CC BY
134
РЕАБИЛИТАЦИЯ ЗАГРЯЗНЕННЫХ СВИНЦОМ ПОЧВ Н.А.Черных, Ю.И.Чериых
Экологический факультет, Российский университет дружбы жра-Зм, Подольское шоссе, 8/5, 113093, Москва, Россия
В представленной работе на основании литературного и эксперименздльною материма проведен анализ существующих моделей реабилитации загрязнениях тяжелыми металлами почв. Представлена сравнительная оценка Цфсктивиости различных мовдо» устранения иегатимш последствий свинцового :шгрялнеиия.
В связи с интенсивным вовлечением природной среды 0 хозяйственную деятельность человека зв настоящее время остро встала проблема загрязнения биосферы в целом» а также отдельных ее компонентов многими токсичными веществами, в том числе тяжелыми металлами. При этом связанный с загрязнением ущерб наносится не только территориям, находящимся в непосредственной близости к источникам эмиссий техногенных элементов, но и в силу трансграничного переноса — районам» в значительной степени удаленным от мест расположения локальных источников*
К сожалению, масштабы и уровни загрязнения экосистем в настоящее время весьма высоки, о чем свидетельствует множество фактов, Достаточно сказать, что более чем в 100 городах России, где проживает около 70 млн. человек, концентрации рада тяжелых металлов значительно (в $ раз и более) превышают их предельно-допустимые значения (ДЦК), При этом в районах* находящихся в непосредственной близости от крупных источников загрязнения, в частности от предприятий топливно-энергетического комплекса» автомобильного транспорта, а также черной и цветной металлургии» превышение ДЦК для многих химических элементов и соединений составляет сотни раз.
Только в результате работы металлургических предприятий на поверхность Земли ежегодно поступает (тыс. т): меди — не менее 154,7* цинка — 121,5, свинца 89, никеля — 12, кобальта — 0,765, молибдена — 1,5* ртути — 0,031. Вследствие сжигания угля и нефти (тыс, т): свинца —- 3,6, ртути — 1,6, меди
— 2,1, цинка — 7, никеля — 3,7. Выхлопные газы автотранспорта привносят на поверхность нашей планеты до 260 тыс. т свинца ежегодно (Овчаренко М.М, 1995).
Свинец, наряду с кадмием и ртутью, принадлежит к числу не только самых распространенных в компонентах биосферы загрязняющих веществ, но и к группе тяжелых металлов, в повышенных концентрациях проявляющих высокую токсичность.
Основная доля свинцового загрязнения, поступающего в результате работы промышленных предприятий, представлена оксидами, сульфидами и сульфатами (РЬ8, РЬЗОд, РЬО, и др.), тогда как в выхлопных газах свинец присутствует в виде галогенсодержащих солей (например, РЬВг2, РЬС12, РЬ(ОН)Вг и др.). Данные соли свинца в выхлопных газах неустойчивы и легко превращаются в оксиды, карбонаты и сульфаты.
Масштабы выбросов металлов, в том числе свинца, в окружающую среду привели к формированию значительных территорий, требующих проведения комплекса реабилитационных мероприятий, направленных на восстановле-
ние природного равновесия в экосистемах, либо, если это невозможно на максимальное устранение негативных последствий загрязнения. '
В целом реабилитация (санация, восстановление) загрязненных свинцом почв заключается в разработке и осуществлении мероприятий по восстановлению почв до состояния, Пригодного для использования. При этом одной из главных задач проведения данных работ является снижение содержания токсичного элемента в почве ниже уровня ПДК. Однако установление предельно-допустимых концентраций тяжелых металлов в почве представляет собой весьма сложную проблему, обусловленную прежде всего различной буферно-стью разных типов почв по отношению к загрязнению. Поэтому следует иметь в виду, что ПДК свинца в почве - это не конкретное критическое значение» а критическое ноле значений, В настоящее время (1995 г,) Госком-санэпиднадэором России установлены ОД К свинца в зависимости от гранулометрического состава и кислотности почв (валовое содержание): песчаные и супесчаные почвы 32 мг/кг; кислые (сутинисгсые и глинистые), рНка < 5,5 — 65 мг/кг; близкие к нейцмлышм, нейдольные (суглинистые и тмисше), рНш >
5,5 — 130 мг/кг.
