МАТЕРИАЛ ДЛЯ БИОЛОГИЧЕСКОЙ РЕКУЛЬТИВАЦИИ НАРУШЕННЫХ ЗЕМЕЛЬ Российский патент 2015 года по МПК C09K17/40 

Изобретение относится к области охраны окружающей среды, а именно к биологической рекультивации нарушенных земель и утилизации промышленных отходов.

В настоящее время к числу актуальных экологических проблем относятся увеличение площадей техногенно нарушенных территорий и объемов складируемых отходов производства.

Нарушенные территории, являющиеся результатом производственной деятельности человека, представляют собой источник пролонгированного отрицательного воздействия на окружающую среду в связи с нарушением почвенного покрова, гидрологического режима и формирования техногенного ландшафта. К основным способам восстановления нарушенных территорий относятся техническая и биологическая рекультивация.

Для рекультивации нарушенных территорий и карьерных выемок в последнее время применяют различные строительные и промышленные отходы без предварительной оценки их возможного негативного воздействия на компоненты окружающей среды, обусловленного присутствием в составе токсичных веществ, и без обоснования инженерно-технических мероприятий по минимизации воздействия размещаемых отходов на окружающую среду. Такое применение отходов фактически является размещением (захоронением) отходов в окружающей среде и может привести к миграции загрязнений с последующей деградацией природных экосистем и увеличением рисков здоровью населения, проживающего на территориях, прилегающих к рекультивируемым объектам.

Известна смесь для рекультивации шламохранилищ (патент №2084417, дата публикации: 20.07.1997) содержащая шлам-осадок очистки бытовых и промышленных стоков 100 вес.ч., золу-унос 15-20 вес.ч., мелкозернистый заполнитель 15-30 вес.ч., алюмосиликатную породу 15-30 вес.ч. В качестве мелкозернистого заполнителя смесь содержит высевки шлака с модулем основности Мо более 1 или горелую формовочную землю, в качестве алюмосиликатной породы - глину или суглинок, а также дополнительно может содержать известь или портландцемент в количестве 2-5 вес.ч. или известь и портландцемент в количестве 1-2 вес.ч. каждого.

Недостатком известной смеси является сложный компонентный состав, требующий присутствия кроме отходов производства сухих строительных смесей в виде портландцемента, что увеличивает стоимость готового продукта.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому является материал для биологической рекультивации, используемый в способе рекультивации нарушенных угледобычей земель (см. патент РФ №2336684 от 30.11.2006), содержащий шлам - отход содового завода и активный ил очистных сооружений химического завода. Шлам содового завода содержит, мас.%: кальцит (CaCO₃) - 79-97, арагонит (CaCO₃) - 1-2, доломит - до 1, кварц - 1-8, вода - остальное. Активный ил очистных сооружений химического завода содержит, мас.%: минеральные вещества - 53-78, органические вещества - 22-47, в т.ч. общего азота до 3,6, фосфора до 4,8. Данный материал принят в качестве прототипа.

Признаки прототипа, совпадающие с признаками заявляемого изобретения - шлам содового производства и обезвоженный избыточный активный ил, содержащий минеральные и органические вещества.

Недостатком известного материала, принятого за прототип, является необходимость использования в составе смеси активного ила с химического завода, который содержит токсичные специфические вещества (метанол и формальдегид). Кроме того, область применения известного материала ограничена нарушенными угледобычей землями.

Задачей изобретения является получение материала для биологической рекультивации без ограничения области применения, снижение стоимости материала и расширение сырьевых ресурсов для его получения.

Поставленная задача достигается за счет того, что известный материал для биологической рекультивации нарушенных земель, включающий шлам содового производства и обезвоженный избыточный активный ил, содержащий минеральные и органические вещества, согласно изобретению содержит шлам содового производства мелкой фракции размером менее 0,5 мм, полученной в результате центрифугирования при скорости вращения 3800-4200 об/мин и времени центрифугирования 12-18 мин с pH водных вытяжек 8,2-8,5, а обезвоженный избыточный активный ил или смесь обезвоженного избыточного активного ила и осадка первичных отстойников после очистки городских хозяйственно-бытовых стоков, причем обезвоженный избыточный активный ил представляет собой отход текущего выхода или отход, стабилизированный в естественных условиях от 1 года до 10 лет и содержит ингредиенты в следующем соотношении, мас.%:

органические вещества - 49-67,

минеральные вещества - 33-51, в т.ч. общий азот до 5,7%, фосфор до 7,4%,

при этом массовое соотношение шлама содового производства к обезвоженному избыточному активному илу или смеси обезвоженного избыточного активного ила и осадка первичных отстойников составляет 2:1-1:1.

