CC BY
63
УДК 502.654:631.5
С. С. Тимофеева, Т. М. Жмурова
ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ БИОПОЛОТНА В РЕКУЛЬТИВАЦИИ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК В ИРКУТСКОЙ ОБЛАСТИ
Ключевые слова: рекультивация, фиторемедиация, биоинженерный способ, биополотно, биомат.
Изучена возможность использования биополотна в биологическом этапе рекультивации горных выработок в Иркутской области. Проанализированы предлагаемые на рынках марки биоматов, технологии их изготовления и применения. Изучена пылевая нагрузка, создаваемая горными предприятиями по добыче гипсового камня и каменного угля. Осуществлен выбор растений наиболее пригодных для использования в условиях высокой пылевой нагрузки. Установлено, что использование биоинженерного способа рекультивации является перспективным для горных предприятий Иркутской области. Технология с использованием биополотна является простой, экологически эффективной и мало затратной.
Key words: remediation, phytoremediation, bioengineering method biopolotno, biomat.
Studied the possibility of using biological cloth in the biological reclamation phase of mining in the Irkutsk region. Analyzed proposed brand biological mats, technology of their manufacture and application. Investigated the dust load created by the mining industry for the extraction of gypsum rock and coal. Implemented selection of plants most suitable for use in conditions of high dust loading. The use of this method of remediation is very promising for the mining enterprises of the Irkutsk region. Technology using biological cloth is a simple, environmentally effective and cost-effective.
Основной рост объемов добычи полезных ископаемых осуществляется за счет развития прогрессивного открытого способа ведения горных работ. К негативным последствиям открытых разработок относится изъятие значительных земельных площадей из сельскохозяйственного оборота и их нарушение при ведении горных работ, изменение гидрогеологических условий района ведения горных работ и его ландшафтов, развитие эрозионных процессов, а также перемешивание пород с выносом на поверхность неплодородных и даже токсичных пород. При отвалообразовании вскрышные породы, как правило, отсыпают без учета пригодности их для рекультивации, а при формировании внешних отвалов не всегда учитывают требования рационального
землепользования. Все нарушенные земли являются опасным источником загрязнения больших площадей токсичными элементами и тяжелыми металлами в формах, доступных для животных и человека. Геохимически нарушенные земли часто значительно (в несколько раз) превышают площади механически разрушенных почв и грунтов.
Отвалы образуются при добыче угля, руд и нерудных материалов и окончании открытых горных работ должна быть выполнена рекультивация нарушенных земель.
Согласно ГОСТ 17.5.1.02-85 «Охрана природы. Земли. Классификация нарушенных земель для рекультивации» и другим нормативным документам [1-5] направления рекультивации определяются в зависимости от последующего целевого использования нарушенных земель. Выбор направления определяется физико- и экономико-географическими, экологическими, социальными, экономическими, архитектурно-планировочными, эстетическими, правовыми и технологическими факторами. Рекультивация, как процесс оптимизации техногенных комплексов, должна
производиться с учетом зональных особенностей и, в целом, соответствовать региональному характеру мероприятий по оптимизации окружающей среды.
Для примера в табл. 1 представлены направления рекультивации песчаных карьеров.
Таблица 1 - Основные направления рекультивации песчаных карьеров
Направления рекультивации Цель рекультивации
Сельскохозяйственные Восстановление нарушенных земель для использования под пашню, кормовые угодья, многолетние насаждения
Лесохозяйственное Создание лесных насаждении различного целевого назначения и типа: противоэрозионных, водоохранных, лесопарковых, производственного характера
Рыбохозяйственное Создание в выработках водоемов для рыборазведения
Водохозяйственное Создание водоемов различного назначения противопожарных, для орошения, водопоя скота
Рекреационное Создание и благоустройство мест отдыха
Санитарно-гигиеническое Ликвидация и предотвращение отрицательного воздействия нарушенных земель на окружающую среду
Строительство Приведение нарушенных земель в состояние, пригодное для промышленного и гражданского строительства
В последнее время все чаше предлагаются инновационные технологии фиторемедиации, основанные на использовании биоинженерных способов на основе биополотен (биотекстиля,
биоматов) и травянистых, травяно-кустарниковых, кустарниковых растений, образующих
разветвленную корневую систему. Правильно подобранные растения и правильное выполнение технологии могут обеспечить долгосрочную защиту от эрозии и восстановить нарушенные территории. Биоинженерные способы восстановления почв имеют свои ограничения, такие как освещенность, гидрологические условия, крутизна откоса и, всякий раз, необходимо учитывать экологические условия на исследуемой территории.
