы при открытой добыче угля, руд, торфа, фосфоритов, строительных материалов и других полезных ископаемых.

Земельный фонд Южного федерального 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 дегумифи-кация и засоление. В последние годы отмечен значительный недостаток внесения в почву органических и минеральных удобрений, объяснимый их высокой стоимостью. Вместе с тем 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. При этом 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 целью работы является проведение исследований эффективности реабилитации промышленных территорий с применением различных отходов угледобывающей промышленности (техническая рекультивация) и дальнейшим повышением плодородия за счет внесения в почву животноводческих стоков высокой агромелиоративной ценности (биологическая рекультивация).

Исследования проводили в 2004 - 2009 гг. на ал-лювиально-луговых солонцеватых почвах и черноземе обыкновенном карбонатном в районе г. Новочеркасска Ростовской области. При проведении исследований почва была в некоторой степени деградирована: плотность - 1, 21 г/см3; плотность твердой фазы -2,46 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 среднемощный 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; сумма Ca2++Mg2+ -33 мг/100 г [5].

Исходя из рекомендаций по применению отходов угледобывающей промышленности (горелых пород и отходов углеобогатительных фабрик) были приняты дозы вносимых детоксикантов: 200 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 углеводород-окисляющих микроорганизмов: до обработки в черноземе обыкновенном карбонатном их численность составила 2,2-106 кл/г, в аллювиально-луговых солонцеватых почвах - 2,0-106 кл/г, после - 8,48-106 и 4,8-106 кл/г соответственно. Эти данные указывают на активизацию аборигенной углеводородокисляющей микрофлоры при внесении детоксикантов, что характеризует повышение способности почвы к самоочищению от данного вида токсикантов.

Органические и минеральные вещества отходов добычи и обогащения твердых горючих ископаемых и зольные уносы их сжигания обладают большой сорб-ционной способностью по отношению к различным неорганическим и органическим соединениям. Поэтому повышение урожайности после внесения угле-отходов 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 рас-

тениями. Углеотходы богаты соединениями кальция, микроэлементов, органического вещества, серы, а также обладают относительно большой сорбционной активностью для компонентов, способствующих повышению плодородия почв.

Микробное население, кл/г 105 1201

100 80 60 40**

20

0

----- -

' - -х- - - . _ .

■.....♦ / .»--

-к

15

45

65 Время, сут

------- контроль, микр.нас., чернозем

— -Х- - - ООФ, микр.нас., чернозем ------- контроль, микр.нас., алл.-луговая

---1---ООФ, микр.нас., алл.-луговая

Прирост биомассы редиса, % 25-

20 —

15

10

0

■V*

.-Х-

»--->.-.-.■%-' -

15

45

65 Время, сут

- - -♦- - - контроль, токсичность, чернозем

- - Х- - - ООФ, токсичность, чернозем

- - -#- - - контроль, токсичность, алл.-луговая ------ ООФ, токсичность, алл.-луговая

б

Рис. 1. Кинетика детоксикации почв: а - микробное население (сапрофитные микроорганизмы), кл/г; б - прирост биомассы редиса (токсичность), %

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 ^200 и ^00). Исследование влияния животноводческих стоков на микроорганизмы почвы проводили в течение 90 сут. Результаты эксперимента представлены на рис. 2.

Максимальное количество микроорганизмов всех экологических групп наблюдали на 30-е сутки испытаний.

Жидкие животноводческие отходы в дозе ^00 способны значительно увеличивать биоактивность

а

Подстилочный навоз крупного рогатого скота отличается нейтральной реакцией среды (рН 6,9), более высоким по сравнению со свиноводческим стоком содержанием органического вещества, но более низким содержанием общего азота, фосфора и более широким отношением углерода к азоту (С^ = 29).

Сравнительное изучение действия этих удобрений показало преимущество обработанной кальций-содержащими реагентами твердой фракции свиноводческого стока в дозе 200 кг/га азота. 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 2 раза (с N^0 до ^00) не давало эффекта, так как 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 свиноводческого стока после обработки его кальцийсодержащими реагентами в дозе N^0 по сравнению с контролем без удобрений составила 10,5 %, а по сравнению с навозом крупного рогатого скота в той же дозе -40 %.

Чистая продуктивность фотосинтеза изменялась с возрастом растений и была наибольшей в первый срок определения.

