CC BY
94
Возможности рекультивации буровых шламов и солонцов с использованием фосфогипса
л. н. скипин,
доктор сельскохозяйственных наук, профессор, заведующий кафедрой,
Н. В. ХРАМЦОВ, доктор технических наук, профессор,
С. А. ГУЗЕЕВА, кандидат биологических наук, доцент, В. С. ПЕТУХОВА, аспирант,
Тюменский государственный архитектурно-строительный университет
625001, г. Тюмень, ул. Луначарского, д. 2; тел.: 89129924555, 89220428224, 89058223239; e-mail: [email protected]
Положительная рецензия представлена И. В. Греховой, доктором биологических наук, профессором кафедры химии Государственного аграрного университета Северного Зауралья.
Практически все виды отходов содержат ценные вещества, и их рациональная утилизация в народном хозяйстве создает для него дополнительные сырьевые ресурсы, охраняя в то же время биосферу от загрязнения [1].
В данной работе рассмотрено два вида отходов производства — буровой шлам (БШ) и фосфогипс.
Наибольшую опасность для объектов природной среды северных территорий Тюменской области представляют производственно-технологические отходы бурения, которые накапливаются и хранятся непосредственно на территории буровой площадки. В своем составе они содержат широкий спектр загрязнителей минеральной и органической природы, представленных материалами и химреагентами, используемыми для приготовления и обработки буровых растворов, например, полиакриламидом (ПАА), конденсированной сульфитспиртовой бардой (КССБ), карбоксиметилцеллюлозой (КМЦ), СЖК,
Вжс, ^ЫгШ, DKS-extender, sypan, Т-80 и др. [2].
Как известно, БШ характеризуется неблагоприятными химическими свойствами. Во влажном состоянии БШ набухает, становится вязким и липким, в сухом состоянии отличается слитностью и твердостью. Это явление обусловлено содержанием № в поглощающем комплексе. Также БШ обладает высокой щелочностью, губительно действующей на растительность. Как показали результаты, рН среды их составляет 8,68-9,10. Повышенная щелочность обусловлена содержанием нормальной и двууглекислой соды, весьма токсичной для растений земель северных районов, характеризующихся кислыми почвами с показателем рН среды 4,5-5,5. Аналогичными свойствами обладают почвы солонцового комплекса. Отрицательные свойства БШ осложняют задачу их дальнейшей переработки, утилизации и рекультивации.
Чтобы улучшить физико-химические свойства БШ необходимо вытеснить поглощенный № кальцием. Для этого необходимо применять коагулянты. В качестве их предлагается использовать отходы производства фосфогипс — СaSO4 х 2Н20.
Данный отход образуется при производстве двойного суперфосфата, фосфорной кислоты, содержащий 80-90 % гипса, 0,5-0,6 % фосфорной кислоты, 5-6 % глины. Основная масса фосфогипса сбрасывается в отвалы, в которых содержатся десятки милли-
онов тонн этого отхода. Огромные массы неиспользованного фосфогипса скопились на Украине, Северном Кавказе, в Крыму, в Кыргызстане, Казахстане, на Урале и Западной Сибири. Он не только занимает территорию, но и отравляет почву и водоемы содержащимися в нем растворимыми примесями фтора и фосфорной кислоты [4].
Цель исследований — улучшить физические и химические свойства буровых шламов и солонцовых почв Тюменской области за счет использования фосфогипса.
Задачи исследований:
— изучить действие фосфогипса на фильтрационную способность буровых шламов;
— определить последействие фосфогипса на основные химические свойства солонцовых почв.
условия проведения и методы исследований.
Фильтрационная способность БШ изучалась методом трубок, доза фосфогипса для мелиорации солонца рассчитывалась по Гедройцу. Определение поглощенных оснований: Са и Mg осуществлялась комплексонометрически, № — по методу Антипова-Каратаева и Л. Я. Мамаевой; емкость поглрщения почвы — по Захарчуку; рН (водный) — потенцио-метрически. Анализ водной вытяжки проводился по следующим методикам:щелочность от растворимых карбонатов (СО3) — потенциометрически, калий и натрий—по разности или пламеннофотометрически. результаты исследований.
