СПОСОБ ДЕЗАКТИВАЦИИ ПОЧВЫ Российский патент 1995 года по МПК G21F9/34 

Изобретение относится к технологии дезактивации почв, расположенных на радиоактивно зараженных территориях. Загрязнение почв радионуклидами может происходить по различным причинам, основными из которых следует считать рабочие или аварийные выбросы атомных электростанций. Если в почве происходит накопление радионуклидов или их содержание в результате аварийных выбросов превышает допустимые нормы, то это обуславливает не только высокий уровень радиации для местного населения, но и опасность загрязнения ими продуктов сельскохозяйственной деятельности. Для уменьшения степени воздействия на население обоих факторов используют способы дезактивации, основанные на различных принципах.

Известен способ дезактивации почвы, заключающийся в нанесении на загрязненную поверхность пленкообразующихся составов [1] Образовавшуюся на поверхности пленку с фиксированными в ней радионуклидами удаляют и подвергают дальнейшей утилизации. Способ эффективен лишь для приповерхностного слоя и совершенно не пригоден для удаления радионуклидов, уже проникших в глубину почвенного массива.

Известен способ обработки почвы, согласно которому с помощью химических реагентов осуществляют фиксацию находящихся в почве радионуклидов [2] В этом случае предотвращается дальнейшая миграция радионуклидов, но почва становится малопригодной для сельхозоборота.

Для обеспечения сельхозпригодности местности используют способ механического удаления загрязненного слоя почвы [3] с последующей его заменой на незагрязненной слой или запусканием в оборот оставшейся части грунта. Удаление загрязненного слоя может быть осуществлено с или без предварительной обработки. При предварительной обработке обеспечивают фиксацию удаляемого слоя химической обработкой, например как в [2] заморозкой или другими способами. В этом случае образуется удобный для механической обработки (срезания) и транспортировки слой загрязненной почвы. Но изымается из оборота наиболее плодородный слой, и утилизация требует обработки и захоронения больших массивов грунта.

Известен способ дезактивации почвы, включающий внесение в почву гранулированных веществ, содержащих избирательные сорбенты [4] После насыщения их радионуклидами гранулы можно извлекать для регенерации и повторного использования. Однако сорбция радионуклидов происходит в зоне, прилегающей к гранулам, что в целом не позволяет осуществить дезактивацию во всем радиоактивно зараженном слое почвы. Возникают проблемы при извлечении гранул и отделения их от почвы.

Наиболее близким к заявляемому является способ дезактивации почвы, включающий выращивание на дезактивируемой местности растений, аккумулирующих через корневую систему радионуклиды, содержащиеся в почве, и удаление растительного покрова с дальнейшей его утилизацией [5] Способ позволяет, сохраняя естественную структуру почвы, перемещать, перекачивать радионуклиды из почвы в биомассу, тем самым понижая в ней содержание опасных для населения радиоактивных элементов. Для утилизации радиационно загрязненной биомассы могут быть использованы известные методы концентрирования и захоронения отходов (метод экстракции, сушки и сжигания и т.д.). Однако естественная способность растений аккумулировать радионуклиды не позволяет в достаточной степени осуществить дезактивацию местности.

Целью изобретения является повышение степени дезактивации почвы по отношению к данному радионуклиду или группе радионуклидов.

Цель достигается тем, что по способу дезактивации почвы, включающему выращивание на дезактивируемой местности растений, аккумулирующих через корневую систему радионуклиды, содержащиеся в почве, и удаление растительного покрова с дальнейшей его утилизацией, предварительно устанавливают элементы-аналоги для каждого подлежащего извлечению из почвы радионуклида, имеющие сходные с ним химические свойства и ту же валентность, а также перечень растений, обладающих в содержащих радионуклиды слоях почвы развитой корневой системой, хорошо аккумулирующих элементы-аналоги для выращивания растений или сочетаний растений, выбирают их семена из установленного перечня и засевают ими почву после проведения традиционных для данной местности агромероприятий, повышающих урожайность биомассы, исключив из состава вносимые удобрения, содержащие установленные выше элементы-аналоги, доведения рН почвы до значения, превышающего оптимальное значение рН для выбранного растения или сочетания растений не более чем на 0,5 единиц, внесения экстрагентов-сорбентов и водного раствора аммиачной селитры или азотной кислоты, переводящих радионуклиды в ионообменную форму и поддерживающих их в таком состоянии в течение длительного времени, причем количество и концентрацию водного раствора выбирают из условия, препятствующего угнетению выращиваемых растений в периоды их активного развития и созревания, почвы повторно обрабатывают вышеуказанным водным раствором, а по достижении максимальной сезонной биомассы осуществляют удаление растительного покрова, причем процесс получения биомассы с использованием вышеприведенных мероприятий повторяют многократно, в том числе и в пределах одного сезонного периода, пока содержание радионуклидов не станет нормативно допустимым, после чего почву используют для выращивания сельхозпродукции.

