СРЕДА И СПОСОБ ОБРАБОТКИ ОТХОДОВ ПРИ ГОРНЫХ РАЗРАБОТКАХ Российский патент 2010 года по МПК B09B1/00 B09B3/00 C05F17/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к среде и способу, предназначенным для обработки отходов, образующихся при горных разработках.

Уровень техники

В результате деятельности человека, например, при горных разработках образуется большое количество отходов, которые создают экономические проблемы и проблемы защиты окружающей среды. Это происходит из-за необходимости использования больших площадей земли для размещения отходов, что приводит не только к значительным затратам, но также к загрязнению почвы, грунтовых вод и воздуха. В частности, при добыче платины, золота и других минералов происходит существенное воздействие на окружающую среду из-за образования значительных хвостовых отвалов. Хвостовые отвалы образуются из потоков шлама - отходов флотации, образующихся при обработке минералов, и представляют собой, по существу, биологически стерильную среду с ограниченной способностью удержания воды и с высоким процентным значением основной насыщенности. Отвалы также имеют, помимо прочего, высокие концентрации потенциально токсичных для окружающей среды тяжелых металлов, которые могут попадать в грунтовые воды.

Исследования, проведенные автором Walmsley (1987 г.), показали, что, хотя отвалы не засолены, они содержат большое количество марганца, железа и серы, которые могут быть фитотоксичными при высоких концентрациях. Отвалы при добыче платины, например, в основном состоят из песка (75%) и наносов (20%), при этом остальные 5% частиц представляют глину и незначительную органическую фракцию. Вышеуказанные факторы, по этой причине, затрудняют восстановление растительного покрова на отвалах до потенциального уровня, который имела эта земля до начала горных разработок, что приводит к загрязнению окружающей среды в данном районе. Кроме неорганических отходов, в результате добычи платины также образуются большие количества органических отходов, а именно, древесной щепы из древесины Saligna eucalyptus, а также отстой сточных вод. Хвостовые отвалы образуют целый диапазон факторов угрозы окружающей среде, включая загрязнение воздуха, образование пыли и загрязнение грунтовых вод, из-за физических и химических свойств отвалов, в то время как отходы в виде древесной щепы представляют опасность возникновения пожаров в жаркие и засушливые летние месяцы.

Древесная щепа образуется при добыче платины в результате проведения подземных взрывных работ, когда в шахте оставляют деревянные контрфорсы. В результате древесную щепу и руду совместно обрабатывают в ходе первоначального перемола и фаз (стадий) экстракции при обработке минерала. Фракцию древесной щепы отделяют как побочный продукт, используя способ просеивания, перед экстракцией платины. В результате взрывов древесная щепа имеет (приобретает) высокую концентрацию нитратов, которая достаточно высока, чтобы создавать проблемы для здоровья людей, приводя к метгемоглобинемии, в случае их выщелачивания в грунтовые воды (DWAF, 1996). В настоящее время древесную щепу выжигают, что приводит к существенному повышению эксплуатационных расходов.

Таким образом, образование шлама, древесной щепы и сточных вод представляет проблему, связанную с необходимостью предпринимать специальные меры по защите окружающей среды.

Основная задача проектов восстановления отвалов состоит в возврате загрязненного участка в условия, в которых он находился до загрязнения, что часто включает восстановление растительности для стабилизации обрабатываемой почвы. Этот процесс является одновременно трудоемким и дорогостоящим ввиду недостатка потенциально плодородного верхнего слоя почвы, а также ввиду дефицита органического вещества, дисбаланса элементов и отсутствия достаточного количества питательных веществ в хвостовых отвалах. При попытке решить эти проблемы, верхний слой почвы ввозят из других районов (в которых затем требуется проводить восстановление почвы) или периодически обрабатывают неорганическими удобрениями, которые одновременно являются дорогостоящими и не обеспечивают устойчивое экологическое воздействие. Большую часть хвостовых отвалов в настоящее время восстанавливают путем выращивания на отвалах травы. Развитие жизнеспособного и устойчивого растительного покрова, однако, представляет проблему из-за бесплодия и фитотоксичности среды роста растительности.

В американском патенте №6004069 описан способ образования субаэрального неорганического композитного покрытия на поверхности отвалов, материал которых содержит сульфиды и отходы горных разработок, содержащих сульфиды, включающий следующие этапы:

i) образование отвала из материала в виде твердых сульфидных частиц, включающего, по меньшей мере, один из группы, отвалы, содержащие сульфидный минерал, пустые породы, содержащие сульфиды, и материалы отходов горных разработок, содержащие сульфиды, причем указанный материал в виде твердых сульфидных частиц обладает низкой гидравлической проводимостью, указанный отвал содержит вершину и склон под углом больше 0,5 градусов по отношению к горизонтали;

ii) нанесение первого слоя частиц поверх указанного отвала материала из твердых сульфидных частиц, причем указанный первый слой частиц содержит инертное мелко перемолотое вещество со средним размером частиц от 10 мкм и 200 мкм и гидравлическую проводимость больше чем 10^-7 см/с, значение всасывания матрицы больше 4 см воды, причем указанный первый слой частиц наносят так, чтобы получить указанный первый слой частиц, расположенный на поверхности указанного отвала сульфидного материала по глубине, превышающей 4 см;

iii) нанесение второго слоя частиц поверх указанного отвала материала сульфидных частиц, причем указанный второй слой частиц содержит инертное вещество в виде мелких гранул со средним размером частиц от 200 мкм до 5000 мкм, гидравлическую проводимость от 10^-3 до 1 см/с, причем гидравлическая проводимость указанного второго слоя частиц, по меньшей мере, на порядок выше значения гидравлической проводимости указанного первого слоя частиц, и что касается значения всасывания матрицы, отношение значения всасывания матрицы указанного второго слоя частиц к значению всасывания матрицы указанного первого слоя частиц составляет меньше, чем 1:2, указанный второй слой частиц наносят так, что он располагается поверх указанного первого слоя частиц и имеет глубину, по меньшей мере, в 1,5 раза большую, чем значение всасывания матрицы, измеряемое в сантиметрах слоя воды, указанного второго слоя частиц; и

iv) нанесение третьего слоя частиц поверх указанного отвала материала сульфидных частиц, причем указанный третий слой частиц содержит инертное вещество с крупными гранулами, средний размер которых больше 3 мм, и имеющее значение гидравлической проводимости, превышающее 1 см/с, причем указанный третий слой частиц наносят поверх указанного второго слоя частиц с глубиной, превышающей 6 см.

Инертное, мелко перемолотое вещество, из которого состоит указанный первый слой частиц, выбирают из группы, состоящей из отходов окислительных установок, отходов перерабатывающих установок с низким содержанием сульфидов, десульфурированных отходов перерабатывающих установок, нейтрализованных отходов перерабатывающих установок, лесса, мелкого песка, песчаной глины, песчанистого суглинка, зольной пыли, осадочных пород, ледниковой валунной глины, мелко перемолотых материалов наносного происхождения и их смесей.

Инертное вещество в виде мелких гранул, из которого состоит указанный второй слой частиц, выбирают из группы, состоящей из гранулированного шлака, гранулированного десульфурированного шлака, десульфурированной пустой породы, мелкого гравия, мелко перемолотой пустой породы, песка и их смеси.

Инертное вещество в виде крупных гранул, из которого состоит указанный третий слой частиц, выбирают из группы, состоящей из дробленой пустой породы, щебня, дробленного известняка, гальки и грубых материалов естественного происхождения, дробленных материалов, получаемых в результате взрывных работ, и их смеси.

Некоторые из недостатков описанного выше способа состоят в том, что в верхние слои не добавляют органическое вещество, и в том, что этот способ представляет собой относительно сложный и дорогостоящий процесс, включающий использование множества различных веществ и этапов. Таким образом, данный способ является коммерчески неприемлемым.

Раскрытие изобретения

Таким образом, настоящее изобретение направлено на среду и способ, предназначенные для обработки отходов, с помощью которых могут быть устранены или, по меньшей мере, уменьшены, указанные выше проблемы и недостатки.

В соответствии с первым аспектом настоящего изобретения предложен способ обработки массы отвала, получаемого в результате горных разработок, включающий этап внесения древесных частиц в массу отвала.

Древесные частицы можно использовать в виде древесной щепы, получаемой из отходов древесины, которые могут представлять собой побочный продукт при проведении горных разработок, более конкретно, отходов древесины в форме деревянных подпорок, используемых при горных разработках, разрушенных при проведении взрывных работ.

Древесная щепа может быть предварительно обработана кислотой. В качестве кислоты можно, например, использовать азотную кислоту (HNO₃).

Щепа может быть нанесена на поверхность массы отвала, например, в виде покрытия.

В одной предпочтительной форме выполнения способа, щепу вносят в массу отвала, например, закапывая ее механически и/или вручную в массу отвала.

Щепу, предпочтительно, вносят в массу отвала до глубины приблизительно 30 см ниже внешней поверхности отвала.

Щепа может быть внесена в существующую массу отвала, уложенного в виде хвостового отвала, для восстановления растительного покрова на его поверхности.

Однако в одной из предпочтительных форм выполнения способа щепу вносят с промежутками в массу хвостового отвала во время его обработки.

Древесную щепу предпочтительно используют в пропорции 60-90 тонн на гектар поверхности хвостового отвала.

Кроме того, в соответствии с настоящим изобретением, способ содержит дополнительный этап компостирования древесной щепы перед выполнением этапа внесения древесной щепы в массу отвала.

Кроме того, в соответствии с настоящим изобретением, этап компостирования древесной щепы включает этап компостирования древесной щепы с использованием земляных червей.

Этап компостирования древесной щепы может включать дополнительный этап смешивания древесной щепы с другим источником органического материала.

Другой источник органического материала может содержать сточные воды.

Древесную щепу и сточные воды можно смешивать и оставлять их для формирования компоста, после чего в компост могут быть добавлены земляные черви и затем его выдерживают для формирования среды, компостированной с использованием земляных червей.

С этой целью можно использовать червей вида Eisenia fetida.

Древесную щепу и сточные воды можно смешивать в соотношении 3:1 или 3:2, если количество последних не ограничено.

В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения предложен хвостовой отвал, обработанный с использованием вышеуказанного способа в соответствии с настоящим изобретением.

В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения предложена среда, предназначенная для обработки хвостовых отвалов, образующихся в результате горных разработок, содержащая компостированную смесь древесных частиц и другого источника органического материала.

Древесные частицы могут представлять собой древесную щепу, полученную из отходов древесины, представляющих собой побочный продукт при горных работах.

Древесная щепа может быть получена из деревянных шахтных подпорок, разрушенных при проведении взрывных работ.

В качестве другого источника органического материала можно использовать сточные воды.

Эту смесь можно дополнительно обработать путем компостирования с использованием земляных червей.

Среда может дополнительно включать определенным образом отобранные микроорганизмы.

Осуществление изобретения

Настоящее изобретение будет описано ниже с использованием множества примеров, со ссылкой на прилагаемые чертежи и таблицы. Для упрощения понимания, в каждом примере приведено описание набора чертежей.

ПРИМЕР 1

Этот пример поясняется следующими чертежами, на которых:

на фигуре 1.1 изображена схема последовательности выполнения операций способа в соответствии с настоящим изобретением; и

на фигуре 1.2 показан вид с торца хвостового отвала, представляющий траву, растущую на его склонах при восстановлении растительности на поверхности хвостового отвала.

Способ горных разработок, включающий способ обработки или восстановления растительности на хвостовом отвале шахты, в соответствии с настоящим изобретением, в общем, представлен в виде блок-схемы, изображающей последовательность выполнения операции, показанной на фигуре 1.1.

Шахта может представлять собой, например, шахту 10 для добычи платины (Pt). Добытый продукт и отходы, включая частицы древесины в виде древесной щепы или кусочков древесины, представлены в блоке 12. Кусочки древесины, как хорошо известно, образуются в результате разрушения деревянных шахтных подпорок при выполнении взрывных работ в шахте. Эту смесь подают на стадии 14 флотационного разделения, где менее плотные древесные отходы отделяют известным способом от более плотных платины и шлама.