Целью данной работы явилось изучение возможности применения инновационных биоинженерных способов фиторемедиации склонов техногенно измененных грунтов с использованием биополотна условиях Иркутской области.
Объектами нашего исследования являлись участок «Северный» Заларинского гипсового месторождения, который расположен в Нукутском районе Иркутской области в 20 км от железнодорожной станции Залари и участок «Восточный» Черемховского угольного разреза.
На данных объектах горного производства имеются стандартные проекты рекультивация, разработанные как составная часть раздела «Оценка воздействия на окружающую среду». Она включает технический и биологический этапы. Технический этап формирует территорию, которая позволяет обеспечивать максимальную продуктивность земельный угодий и удовлетворять рекреационные, эстетические, санитарно-гигиенические и другие требования к участку. Биологическая рекультивация включает комплекс мероприятий по восстановлению плодородия нарушенных земель, включающих нанесение на поверхность биологически активного слоя, временное озеленение, изучение местной растительности, возможности и условия самозарастания нарушенных земель, лесоразведение и посев многолетних трав, уход и надзор за посадками. В соответствии с нормативами технология
биологической рекультивации включает предпосевные подготовительные работы (агротехнические мероприятия) и посев трав. Эти работы крайне трудоемки и не всегда эффективны, так как возможен смыв семян, поедание птицами и низкая эффективность прорастания.
В настоящее время в практике строительства очень широко используются новые виды материалов - геотекстиль - прочное водопроницаемое полотно, изготавливаемое из синтетического сырья (базальтового или стекловолокна, полиэфирных, полипропиленовых нитей и других полимерных материалов). В зависимости от сырья, геотекстиль изготавливают способом иглопробивания, склеивания, сплавления или плетения из одной нити [6].
Начато производство органического
геотекстиля, в состав которого добавляют семена трав. Чаще всего такой материал называют биотекстиль (биополотно или биомат) и он дает возможность сделать более прочными гидротехнические сооружения и дорожные насыпи.
Такой материал очень хорошо зарекомендовал себя в создании сложных ландшафтов.
Основа биотекстиля является армирующей, биоразлагаемой и полимерной. Между различными слоями биотекстиля размещают семена
многолетних трав, выведенных специально для подобных материалов, а также разнообразные стимуляторы роста и удобрения. Биотекстиль способствует защите растений в вегетационный период, а разлагаемые составляющие служат для питания растений. Полимерный компонент геотекстиля - это армирующая часть, которая будет укреплять верхний слой грунта.
Биополотно представляют собой материал, являющийся полноценным искусственным заменителем почвы на период ее восстановления, способствующий быстрому формированию растительного покрова и защищающий грунтовую поверхность от эрозионных процессов [7].
Биополотно - тканый или нетканый текстильный материал, изготовленный иглопробивным или другим способом. Этот материал состоит из смеси синтетических неразлагаемых и естественных биоразлагаемых волокон. Внутрь биополотна по специальной технологии внедрена смесь семян многолетних трав и других растений, питательные вещества (минеральные удобрения, торф, стимуляторы роста и т. д.), а также влагоудерживающие компоненты [7]. Биотекстиль эффективно препятствует вымыванию семян растений, а также защищает их от поедания птицами и животными. Кроме того, имея волокнистую структуру, задерживает вымываемые и переносимые водой и ветром частички почвы, что также способствует формированию почвенно-
растительного слоя, так необходимого для посаженных растений. Биотекстиль, сам являясь материалом растительного происхождения, постепенно разлагается, участвуя в формировании дернового покрова
Биотекстиль также достаточно эффективно поглощает и удерживает воду, которая так необходима высаженным растениям. Таким образом, биотекстиль создает «тепличные» условия для роста растений (рис.1).
В настоящее время промышленностью производится биотекстиль, с прослойкой из семян трав (рулон шириной 1,6-2,0 м, длиной 30,0-50,0 м, толщиной 3,0-2,0 мм, вес 35,0 кг).
В зависимости от материала, из которого они изготавливаются, биотекстиль имеют следующую маркировку:
> ВТ-К - органический геотекстильный материал (биотекстиль) изготавливаемый из кокосовых волокон,
> ВТ^К - органический геотекстильный материал (биотекстиль) изготавливаемы из кокосовых волокон и соломы,
> ВТ^ - органический геотекстильный материал (биотекстиль) изготавливаемый из соломы, отвечающие требованиям ТУ 8397-00588914050-2009 и ТУ 8397-001-77491391-2006.