Цель достигается также тем, что в качестве элементов-аналогов используют элементы из ряда К, Са, Fe, Si, Cl, причем выбор конкретного элемента-аналога осуществляют в зависимости от конкретного радионуклида согласно схеме для Сs-K; Ra; Sr-Ca; J-Cl; редкоземельных радионуклидов Fe; Th-Si, а также тем, что семена для засева растений или их сочетаний выбирают таким образом, чтобы величина
αAB, где А_i максимальное количество биомассы i-го растения, получаемое на почвах дезактивируемой местности за полевой сезон; В_ij количество элемента-аналога j-го радионуклида, аккумулируемого i-м растением на единицу биомассы; n число одновременно выращиваемых растений; m число одновременно выводимых из почвы радионуклидов, была максимальна.

Кроме того, цель достигается тем, что в качестве экстрагента-сорбента используют смесь, состоящую из 30-45 мас. хвои, 5-25 мас. коры, 30-65 мас. опилок и/или лигнина, и/или бумажной пыли, и/или цеолитов, сорбирующих соответствующие радионуклиды, перемешанных с живицей из расчета 10-15 л живицы на 1 м³ смеси, а также тем, что экстрагент-сорбент вносят из расчета, чтобы в радиоактивно загрязненном слое почвы его суммарное количество составляло величину 1-3 (об. тем, что для почв с преимущественным содержанием Сs¹³⁷ для засева используют семена подсолнечника, рапса, календулы, люцерны, клевера, тем, что для почв с преимущественным содержанием Sr⁹⁰ для засева используют семена люцерны, клевера, гороха, пажитника, а также тем, что для почв, содержащих преимущественно Cs¹³⁷ и Sr⁹⁰, для засева используют семена райграса, люцерны, клевера, и тем, что для почв, содержащих преимущественно Cs¹³⁷ и Sr⁹⁰, сначала выращивают и удаляют травяной покров подсолнечника, а затем люцерны. Под термином экстрагент-сорбент подразумеваются вещества (составы), способные аккумулировать радионуклиды и удерживать их длительное время в состоянии, пригодном для усвоения растениями.

Сущность предложения заключается в следующем. Используя естественную потребность растений в микроэлементах, выявляют среди последних элементы, сходные по физико-химическим свойствам и валентности с таковыми у радионуклидов, подлежащих удалению из почвы так называемые элементы-аналоги. Выращивание растений на дезактивируемой местности осуществляют при искусственном или естественном дефиците элементов-аналогов. Восполняя возникший дефицит, растение естественным образом в большей степени аккумулирует те радионуклиды, для аналогов которых создан дефицит в силу сходности их свойств. Как следствие, значительно возрастает степень дезактивации по сравнению с дезактивацией, происходящей при естественной аккумуляции тех или иных радионуклидов данным видом растения.

Для практических целей предварительно устанавливают весь возможный перечень элементов-аналогов для наиболее характерных радионуклидов загрязнителей почвы. В качестве элементов-аналогов можно предложить элементы из ряда К, Са, Fe, Si, Cl. Учитывая исходные требования к элементам-аналогам, можно выявить и другие элементы аналогичного назначения. При конкретном использовании уточняют аналогами каких радионуклидов они служат. В качестве примера можно указать связку радионуклид и его аналог: Cs-K; Ra; Sr-Ca; J-Cl; редкоземельные радионуклиды Fe; Th-Si.

При необходимости удаления из почвы данного радионуклида выбирают то растение, которое способно наиболее эффективно потреблять микроэлементы из числа аналогов данного радионуклида, и засевают семенами этого растения дезактивируемое поле. Если речь идет о группе радионуклидов, то можно выбирать сочетание растений по вышеизложенному принципу и засеять поле одновременно либо поочередно семенами выбранного сочетания. Возможен вариант, когда аккумулятором двух и более радионуклидов может выступить одно растение. Тогда каждое растение восполняет дефицит своего элемента-аналога соответствующим радионуклидом, обеспечивая в целом комплексное удаление и почвы целого набора радионуклидов.