Смесь платины и шлама на выходе 16 разделяют в блоке 20 с применением также хорошо известного способа. Платину восстанавливают в блоке 22, и оставшийся шлам перекачивают в блоке 24 в удаленное место для образования хвостового отвала 26 также, как хорошо известно в данной области техники.

Древесные отходы на выходе 18 этапа 14 флотационного разделения подвергают дроблению и прокатке в блоке 28, в результате чего получают древесную щепу 30.

Было определено, что известные хвостовые отвалы содержат неприемлемо высокую концентрацию труднообрабатываемых водой элементов, которые выщелачиваются под действием дождевой воды и попадают в подземные водные ресурсы, создавая загрязнения этих водных ресурсов. В таблице 1.1 представлены элементарные фракции в образце древесной щепы и образце хвостового отвала, соответственно, которые являются водорастворимыми и могут вымываться, как описано выше, и содержание которых было определено с использованием известной процедуры экстракции.

В таблице 1.2 представлены элементарные фракции, соответствующие фракциям, представленным в таблице 1.1, для смеси, в которой древесную щепу 30 добавляют в хвостовые отвалы 26, как показано на этапе 32 по фигуре 1.1.

В результате проведенного анализа древесной щепы и хвостового отвала по отдельности, очевидно, что концентрации макроэлементов хвостовых отвалов содержат высокую концентрацию кальция (Са), магния (Mg), натрия (Na), сульфатов (SO₄) и хлора (Cl). Высокое содержание SO₄ в хвостовых отвалах свидетельствует о высокой вероятности образования кислоты с течением времени. Это подтверждается низкими концентрациями бикарбонатов (НСО₃), остающихся в образце, что указывает на практически полное истощение буферной способности в образце хвостового отвала. Необходимость увеличения впитывающей способности также была определена, как по высоким значениям основной насыщенности 21,48%, так и по высокой электропроводности (ЕС), составляющей 2,09 мСм см^-1, при этом, если предположить, что эти элементы в данный момент не входят в какие-либо соединения, они будут вынесены дождями из хвостового отвала в грунтовые воды. Из микроэлементов концентрации цинка (Zn) и марганца (Mn) превышают рекомендуемые нормативные значения, кроме того, потенциально токсичные тяжелые металлы (Al), никель (Ni), кобальт (Со) и мышьяк (As) также содержатся в высоких концентрациях в хвостовом отвале. В отличие от этого древесная щепа, хотя и имеет высокую концентрацию Al, представляет собой средство поглощения некоторых избыточных концентраций элементов.

Известно, что отрицательные поверхностные заряды, образующиеся на древесной щепе, притягивают и связывают определенные элементы, и результаты, представленные в таблице 1.2, очевидно указывают на тенденцию снижения концентраций Са, Mg, K, Na, SO₄, Cl, Mn, Cu, Zn, Ni и Со при повышении пропорции вносимой древесной щепы. Снижение концентраций вышеуказанных элементов во фракциях, экстрагируемых водой, также очевидно отражается снижением электропроводности (ЕС) при внесении повышенных объемов древесной щепы. Вследствие этого, концентрация элементов, потенциально выщелачиваемых и выносимых в грунтовые воды, последовательно снижается, по мере увеличения пропорции вносимой древесной щепы.

Было определено, что предварительная обработка древесной щепы 0,01% раствором азотной кислоты (HNO₃) позволяет снизить пропорцию вносимой древесной щепы при сохранении эффективности снижения концентрации потенциально токсичных элементов.

Кроме того, как более подробно описано в Примере 5, приведенном ниже, предварительное компостирование древесной щепы с использованием земляных червей (с добавкой отстоя сточных вод или без нее) повышает объемную плотность материала, вносимого в хвостовые отвалы, и уменьшает период компостирования.

Кроме того, было определено, что пропорция вносимой древесной щепы от 60 тонн до 90 тонн на гектар поверхности хвостового отвала позволяет получить хорошие результаты.

Как показано на фигуре 1, 2, на которой представлен хвостовой отвал 26, древесная щепа, предварительно обработанная кислотой, должна быть внесена в хвостовой отвал 26 до уровня 34, который находится на глубине приблизительно 30 см ниже внешней поверхности 36 отвала. Древесную щепу, предпочтительно, вносят с промежутком на поверхности установившихся сторон отвала, по мере роста отвала с течением времени.

Предполагается, что отрицательные поверхностные заряды на частицах древесной щепы существенно увеличивают способность катионного обмена (СКО (СЕС)), что снижает вынос потенциально токсичных элементов в грунтовые воды.

Растительный покров на хвостовых отвалах может быть дополнительно восстановлен, благодаря засеву семенами травы поверхности вышеуказанных сторон. Предусматривается, что при уровне нитратов, присутствующих на поверхности сторон 38 хвостового отвала, включая древесную щепу, для улучшения роста травы 40 потребуется меньшее количество неорганических удобрений или не потребуется вносить неорганические удобрения вообще.

ПРИМЕР 2

В этом примере делается ссылка на следующие прилагаемые чертежи, на которых:

на фигуре 2.1 показана схема обработки и воспроизводства растительного покрова при выполнении способа в соответствии с настоящим изобретением на платиновом шламе; и

на фигуре 2.2 представлен график RDA (анализа избыточности), представляющий взаимозависимость между внесением древесной щепы (0, 5, 15 и 30 тонн га^-1) и питательной способностью среды роста. Корреляция по отношению к окружающей среде видов растений для первой оси составляет 0,749.

Оборудование участка для проведения эксперимента

Место для проведения эксперимента оборудовали на платиновых хвостовых отвалах, и оно состояло из участков размером 24×4 м², на которых проводили мониторинг в течение полутора лет.

Соответствующие схемы для различных групп обработки приведены на фигуре 2.1. Эксперимент включал проведение шести обработок с использованием трех участков восстановления растительности и четырех контрольных участков.

Обработки 1-3

В первых трех обработках используют комбинацию существующей практики восстановления растительности на шахтах и внесения удобрений в соответствии с принятыми стандартами, но с повышенным внесением древесной щепы (обработка 1:5 тонн га^-1; обработка 2:15 тонн га^-1; обработка 3:30 тонн га^-1). Смесь древесной щепы, обработанной цантатом, и необработанной древесной щепы используют в соотношении 1:1. При первых трех обработках вносят следующие удобрения:

a) Суперфосфат 1200 кг га^-1 b) NH₄SO₄ 350 кг га^-1 c) KCl 400 кг га^-1

При первых трех обработках растительный покров восстанавливают с использованием смеси поземных побегов и корневищ Cynodon dactylon и Cynodon nlemfuensis, собранных в непосредственной близости к хвостовому отвалу. Cynodon dactylon и Cynodon nlemfuensis насаживают в равных пропорциях по шесть рядов на участок.

Обработка 4

Четвертая обработка состоит в окультуривании почвы с внесением 30 тонн га^-1 древесной щепы и удобрений, как и при первых трех обработках. Растительный покров восстанавливают на участках с использованием смеси семян, включающей Cenchrus ciliaris (Molopo) в количестве 10 кг га^-1, Chloris gayana в количестве 10 кг га^-1, Eragrostis curvula (PUK E436) в количестве 5 кг га^-1 и Eragrostis lehmanniana в количестве 5 кг га^-1.

Обработка 5

Обработка 5 состоит в окультуривании почвы с внесением 30 тонн га^-1 древесной щепы и удобрений, как и при предыдущей обработке. Смесь семян включает смесь из 5 разных видов трав первого засева, 5 разных видов многолетних трав и 3 видов потенциально ползучих трав (Таблица 2.1).

Обработка 6

Обработка 6 состоит в окультуривании почвы с внесением 30 тонн га^-1 древесной щепы. Химический анализ хвостовых отвалов (Таблица 2.5) используют для определения степени насыщенности удобрениями для обеспечения условий оптимального роста. Для улучшения питательного состояния среды роста вносят удобрение - моноаммонийфосфат (МАФ) в количестве 800 кг га^-1. Растительность на участках восстанавливают с использованием смеси семян, аналогичной смеси, применяющейся при обработке 5 (Таблица 2.1).

Материалы и способы

Ботанические исследования

Мониторинг развития растительного покрова на участке часто отслеживают с использованием устройства мостовых точек, установленного на раме размером 1 м². При этом определяют частоту встречаемости видов и основное покрытие видами, с использованием 125 точек м^-2. В результате определяют биомассу травы на корню. Биомассу травы на корню, укоренившейся на квадрате размером 1 м², срезают с использованием стригальных ножниц и сортируют по видам. Биомассу сушат при температуре 60°С в течение 48 часов и взвешивают.

Отбор образцов почвы и анализ

Образцы почвы (приблизительно 500 г) отбирают с помощью почвенного бура. Части образца весом пятьдесят грамм используют для проведения количественного анализа для определения распределения размеров частиц, в соответствии с процедурами, одобренными Американским обществом по испытаниям и материалам (American Society for Testing and Materials, 1961 г.). Химический анализ образцов почвы проводят с использованием процедуры экстракции 1:2 (объем/объем), как описано в публикации Black (1965), для определения водорастворимой основной катионной фракции (Са, Mg, K и Na) и микроэлементов (Fe, Mn, Cu и Zn), а также тяжелых металлов (As, Se, Al, Cr, Co, Ni, Pb и Cd).

Содержание водорастворимых основных катионов (Са, Mg, K и Na), микроэлементов (Fe, Mn, Cu, Zn) и тяжелых металлов (As, Se, Al, Cr, Со, Ni, Pb и Cd) определяют с использованием количественного анализа, проводимого способом атомарной абсорбционной спектрофотометрии с помощью устройства Spectr. АА-250 (Varian, Австралия). Содержание анионов (F, Cl, NO₃, PO₄ и SO₄) определяют с помощью количественно анализа с использованием ионного хроматографа (Metrohm 761, Швейцария). Для анализа используют 75 мл экстракта 1:2 почвы. Концентрацию аммония (NH₄) определяют с помощью количественного анализа способом аммоний-селективного электрода, в соответствии с описанием Banwart и др. (1972). Содержание бикарбонатов (НСО₃) в почве определяют с помощью потенциометрического титрования с конечной точкой рН 4,5, с использованием стандартного раствора HCl 0,005М (Skougstd и др., 1979). Концентрацию бора (В) определяют колориметрическим способом и использованием азометин-Н, как описано Barrett (1978), и спектрофотометра VEGA 400 при поглощении 420 нм.

Значение рН и электропроводности (ЕС) почвы определяют в экстракте 1:2 с использованием измерителя проводимости WTW LF92 при температуре 25°С.

Данные о растительности, содержании воды и химическом составе почвы анализируют с использованием компьютерной программы STATISTICA версия 6 (StatSoft, Inc. 2001). Влияние обработок и концентрации древесной щепы исследуют с использованием анализа избыточности - ReDundancy Analysis (RDA) RDA представляет способ константной линейной зависимости, а также прямого градиентного регрессионного анализа (Ter Braak, 1994). Преимущество использования этого способа в качестве инструмента анализа состоит в том, что он обеспечивает графическое представление результата взаимозависимости между переменными и соответствующими (релевантными) факторами окружающей среды. В качестве руководства по токсикологии используют эталонные тесты, в соответствии с рекомендациями Департамента энергии США (Efroymson и др. 1997).

Результаты

Состав растительного покрова

В Таблицах 2.2, 2.3 и 2.4 сведены значения частоты встречаемости разных видов растений, основного покрытия и биомассы, измеренные при шести обработках и на контрольных участках. В течение периода исследования были обнаружены четырнадцать видов травы. Наибольшее количество видов травы было определено после 5 и 6 обработки, при которых производили посев с использованием видовой смеси трав, представленных в Таблице 2.2. Смесь семян, используемая при обработке 4, позволила получить самое высокое суммарное основное покрытие (5,2%). Все другие обработки, включая контрольные участки, имели очень близкие значения основного покрытия (±3%). Суммарное количество биомассы на разных участках не существенно отличалось из-за высокой вариации корневой биомассы. Суммарное количество биомассы было наибольшим на участках, на которых проводили 6-ую обработку. Этот результат в основном был получен, благодаря жизнеспособности травы Cenchrus ciliaris.