Рис. 1 - Биотекстиль
По виду армирующего материала изготавливают биополотно, армированное полипропиленовой или джутовой сеткой.
Выбор вида армирующего материала зависит, главным образом, от необходимости армирования дернового слоя в процессе дальнейшей эксплуатации. Так, например, биотекстиль, армированный джутовой сеткой, будет работать на формирование почвенно-растительного слоя от одного года до пяти лет в зависимости от материала, из которого он изготовлен. А биотекстиль, армированный полипропиленовой сеткой, будет работать еще долгие годы, даже после полного разложения органической основы биотекстиля, помогая корням растений удерживать дерновой слой.
Использование биоплотна гарантирует восстановление почвенно-растительного слоя за один сезон, позволяя избежать обременительной укладки плодородного грунта с последующим ежегодным досевом трав. Это значительно упрощает процесс рекультивации земель, снижая стоимость работ и уменьшая расходы на эксплуатацию.
В настоящее время на рынке предлагаются разные марки биоматов. Нами выполнены маркетинговые исследования по подбору марок биоматов, пригодных для использования в Иркутской области на горных выработках. Производители сегодня предлагают разные варианты биополотна: на основе соломы (Биомат-С), на основе льна (Биомат^), а также смешанный тип волокон (Биомат^С), где используются и первый, и второй вариант состава. Для биополотна из соломы характерна наибольшая фильтрация поверхностного слоя грунта, оно быстро разлагается и подходит для откосов. Биомат изо льна ориентирован на условия большого поверхностного стока и значительной эрозии. Он разлагается медленно, поэтому создает долговременную защиту склонов от ветра, дождей, колебаний температуры.
Предлагаются следующие марки биоматов: БТ-ВМП/60; БТ-ВМП/80; БТ-ВМП/100; БТ-ВМП/130 -для защиты относительно горизонтальных, дренированных грунтовых поверхностей, сложенных, преимущественно, глинистыми грунтами, с локальным уклоном до 3°; БТ-ВПС/60; БТ-ВПС/80; БТ-ВХЗ/100; БТ-ВХЗ/130 -применяются для защиты слабонаклонных (крутизной до 2-3°), хорошо дренированных
грунтовых поверхностей, сложенных песчаными грунтами; БТ-С0/60; БТ-С0/80; БТ-С0/100; БТ-С0/130 - применяется для защиты крутых (крутизной до 30° и более) склонов и откосов земляных сооружений и насыпей, сложенных песчаными и глинистыми грунтами; БТ-ВУЗ/60 -рекомендуются для защиты горизонтальных и слабонаклонных, слабодренированных,
заболоченных и периодически подтапливаемых грунтовых поверхностей, сложенных песчаными и глинистыми грунтами, в том числе заторфованными, а также торфами.
Производителем биоматов является немецкая фирма Экостаб ST, посреднические услуги предлагает ООО «НПО Экотэк» - научно-производственная компания, которая разработала и внедрила совершенно новый подход к проблемам рекультивации и восстановления почв.
Биоматы могут использоваться не только для укрепления склонов, но и для разбивки газонов во дворах, у загородных коттеджей, на игровых площадках и т.д. Цена таких биоматов вполне демократичная и он может быть уложен владельцем дома, коттеджа или садового участка.
Процесс укладки биоматов заключается в следующем:
1. Подготовить поверхность, очистив ее от камней, выровняв;
2. Засыпать поверхность растительным слоем грунта в 10 см;
3. Утрамбовать грунт катком;
4. Раскатать биоматы и закрепить их деревянными колышками;
5. Присыпать материал слоем грунта толщиной 13 см и обильно полить;
6. Проводить периодический полив мелкими каплями каждые три дня в течение 25 дней;
7. Произвести первое кошение травостоя через 16-25 дней после посева оставляя траву высотой 5 см.
8. Проводить стрижку газона каждые 12 дней. Для успешной рекультивации выбранных нами
для исследования объектов с использованием биополотна важен правильный выбор растений, устойчивых к основным негативным факторам.
На исследуемых объектах нами выполнены исследования по оценке пылевой нагрузки на атмосферу и подобраны наиболее устойчивые виды растений.