Для мелиорации БШ целесообразнее использовать фосфогипс, который гораздо дешевле гипса, обладает более высокой растворимостью, а присутствие в нем водорастворимого фосфора усиливает мелиорирующий эффект. Модельные опыты показали, что БШ без внесения фосфогипса не обладал фильтрационной способностью (рис. 1). Добавление фосфогипса приводило к ее коренному улучшению, при этом зависимость фильтрации от доз фосфогип-са была тесной.
Улучшение свойств промышленного отхода БШ дает возможность сократить их объемы и понизить неблагоприятный уровень воздействия их на окружающую природную среду.
В народном хозяйстве фосфогипс прекрасно проявил себя как химический мелиорант солонцовых почв. В наших исследованиях в качестве мелиоранта фосфогипс вносился в 1972 г. в полной и половинной
Рисунок 1
Влияние дозы фосфогипса на фильтрационную способность БШ
Контроль, без гипсования
Фосфогипс, 21 т/га
дозах для слоя 0-30 см на луговом корковом сульфатно-содовом солонце стационара «Вагайский» Омутинского района. Дозы фосфогипса рассчитывались для слоя 0-15 и 0-30 см и составили, соответственно, 21 и 43 т/га. Для контроля использовался целинный луговой корковый солонец, где исходная засоленность была сильной. Предыдущие наблюдения (1972-1982 гг.) за солевым режимом опытного залежного лугового коркового солонца показали, что содержание водорастворимых солей в его метровой толще колебалось в диапазоне 48-58 т/га, наибольшая их концентрация была сопряжена с засушливыми условиями летнего периода. Отбор образцов почвы и анализ водной вытяжки в 2006 г. показал, что по прошествии 34 лет после проведения мелиоративных мероприятий на контроле содержание солей в слое 0-100 см находилось на уровне 58,2 т/га (табл. 1, рис. 2).
Это свидетельствует о наличии определенного солевого гомеостаза в естественных условиях. При этом в составе анионов преобладала сода — 28,2 т/га,
Фосфогипс, 43 т/га
Рисунок 2
Солевые профили лугового коркового солонца
содержание хлоридов составило 7,0 т/га, сульфатов — 5,3 т/га. Преобладание соды в солонцах усиливает их щелочность и, как следствие, токсичность. Последействие фосфогипса, внесенного в 1972 г. в половинной и полной дозах для слоя 0-30 см, коренным образом повлияло на изменение качественного состава водной вытяжки в профиле лугового коркового солонца.
Так, содержание легкорастворимых солей в слое 0-100 см уменьшилось в сравнении с контролем соответственно на 15-20 т/га. При этом основное изменение происходило за счет снижения нормальной и гидрокарбонатной соды. Общее содержание соды через 34 года в метровом слое уменьшилось в 3,6-
5,4 раз. С увеличением дозы фосфогипса вынос соды за пределы метрового слоя происходил интенсивнее.
С внесением мелиоранта в изучаемом профиле содержание сульфатов увеличилось приблизительно в два раза. Однако учитывая, что их токсичность значительно ниже токсичности СО32- и НСО3-, данное явление не приводит к усилению напряженности солевого режима.
ї2
Таблица 1
Последействие фосфогипса на содержание солей (т/га) в луговых корковых солонцах за 1972 -2006 гг.
Вариант мелиорации Слой, см
0-10 0-40 0-100
Контроль, без гипсования 3,17 16,44 58,21
20 т/га фосфогипса (1972 г.) 2,04 11,67 42,80
40 т/га фосфогипса (1972 г.) 1,65 9,48 38,05
Таблица 2
Изменение обменных катионов луговых корковых солонцов за период последействия фосфогипса (1972-2006 гг.)