По частоте встречаемости, величине основного покрытия и биомассе, трава Cenchrus ciliaris разновидности Molopo оказалась самым успешным видом, произрастающим из семян. Удовлетворительные результаты также показали Cenchrus ciliaris разновидность Gayndah (обработка 6), Eragrostis lehmanniana (обработки 4-5) и Eragrostis curvula (обработка 4). Неожиданно Digitaria eriantha, которая обычно очень хорошо произрастает на участках восстановления растительного покрова (Mentis 2000), не проросла на экспериментальных участках. Вероятной причиной неудачного засева травы Digitaria eriantha были засушливые условия в начале эксперимента.

Химические свойства почвы

Из отвалов были взяты три образца для количественного анализа химического состава и для определения уровня внесения удобрений для обработки 6 (Таблица 2.5). Образцы два и три имели очень близкий химический состав, но концентрации питательных веществ в образце один были существенно выше, чем в двух предыдущих образцах. Это указывает на высокую изменчивость химического состава образцов. Экстракция водой 1:2 (Таблица 2.5) дополнительно показала, что фитотоксичность из-за присутствия тяжелых металлов может быть серьезной проблемой в необработанных отвалах. На рост растительности может влиять повышенная концентрация растворов Pb, Cr, Со, Se и в особенности As в почве (Efroymson, 1997).

Результаты процедуры экстракции водой 1:2 представлены в таблице 2.6, в виде концентрации элементов в растворе почвы, доступной для поглощения растениями в течение февраля 2002 года. В общем, концентрации макроэлементов (Са, Mg и K) были несколько ниже, чем предпочтительные концентрации для эффективного роста. Доступное количество фосфатов и нитратов в растворе почвы также было пониженным в результате усвоения растениями. Концентрация NO₃ и PO₄ была ограничивающим фактором для роста растений.

За исключением Cu, на данном уровне рН микроэлементы - питательные вещества потенциально не могут оказаться токсичными. Концентрация меди - Cu проявлялась до уровня 0,827 ммоль/дм³ (потенциальный уровень фитотоксичности в соответствии с публикацией Efroymson (1997) составляет 0,94 (ммоль/дм³).

рН среды роста оставался на щелочном уровне (среднее значение рН для всех обработок: 7,8±0,025). Низкое значение ЕС также подтверждает низкий питательный статус среды роста и дополнительно указывает, что засоленность не является проблемой. Скорость поглощения натрия СПН (SAR) также была ниже, чем рекомендуемое значение 1, что указывает на потенциальное отсутствие избытка соды в почве.

При сравнении Таблицы 2.5 с Таблицей 2.6 можно определить изменения в химических свойствах отвалов за время роста растительности и внесения древесной щепы. Концентрация всех макроэлементов в отвалах существенно снизилась. Концентрация сульфатов осталась относительно на том же уровне или незначительно уменьшилась на контрольных участках и на участках с низкой концентрацией древесной щепы. Концентрация сульфатов в растворе среды роста также существенно уменьшилась при обработке 6, что было нетипично по сравнению с другими обработками, в которых также использовали 30 тонн га^-1 древесной щепы. Концентрация микроэлементов Fe, Mn и Cu увеличилась, что указывает на повышение растворимости этих элементов. Однако концентрации цинка и бора снизились. Значение рН раствора почвы осталось относительно на том же уровне 7,8. Электропроводность также существенно снизилась от среднего значения 2,267 мСм/см (необработанные отвалы) до 0,296 мСм/см в конце периода исследования.

Для пояснения влияния вносимого количества древесной щепы на химический состав отвалов выполняли анализ избыточности - RDA, его результаты графически представлены на двумерном графике видов растений (химические переменные) в зависимости от количества внесения древесной щепы в качестве показателя (Фигура 2.2). Поскольку в ходе испытаний отслеживали только одну переменную, каноническая ось и ось классификации видов представлены на первой оси классификации. Химические переменные по видам коррелировали на 74,9% с уровнем внесения древесной щепы, в качестве параметра окружающей среды. Как показано на фигуре 2.2, из химических переменных лучше всего ассоциировались с градиентом внесения древесной щепы В, Р и Cu (положительная корреляция), а также рН (отрицательная корреляция). рН среды смещался в сторону кислот при увеличении пропорции вносимой древесной щепы, при этом концентрация В и в особенности Cu увеличивалась. Поскольку значения концентрации макроэлементов - питательных веществ (Са, Mn, K, Na, SO₄) и электропроводность (ЕС) слабо ассоциировали с первой осью классификации, на эти переменные в меньшей степени влияло повышение количества вносимой древесной щепы. На Таблице 2.7 представлена матрица корреляции между химическими переменными характеристиками почвы. Засоленность среды роста, в основном, образовывалась, в частности, из-за сульфатов кальция, калия и магния. Кальций, магний и калий также сильно коррелировали. Натрий, однако, был лучше ассоциирован с хлоридом. Железо, марганец и медь коррелируют друг с другом. Единственная существенная отрицательная корреляция наблюдалась между железом и аммонием.

Выводы и рекомендации

По результатам восстановления растительного покрова большое количество видов, используемых, в частности, в самых разнообразных смесях, не проросли. Результаты доказали достаточность применения смеси семян трав Cenchrus ciliaris, Eragrostis lehmanniana, Panicum maximum и Eragrostis curvula. Трава Eleusine coracana оказалась наиболее успешным видом для первого высева. Возможное объяснение плохого произрастания дикорастущих видов травы состоит в малом уровне засева 1-2 кг/га. Семена (видов с большим уровнем засева) следует высевать в количестве не меньше 5 кг/га, для обеспечения успешного заселения. Ростки и побеги Cynodon dactylon и Cynodon nlemfuensis также можно высаживать через интервалы для контроля над эрозией. Использование Cynodon dactylon вместо Cynodon nlemfuensis является предпочтительным, поскольку этот вид является аборигенным в данном регионе и он более устойчив к засушливым условиям и более эффективно формирует покрытие. Результаты также показали, что смесь семян при обработке 4 была более успешной, чем смесь семян при обработках 5 и 6. При обработке 4 использовали меньшее количество видов, но были получены те же результаты, что и при использовании смеси семян при обработках 5 и 6. Обе смеси семян обеспечивали одинаковую величину покрытия, и основное покрытие при обработке 4 было более плотным, чем при обработках 5 и 6. В соответствии с результатами различные смеси семян также не влияют на производство биомассы. На биомассу в большей степени влияло представительство определенных видов (в данном случае Cenchrus ciliaris), чем общий состав смеси семян.

Химические условия роста на отвалах существенно улучшились в ходе эксперимента. Наибольшая проблема в отношении питательного статуса почвы на основе обработанного материала отстоя состояла в ее низком плодородии и возможной токсичности микроэлементов и тяжелых металлов, в особенности меди, хрома, селена и мышьяка. Несмотря на возможную фитотоксичность, энергия и жизнеспособность травы оказались удовлетворительными. После сравнения химического состава до обработки и после обработки отвалов оказалось, что отвалы легко поддаются выщелачиванию. Вероятно, с этим связана существенная проблема возможного загрязнения грунтовых вод.

В результате высокого исходного значения концентрации нитратов, как в отвалах, так и в древесной щепе, предполагалось, что участки после обработки будут иметь повышенную концентрацию NO₃, чего, однако, не произошло. Вероятное объяснение этого факта состоит в высокой мобильности NO₃, которая приводит к выщелачиванию значительного количества NO₃ и высокой скорости поглощения при вегетации, что объясняет энергичность вегетации (Mengel & Kirby, 1987). Дополнительное пояснение состоит в иммобилизации азота вследствие высокого значения отношения C/N, в результате чего некоторое количество неорганического азота фиксируется в форме органического азота находящимися в почве микроорганизмами (Tainton 2000).

ПРИМЕР 3

В этом примере делаются ссылки на следующие прилагаемые чертежи, на которых:

На фигуре 3.1 представлен график профилей температуры (°С) систем компостирования и компостирования с использованием земляных червей в течение первых 28 дней. Здесь: SS, отстой сточных вод; WC, древесная щепа; ЕМ, засев микроорганизмами; e/w, земляные черви;

На фигуре 3.2 представлен график профилей СО₂ (%) систем компостирования и компостирования с использованием земляных червей в течение первых 28 дней. Здесь: SS, отстой сточных вод; WC, древесная щепа; ЕМ, засев микроорганизмами; e/w, земляные черви; и

На фигуре 3.3 представлен график профилей О₂ (%) систем компостирования и компостирования с использованием земляных червей в течение первых 28 дней. Здесь: SS, отстой сточных вод; WC, древесная щепа; ЕМ, засев микроорганизмами; e/w, земляные черви.

Материалы и способы

Органические отходы, добавка земляных червей и засев микроорганизмами

С платиновых шахт получают высушенные на воздухе образцы древесной щепы (WC) и отстоя сточных вод (SS). Используют следующие виды земляных червей (e/w) Eisenia fetida ("тигровый червь"), который является наземным червем и представляет вид, который потенциально можно использовать для компостирования отходов (Edwards и Bohlen, 1996). Питомник для размножения Е.Fetida, используемый в данном исследовании, содержат на навозе крупного рогатого скота при температуре ±25°С. Для целей настоящего исследования используют только половозрелых репродуктивноспособных червей. В экспериментах по засеву бактериями используют коммерчески поставляемый препарат микроорганизмов (ЕМ™), который состоит, преимущественно, из видов Pseudomonas, Lactobacillus и Saccharomyces spp.

Эксперименты по компостированию и компостированию с использованием земляных червей

Используют смесь WC и SS в отношении 3:1 (сухой вес кг^-1). Сухие ингредиенты смешивают и увлажняют дистиллированной водой до 70% (мас.) содержания влаги. Исследуют пять групп обработки с тремя повторами в каждой, обработки включают использование смесей WC+SS, WC+SS+EM, WC+SS+e/w, WC+SS+EM+e/w и WC. Субстрат помещают в пластмассовые емкости (60×40×30 см) и устанавливают в камеру искусственного климата (25°С), и компостируют в течение 28 дней. При обработке с использованием земляных червей после 28 дней компостирования вводят 100 половозрелых червей для предотвращения воздействия на червей возможных высоких температур в период исходной термофильной фазы компостирования.

Физические и химические параметры

Уровень CO₂ и O₂, а также температуру измеряют со дня 0 (относится ко времени расходного перемешивания отходов перед разложением) до дня 28 с использованием портативного анализатора CO₂ и O₂ (Gas Data PCO₂). В случаях повышения уровня СО₂ или снижения уровня O₂ за пределы их уровней в воздухе, аэрацию увеличивают вручную для исключения этой тенденции.

В начале и в конце эксперимента определяют общее содержание твердого вещества (TS), содержание летучего твердого вещества (VS), содержание золы, распределение размера частиц, NH₄ ⁺, NO₃ ^-, NO₂ ^-, рН, суммарное и доступное в почве количество Р (Р-Bray 1), общее содержание органического углерода (СОУ (ТОС)), % лигнина и % целлюлозы.

Содержание TS определяют как остаток при высушивании при температуре 80°С в течение 23 часов и содержание VS измеряют путем озоления высушенных образцов при температуре 550°С в течение 8,5 часов (АРНА и др., 1989). Распределение размеров частиц определяют просеиванием 100 г материала через набор из 4 сит с отверстиями 4,75, 4,00, 2,00 и 1,00 мм, соответственно. Размер частиц представлен с использованием средней геометрической величины и геометрического стандартного отклонения, как описано в публикации Ndegwa и Thompson (2001).

Анионы NO₃ ^-, NO₂ ^- определяют с помощью капиллярного электрофореза (Waters Quanta 4000, Capillary Electrophoresis System, Waters, MA), как описано Heckenberg и др. (1989). Концентрацию NH₄ ⁺ определяют с помощью количественного анализа с использованием аммоний-селективного электрода, как описано Banwart и др. (1972). Значения рН субстрата определяют в экстракте 1:2 с использованием калиброванного измерителя рН (Radiometer PHM 80, Копенгаген) при температуре 25°С, после 12-часового периода уравновешивания с периодическим перемешиванием.