Отличительными признаками заявляемого материала от материала по прототипу являются содержание шлама содового производства мелкой фракции размером менее 0,5 мм, полученной в результате центрифугирования при скорости вращения 3800-4200 об/мин и времени центрифугирования 12-18 мин с pH водной вытяжки 8,2-8,5; содержание обезвоженного избыточного активного ила или смеси обезвоженного избыточного активного ила и осадка первичных отстойников после очистки городских хозяйственно-бытовых стоков следующего химического состава, мас.%: минеральные вещества - 33-51; органические вещества - 49-67, в т.ч. общий азот до 5,7, фосфор до 7,4; использование обезвоженного избыточного активного ила текущего выхода или стабилизированного в естественных условиях от 1 года до 10 лет; массовое соотношение шлама содового производства к обезвоженному избыточному активному илу или смеси обезвоженного избыточного активного ила и осадка первичных отстойников, равное 2:1-1:1.

Отличительные признаки в совокупности с известными позволят получить материал для биологической рекультивации техногенно нарушенных территорий без ограничения области применения, снизить стоимость материала за счет нулевой стоимости исходных компонентов и расширить сырьевые ресурсы для получения материала для биологической рекультивации.

Физико-химические свойства избыточных активных илов (ИАИ) и осадков первичных отстойников (ОПО) зависят от химического состава сточных вод и длительности их хранения (табл.1). В ИАИ и ОПО содержится значительное количество органических веществ и биогенных элементов (соединения азота и фосфора). Однако их применение в качестве органических удобрений в сельском хозяйстве, при благоустройстве территорий, для биологической рекультивации нарушенных земель, рекультивации полигонов промышленных отходов и полигонов ТБО, несмотря на 4 класс опасности для ОПС, ограничено из-за высокого содержания тяжелых металлов (превышение допустимых значений в 1,1-2,0 раза) и высоких показателей химического потребления кислорода в водной вытяжке отхода (превышение допустимых значений в 2,0 раза).

Таблица 1 Физико-химические характеристики избыточного активного ила и смеси обезвоженного избыточного активного ила и осадка первичных отстойников Показатель Допустимое знач. по: СанПиН 2.1.7.1322-03, СП 2.1.7.1038-01, ГОСТР 17.4.3.07-2001, СанПиН 2.1.7.573-96, СанПин 2.6.1.2523-09 Значение показателя ИАИ текущего выхода ИАИ+ОПО текущего выхода ИАИ+ОПО (после 1-2 лет складирования) ИАИ (после 10 лет складирования) ИАИ (после 20 лет складирования) Влажность, % не нормир. 85 78 58-69 45-55 35 Массовая доля органических веществ, %* не нормир. 58 66 49-53 60-64 67 Массовая доля золы, %* не более 80 (3) 42 34 47-51 36-40 33 Массовая доля общего азота, %* не менее 0,6 (4) 5,7 3,1 2,0-2,3 4,7 3,5 Массовая доля общего фосфора (P₂O₅), %* не менее 1,5 (4) 5,5 3,6 3,9-6,3 7,4 6,6 pH солевой вытяжки 5,5-8,5 (3) 6,9 7,3 7,4 6,9 6,8 ХПК водной вытяжки (1:1) мгO₂/л не более 5000 (2) 288 9568 2150-4290 752 1802 Нефтепродукты, не более 30 109-110 4,57 4,7-5,2 - - Кадмий, мг/кг 30 11,2 20 19,0-24,7 19 33,8 Медь, мг/кг 1500 234 1300 350-742 273 860 Никель, мг/кг 400 115,0 140 180-285 115 550 Ртуть, мг/кг не более 15 (3, 4) 0,67 0,5 0,5-2,34 0,25 0,24 Свинец, мг/кг 500 34,7 45 45-78 50 140 Хром, мг/кг 1000 305 510 400-430 385 1940 Цинк, мг/кг 3500 814 780 980-1385 755 1000 Класс опасности Не ниже III (1, 2) IV IV IV IV нет данных * - в пересчете на сухое вещество

Изменение значений показателей, ограничивающих использование ИАИ и ОПО возможно при компостировании, обработке реагентами или биопрепаратами, введении в их состав компонентов - структураторов. В качестве структуратора предлагается использовать мелкодисперсную фракцию шлама содового производства, выделенную в результате центрифугирования.