Это, несомненно, достаточно весомый вклад в решение проблемы нормирования загрязнения почв свинцом, если учесть, что до этого времени ПО принятым гигиеническим нормативам (1991 г.) существовало единое для всех почв значение ПДК: валовое содержание — 32 мг/кг; подвижная форма (извлекаемая ацетатно-аммонийным буферным раствором с pH 4,8) - 6,0 мг/кг. Однако и эта значения ОДК, принятые в 1995 г., требуют дальнейшей доработки. Необходимо отметить, что более правильную оценку загрязненности почвы дает содержание подвижных соединений элемента, поскольку, обладая буферностью к токсическому действию свинца, почва способна переводить его в труднорастворимые и малодоступные растениям формы. Подвижность элемента и доступность его для растений в свою очередь контролируются такими свойствами почв как кислотно-щелочные условия, окислительно-восспшовителъные режимы, содержание гумуса, гранулометрический состав и связанная с ними емкость поглощения.
Таким образом, прежде чем переходить непосредственно к разработке конкретных мероприятий по восстановлению плодородия подверженных загрязнению почв необходимо определить Критерии классификации почв по опасности загрязнения свинцом, базируемые на совокупности их физико-химическиX свойств.
М. А. Глазовской проведена группировка почв России по устойчивости к загрязнению тяжелыми металлами, в частности свинцом. Каждой группе почв (почвенно-геохимической ассоциации) в зависимости от свойств присвоено определенное количество баллов: максимальное (35 баллов) — почвам с наиболее высокой опасностью накопления подвижных соединений свинца, минимальное (1-4 балла) — с наименьшей (табл. 1).
Потенциальная опасность интоксикации почв соединениями свинца наиболее высока для ассоциации сильнокислых почв с периодически восстановительным режимом (30-35 баллов). Она значительно уменьшается в ассоциации умеренно кислых почв, особенно почвах с окислительным режимом (8-18 баллов). Наименее опасно загрязнение свинцом для слабощелочных и сделочных почв: для почв с окислительным режимом 6-11 баллов, с окислительно-восстановительным и восстановительным - 7-20 баллов.
III. Ассоциация нейтральных и слабощелочных ПОЧВ П. Ассоциация умеренно кислых почв I. Ассоциация сильнокислых почв е 1 8 | | 611 11 » # О 1
3 ? Р 2 М 1| < 11! з ? 1 Э *—* 3 *■+ 8 м а ^ V * 101» & 11 || ^ й о Т * г*? й Ш ■§ 8 § о | | «1? 2 2 | * ЙЗ ^11 Т »
*-* ►— о и ч» х к> к> О Кл 40 2 V® °* ш ш **> о» Ьд а— К> К? и» О**- ©V *— I
а) Высокая й, в \ 1 ^*2, ,* 3 о\ ъ> $ 1* а о а о ш Ц к ш ч », Э 1® II *■ 1 8 щ *2» '■2^ 5*. | е а О *** § Ж | Р 1 — т № *- ^-5-> >"' в _ <—* О 56 1^1" 1 8 | || || О *■6 8 1 О о £» *а К 3 О ^! ш
: ? " ^ I В 111 1^1 ||| с*' 1 * 111[ § §3 1 О1! Я* о* 1|||| 8 ^ 1 1 г?11 112 1 !1|11! * ^ 11 ^ ^,| || * ? ^ ? 11. **? 2* 16 О 8 *• 8? « Ш 1 |1 | ! * а § к § 2 5. 5 ® Ф 6 $ з§ Ж 7 ■* #3 *г е о Р я! § а е а *8 л 111* а О ^ £3; а 1 « 1 1 В в а 1111 о 3 § 3 ! 8*2 8 I 3 Ж 3 *© ш • ш В * 5 Ж ^ * 11 ’И 91§ 11^1*3 * *** 1ЫК»ярШ 1111®!!^ Ч т ?|йВ н ШШ 5? _ в ^|#||| 1ц *' III'- 51| 31 « Л *3 2 3 Я | I § Й й в*8а 15 Й 1 *§!# 111 7 Т ! ? в 2 ? Я я о
Черных КА, Черных ЮМ Реабилитация загрязненных свинцом пота
Продолжение табл. 1
м л. Щ ” Окпслттблмшй И 6 1 б) Средняя в) Низкая г) Очень низкая Черноземы обыкновенные, южные, карбонатные, мицсл-лярно-карбодагные, сощнцвва-тш» тшно-кашшновыс, каштановые, кашгашвме солонцеватые. Ссро-юэричненыс, свстаю-каш танешае» (жшо'Каишновые сочонцгавашс, бурые н бурые соданцсвате, солонцы степные. Песадше цуешнные.