Более конкретно это может выглядеть следующим образом. Для радионуклида Cs¹³⁷ элементом-аналогом служит К, а для Sr⁹⁰-Ca. Для первого случая подходящими является калиеволюбимые растения, например подсолнечник, рапс, календула, люцерна, клевер; для второго кальциеволюбимые растения, например люцерна, клевер, горох. Если требуется удалять одновременно Сs¹³⁷ и Sr⁹⁰, то возможно использование растения, одновременно калиево- и кальциеволюбимого, например райграса, люцерны или клевера либо последовательно подсолнечника, а затем люцерны, либо совместно растущего иного сочетания растений, одно из которых калиеволюбимое, а другое кальциеволюбимое.

Выбор элементов-аналогов и соответствующих им растений является необходимым, но не достаточным условием обеспечения в должной степени дезактивации почвы. Требуется создание в почве специфических условий для интенсивной аккумуляции растениями находящихся в почве радионуклидов. Для этого предлагается наряду с созданием искусственного или естественного дефицита элементов-аналогов, например, используя при традиционных для данной местности агромероприятий удобрения, дефицитные по отношению к данным элементам-аналогам, перед засевом семенами выбранных растений обработать почву экстрагентом-сорбентом и водным раствором веществ, содержащих остаток NO₃. В качестве веществ, содержащих NO₃, могут быть использованы аммиачная селитра и азотная кислота. В этом случае осуществляется перевод радионуклидов в ионообменную форму и предотвращается на возможно длительной срок возврат ионов в кристаллическую структуру глиноземов почвы. Тем самым создают наиболее благоприятные условия для интенсивного освоения растениями находящихся в ионной форме радионуклидов.

Для получения максимально возможного объема биомассы создают оптимальные условия для развития растений. Это достигается путем проведения известных (традиционных) для данной местности и растений агромероприятий и установления оптимального для данного растения рН. Из-за действия излучения от радионуклидов рН почвы медленно, но неуклонно уменьшается. Поэтому целесообразно установить рН превышающим оптимальное значение для данного растения на величину 0,5. При еще большей величине условия оптимальности рН для данного растения ухудшаются, при меньшей величине резерв компенсации из-за уменьшения рН может оказаться недостаточным на период роста растения.

Характер влияния рН почвы на степень аккумуляции нуклидов растениями можно проиллюстрировать на примере гороха. Данные приведены в табл.1.

Данные в табл. 1 выражены по отношению к степени аккумуляции горохом Се¹⁴⁴ при рН 7, принятого за единицу.

В случае использования сочетаний растений для извлечения группы радионуклидов является целесообразным выполнение условия максимальности величины
αAB
Утверждение справедливо и для случая одного растения, поскольку общее количество извлеченного радионуклида растет с ростом количества биомассы.

Особо следует оговорить роль корневой системы не только для получения количества биомассы, но и ее влияния на степень дезактивации из-за фактора охвата зоны заражения. Установлено, что различия в распределении корневой системы по глубине могут приводить к изменению аккумуляции, например, Сs¹³⁷ растениями в 2-3 раза. Потому очень важно учитывать при выборе растения характер его корневой системы по глубине. Она должна охватывать по возможности зону заражения почвы по всей ее глубине.

В изобретении предлагается осуществить повторную обработку почвы водным раствором аммиачной селитры или азотной кислоты. Такая обработка необходима для восстановления ионообменной формы радионуклидов, а выбор времени повторной обработки обусловлен периодом активной жизнедеятельности роста и созревания, что позволяет осуществить процесс интенсивной аккумуляции ими радионуклидов.

Обычно период активной жизнедеятельности происходит за 7-10 дн до цветения, в период цветения и в период созревания семян. Например, для подсолнечника повторную обработку водным раствором целесообразно провести за 7-10 дн до цветения и в начале цветения. Удаление растительного покрова укос необходимо осуществить в конце периода цветения. Для люцерны повторная обработка желательна за 7-10 дн до цветения, в период цветения и в период созревания семян, укос в конце периода созревания семян; для райграса за 2 нед до укоса и, если требуется повторный засев почвы за сезонный период, через неделю после укоса.

Наиболее эффективным следует считать мероприятие, когда в результате указанных выше процедур удельная биомасса за сезон максимальна. Для этого после удаления растительного покрова желательно почву засеять семенами из указанного перечня, которые на данной местности могут дать повторную биомассу в пределах одного сезона. Повторяя этот процесс от сезона к сезону, можно добиться ситуации, когда содержание радионуклидов в почве доходят до рекомендованной нормы. После этого почву можно использовать для выращивания сельхозпродукции.