Влияниие твердой фракции свиноводческого стока, обработанного кальцийсодержащими реагентами, на урожайность биомассы овса

Варианты опыта Урожайность, г/сосуд Прибавка

г/сосуд %

Зеленая масса

Контроль (без удобрений) 15,4 - -

Твердая фракция свиного БН, обработанная кальцийсодержащими реагентами в дозе N200 17,1 1,7 11,0

То же, в дозе 17,3 1,9 12,3

Подстилочный навоз крупного рогатого скота в дозе N200 12,3 -3,1 -20,1

НСР05 1,7

Сухая масса

Контроль (без удобрений) 1,9 - -

Твердая фракция свиного БН, обработанная кальцийсодержащими реагентами в дозе N200 2,1 0,2 10,5

То же, в дозе N^0 2,2 0,3 15,8

Подстилочный навоз крупного рогатого скота в дозе N200 1,5 -0,4 21,0

НСР05 0,2

почвы, особенно на 30-й день после внесения в почву, а потому способствуют повышению ее плодородия.

Количество микроорганизмов в 1 г почвы

1,8110 1,6110 1,4110 1,2110 1,0110 8,01-10' 6,0110( 4,01-10' 2,01-10' 5,00-10'

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

Рис. 2. Изменение численности экологических групп микроорганизмов почвы при орошении жидкой фракцией БН дозой по азоту 200 мг/дм3: 1 - микроскопические грибы (среда Чапека); 2 - олигокарбофилы (ГА); 3 -микроорганизмы круговорота азота (КАА); 4 - гетеротрофы

(МПА)

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

По приведенным выше основным агрохимическим показателям, обработанный кальцийсодержащи-ми реагентами свиноводческий сток соответствует требованиям, предъявляемым к жидким органическим удобрениям (ОСТ 10-118-96).

В среднем за вегетацию она составила на контроле 0,98 г/м2 в сут, а при внесении обработанной реагентами твердой фракции свиноводческого стока 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 1,03 г/м2 в сут.

Таким образом, твердая фракция животноводческих стоков, обработанных кальцийсодержащими 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].

Результаты исследований показали целесообразность последовательной обработки деградированных почв на первом этапе отходами угледобычи, а на втором этапе - жидкими отходами животноводческих комплексов. Рекомендуемая обработка позволит повысить плодородие почв на 30-40 %.

Говоря о комплексной рекультивации, а точнее о рекультивации геологической среды, нельзя ограничиваться только восстановлением плодородия или детоксикацией почв. Полученные экспериментальные данные могут служить основанием для проведения дальнейших исследований совместного применения

Поступила в редакцию

отходов угледобывающей промышленности и животноводческих стоков для реабилитации и рекультивации загрязненных земель.

Литература

1. Агеев В.Н., Вальков В.Ф., Чешев А.С., Цвелев Е.Н. Экологические аспекты природных почв Ростовской области. 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, 2000. 312 с.

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

5. Романенко В.И., Кузнецов С.И. Экология микроорганизмов пресных водоемов: лабораторное руководство. Л., 1974. 194 с.

6. 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.

7. Васильев В.А., Филиппова Н.В. Справочник по органическим удобрениям. М., 1988. 255 с.

28 февраля 2012 г.

Грибут Елизавета Александровна - аспирант, кафедра ИЭ и ЗОС, Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). E-mail: elisaveta.gribut@yandex.ru

Куликова Марина Анатольевна - доцент кафедра ИЭ и ЗОС, Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел. 8-903-463-39-54. E-mail: my7rysyk@mail.ru

Попова Юлия Александровна - доцент кафедра ИЭ и ЗОС, Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел. 8-863-522-24-09. E-mail: my7rysyk@mail.ru

Суржко Олег Арсеньевич - д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой ИЭ и ЗОС, Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел. (8863)52-55-66. E-mail: SurgkoOA@npi-tu.ru

Gribut Elizaveta Alexandrovna - post-graduate student, department «Engineering Ecology and Environment protection», South-Russia State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). E-mail: elisaveta.gribut@yandex.ru

Kulikova Marina Anatolevna - Candidate of Technical Sciences, assistant professor, department «Engineering Ecology and Environment protection», South-Russia State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. 8-903-463-39-54. E-mail: my7rysyk@mail.ru

Popova Yuliya Alexandrovna - Candidate of Technical Sciences, assistant professor, department «Engineering Ecology and Environment protection», South-Russia State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. 8-863-522-24-09. E-mail: my7rysyk@mail.ru

Surgko Oleg Arsenevich - Doctor of Technical Sciences, professor, head of department «Engineering ecology and environment protection», South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. (8863)52-55-66. E-mail: SurgkoOA@npi-tu.ru