Концентрацию Р_[сумм] определяют колориметрически с использованием способа ванадомолибдата. Выполнение связано с отмериванием пипеткой 200 мл раствора образца в мерную колбу объемом 50 мл и с добавлением 10 мл реагента ванадомолибдата в колбу с разбавлением до объема деионизированной водой и перемешиванием. Через 10 минут концентрацию считывают с использованием колориметрической системы анализа с непрерывным потоком (Continuous Flow Analysis System, Skalar, Нидерланды).

СОУ определяют в независимой лаборатории, используя способ Walkley-Black (Walkley and Black, 1934) и P-Bray 1 с использованием экстрагента Брея №1 (Bray and Kurtz, 1945).

% НРВ, % лигнина и % целлюлозы

% НРВ (NDF, нейтральное разрыхляющее волокно, то есть нерастворимая фракция растительных клеток), % лигнина и % целлюлозы определяют с использованием методики Rowland and Roberts (1999). Для определения НРВ образцы высушивают и перемалывают (<1 мм). Процент сухого материала определяют путем высушивания высушенных на воздухе образцов в течение 3 часов при температуре 105°С и затем определяют коэффициент коррекции сухого веса; то есть ¹⁰⁰/_{%сухого}.

Реагент состоит из навески из 18,61 г EDTA (этилендиаминтетраацетат) и 6,81 г Na₂B₄O₇·10H₂O, которые растворяют в 500 мл деионизированной воды, после чего добавляют 30 г лаурелсульфата натрия (SLS) и 10 мл 2-этоксиэтанола. 4,56 г безводного Na₂HPO₄ отдельно растворяют в воде, смешивают с первым раствором и, наконец, разбавляют до 1000 мл.

0,5 г материала, высушенного на воздухе, помещают в коническую колбу объемом 250 мл и добавляют 100 мл нейтрального очищающего реагента. Раствор доводят до кипения и медленно кипятят в течение 1 часа. В горячем состоянии раствор фильтруют через предварительно взвешенный агломерат (№2), прикладывая небольшое разрежение. Остаток промывают 3×50 мл кипящей деионизированной воды и затем ацетоном до тех пор, пока цвет больше не удаляется, и прикладывают разрежение до тех пор, пока волокна не выглядят сухими. Волокна затем сушат в течение 2 часов при температуре 105°С, охлаждают до комнатной температуры в сушильной печи и взвешивают.

Процент НРВ вычисляют по формуле:

%HPB=^{100×коэффициент коррекции сухого веса×[(вес агломерата+вес волокон)-(вес агломерата)]}

/_{вес образца}.

Для определения лигнина в качестве реагента используют 720 мл концентрированной серной кислоты, разбавленной 540 мл деионизированной воды до 72% (мас./объем). Агломерат наполовину заполняют охлажденным реагентом (15°С) H₂SO₄ и перемешивают до получения однородной пасты с помощью стеклянного стержня, при этом уровень жидкости поддерживают путем добавления H₂SO₄, по мере расхода кислоты. Через 3 часа кислоту отфильтровывают под действием вакуума и содержимое промывают горячей водой и ацетоном до тех пор, пока остаток не станет свободным от кислотного реагента. После этого агломерат сушат при температуре 105°С в течение 2 часов, охлаждают в сушильном шкафу и затем взвешивают. Затем его прокаливают при температуре 550°С, охлаждают в сушильном шкафу и повторно взвешивают. Процент лигнина затем вычисляют по уравнению:

% Лигнина=^{(100×коэффициент коррекции сухого веса)×[(вес агломерата + лигнина + вес золы)]}-/_{вес агломерата + вес золы)/вес образца}.

% Целлюлозы определяют путем вычитания значения % лигнина от значения % НРВ.

Микробный анализ

Количество живых аэробных колониеобразующих единиц подсчитывают на пластине, как количество колониеобразующих единиц (КОЕ), присутствующих на 1 г образца, которые развились за 48 часов. Образцы подвергают культивированию при 25°С на среде Chromocult agar. Присутствие Е.coli и Salmonella определяют в независимой лаборатории с использованием способов, предписанных British Standards Institution (1998).

Статистический анализ данных

Данные в этом исследовании анализировали с использованием компьютерного программного пакета SigmaStat®, и все значения представлены как среднее значение ±SD (стандартное отклонение). Уровни вероятности, используемые для статистической значимости, составили Р<0,05, и для сравнения различных групп обработки использовали параметрические или непараметрические тесты.

Результаты и обсуждение

Профили температуры во время фазы компостирования (первые 28 дней) при различных обработках представлены на фигуре 3.1. Ни в одной из обработок температура не поднялась выше 33°С, что не соответствует требованиям ЕРА (Агентство по охране окружающей среды) PFRP (обработки для дополнительного уменьшения болезнетворных микроорганизмов), в соответствии с предписаниями US-EPA 40 CFR Part 503 (Hay, 19%). Хотя повышение температуры представляет только индикатор микробиологической активности (Jimenez и Garcia, 1991), наблюдаемые пониженные значения температуры представили собой результат высокого содержания влаги (70%) материала, а не недостатка микроорганизмов. Поэтому, возможно, что более высокие температуры могли рыть получены, если бы во время загрузки исходное содержание влаги материала было ниже. Низкие температуры, с другой стороны, могут помочь сохранить азот (N), в материале компоста, поскольку высокие температуры могут привести к высоким потерям N в форме NH₃ на ранних этапах компостирования (Sanchez-Mondero и др., 2001).

В виду низких температур и требований ЕРА было решено провести анализ на общее содержание форм coli Е.coli и Salmonella spp. в конечных продуктах. Присутствие бактерий-палочек часто используют как индикатор общего санитарного качества почвенной и водной среды, и они являются легко определяемыми (Hassen и др., 2001). Е.coli являются наиболее часто представленными бактериями в группе фекальных палочек Le Minor, 1984), и поэтому их можно использовать как индикатор наличия фекальных палочек. Присутствие сальмонеллы рассматривают как основную проблему гигиенического качества компоста (Hay, 1996) с учетом заболеваний, которые могут возникнуть в результате загрязнения.

Во всех продуктах Е.coli или Salmonella не были обнаружены, что означает, что конечные продукты в данном исследовании должны быть безопасными для общего распространения. Суммарное количество палочек было в диапазоне от 2430 до 2903 КОЕ.

Процентное содержание CO₂ и O₂ в воздухе показано на фигурах 3.2 и 3.3, причем наибольшая активность наблюдается в течение первых 8 дней. Это соответствует повышению наблюдаемой температуры, что является нормой во время обычного процесса компостирования (Tuomela и др., 2000). Параметры питательных веществ (СОУ, Р_[сумм], P-Bray 1, NH₄, NO₂ и NO₃) для различных обработок в момент загрузки представлены в Таблице 3.1, и на момент загрузки не наблюдалось существенных различий (Р>0,05), в измеряемых параметрах между обработками, включающими использование SS. Среднее процентное изменение этих параметров после компостирования и компостирования с использованием земляных червей представлено в Таблице 3.2. При этом не наблюдается существенного различия (Р>0,05) в среднем процентном изменении СОУ в различных группах. Это может происходить, вследствие того, что температура при обработке не превышает 33°С, и потери углерода в форме CO₂ из систем минимальны.

Все обработки, включающие использование SS, показали существенное увеличение общего содержания Р в диапазоне от 78,60->100%. Хотя при всех обработках значение Р-Bray 1 повысилось, только в группах SS+WC и SS+WC+EM это увеличение было статистически значимым (Р<0,05). Авторы Ghosh и др. (1999) определили, что органические отходы, компостированные с использованием земляных червей, выделяют большее количество Р-Bray 1. Они приписали это тому, что земляные черви используют Р, в качестве питательного вещества в своих телах для синтеза и освобождения остающегося Р в минерализованной форме, и пришли к выводу, что Компостирование с использованием земляных червей может быть эффективным способом производства лучшей Р подкормки, из органических отходов. Этот результат отличается от других исследований, в которых содержание растворимого Р снижается после компостирования (Vuorinen и Saharinen, 1997) и компостирования с использованием земляных червей (Ndegwa и Thompson, 2001).

Концентрация N в компостируемых материалах отходов представляет один из наиболее важных факторов исследования при определении их агрономической ценности, при этом содержание NH₄ и NO₃ является наиболее интересным, поскольку эти соединения могут непосредственно усваиваться корневыми системами растений (Sanchez-Mondero и др., 2001). Содержание NH₄ при всех обработках, включающих использование SS, показало значимое снижение (Р<0,05) в диапазоне от 92,57 ->100%, в то время как обработка с использованием WC показала его увеличение более чем на 100% с действительным конечным значением 1,77±0,80 ммоль л^-1. Содержание NO₂ показало значимое повышение (Р<0,05) при всех обработках, включающих SS, и не значимое (Р>0,05) изменение наблюдалось при обработке с использованием WC. В соответствии с публикацией Sanchez-Mondero и др. (2001) присутствие NО₂ в компостируемом материале представляет собой очевидный указатель на анаэробные условия во время компостирования. Такие условия могут формироваться из-за высокого содержания влаги в материале, что приводит к развитию анаэробной микросреды. Все группы обработки показали значимое увеличение (Р<0,05) NO₃, превышающее 100%. Это можно объяснить тем фактом, что во время компостирования образование азотсодержащих соединений происходит следующим образом:

2NH₄ ⁺+3O₂→NO₂ ^-+4Н⁺+2H₂O (Nitrosomonas spp.)

2NO₂ ^-+O₂→2NO₃ ^- (Nitrobacter spp.)

Однако существуют различия между различными видами обработки со следующими диапазонами значимости (Р<0,05); SS+WC+e/w и SS+WC+EM+e/w>SS+WC и SS+WC+EM>WC.

В конце исследования концентрация NO₃ была выше, чем концентрация NH₄, что указывает на правильный ход процесса компостирования (Finstein и Miller, 1985). Кроме того, отношение NH₄:NO₃ (Таблица 3.2) было ниже 0,16, что указывает на созревание компоста (Zucconi и de Bertoldi, 1987), во всех обработках его значение находилось в диапазоне от 0,011 до 0,0016, за исключением обработки с использованием WC (0,27). При этом не было значимых различий (Р>0,05) между значениями этого отношения при обработках, включающих SS, что указывает на то, что отсутствует какое-либо различие в развитии азотсодержащих продуктов между компостированием, засевом микроорганизмов и компостированием с использованием земляных червей.

Значения физических параметров (TS, VS, Ash, %HPB, % лигнина и % целлюлозы) и рН при различных обработках в начале эксперимента показаны в Таблице 3.3, без существенных отличий (Р>0,05) между различными группами. Средние процентные изменения этих параметров после завершения компостирования и компостирования с использованием земляных червей представлены в Таблице 3.4, при этом не наблюдаются значимые изменения (Р>0,05) при обработке с применением WC. Через 112 дней компостирования и компостирования с использованием земляных червей, значение рН для WC показало уменьшение на 5,75% (Р>0,05), в то время как при обработке с отстоем сточных вод его значение показало увеличение в диапазоне от 13,67 до 26,47%, причем все эти значения были статистически значимыми (Р<0,05). Это соответствует основной тенденции изменения рН в ходе компостирования, когда исходное уменьшение наблюдается из-за формирования органических кислот, после чего его значение повышается в результате высвобождения аммония (Tuomela и др., 2000). Содержание TS и золы показало общее увеличение, и значение VS и лигнина - общее уменьшение, но только при обработке компостированием с использованием земляных червей эти изменения были статистически достоверные (Р<0,05).

В соответствии с Neuhauser и др. (1988), увеличение содержания золы и снижение VS представляют собой показатели стабилизации компостируемых материалов. Увеличение TS, вероятно, происходит вследствие того, что материал, который подвергают компостированию с использованием земляных червей, физически разрушается, и поэтому увеличивается его плотность, а также, благодаря тому факту, что содержание влаги (как функция TS) материала существенно ниже. Также наблюдается уменьшение объема материала, хотя для этого показателя не были получены количественные характеристики. Такое уменьшение объема и снижение содержания влаги способствуют снижению затрат на обработку и транспортировку.