{ Оюодттко- мшшщшздзь- ШЙ 12 7 СЩндош ») Ншмя Лугово-каштановые, лугово-кшшаноные солонцсвашс, лу-швО'Черноземные солонцева-ше, лугово-кашшновыс солон-цсшшс, луговые солюнцеваше. Лугово-бурые, лугово-бурые солонцеватые, луговые солонцы и солончаки, лугово-шлонча-коваше почвы.
й ~ Ж" ™" Вшшшй»- телышй 1 а) Высокая Солонцово-болотные и солончаково-болотные почвы.
При планировании мероприятий по восстановлению почв конкретной территории необходимо учитывать ее наложение в окружающем ландшафте, а также неоднородность, как почвенного покрова, так и загрязнения. При этом следует иметь в виду также тот факт, что максимальное количество свинца аккумулируется » верхних наиболее плодородных горизонтах почв.
Существующие модели реабилитации почв служат целенаправленному изменению» как самих почв, так и их связей с растениями и человеком. Главные требования к этим моделям — реализуемость и экономическая эффективность» что тесно связано с возможностью оптимизации, выбором наилучшей стратегии и тактам достижения намеченных целей.
При практическом проведении реабилитационных работ на загрязненной территории первым этапом должна быть организация данной территории, то есть определение цели ее использования с восстановлением определенного лаадшафта: городская застройка, зона рекреации, использование в сельскохозяйственных целях и т.п. Это определяет работы второго этапа - рекультивацию земель шш непосредственно санацию почв. Такой подход позволяет экономить расхода» уменьшать ущерб для соседних территорий и сопредельных сред. Наиболее актуально его использование в случаях сложных сочетаний нарушения земель и загрязнения почвенного покрова (карьеры, отвалы на фоне сильного загрязнения свинцом).
В первом приближении модели реабилитации почв можно разделить на следующие типы:
- выбор способа использования загрязненных земель;
- фитосанация;
- перемещение и удаление загрязнений;
регулирование подвижности и трансформации загрязняющих веществ в почве;
регулирование соотношения биогенных элементов в почве;
- рекультивация.
1, Сущность первой модели реабилитации, а именно выбора способов использования загрязненных почв, заключается в перепрофилировании отраслей сельскохозяйственного производства, проведении смены угодий, подборе севооборотов, а также отдельных сельскохозяйственных культур с целью максимального снижения поступления свинца в товарную продукцию. При этой модели эффект санации достигается за счет того» что одни культуры выносят свинец из почвы сильнее,.другие. — слабее, одни культуры используются в пищу непосредственно, другие — после переработки, третьи — вообще не пищевые. В таблице 2 приводится схема сельскохозяйственного использования почв в зависимости от категории загрязнения.
Т а 6 л и и ш 2
Ирищттмышш схем оценки яки» сельсшожотйсгтнтт ттмшжшшмш,
Категория загрязненности почв 1. Допустима» Характеристика загрязненности "*Сод^^ сюих веществ II почве превышает фоновое, но нс шше ГЩК Возможное использование территории Прсдяашемые мероприятия
Ибпсшыюмние под любые культуры Снижение уроним тттЛетт метчжкт »цщ, Мероприятия 1» еншкеиию доетуш тохшшпш и ршггеиш (ШШвШ!) ЙШСШШ ори» шгческих удобдемий и т.п.)