Установлено, что наиболее благоприятные условия аккумуляции растениями радионуклидов происходят при совместной обработке почвы экстрагентом-сорбентом и водным раствором веществ, содержащих остаток NO₃. Установлено также, что эффект дезактивации усиливается, если в качестве экстрагента-сорбента использовать экстрагент-сорбент, состоящий из смеси 30-45 мас. хвойной муки, 5-25 мас. коры, 30-65 мас. опилок и/или лигнина, и/или бумажной пыли, и/или цеолитов, сорбирующих соответствующие радионуклиды, перемешанных с живицей из расчета 10-15 л живицы на 1 м³ смеси.

Предложение реализуется следующим образом. Контрольными измерениями на дезактивируемой местности устанавливают содержание тех или иных радионуклидов в почве. Составляют таблицу элементов-аналогов для этих радионуклидов и осуществляют подбор семян растений, интенсивно поглощающих элементы-аналоги. Для Cs¹³⁷ и Sr⁹⁰, как было указано выше, элементами-аналогами являются К и Са. В этом случае для выбора растений можно использовать данные, приведенные в табл.2, в которой представлены удельные концентрации калия и кальция в растительном покрове или с единицы площади.

Из табл.2 видно, что для почв с преимущественным содержанием Сs¹³⁷ лучше всего засеять поле семенами подсолнечника. При этом вводят в почву экстрагент-сорбент из расчета, чтобы в радиоактивно загрязненном слое почвы, обычно равном 0,15-20 см, суммарное количество экстрагента-сорбента составляло 1-3% по объему. Внесение большего количества нежелательно, так как в экстрагенте-сорбенте содержится определенное количество элементов-аналогов и передозировка не интенсифицирует процессы извлечения радионуклидов.

Из табл. 2 следует также, что для почв с преимущественным содержанием Sr⁹⁰ лучше всего использовать люцерну, а для почв, содержащих как Cs¹³⁷, так и Sr⁹⁰, наиболее подходящим является райграс. Для цезий-, стронцийсодержащих почв эффект еще лучше, если сначала почву засеять подсолнечником, вырастить его и удалить, а затем засеять люцерну и собрать растительный покров. Подсолнечник в этом случае "отсасывает" из почвы Cs¹³⁷, а люцерна в какой-то степени и цезий, а преимущественно стронций.

В каждом вышеприведенном случае наряду с экстрагентом-сорбентом почву обрабатывают водным раствором аммиачной селитры или азотной кислоты перед засевом семян, а также в периоды активного развития и созревания растений: за 7-10 дн до цветения и в период цветения. Причем количество водного раствора выбирают из известных агротехнических условий, препятствующих угнетению выращиваемых растений на данной местности.

Выбор количественных параметров и компонентов составов базируется на основании данных, полученных на контрольных испытаниях, а также известных литературных данных по особенностям выращивания растений и их свойств по освоению микроэлементов в зависимости от условий выращивания. В частности, такие испытания проводились на радиоактивно загрязненных почвах, взятых из зоны Чернобыльской аварии с преимущественным содержанием Сs¹³⁷ либо Sr⁹⁰.

Для почвы с содержанием Сs¹³⁷ была создана грядка размером 4х1 м, для почвы с преимущественным содержанием Sr⁹⁰ грядка размером 2,5х1 м. Слой загрязненной почвы толщиной 15 см насыпался на глинозем. В середине апреля первая грядка была полита 3%-ным раствором азотной кислоты из расчета 4 л на 1 м². Через день грядки обрабатывались: в первую вносился состав 1 кг СаСО₃ и 2,5 кг хвойного экстрагента-сорбента, состоящего из 5 мас. хвойной коры, 40 мас. хвои, 55 мас. опилок, смешанного с 50 мл живицы, во вторую грядку 3 кг хвойного экстрагента-сорбента того же состава. Через неделю грядка с Cs¹³⁷ была засеяна семенами подсолнечника, а грядка с Sr⁹⁰ семенами люцерны. Через неделю после начала цветения поливали 0,2%-ным раствором аммиачной селитры из расчета 3 л на 1 м². Подсолнечник скосили в момент молочной зрелости семян, люцерну в конце созревания семян
Данные испытания показали, что благодаря предложению уровень радиации в почве удается снизить для Сs¹³⁷ на 45% для Sr⁹⁰ на 30% что превышает аналогичный показатель известных способов фитодезактивации.