Процентное содержание % НРВ и % целлюлозы достоверно уменьшилось (Р<0,05) во всех обработках, содержащих SS, без значимого различия (Р>0,05) между различными обработками. Деградация целлюлозы коррелирует с микробиомассой (Entry and Bachman, 1995), целлюлоза также может использоваться поверхностными земляными червями, в качестве прямого источника пищи (Zhang и др., 2000). Пищеварительные каналы земляных червей, однако, снижают биомассу микробов в почве (Zhang и др., 2000), что может объяснить, почему степень разрушения целлюлозы при обработках без земляных червей была незначительно выше, хотя и статистически недостоверно (Р>0,05). Достоверное снижение (Р<0,05) % лигнина наблюдали только в двух обработках при компостировании с использованием земляных червей. Это может происходить вследствие того, что разрушение лигнина регулируется толщиной материала (Tuomela и др., 2000), и земляные черви едят, размалывают и переваривают органические отходы, преобразуя их в гораздо более мелкие материалы (Aranda и др., 1999).

Entry и Bachman (1995) также сделали вывод, что деградация целлюлозы, а не лигнина коррелирует с биомассой микроорганизмов, в то время как Faure и Deschamps (1991) нашли, что засев органических отходов целлюлозолитическими и лигнинолитическими бактериями не оказывает влияния на деградацию. Кроме того, земляные черви могут потреблять материал с высоким содержанием лигнина, в результате чего поддерживается устойчивый размер популяции (Senpati и др., 1999).

Результаты анализа размеров частиц приведены в Таблице 3.5, где он выражен как среднее геометрическое значение размера и геометрическое стандартное отклонение, а также как процентное изменение. Обработка компостированием с использованием земляных червей с засевом ЕМ приводит к наибольшему уменьшению размера частиц, после чего следует обработка компостированием с использованием земляных червей без засева микроорганизмами. Эти две группы также показали меньшую гетерогенность, которая выразилась в большем значении наблюдавшегося геометрического стандартного отклонения. Такое, возможно, происходит из-за присутствия биологически неактивного материала, например, пластика (побочные продукты взрывчатых веществ, используемых при горных разработках), присутствующего в древесной щепе.

Таким образом, можно сделать вывод, что древесная щепа и отстой сточных вод, обработанные в промышленных масштабах способом компостирования с использованием земляных червей, обладают лучшими качествами по сравнению с материалами, просто прошедшими обработку компостированием, в виду уменьшения содержания TS и VS, и увеличения содержания золы. Также было показано, что только обработка компостированием с использованием земляных червей показала достоверное уменьшение содержания лигнина и что добавка микробного посева не повышает скорость разрушения материала.

ПРИМЕР 4

В этом примере делается ссылка на следующие прилагаемые чертежи, на которых:

на фигуре 4 представлен график среднего значения массы тела (г) ± SD земляных червей (Е.fetida) через 84 дня (n=150). *Достоверно отличающиеся (Р<0,05). (SS - отстой сточных вод; WC - древесная щепа; ЕМ - засев микроорганизмами).

Материалы и способы

Высушенные на воздухе образцы древесной щепы (WC) и отстоя сточных вод SS снова получали с платиновых шахт.

Снова использованы земляные черви (e/w) вида Е.fetida ("тигровый червь"). Для засева в экспериментах используют коммерчески поставляемый препарат микроорганизмов (ЕМ™), который в основном состоит из видов бактерий Pseudomonas, Lactobacillus и Saccharomyces, ssp.

Используемые субстраты

Используют смесь WC и SS в отношении 3:1 (сухая масса кг^-1). Сухие ингредиенты смешивают и увлажняют дистиллированной водой до 70% (мас.) содержания влаги. Исследуют две группы обработки с тремя повторами в каждой, обработки включают применение смесей WC+SS и WC+SS+EM. Субстрат помещают в пластмассовые емкости (60×40×30 см) и устанавливают в камеру искусственного климата (25°С), и компостируют в течение 28 дней. После 28 дней компостирования вводят 100 половозрелых червей. Задержку ввода червей используют для исключения воздействия на червей возможных высоких температур во время исходной термофильной фазы компостирования.

Рост и ход воспроизводства

Каждые 14 дней в течение 94 дней, после периода компостирования 28 дней, определяют биомассу земляных червей и содержание влаги в отслеживаемых субстратах. Биомассу определяют путем выемки 50 червей из каждого контейнера, с их промывкой в дистиллированной воде и сушкой на бумажных полотенцах. Затем червей взвешивают в заполненной водой взвешивающей лодочке, используя весы Sartorius. Это предотвращает обезвоживание червей, которое влияет на их вес.

Жизнеспособность коконов определяют путем случайной выборки 72 коконов из каждого контейнера и помещения их во множество тарелочек, наполненных дистиллированной водой. Воду в тарелочках заменяют каждый третий день для предотвращения роста бактерий, что может отрицательно повлиять на результаты. Количество вылупившихся коконов и количество вылуплений на кокон записывают в течение четырех недель.

Анализ содержания тяжелых металлов

Перед экспериментом и по его окончании из субстрата изымают девять земляных червей на группу. После этого червей помещают на влажную фильтровальную бумагу в чашки Петри на период 24 часа, для очищения содержимого их кишечника. Это производят для исключения искажения результатов в отношении действительного содержания тяжелого металла в тканях червя из-за наличия тяжелых металлов в содержимом кишечника. После этого периода в 24 часа червей промывают в дистиллированной воде, высушивают на бумажных полотенцах и убивают замораживанием. Их по отдельности взвешивают и замораживают (-74°С) в многогранных пробирках для проведения анализа на наличие тяжелых металлов на последующих этапах. Образцы субстрата также отбирают, помещают в полиэтиленовые пакеты и охлаждают до проведения анализа на содержание тяжелых металлов. Образцы червей и компоста настаивают, как предписано в публикации Katz и Jennis (1983). Образцы по отдельности высушивают и перемалывают, после чего их сжигают при температуре 550°С. После этого их индивидуально помещают в пробирки и добавляют 10 мл азотной кислоты (HNO₃) с концентрацией 55%. Образцы оставляют на ночь при комнатной температуре для начала процесса настаивания. На следующий день образцы нагревают до температуры 40-60°С в течение двух часов и затем до температуры 120-130°С в течение часа, после чего их оставляют охлаждаться. Затем добавляют 1 мл перхлорной кислоты (НСlO) с концентрацией 70%, и эту смесь повторно нагревают до температуры 120 - 130°С в течение часа. После остывания образцов добавляют 5 мл дистиллированной воды. Образцы затем повторно нагревают до температуры 120-130°С, пока выделяется пар. После окончательного остывания образцов проводят их микрофильтрацию.

Растворы фильтруют через фильтровальную бумагу Whatman №6 в мерные колбы объемом 20 см³, с использованием держателей микрофильтров Sartorius и пластиковых шприцов. Отфильтрованный раствор разбавляют дистиллированной водой до 20 см³. Проводят микрофильтрацию этих растворов объемом 20 см через фильтровальную бумагу Sartorius Cellulose Nitrate 0,45 мкм в поливиниловые контейнеры и подвергают анализу с использованием плазменной спектроскопии с индуктивной связью (ICP-AES) для определения наличия различных металлов.

Статистический анализ данных

Данные в этом исследовании анализируют с использованием компьютерного программного пакета SigmaStat®, и все значения представляют как среднее значение ± SD (стандартное отклонение). Уровни вероятности, используемые для статистической значимости, составляют Р<0,05, и параметрические или непараметрические тесты используют для сравнения групп.

Результаты

Ни на одном из этапов исследования не наблюдались случаи смертности, и средние значения изменения биомассы Е.fetida представлены на фигуре 4. Перед введением в смесь для обработки средняя биомасса земляных червей при обработке SS+WC составляла 0,44±0,01 г и 0,43±0,02 г при обработке SS+WC+EM. Между этими двумя значениями не наблюдалось значимых (достоверных) различий (Р>0,05). На 14 день среднее значение биомассы земляных червей достигло максимального значения 0,81±0,02 г и 0,77±0,02 г в группах SS+WC и SS+WC+EM соответственно, так что оба этих значения значимо (Р<0,05) превышали исходное значение биомассы. С 14 до 84 дня средняя биомасса уменьшилась до 0,49±0,03 г в SS+WC и 0,51±0,01 г в SS+WC+EM, достоверной разницей (Р<0,05) между двумя значениями. Оба эти значения были значимо (Р<0,05) выше, чем исходное значение биомассы.

Среднее вылупление коконов, производимых в группе SS+WC, составило 46,8±2,4% (n=216), что было существенно ниже чем 68,0±2,8% (n=216) в группе SS+WC+EM. Среднее количество вылуплений на кокон составило 2,7±0,1 для SS+WC и 3,0±0,2 для SS+WC+EM группы, при этом не наблюдалось достоверного различия (Р>0,05) между двумя значениями.

Содержание тяжелых металлов в двух смесях субстрата для Al, As, Cu и Ni приведено в Таблице 4.1, и было определено, что для выбранных металлов отсутствуют значимые различия (Р>0,05). Исходные и конечные дозовые нагрузки тяжелых металлов, проявившиеся в тканях земляных червей, представлены в Таблице 4.2. Первоначально не наблюдалось статистического различия (Р>0,05) между концентрациями тяжелых металлов в тканях земляных червей в двух группах. После окончания эксперимента содержание тяжелых металлов в тканях земляных червей при использовании SS+WC было существенно выше (Р<0,05), чем в начале для всех тяжелых металлов, по которым производили измерение, за исключением As, содержание которого было ниже предела чувствительности 0,05 мкг·г^-1. В тканях земляных червей, которых использовали в группе SS+WS+ЕМ, содержание тяжелых металлов через 84 дня значимо не изменилось (Р>0,05). Показатель биоконцентрации (ПБК (BCF)) для различных тяжелых металлов в тканях земляных червей после 84 дней периода компостирования с использованием земляных червей показан в Таблице 4.3. Очевидно, что ПБК земляных червей в группе SS+WC был практически вдвое выше, чем в группах SS+WC+EM для Al, Cu и Ni.

Обсуждение

Из этих результатов (фигура 4 и Таблиц 4.1-4.3) очевидно, что земляные черви в обеих группах обработки подвергаются воздействию смеси загрязнителей, помимо прочего, Al, Cu и Ni. Это затрудняет оценку влияния токсических веществ, так как действительный риск организма определяли по наличию этих токсических веществ. Влияние Cu (Spurgeon и Hopkin, 1995; Van Gestel и др., 1991) и Ni (Lock и Janssen, 2002; Scott-Fordsmand и др., 1998) на рост и воспроизводство хорошо документированы, но в настоящее время доступно незначительное количество информации о влиянии алюминия, или такие данные отсутствует вообще. Кроме того, отсутствует литература по воздействию этих металлов в смесях, на червей Е.fetida. Что касается вреда, который эти металлы могут оказывать в программах восстановления растительного покрова, Al, Cu и Ni представляют большую опасность, чем диапазоны, предложенные DWAF (1996) для использования в сельском хозяйстве. Это следует учитывать при выборе видов растений, используемых при восстановлении растительного покрова, а также при отслеживании количества этих металлов, просачивающегося в грунтовые воды.

Данные по росту сравнивали с проведенными ранее исследованиями, где было определено, что черви Е.fetida достигают среднего значения биомассы ± 0,45 г при оптимальных условиях (Reinecke и др., 1992). Тот факт, что средняя "биомасса червей в группах SS+WC была значимо ниже (Р<0,05), чем показанная при обработках SS+WC+EM, может оказывать непосредственное влияние на биологическую доступность тяжелых металлов в этих субстратах. Однако обе группы показали снижение биомассы после 14 дней (фигура 4), что можно связать с наличием повышенных концентраций тяжелых металлов. Поэтому рост можно рассматривать как чувствительный параметр при оценке влияния Al, Cu и Ni для Е. fetida. Это соответствует результатам проведенных ранее исследований по влиянию Cu в форме CuNO₃ на рост (Reinecke и Reinecke, 1996), в результате которых определили, что отрицательное влияние на рост Е.fetida сказывается при концентрациях 200 мкг г^-1.

Таким образом, в отношении роста как конечной точки, можно сделать вывод, что компостирование древесной щепы и отстоя сточных вод с использованием земляных червей Е.fetida является экономически приемлемым. С учетом того факта, что земляные черви в смеси, содержащей засев микроорганизмами, развивались лучше, при выборе среднего значения биомассы, в качестве конечной точки, можно ожидать, что при этом можно получить лучшие результаты для полномасштабных технологий компостирования с использованием земляных червей.