ц. Умеренно опасная Содержание химических веществ в почве превышает их ГЩК при лимитирующем общесанитарном» миграционном водном и миграционном воздушном показателях вредности, но ниже допустимого уровня по транслокационному показателю Иснадьаовщие пещ любые культуры Меропрвгши, шиопшшв ««тории I. При наличии веществ с лимитируюишм МИП«|» ционньш шдавмм или радушным »«штадши праяедитея контроль за ©адержаиием этж веществ в эоне работ оельско-юаййстаеииш ршбочше и и иоде местных мшетнш».
Ш. Высоко опасная Содержание химических веществ в почве превышает их ГЩК. при лимитирующем транслокацион ном показателе Использование под технические культуры, Использование под с.-х культуры ограничено (растсния-концентраторы исключаются) Кроме мероприятий, ушадмГ для юдагорки I» о&гамедсымй контроль за содержанием токсикантов » растениях - продуктах литания и кормах.
IV. Чрезвычайно опасная Содержание химических веществ превышает ГЩК в почве по всем показателям вредности Использование под технические культуры или исключение из сельскохозяйственного применения. Лесозащитные полосы. Мврсщриялм. жГ снижению" уровня загрязнения и свяшва-шпо токсикантов » почве. Кон- : грош за «держанием тоодшш-товв зоне рабаш'о.-х рабочих и в воде местных водоисточников.
— свинца (валовое содержание);
1. Транслокационный - 35 мг/кг;
2. Мшравдонный водный - 200 мг/кг;
3. Мшращонный тсздтшшй ;
4. Общесанитарный - 30 мг/кг.
При подборе сельскохозяйственных культур для возделывания на загрязненных почвах необходимо исходить из их способности избирательно поглощать и накапливать токсиканты. Так, на почвах с низким уровнем загрязнения, когда содержание свинца достигает ПДК, необходимо применять ком-
плекс мероприятий по устранению последствий загрязнения. На таких почвах нельзя выращивать наиболее чувствительные к тяжелым металлам культуры (салат, шпинат» укроп, лук, петрушка). Не рекомендуется также выращивание кормовых культур. Допускается возделывание корне- и клубнеплодов при условии применения необходимых агрохимических мероприятий, направленных на снижение подвижности ТМ и поступления их в растения, При среднем и высоком уровнях загрязнения рекомендуется выращивать культуры, мало чувствитадьные к загрязнению и не накапливающие свинец (технические, плодовые» зерновые на семена и фуражное зерно, многолетние травм на семена, цветы) при интенсивном применении агрохимических и агротехнических мероприятий, снижающих поаупление металлов в продукцию, При очень высоком уровне загрязнения почвы необходим, специальный комплекс работ, так как при этом обычные меры малоэффективны и будет происходить не только загрязнение Продукции тяжелыми металлами, но и снижение урожая в отдельных случаях вплоть до его полной гибели.
2, Приемы фихосанации основаны на способности растений поглощать из поты в значительных количествах некоторые загрязняющие вещества. Затем эта растения подвергают утилизации и захоронению.
Большинство дикорастущих гипераккумулоторов тяжелых металлов относится к семейству крестоцветных — близких родственников капусты и горчицы, Один из видов горчицы, называемой индийской, или сарептской, является весьма эффективным накопителем свинца, меди и никеля. Свинец способны накапливать также кукуруза и известный сорняк амброзия. Кроме того, в целях фитосанации возможно использование бобовых культур (вики, люцерны, гороха и т,п.). Наиболее эффективным с экономической точки зрения является посев клевера и люцерны.