Использование: при дезактивации радиоактивнозараженных почв. Сущность изобретения: используют элементы-аналоги для извлечения из почвы соответствующих радионуклидов, для чего почву перед посевом и во время роста растений обрабатывают специальным образом, обеспечивая условия дефицита выбранных элементов-аналогов в почве и нахождения радионуклидов в ионной форме. 8 з.п. ф-лы, 2 табл.

1. СПОСОБ ДЕЗАКТИВАЦИИ ПОЧВЫ, включающий выращивание на дезактивируемой местности растений, аккумулирующих через корневую систему радионуклиды, содержащиеся в почве, и удаление растительного покрова с дальнейшей его утилизацией, отличающийся тем, что, с целью повышения степени дезактивации почвы по отношению к данному радионуклиду или группе радионуклидов, предварительно устанавливают элементы-аналоги для каждого подлежащего извлечению из почвы радионуклида, имеющие сходные с ним химические свойства и ту же валентность, а также перечень растений, хорошо аккумулирующих элементы-аналоги, обладающих в загрязненных радионуклидами слоях почвы развитой корневой системой, для выращивания растения или сочетаний растений выбирают их семена из установленного перечня и засевают ими почву после проведения традиционных для данной местности агромероприятий, повышающих урожайность биомассы, исключив из состава вносимых удобрений удобрения, содержащие установленные элементы-аналоги, доведения рН почвы до значения, превышающего оптимальное значение рН для выбранного растения или сочетания растений не более чем на 0,5 единиц, внесения экстрагентов-сорбентов и водного раствора аммиачной селитры или азотной кислоты, переводящих радионуклиды в ионообменную форму и поддерживающих их в таком состоянии в течение длительного времени, причем количество и концентрацию водного раствора выбирают из условия, препятствующего угнетению выращиваемых растений, в периоды их активного развития и созревания почву повторно обрабатывают указанным водным раствором, а по достижении максимальной сезонной биомассы удаляют растительный покров, причем процесс получения биомассы с использованием указанных мероприятий повторяют многократно, в том числе и в пределах одного сезонного периода, пока содержание радионуклидов не станет нормативно-допустимым, после чего почву используют для выращивания сельхозпродукции. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве элементов-аналогов используют элементы из ряда K, Ca, Fe, Si, Cl, причем выбор конкретного элемента-аналога или их сочетаний осуществляют в зависимости от конкретного радионуклида или их сочетаний согласно схеме: для Cs K: Ra, Sr Ca; J Cl, редкоземельных радионуклидов Fe; Th Si. 3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что семена для засева растений или их сочетаний выбирают такими, чтобы величина

где A_i максимальное количество биомассы i-го растения, получаемого на почвах дезактивируемой местности за полевой сезон;
B_ij количество элемента-аналога j-го радионуклида, аккумулируемого i-м растением на единицу биомассы;
n число одновременно выращиваемых растений;
m число одновременно выводимых из почвы радионуклидов,
была максимальна. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве экстрагента-сорбента используют смесь, состоящую из 30 45 мас. хвои, 5 25 мас. коры, 30 65 мас. опилок, и/или легнина и/или бумажной пыли, и/или цеолитов, сорбирующих соответствующие радионуклиды, перемешанных с живицей из расчета 10 15 л живицы на 1 м³ смеси. 5. Способ по пп.1 и 4, отличающийся тем, что экстрагент-сорбент вносят из расчета, чтобы в радиоактивно-загрязненном слое почвы его суммарное количество составляло 1 3 об. 6. Способ по пп.1 и 5, отличающийся тем, что для почв с преимущественным содержанием Cs¹³⁷ для засева используют семена подсолнечника, рапса, календулы, люцерны, клевера. 7. Способ по пп.1 и 5, отличающийся тем, что для почв с преимущественным содержанием Sr⁹⁰ для засева используют семена люцерны, клевера, гороха, пажитника. 8. Способ по пп.1 и 5, отличающийся тем, что для почв, содержащих преимущественно Cs¹³⁷ и Sr⁹⁰, для засева используют семена райграса, люцерны, клевера. 9. Способ по пп.2 и 5, отличающийся тем, что на почвах, содержащих преимущественно Cs¹³⁷и Sr⁹⁰, сначала выращивают и удаляют травяной покров подсолнечника, а затем люцерны.