Среднее значение вылупляемости, которое можно рассматривать как конечную точку для репродуктивного развития, было достоверно выше (Р<0,05) для группы SS+WC+EM, чем для группы SS+WC, хотя при этом не было различия (Р>0,05) в среднем количестве вылупляемости между этими видами обработки.

Venter и Reinecke (1988) сделали вывод, что среднее увеличение вылупляемости коконов, производимых Е.fetida, составило 73%, и что каждый кокон производил в среднем 2,7 вылупившихся личинок. Уровень вылупляемости 68% червей в смеси SS+WC+EM был предпочтительным при сравнении со значением 73%, установленным Venter и Reinecke (1988), хотя вылупляемость коконов при использовании смеси SS+WC была значительно ниже, на уровне 45%. Данные, относящиеся к вылупляемости в субстрате SS+WC, с высокими концентрациями Ni (551 мкг·г^-1) и Cu (315 мкг·г^-1), соответствовали результатам авторов предыдущих исследований. Lock и Janssen (2002) отмечают, что ЕС₅₀ для Ni, полученное на основе производства коконов, составляет 362 мкг·г^-1, a Spurgeon и Hopkin (1995) нашли, что воспроизводство земляных червей существенно снижается при загрязнении почвы медью. Reinecke и Reinecke (1996) определили, что Е.fetida не производят коконы при концентрации Cu 200 мкг·г^-1. Увеличение вылупляемости поэтому представляет собой гораздо более чувствительный параметр, чем рост, при оценке потенциала использования Е.fetida при компостировании древесной щепы или отстоя сточных вод с использованием земляных червей.

Тот факт, что увеличение вылупляемости в группах, засеянных микроорганизмами, было выше, вероятно можно связать с тем, что Ni и Cu, которые оказывают отрицательное влияние на воспроизводство, в этом случае в меньшей степени доступны для земляных червей. Микроорганизмы позволяют активно (биоаккумуляция) и пассивно (биосорбция) концентрировать металлы (Unz и Shuttleworth, 1996). Экспериментально было показано, что Saccharomyces (Simmons и др., 1995) и Pseudomonas (Churchill и др., 1995), причем оба эти вида присутствовали в засеве, проявляют широкие изменения в биосорбции металлов. Это может объяснить разногласия, наблюдающиеся в данных роста и репродуктивности между двумя группами. Этот факт можно проверить по уровню дозовой нагрузки тяжелыми металлами, определенными в тканях земляных червей, когда черви в субстрате, содержащем засев микроорганизмами, имели существенно более низкие (Р<0,05) уровни Al, Cu и Ni, что также отражалось на вычисляемых значениях ПБК.

Выводы

Можно сделать вывод, что рост червей вида Е.fetida не замедляется при использовании его для компостирования с использованием земляных червей получаемой промышленно древесной щепы и отстоя сточных вод, или при добавлении засева микроорганизмами. Репродуктивное развитие земляных червей в группах обработки SS+WS снижалось, и наблюдалась биоконцентрация Al, Cu и Ni в их тканях. Земляные черви в группе обработки с добавлением засева микроорганизмами, в отличие от этого, не проявляли биоконцентрацию тяжелых металлов в своих тканях и имели существенно более высокое репродуктивное развитие, чем в группах обработки без засева микроорганизмами. Это указывает на то, что микроорганизмы, представленные в засеве, делают тяжелые металлы, присутствующие в смесях древесной щепы и в отстое сточных вод, недоступными в результате их биосорбции и бионакопления.

Таким образом, можно сделать вывод, что наиболее экономически реальный способ биоконвертирования древесной щепы и отстоя сточных вод с использованием червей Е.fetida представляет способ с добавлением засева микроорганизмами.

ПРИМЕР 5

В этом примере делается ссылка на следующие прилагаемые чертежи, на которых:

на фигуре 5 показан вид в перспективе вала для компостирования, и компостирования с использованием земляных червей среды для обработки массы отходов горных разработок, в соответствии с настоящим изобретением.

По результатам экспериментальных исследований был сделан вывод, что для успешного компостирования древесной щепы (WC) и отстоя сточных вод (SS), требуется использовать их в соотношении 3:1 при смешивании и проводить процесс компостирования/компостирования с использованием червей в течение 4-6 месяцев.

В коммерческом варианте способа в соответствии с настоящим изобретением первый этап состоит в компостировании смеси WC и SS в течение 30 дней с построением вала, пример которого показан на фигуре 5. После этого материал покрывают сеткой (для предотвращения истребления червей птицами) и производят компостирование с использованием земляных червей (Eisenia fetida) в течение 4-5 месяцев при соотношении 25 г червей на кг материала.

Оптимальные размеры вала были определены, как 2 тонны смеси компоста на метр длины при высоте 1 м и ширине 2 м, как показано на фигуре 5. Это подразумевает использование 50 кг земляных червей на каждый вал.

Полученную компостную среду и среду, компостированную с использованием земляных червей, затем смешивают с отходами, как описано выше в Примерах 1 и 2.

Было определено, что среда компостирования и среда компостирования с использованием земляных червей, в соответствии с настоящим изобретением, представляет собой предпочтительную альтернативу и/или дополнение использованию верхнего слоя почвы для улучшения почвы, а также для обработки отходов древесной щепы и отстоя сточных вод, которые представляют собой основные источники органического углерода и азота и являются значимыми источниками питательных веществ и органического вещества при биопереработке в соответствии с настоящим изобретением. Древесная щепа, кроме того, является предпочтительной для использования в качестве источника органического вещества, применяемого для окультуривания почвы в ходе восстановления растительного покрова, и это является основным доводом в пользу введения древесной щепы для улучшения катионного обмена, в результате чего снижается насыщенность основаниями и улучшается способность шлама поглощать избыточные соли. Древесная щепа также улучшает физические свойства среды роста, благодаря повышению способности удержания воды. Органический материал также стимулирует биологическую активность, что является существенным для восстановления питательной среды.

Другое преимущество настоящего способа состоит в том, что отходы, получаемые при горных разработках в шахтах, такие как шлам, древесная щепа и сточные воды, используют для восстановления отвалов и для снижения загрязнения почвы, грунтовых вод и воздуха.

Следует понимать, что в отношении состава и способа в соответствии с настоящим изобретением, возможны различные вариации в деталях при обработке отвалов, образующихся при горных разработках, без отхода от объема прилагаемой формулы изобретения.

ПРИЛОЖЕНИЕ А: ТАБЛИЦЫ

Таблица 1.1 Макроэлементы Образец № Са Mg K Na P SO₄ NO₃ NH₄ Cl НСО₃ ммоль л^-1 Древесная щепа 1,08 0,95 1,95 0,56 0,02 2,26 0,67 0,27 0,82 0,55 Отвалы 5,22 3,28 0,55 3,15 0,03 8,59 1,49 0,08 3,25 0,33

Микроэлементы и другие данные P-BRAY I промилле Образец № Fe Mn Cu Zn В РН ЕС Ф моль л^-1 мСм см^-1 Древесная щепа 31,24 0,52 0,05 0,36 15 6,68 0,69 1,71 Отвалы 1,57 37,60 0,28 2,44 11 5,62 2,09  

Тяжелые металлы Образец № Al Pb Cr Ni Co Cd Se As мг л^-1 Древесная щепа 8,52 0,00 0,09 0,00 0,00 0,00 0,00 0,39 Отвалы 6,10 0,00 0,04 32,28 1,58 0,01 0,05 1,03

Таблица 1.2 Макроэлементы Образец № Са Mg K Na P SO₄ NO₃ NH₄ Cl НСО₃ ммоль л^-1 Т500 С100 4,51 2,93 0,46 3,02 0,02 8,19 0,23 0,06 2,93 0,10 T500 C200 3,91 2,60 0,42 2,74 0,04 6,91 0,07 0,05 3,10 0,20 Т500 С300 3,21 2,16 0,37 2,34 0,02 5,73 0,08 0,05 2,44 0,20 T500 С400 3,44 1,94 0,39 2,04 0,03 5,53 0,22 0,04 2,24 0,29 Т500 С500 2,45 1,12 0,30 1,17 0,03 3,37 0,31 0,04 1,20 0,52

Микроэлементы и другие данные Образец № Fe Mn Cu Zn В pH ЕС Ф моль л^-1   мСм см^-1 Т500 С100 0,35 34,48 1,27 2,01 0 5,65 1,85 Т500 C200 0,48 23,51 0,51 0,98 0 6,41 1,63 Т500 С300 0,00 16,80 0,43 0,83 0 6,44 1,36 Т500 С400 0,78 15,38 0,39 0,69 0 5,52 1,34 Т500 С500 0,91 4,18 0,20 0,31 0 7,17 0,87

Тяжелые металлы   Образец № Al Pb Cr Ni Со Cd Se As мг л^-1 Т500 С100 0,09 0,000,00 0,090,06 33,59 2,39 0,01 0,36 0,70 Т500 C200 0,00 0,000,00 0,060,06 28,50 1,35 0,000, 0,46 1,10 Т500 С300 0,00 0,00 0,06 23,42 0,89 000,00 0,83 1,14 Т500 С400 0,000,00     22,66 0,84 0,00 1,18 1,40 Т500 С500       11,24 0,29   1,28 1,66

Таблица 2.1 Виды растений, используемые в смеси при обработке 6 Виды Кг/га Виды трав первого засева   Enneapogon cenchroides 2 Melinis repens 1 Chloris virgata 1 Urochloa brachyura 1 Eleusine coracana 1 Виды многолетних трав   Cenchrus ciliaris разновидность Molopo 2 Cenchrus ciliaris разновидность Gayndah 2 Eragrostis lehmanniana 1 Panicum maximum 3 Digitaria eriantha 3 Виды ползучих трав   Cynodon dactylon 4 Chloris gayana 1 Bothriochloa insculpta 2     Всего 24

Таблица 2.2 Среднее количество растений по видам, входящим в состав основного покрытия, определенное в течение марта 2001 г. и февраля 2002 г. на экспериментальных участках на платиновом шламе, обработанном внесением 5,15 и 30 тонн га^-1 древесной щепы, и с использованием трех различных способов восстановления растительного покрова.   Обработка 1 Обработка 2 Обработка 3 Обработка 4 Обработка 5 Обработка 6 Контрольный участок Пустой грунт 76,71 ±2,05 74,76 ±2,47 84,98 ±2,19 66,58 ±7,34 75,47 ±2,56 76,18 ±2,32 70,82 ±2,98 Cenchrus ciliaris (Gayndah) 0,00 ±0,00 0,00 ±0,00 0,00 ±0,00 0,00 ±0,00 0,00 ±0,00 12,98 ±4,65 2,76 ±1,84 Cenchrus ciliaris (Molopo) 2,84 ±1,07 0,00 ±0,00 0,00 ±0,00 4,00 ±1,12 13,51 ±1,38 7,11 ±3,10 0,82 ±0,38 Chloris gayana 1,07 ±0,87 1,42 ±0,82 1,16 ±0,88 0,18 ±0,18 0,53 ±0,38 0,00 ±0,00 0,98 ±0,55 Chloris virgata 0,00 ±0,00 0,00 ±0,00 0,00 ±0,00 0,00 ±0,00 0,00 ±0,00 0,44 ±0,44 0,04 ±0,04 Cynodon dactylon 13,16 ±1,26 14,04 ±1,76 5,96 ±1,69 0,18 ±0,18 0,44 ±0,19 0,53 ±0,53 13,87 ±3,22 Cynodon nlemfuensis 6,04 ±1,33 8,89 ±1,44 7,73 ±2,29 0,00 ±0,00 0,27 ±0,27 0,00 ±0,00 8,58 ±2,24 Eleusine coracana 0,00 ±0,00 0,00 ±0,00 0,00 ±0,00 0,00 ±0,00 2,58 ±1,30 1,24 ±0,64 0,09 ±0,09 Enneapogon cenchroides 0,00 ±0,00 0,00 ±0,00 0,00 ±0,00 0,00 ±0,00 0,36 ±0,36 0,27 ±0,13 0,09 ±0,09 Eragrostis chloromelas 0,00 ±0,00 0,00 ±0,00 0,09 ±0,09 0,00 ±0,00 0,00 ±0,00 0,00 ±0,00 0,00 ±0,00 Eragmstis curvula 0,00 ±0,00 0,00 ±0,00 0,00 ±0,00 9,24 ±2,22 0,80 ±0,46 0,00 ±0,00 0,53 ±0,44 Eragrostis lehmanniana 0,00 ±0,00 0,00 ±0,00 0,09 ±0,09 19,82 ±8,78 3,91 ±1,22 0,98 ±0,51 1,42 ±0,95 Panicum maximum 0,00 ±0,00 0,00 ±0,00 0,00 ±0,00 0,00 ±0,00 2,04 ±1,33 0,00 ±0,00 0,00 ±0,00 Urochloa mosambicensis 0,00 ±0,00 0,00 ±0,00 0,00 ±0,00 0,00 ±0,00 0,00 ±0,00 0,27 ±0,27 0,00 ±0,00