3, Для удаления свинца из верхних наиболее плодородных горизонтов почвы в нижележащие и разбавления загрязненного слоя применяют вспашку на глубину 30 см в сочетании с внесением органических удобрений и извести. Такой прием довольно эффективен и экономически целесообразен, так как может быть выполнен обычной сельскохозяйственной техникой, имеющейся в каждом хозяйстве. Определенный эффект дает проведение глубокой вспашки на 50см, особенно на глинистых и суглинистых почвах. Однако при глубокой вспашке затраты повышаются в 2 — 3 раза, а плодородие почв с элювиально-иллювиальным типом строения профиля падает за счет вовлечения в пахотный слой нижележащих малоплодородных горизонтов.
Добиться наиболее высокого эффекта санации позволяет применение мощных штнтажных плугов и переместителей почвенных горизонтов, а также специальной техники для снятия и удаления верхнего загрязненного слоя почвы — скреперов, грейдеров, бульдозеров и др. Однако при использовании последних возникают проблемы, связанные как со снижением или полной потерей плодородия почв, так и с захоронением удаленного слоя, что делает данные приемы весьма дорогостоящими. Однако, несмотря на высокую себестоимость и возникающие трудности, в регионах с очень высоким уровнем содержания тяжелых металлов и с малой эффективностью использования других методов удаление загрязненного слоя почв с последующим его восстановлением является наиболее приемлемым методом их реабилитации.
В случае равномерного распределения свинца по всей глубине плодородного слоя почвы применяют очень дорогостоящий прием, заключающийся в переводе соединений свинца в подвижную форму (изменение кислотности, добавление солей, комплексообразователей) и их промывке в более глубокие
горизонты, где они становятся недоступными для корневой системы растений. Однако в результате такой санации почв возможно загрязнение других природных объектов, в частности подземных и поверхностных вод.
4. Закрепление (фиксация) тяжелых металлов в почве является одним из способов снижения их поступления как в растения» так и в природные воды. Переход свинца в недоступное для растений состояние является чаще всего следствием его взаимодействия с органическим веществом, карбонат- и фосфат-ионами, Таким образом, внесение органических и минеральных удобрений (особенно фосфорных) и извести не только повышает плодородие почв, но и способствует ее реабилитации при загрязнении» Для очистки больших территорий, загрязненных свинцом, достаточно эффективно и экономически целесообразно использование широко распространенных природных сорбентов органического происхождения (торфа, мха и др.), глин и глинистых минералов с высокой емкостью поглощения по отношению к свинцу (цеолитов, вермикулитов, монтмориллонитов и др.) на легких почвах.
Известкование пт Основным приемом снижения подвижности свинца в кислых почвах является известкование. При известковании .одрязненных почв рекомендуется вносил» дозы известковых удобрений* обеспечивающие доведение pH почвы до уровня 6,5 — 6,7 (табл, 3), Обычно рекомендуемые дозы извести при химической мелиорации загрязненных тяжелыми металлами почв малоэффективны,
Таблица 3
Дозы СаСОз дня дериово-иодзоитистых ж еерш лесных шил» т/т
Почвы рНкся (для почв с содержанием гумуса ж» 35Й)
4,5- --М 4,7“ 4,8 4,9 ~ 5,0 5,1 — 5,3 -5,4 5,5 -5,6 5,7“ 5,8 5$ - ... 40 6,1 - «3 43- ....44....
Песчаные 12 11 10 9 8 7 <г ' 5 Н 4 3
Супесчаные 14 13 12 11 10 I «С5 53 4$''
Лепсосугли- нистые 16 15 ' 14 13 11 9 7 Р 3 4
Среднссуг- линистые 18 17 ""и ‘ 14 12 !0 8 а В ’ и
Тюкслосуг- линисше 20 1 19 17 15 13 11 '9 ' - 1 ■
Глинистые 22 20 18 16 14 12 10 I 5,5
На торфяно-болотных почвах дозы СаСОз рассчитываются с целью доведения pH почвы до 5,5 по следующей схеме:
рНка СаСОз, т/т
3.8 - 4Д 20
4,2-4,4 13
4,5 - 4,6 16
4,7-4,8 14
4.9 - 5,0 12
5.1 - 5,2 10
5.2 - 5,4 8
На выщелоченных и оподзоленных черноземах дозы известковых удобрений, как правило, рассчитывают по величине гидролитической кислотности (Нг). В условиях Центрального Черноземного района Российской Федерации целесообразно применять дозы, соответствующие 2,5 Нг. На черноземах Восточной зоны (Пензенская обл., Чувашия, Мордовия и др.) следует применять дозы известковых удобрений, соответствующие 2,0 Нг.