Глубина, см Емкость поглощения, мг-экв./100 г почвы Обменные, мг-экв/100 г почвы № от емкости обмена, %
№ К Са Мм
Р. 1 Контроль, без фосфогипса
0-10 31,62 8,17 2,69 2,74 7,78 28,83
10-20 33,60 15,42 1,82 2,49 8,03 45,89
Р. 3 Фосфогипс 21 т/га
0-10 35,49 1,56 2,55 6,53 6,53 4,40
10-20 34,51 1,51 1,16 5,65 5,65 4,38
Р. 2 Фосфогипс 43 т/га
0-10 33,58 0,73 1,97 9,48 6,78 2,17
10-20 33,21 1,29 1,54 9,85 6,28 3,88
Необходимо отметить, что в первые годы мелиоративного освоения отток солей из метровой толщи был сильно замедлен. Ослабление солевого режима в начальный период происходило в основном на глубине расчетной дозы фосфогипса 0-15 и 0-30 см. Продукты обменных реакций (сульфаты натрия) слабо мигрировали вглубь почвенного профиля, сохраняя при этом долгие годы общий запас солей, превышающий таковой на контроле. Настоящие исследования показали, что через три десятилетия даже при близком уровне залегания грунтовых вод (1,5 м) гипсование привело к снижению общего запаса солей в сравнении с первоначальным.
Наиболее важным показателем направленности мелиоративного процесса является изменение солонцеватости.
Данные табл. 2 свидетельствуют, что внесение фосфогипса для слоя 0-15 и 0-30 см приводило к коренному снижению этого показателя. Так, если изначально в опытном луговом корковом солонце в слое 0-40 см содержание обменного натрия колебалось от уровня средненатриевого до многонатриевого (28,8-
53,4 % от емкости обмена), то применение мелиоранта в указанных дозах снизило уровень солонцевато-сти до остаточного или малонатриевого (2,2-19,0 % от емкости обмена). Положительное изменение основных химических свойств гипсованных солонцов способствовало повышению их продуктивности. Достаточно отметить, что в условиях лесостепной зоны Тюменской области она практически приближалась к уровню серых лесных почв и черноземов выщелоченных.
Таким образом, полученные результаты показали, что использование фосфогипса на солонцах Западной Сибири обеспечивает устойчивый длительный и благоприятный мелиоративный процесс. Гипотеза о кратковременности мелиоративного процесса в условиях близкого залегания уровня грунтовых вод также не нашла своего подтверждения. При этом половинная доза фосфогипса для слоя 0-30 см (21 т/га) по своей продолжительности последействия практически не уступала полной норме мелиоранта (43 т/га). Важно отметить, что остаточное количество обменного натрия в слое 0-20 см было характерно как при внесении половинной нормы мелиоранта, так и полной. За мелиоративный период (34 года) содержание обменного кальция в почвенном поглощающем комплексе было выше, чем на контроле, в среднем в 1,34,0 раз (слой 0-40 см). Вследствие чего, применение на солонцах в качестве мелиоранта фосфогипса, являющегося промышленным отходом, позволяет более тридцати лет продуктивно использовать данные почвы в пашне и сенокосах. Химическая мелиорация в комплексе с агробиологической позволит на долгие годы использовать их на уровне зональных почв. Аналогичные результаты были получены в условиях Тюменской области А. Т. Хусаиновым [3]
Вывод.
Использование фосфогипса на буровых шламах и солонцовых почвах позволяет существенно улучшить их свойства. Это дает возможность утилизировать и рекультивировать отходы буровых шламов и непосредственно самого фосфогипса, а также многократно повысить продуктивность солонцовых почв.
литература
1. Орлов Д. С., Садовникова Л. К., Лозановская И. Н. Экология и охрана биосферы при химическом загрязнении : учеб. пособие для хим., хим.-технол. и биол. спец. вузов. М. : Высш. шк., 2002. 334 с.
2. Ягафарова Г. Г., Мавлютов М. Р., Барахнина В. Б. и др. Патент РФ № 2093478 от 20.10.97 г. Способ очистки почвы и воды от нефти, нефтепродуктов и полимерных добавок в буровой раствор. Б. И. № 29. 282 с.
3. Хусаинов А. Т. Гидроморфные солонцы Западной Сибири в процессе мелиорации. Тюмень-Кокшетау, 2012. 320 с.
4. Чистяков Б. З., Лялинов А. Н. Использование минеральных отходов промышленности в производстве строительных материалов (на примере предприятий Ленинградско области). Л. : Стройиздат, Ленингр. отд-ние, 1984. 152 с.