Таблица 2.3 Среднее количество растений по видам, входящим в состав основного покрытия, определенное в течение марта 2001 г. и февраля 2002 г. на экспериментальных участках на платиновом шламе, обработанном внесением 5, 15 и 30 тонн га^-1 древесной щепы, и с использованием трех различных способов восстановления растительного покрова.   Обработка 1 Обработка 2 Обработка 3 Обработка 4 Обработка 5 Обработка 6 Контрольный участок Cenchrus cilliaris (Gayndah) 0,00 ±0,00 0,00 ±0,00 0,00 ±0,00 0,00 ±0,00 0,00 ±0,00 1,78 ±0,79 0,44 ±0,28 Cenchrus cilliaris (Molopo) 0,36 ±0,14 0,00 ±0,00 0,00 ±0,00 0,36 ±0,27 2,04 ±0,44 1,42 ±0,72 0,14 ±0,08 Chloris gayana 0,18 ±0,12 0,62 ±0,32 0,27 ±0,19 0,00 ±0,00 0,09 ±0,09 0,00 ±0,00 0,22 ±0,13 Chloris virgata 0,00 ±0,00 0,00 ±0,00 0,00 ±0,00 0,00 ±0,00 0,00 ±0,00 0,09 ±0,09 0,00 ±0,00 Cynodon dactylon 2,40 ±0,60 1,24 ±0,46 1,16 ±0,36 0,00 ±0,00 0,00 ±0,00 0,09 ±0,09 1,69 ±0,54 Cynodon nlemfuensis 0,89 ±0,39 1,60 ±0,38 1,16 ±0,52 0,00 ±0,00 0,00 ±0,00 0,00 ±0,00 0,62 ±0,21 Eleusine coracana 0,00 ±0,00 0,00 ±0,00 0,00 ±0,00 0,00 ±0,00 0,36 ±0,19 0,09 ±0,09 0,00 ±0,00 Eragrostis curvula 0,00 ±0,00 0,00 ±0,00 0,00 ±0,00 1,69 ±0,51 0,09 ±0,09 0,00 ±0,00 0,11 ±0,11 Eragrostis lehmanniana 0,00 ±0,00 0,00 ±0,00 0,00 ±0,00 3,11 ±1,24 0,36 ±0,19 0,18 ±0,12 0,36 ±0,27 Panicum maximum 0,00 ±0,00 0,00 ±0,00 0,00 ±0,00 0,00 ±0,00 0,27 ±0,19 0,00 ±0,00 0,00 ±0,00 Urochloa mosambicensis 0,00 ±0,00 0,00 ±0,00 0,00 ±0,00 0,00 ±0,00 0,00 ±0,00 0,09 ±0,09 0,00 ±0,00 Всего 3,82   3,47   2,58   5,16   3,20   3,73   3,59  

Таблица 2.4 Среднее значение биомассы по видам растений, собранным в течение марта 2002 г. на экспериментальных участках на платиновом шламе, обработанном внесением 5, 15 и 30 тонн га^-1 древесной щепы, и с использованием трех различных способов восстановления растительного покрова. Обработка Обработка 1 Обработка 2 Обработка 3 Обработка 4 Обработка 5 Обработка 6 Контрольный участок Bothriochloa insculpta^NS 0,00   0,00   0,00   0,00   0,00   0,00   3,83 ±3,83 Cenchms ciliaris^NS 374,70 ±239,33 52,37 ±50,18 0,00   317,97 ±58,12 301,43 ±78,66 503,67 ±206,15 105,67 ±70,94 Chloris gayana^NS 0,00   0,00   0,00   0,00   0,00   0,00   23,80 23,80 Cynodon dactylon* 40,90 ±20,97 155,30 ±51,91 61,23 ±20,71 0,00   0,00   0,00   63,85 ±30,06 Cynodon nlemfuensis ^NS 51,13 ±30,88 26,03 ±20,69 93,37 ±40,69 0,00   0,00   0,00   35,03 ±21,14 Eragrostis chloromelas^NS 0,00   0,00   0,00   0,00 ±10,50 0,00   0,00   0,00   Eragrostis echinochloidea^NS 0,00   0,00   0,00   0,00 ±15,68 0,00   0,00   0,00   Eragrostis lehmanniana^NS 0,00   0,00   7,97 ±4,59 68,60 ±37,56 19,37 ±17,94 0,90 ±0,90 36,17 ±33,70 Panicum maximum 0,00   0,00   0,00   0,00   50,07 ±30,38 13,87 ±13,62 17,60 ±17,60 Total^NS 466,73 ±204,04 233,70 ±36,24 162,57 ±16,35 412,73 ±73,08 370,87 ±61,61 518,43 ±196,12 285,95 ±70,43 *, **, *** Значимость, показанная при уровне вероятности 0,05, 0,01 и 0,001

Таблица 2.5 Химические свойства почвы на основе платинового шлама и древесной щепы, полученных при обработке минералов на платиновой шахте Impala Platinum, где проводили регистрацию экспериментов по внесению древесной щепы. Макроэлементы Образец № Са Mn K Na P SO₄ NО₃ NH₄ Cl НСО₃   ммоль дм^-3 Отвалы 3,51 3,45 1,23 6,54 0,03 3,21 2,93 3,04 9,50 1,77 Древесная щепа 1,08 0,95 1,95 0,56 0,02 2,26 0,67 0,27 0,82 0,55 Микроэлементы и другие данные Образец № Fe Mn Cu Zn В pH EC мкмоль дм^-3   мСм м^-1 Отвалы 1,50 0,35 0,05 0,20 7 7,71 2,17 Древесная щепа 31,24 0,52 0,05 0,36 15 0,68 6,68 Тяжелые металлы Образец № Al Pb Cr Ni Co Cd Se As мг дм^-3     Отвалы 0,23 0,02 0,08 0,04 0,03 0,00 0,48 0,50 Древесная щепа - - - - - - - -

Таблица 2.6 Усредненные химические свойства образцов среды роста, собранных на участках обработки на платиновом шламе, удобренном внесением 5, 15, 30 тонн га^-1 древесной щепы и с использованием трех способов восстановления растительного покрова. Среднее значение ошибки (Среднее) и значение стандартной ошибки (Ст.ош.) скомбинировали для всех участков (Все), показаны данные для обработок 1-6 и контрольных участков (С). Обработки       Все 1 2 3 4 5 6 С Рекомендованное значение Са ммоль дм^-3 Среднее 0,693 0,713 0,530 1,097 1,090 0,937 0,323 0,425 1,08 Ст.ош. 0,071 0,147 0,120 0,075 0,156 0,110 0,044 0,095   Mg Среднее 0,418 0,343 0,360 0,643 0,557 0,617 0,217 0,303 0,64 Ст.ош. 0,043 0,044 0,026 0,047 0,139 0,096 0,064 0,089   K Среднее 0,375 0,433 0,333 0,540 0,403 0,490 0,223 0,290 0,8 Ст.ош. 0,027 0,066 0,060 0,075 0,030 0,056 0,037 0,032   Na Среднее 0,329 0,187 0,287 0,337 0,397 0,380 0,287 0,380   Ст.ош. 0,037 0,083 0,056 0,013 0,198 0,044 0,089 0,096   Р Среднее 0,007 0,005 0,017 0,014 0,005 0,010 0,004 0,000 0,02 Ст.ош. 0,002 0,005 0,017 0,007 0,005 0,005 0,004 0,000   SO₄ Среднее 0,884 0,925 0,485 1,497 1,478 1,488 0,273 0,462   Ст.ош. 0,136 0,156 0,211 0,165 0,436 0,278 0,084 0,263   NO₃ Среднее 0,031 0,014 0,080 0,040 0,021 0,011 0,026 0,030 2,1 Ст.ош. 0,006 0,008 0,030 0,015 0,009 0,006 0,003 0,004   NH₄, Среднее 0,030 0,038 0,026 0,036 0,039 0,011 0,020 0,034 0,03 Ст.ош. 0,003 0,006 0,003 0,003 0,005 0,011 0,004 0,006   Cl Среднее 0,142 0,066 0,132 0,153 0,138 0,179 0,138 0,164   Ст.ош. 0,012 0,014 0,014 0,038 0,045 0,019 0,026 0,028   НСО₃ Среднее 0,976 0,800 1,167 1,033 1,043 0,800 0,867 1,050 0,8 Ст.ош. 0,043 0,076 0,067 0,101 0,106 0,029 0,136 0,104   Fe мкмоль дм^-3 Среднее 4,362 1,120 4,050 3,420 3,307 6,913 7,677 4,203 178,57 Ст.ош. 0,552 0,555 1,282 1,947 0,875 0,569 0,928 1,027   Mn Среднее 0,873 0,010 0,913 0,580 0,930 1,320 1,350 0,940 72,73 Ст.ош. 0,119 0,000 0,446 0,059 0,462 0,153 0,087 0,210   Cu Среднее 0,562 0,420 0,603 0,477 0,600 0,733 0,827 0,418 0,94 Ст.ош. 0,039 0,104 0,091 0,086 0,059 0,023 0,069 0,059   Zn Среднее 0,014 0,013 0,013 0,020 0,013 0,010 0,013 0,015 6,12 Ст.ош. 0,002 0,003 0,003 0,010 0,003 0,000 0,003 0,005   В Среднее 2,873 1,384 0,478 7,411 2,340 2,246 5,259 1,934 92,59 Ст.ош. 0,516 0,384 0,239 1,042 1,340 0,623 1,042 0,558   рН Среднее 7,824 7,777 7,867 7,763 7,730 7,803 7,803 7,925 6,5-7,2 Ст.ош. 0,025 0,029 0,094 0,052 0,051 0,018 0,087 0,060   ЕС мСм м^-1 Среднее 0,296 0,277 0,243 0,440 0,413 0,400 0,163 0,217 0,4-0,8 Ст.ош. 0,027 0,039 0,038 0,021 0,079 0,051 0,033 0,050   СПН Среднее 0,456 0,260 0,429 0,362 0,412 0,431 0,536 0,610 <1 Ст.ош. 0,040 0,107 0,070 0,021 0,174 0,022 0,142 0,070  

Таблица 2.7 Значимая корреляция между питательными веществами в растворе среды роста, отобранном с экспериментальных участков, обработанных древесной щепой в течение марта 2002 г. на платиновой шахте Impala Platinum.   Са Mg K Na SO₄ NH₄ Cl Fe Mn Cu   0,896***                   Мg                     K 0,825*** 0,735***                 Na 0,412* 0,670*** 0,261               SO₄ 0,958*** 0,949*** 0,783*** 0,578**             NH₄ 0,166 0,167 0,089 0,137 0,190           Cl 0,220 0,504** 0,248 0,840*** 0,364 -0,062         Fe -0,346 -0,157 -0,190 0,034 -0,310 -0,511** 0,340       Mn -0,171 0,049 -0,225 0,316 -0,102 -0,217 0,443* 0,622***     Cu 0,051 0,122 0,083 0,222 0,052 -0,410* 0,3253 0,607** 0,651***   EC 0,966*** 0,972*** 0,817*** 0,606*** 0,980*** 0,177 0,425* -0,249 -0,052 0,106 *, **, *** Значимость при 0,05, 0,01 и 0,001