При химической мелиорации загрязненных свищом почв можно применял» любые известковые удобрения с учетом шсшвнодейстаующего вещества в щи» а также при обязательном контроле за содержанием токсичных примесей
Внесете щшш*тжж удобреяий. Применение органических удобрений (торфонавоаных компост»» навоза, седеркгов» соломы), увеличивающих запасы органического вещества в почве, ее буферную способность и емкость поглощения, является жНюспшным Средством снижения' подвижности свинца. Наибольший эффект дает использование торфокомпосте. При загрязнении почв тяжелыми металлами органические удобрения применяют в максимально возможных Д03ИС с учетом потребности сельскохозяйственных культур # акж, чгсобы не происходило избыточного накопления нитратов в распггеяьной прошухцин.
Применение фосфорных рюбршк. Взаимодействие в почве свинца с фосфат-ионами приводит 1 снижению его подвижности вследствие образования труднорастворимых соединений. Эффектность применения фосфорных удобрений жтеж от содержания свинца в почве и реакции среды. Так, фосфоритную муку целесообразно яримешпъ на почвах с pH < 5,8 в дозах от 300' до 1000 кг/га Р^Оз, а суперфосфат - 120*150 кг/га с учетом обеспеченности точим фосфором, планируемых урожаев и выноса*
Анализ многочисленных исследований'' по разработке алхимических приемов рекультивации загрязненных свинцом почв позволяет сделать заключение, что эффеижвдость вышеописанных приемов значительно возрастает при их комплексном применении. Например, на кислых дерново-подзолистых почвах максимального реабилитационного эффекта модно достигнуть при совместном применении известковых и органических удобрений с подпихиванием материала иллювиальной части почвенного профиля. При этом значительно увеличивается поглотительная способность почв (за счет увеличения гак органической, так и минеральной составляющей) и снижается кислотность, что в комплексе способствует значительному падению подвижности свинца,
5. Регулирование соотношения биогенных элементов основано на явлении антагонизма и синергизма при яишодо растений. Добавляя в почву элемен-ты-амгшгошеш свинца (Са, Р, К), можно снизить поступление в растения элемента-загрязнителя, а с помощью элементов-синергистов можно увеличить вынос загрязнителя с растениями. Последнее обстоятельство можно использовать для фитосанации почвы (см. пункт 2).
6. Рекушшвация направлена на восстановление продуктивности сильно-загрязненных нарушенных почв (отвалы металлургических предприятий, шламохранилища и др.) и включает в себя работы по восстановлению или созданию нарушенного ландшафта. Технический этап рекультивации включает подготовку земель для последующего целевого использования снятие, перевозка и отсыпка почв и пород. Биологический этап включает комплекс агротехнических и фитомелиоративных мероприятий по восстановлению плодородия,
ЛХИДОАТУРА
Овчаренко М.М. Тяжелые металлы в системе почва-растение-удобрение // Химия в
сельском хозяйстве, 1995. - № 4. - С.8-16. ____________„„гл„ п
Глазовская М.А. Критерии классификации почв по опасности загрязнения свинцом //
Почвоведение, 1994. №4. - С. 110-120.
Методические указания по оценке степени опасности загрязнения почвы химическими веществами. М3 СССР, 1987.
REHABILITATION OF LEAD POLLUTED SOILS N.A.Chemykh, Yu.bChernykb
Ecological Faculty, Russian Peoples* Friendship University,
Podolskoye shosse, S/5, 113093, Moscow» Russia
In the submitted work on the basis of a literary and experimental material is carried out the analysis of existing models of rehabilitation polluted by heavy metals soils. The comparative estimation of efficiency of various methods of elimination negative confluences of lead pollut ion is submitted