Установлено, что масса выбрасываемой пыли за пределами участка «Северный» достигает 11 т в год (табл.2).
Таблица 2 - Интенсивность пылеобразования в технологических процессах добычи гипсового камня на участке «Северный» Заларинского месторождения
Технологический процесс Интенсивность пылеобразова-ния, г/c Масса выбрасыва емой пыли, т/год
Буровзрывные работы 0,0002 0,0056293
Дробление 0,062 1,95718
Погрузочные работы 0,056 1,74589
Транспортирование 0,031 0,97154
Территория за пределами участка 0,35 11,07318
На Черемховском угольном разрезе пылевая нагрузка достигает 15 и более т в год [9].
Получив четкое представление о пылевой нагрузке, мы рекомендуем к выпускаемым промышленностью биоматам дополнительно вводить семяна красного клевера и люцерны.
Клевер красный - это многолетнее неприхотливое травянистое растение семейства бобовых, высотой до 50 см. Растет предпочтительно на лугах, вдоль дорог, а также его можно встретить в поле, на склонах, по берегам рек.
Люцерна представляет собой многолетнее дикорастущее или посевное растение и относится к семейству бобовых. Имеет толстый сильный стебель, эллипсовидные листочки и может вырастать в высоту от 20 до 100 см. Мощная корневая система разрастается на большие площади, улучшая структуру и воздухопроницаемость почвы.
Полезные свойства люцерны объясняются ее богатым сбалансированным составом и наличием в траве редких аминокислот и химических элементов, ценных для здоровья человека. У люцерны корневая система от 15-20 метров в глубину. Она достает из глубоких слоев почвы ценные вещества (микроэлементы, минералы и прочие), недоступные другим растениям.
Выбор данных растений обусловлен несколькими причинами.
Во-первых, эта группа растений обладает высокой продуктивностью.
Во-вторых - данные растения быстро образуют дернину и, тем самым, защищают поверхность от ветровой и водной эрозии.
В-третьих - мало требовательны к плодородию почвы, переносят недостаток влаги в почве, широко распространены в исследованных районах.
Сравнительный анализ затрат на рекультивацию традиционным способом и с использованием биополотна показывает, что экономические затраты, в среднем, снижаются на 15-30 %.
Таким образом, использование биоинженерного способа рекультивации является перспективным для горных предприятий Иркутской области. Технология с использованием биополотна является простой, экологически эффективной и мало затратной.
Литература
1. ГОСТ 17.5.1.02-85 «Охрана природы. Земли. Классификация нарушенных земель для рекультивации».
2. ГОСТ 17.5.1.0-86 «Охрана природы. Земли. Классификация вскрышных и вмещающих пород для биологической рекультивации земель».
3. ГОСТ 17.5.3.04-83 «Охрана природы. Земли. Общие требования к рекультивации земель».
4. Т.С. Чибрик, Г.И. Батурин, Биологическая рекультивация нарушенных промышленностью земель, изд-во Урал. Ун-та, Екатеренбург, 2003. 36 с.
5. Е.А. Коркина, Самовосстановление нарушенных техногенезом почв Среднего Приобья, изд-во НВТУ, Нижневартовск, 2015. 158 с.
6. Марки геотекстиля. Электронный ресурс: http://www.geotekstil.ru/geotekstil/marki_geotekstil.
7. Органический геотекстиль (биотекстиль, биомат, биополотно). Электронный ресурс: http://www.shop.eco-logic.su/biotextile.html.
8. И.П. Аистов, А.Е. Гаглоева, Системы. Методы. Технологии, 4(20), 188-191 (2013).
9. С.С. Тимофеева, М.А. Мурзин, Вестник ИрГТУ, 3(98), 108-114 (2015).
© С. С. Тимофеева - д.т.н., профессор, заведующая кафедрой промышленной экологии и безопасности жизнедеятельности Иркутского национального исследовательского технического университета, E-mail: sstimofeeva@mail.ru; Т. М. Жмурова -аспирант по направлению «Геоэкология» Иркутского национального исследовательского технического университета, E-mail: tatto4ka@bk.ru.
© S. S. Timofeeva - PhD, Professor, Head of the Department of Industrial Ecology and safety of Irkutsk State Technical University of life, E-mail: sstimofeeva@mail.ru; T. M. Zhmurova - PhD student in «Geoecology» of Irkutsk State Technical University, E-mail: tatto4ka@bk.ru.