Таблица 3.1 Параметры питательных веществ (±SD) в пропорциях смеси на момент загрузки (n=9).   СОУ Р_сумм P-Brayl NH₄ NO₂ NО₃ Процесс г кг^-1 мг л^-1         WC 93,40±6,82^a <0,01^a 7,18±0,08^a 0,74±0,12^a 1,03±0,24^a 0,90±0,32^a SS+WC 63,00±0,87^a 132,06+66,85^b 440,72±22,79^b 278,46±20,03^b 5,90±0,75^b 8,06±2,60^b SS+WC+EM 67,20±1,29^a 65,30±6,61^b 421,49±49,4^b 356,31±47,68^b 6,10±1,62^b 8,87+2,82^b SS+WO+e/w 68,50+1,79^a 100,57±37,58^b 422,89±37,92^b 331,59±32,45^b 4,76+2,76” 7,45+5,63^b SS+WO+EM+e/w 79,30±0,79^a 112,03i15,65^b 369,40±12,84^b 220,80±24,99^b 6,92±0,18^b 10,06+7,70^{b a,b} Средние значения с одинаковым буквенным индексом отличались не существенно (Р<0,05) СОУ, суммарное содержание органического углерода; Р-Bray 1, экстрагируемый из почвы Р; SS, отстой сточных вод; WC, древесная щепа; ЕМ, засев микроорганизмами; e/w земляные черви

Таблица 3.2 Среднее процентное изменение количества питательных веществ при компостировании и компостировании с использованием земляных червей после 112 дней (n=9) в зависимости от различных типов обработки ^а и соотношения NH₄:NO₃. Процесс Изменение (%)^b соотношения NH₄:NO₃ СОУ Р (сумм) P-Bray 1 NH₄ NO₂ NO₃ WC -90,40 ND 3,57^a >100^*a -11,65^a >100^*a 0,27 SS+WC 15,60 >100^*a 24,81^*b -99,23^*b 55,11^*b >100^*b 0,0016 SS+WC+EM 12,15 78,60^*a 21,06^*b ->100^*b 39,34^*b >100^*b 0,0018 SS+WC+e/w 4,35 >100^*a 19,28^c -92,57^*b >100^*a >100^*c 0,011 SS+WC+EM+e/w -3,46 >100^*a 19,44^c -98,31^*b 76,41^*b >100^*c 0,0025 Существенно отличаются (Р<0,05) от исходного содержания ^а a, b, с - Средние значения с одинаковым буквенным индексом отличались не существенно (Р>0,05) ^b Изменение (%)=[(Исходное значение-конечное)/Исходное]×100 ND: Не обнаружено; СОУ, суммарное содержание органического углерода; P-Bray 1, экстрагируемое из почвы количество Р; ЕМ, засев микроорганизмами; e/w земляные черви; SS, отстой сточных вод; WC, древесная щепа

Таблица 3.3 Физические параметры (±S.D.) в пропорциях смеси на момент загрузки (n=9). Процесс pH TS VS Зола НРВ Лигнин Целлюлоза   г кг^-1   WC 6.79+0.06 520.53±7.28^a 493.17±6.67^a 267.02±6.87^a 986.68+1.30^a 266.34+3.33 720.34+4.59^a SS+WC 5.21±0.03 485.00+1.44^a 246.18±0.98^a 365.68±1.57^a 975.92±1.35^a 223.24±1.41^a 752.67+0.63^а SS+WC+EM 5.49±0.08 468.90±2.22^a 237.39±3.52^a 358.11±3.35^a 973.92+0.57^а 247.49+2.09^а 726.42+1.55^a SS+WC+e/w 5.21±0.06 421.57±1.99^a 244.66±0.10^a 322.83±2.25^a 968. 11±0.85^a 259.79+3.50^а 708.32+4.30^а SS+WC+EM+e/w 5.30±0.11 403.33±0.52^a 251.54+0.31^a 301.88±0.41^a 928.71±5.95^a 225.29+1.58^а 703.41±5.05^{а a,b} Средние значения с одинаковым буквенным индексом отличались не существенно (Р<0,05) TS, общее содержание твердого вещества; VS, содержание летучих твердых веществ; НРВ, нейтральное разрыхляющее волокно; ЕМ, засев микроорганизмами; e/w земляные черви; SS, отстой сточных вод; WC, древесная щепа

Таблица 3.4 Сравнение среднего процентного изменения физических параметров в зависимости от различных типов обработки ^а (n=9). Процесс Изменение (%)^b рН TS VS Зола HPB Лигнин Целлюлоза WC -5,75^a -4,04^a -7,19^a 1,43^a -0,40^a -2,38^a -0,33^a SS+WC 25,99^*b 0,81^b -10,48^b 4,34^b -28,11*^b -13,14^b -32.55^*b SS+WC+EM 13,67^*b 7,29^b -10,72^b 9,92^b -31,55^*b -9,77^b -41,10*^b SS+WC+e/w 26,47*^b 18,81^*c -14,91^*c 21,30^*c -29,08^*b -26,09^*c -28.29*^b SS+WC+EM+e/w 18,93^*b 30,58^*c -28,12^*c 42,94*^c -28,55^*b -16,78^*c -31,37*^b Существенно отличаются (Р<0,05) от исходного содержания ^аа, b, с - Средние значения с одинаковым буквенным индексом отличались не существенно (Р>0,05) ^b Изменение (%)=[(Исходное значение - конечное)/ Исходное]×100 TS, общее содержание твердого вещества; VS, содержание летучих твердых веществ; НРВ, нейтральное разрыхляющее волокно; ЕМ, засев микроорганизмами; e/w земляные черви; SS, отстой сточных вод; WC, древесная щепа

Таблица 3.5 Характеристики размера частиц (среднее геометрическое ± геометрическое стандартное отклонение) для продуктов соответствующих процессов в начале и в конце изменения процентного содержания. Обработка День 0 День 112 % Изменения WC 5,08+1,66 4,60±1,87 -9,45 SS+WC 2,74±2,80 4,11±2,04 -33,33 SS+WC+EM 4,16±2,09 2,33±2,94 -43,99 SS+WC+e/w 4,26±2,00 1,42+3,27 -66,67 SS+WC+EM+e/w 1,05+3,23 4,41±1,91 -76,19` ЕМ, засев микроорганизмами; e/w земляные черви; SS, отстой сточных вод; WC, древесная щепа
День 0 относится ко времени исходного перемешивания отходов перед их разложением

Таблица 4.1 Содержание тяжелых металлов в компосте и в компосте, полученном с использованием земляных червей через 112 дней (n=9). Обработка Al (г 100 г^-1) As (мкг г^-1) Cu (мкг г^-1) Ni (мкг г^-1) SS+WC 335,33±19,91 <0,05 315,40±51,56 551,33±28,09 SS+WC+EM 223,67+79,98 <0,05 362,00+71,59 493,33+56,89 Существенно отличаются (Р<0,05) SS, отстой сточных вод; WC, древесная щепа; ЕМ, засев микроорганизмами Таблица 4.2 Содержание тяжелых металлов в тканях земляных червей перед и после компостирования с использованием земляных червей (n=9). Время (дней) Al (г 100 г^-1) As (мкг г^-1) Cu (мкг г^-1) Ni (мкг г^-1) Al (г 100 г^-1) SS+WC 0 9,50±3,94^a <0,05^a 84,95±11,61^a 46,62+4,22^a SS+WC+EM 0 13,17±4,58^a <0,05^a 97,15±3,99^a 50,87+9,58^a SS+WC 94 33,83±17,20^*b <0,05^*a 147,55±14,67^с 89,97+7,56^*b SS+WC+EM 94 11,17±5,46^a <0,05^a 105,33±20,29^a 51,00+28,21^a Существенно отличаются (Р<0,05) от исходного содержания ^а,b - Средние значения с одинаковым буквенным индексом отличались несущественно (Р>0,05) SS, отстой сточных вод; WC, древесная щепа; ЕМ, засев микроорганизмами Таблица 4.3 ПБК (показатель биоконцентрации) в тканях земляных червей после компостирования с использованием земляных червей в течение 84 дней.   Al (г 100 г^-1) As (мкг г^-1) Cu (мкг г^-1) Ni (мкг г^-1) SS+WC 0,10 Nd 0,47 0,16 SS+WC+EM 0,05 Nd 0,29 0,10 ^a,b - Средние значения с одинаковым буквенным индексом отличались несущественно (Р>0,05) ПБК=^[e/w]/_{[субстрат]} ND: Не обнаружено; SS, отстой сточных вод; WC, древесная щепа; ЕМ, засев микроорганизмами

Изобретение относится к обработке отходов горных работ, обогащения руд и промышленных минералов. Способ обработки массы отвала, образующегося в результате горных разработок, включает этапы внесения древесной щепы, полученной из отходов древесины, извлеченных из деревянных подпорок шахты, разрушенных при проведении взрывных работ, и которые являются побочным продуктом при горных разработках, в массу отвала, путем обработки массы отвала древесной щепой до уровня до 30 см ниже внешней поверхности. Обработка массы отвала может включать этапы компостирования с использованием земляных червей, смеси древесных частиц и сточных вод, внесения смеси в массу отвала и насаживания растительности на массе отвала. Изобретение позволяет создать композиционное покрытие над отложениями сульфидсодержащих хвостов и пустой породы за счет использования легко доступных и недорогих материалов. 3 н. и 17 з.п. ф-лы, 17 табл., 9 ил.

1. Способ обработки массы отвала, образующегося в результате горных разработок, включающий этап внесения древесной щепы, полученной из отходов древесины, извлеченных из деревянных подпорок шахты, разрушенных при проведении взрывных работ, и которые являются побочным продуктом при горных разработках, в массу отвала, путем обработки массы отвала древесной щепой до уровня до 30 см ниже внешней поверхности.

2. Способ по п.1, в котором древесную щепу предварительно обрабатывают кислотой.

3. Способ по п.2, в котором в качестве кислоты используют азотную кислоту (HNO₃).

4. Способ по любому из пп.1-3, в котором древесную щепу наносят на существующую массу отвала, сформированного в виде насыпи, для восстановления этой насыпи.

5. Способ по любому из пп.1-3, в котором древесную щепу вносят в массу отвала периодически в ходе его образования.

6. Способ по любому из пп.1-3, в котором древесную щепу вносят в количестве 60-90 тонн на гектар поверхности хвостового отвала.

7. Способ по любому из пп.1-3, который включает этап компостирования древесной щепы, выполняемый перед этапом внесения щепы в массу отвала.

8. Способ по п.7, в котором этап компостирования древесной щепы включает этап компостирования щепы с использованием земляных червей.

9. Способ по п.8, в котором этап компостирования древесной щепы дополнительно включает этап перемешивания щепы с другим источником органического материала.

10. Способ по п.9, в котором в качестве другого источника органического материала используют сточные воды.

11. Способ по п.10, в котором древесную щепу и сточные воды смешивают и образуют из них компост, после чего компост засевают червями и формируют среду, компостированную с использованием земляных червей,

12. Способ по п.11, в котором червей выбирают из вида Eisenia fetida.

13. Способ по п.11, в котором древесную щепу и сточные воды смешивают с соотношении от 3:1 до 3:2.

14. Способ по любому из пп.1-3, который включает этап насаждения отобранных растений на обрабатываемой массе отвала.

15. Способ по 14, в котором растения выбирают из группы, состоящей из Cenchrus ciliaris разновидность Molopo; Cenchrus ciliaris разновидность Gayndah; Eragrostis lehmanniana (любовная трава Лехманна); и Eragrostis curvula и их смесей.

16. Масса отвала, обработанная в соответствии со способом по любому из пп.1-15.

17. Среда для обработки массы отвала, образующегося в результате горных разработок, путем обработки массы отвала древесной щепой до уровня до 30 см ниже внешней поверхности отвала, содержащая компостированную смесь древесной щепы, полученной из отходов деревянных подпорок шахты, разрушенных при проведении взрывных работ, и которые являются побочным продуктом при горных разработках, и другого источника органического материала.

18. Среда по п.17, в которой в качестве другого источника органического материала используют сточные воды.

19. Среда по п.18, в которой смесь дополнительно подвергают компостированию с использованием земляных червей.

20. Среда по п.19, которая дополнительно содержит определенным образом отобранные микроорганизмы.