Шлам содового производства (ШСП) представляет собой светло-серую массу плотностью около 970 кг/м³, на 70-80% состоящую из частиц размером 0,1-0,2 мм и характеризуется следующим составом (при влажности около 60%), %: карбонат кальция (CaCO₃) 50-65; карбонат магния (MgCO₃) 20-25; гидроксид кальция (Ca(OH)₂) 4-10; хлорид кальция (CaCl₂) 5-10; оксид алюминия (Al₂O₃) 5-10; сульфат кальция (CaSO₄) 3-9,5; оксид кремния (SiO₂) 0-4,9. На основании результатов биотестирования водных вытяжек из отходов по методикам «ФР 1.39.2007.03222 Методика определения токсичности воды и водных вытяжек из почв, осадков сточных вод, отходов по смертности и изменению плодовитости дафний» и «ФР 1.39.2007.03223 Методика определения токсичности вод, водных вытяжек из почв, осадков сточных вод и отходов по изменению уровня флуоресценции хлорофилла и численности клеток водорослей» установлено, что образцы шлама содового производства, обезвоженные традиционными методами отстаивания в шламонакопителях, относятся к 4 классу опасности отхода по воздействию на окружающую природную среду (ОПС). Полученные результаты обусловлены высокими значениями pH водных вытяжек из отходов: 12,0-12,8 ед. pH, что является препятствием для широкого использования шламов содового производства.

Снижение токсичных свойств шламов содового производства достигается путем центрифугирования исходных образцов дистиллерной жидкости (скорость вращения 3800-4200 об/мин, время центрифугирования 12-18 мин) и выделения в процессе обработки мелкодисперсной фракции размером менее 0,5 мм, характеризующейся значениями рН водных вытяжек 8,2-8,5 и относящихся на основании результатов биотестирования к 5 классу опасности отхода по воздействию на ОПС.

Опасные для ОПС свойства шламов содового производства, избыточного активного ила и осадков первичных отстойников, ограничивающие возможность использования ресурсного потенциала каждого из отходов, обусловлены различными факторами, в то же время при совместном использовании отходов возможно получение материала для биологической рекультивации, физико-химические и токсикологические характеристики которого соответствуют установленным требованиям.

Способ получения материала для биологической рекультивации нарушенных земель.

Материал для биологической рекультивации получают путем перемешивания в заданном количестве компонентов: ИАИ или смесь ИАИ с ОПО сооружений биологической очистки городских сточных вод и мелкодисперсной фракции (<0,5 мм) шламов содового производства. Соотношение ИАИ:ОПО сооружений биологической очистки городских сточных вод определяется технологическим режимом работы очистных сооружений и может колебаться в пределах 1:2÷1:4.

В зависимости от объемов получаемого материала, перемешивание осуществляют с помощью экскаватора, смесителя или лопатой до получения однородной массы.

По описанному способу были изготовлены композиции предлагаемого материала для биологической рекультивации нарушенных земель при различном массовом соотношении ИАИ+ОПО:ШСП 3:1; 2:1; 1:1; 1:2; 1:3. Для полученных композиций определены параметры, ограничивающие применение каждого отхода в отдельности: рН, химическое потребление кислорода (ХПК) водной вытяжки, и проведено сравнение полученных значений с допустимыми (табл.2).

Таблица 2 Физико-химические свойства материала для биологической рекультивации нарушенных земель Показатель Допустимые значения ШСП ИАИ+ОПО Компонентный состав смеси ИАИ+ОПО:ШСП 3:1 2:1 1:1 1:2 1:3 pH 5,5-8,5 12,4 7,2 7,4 7,5 8,4 8,7 10,8 ХПК, мгО/дм³ Не более 5000 859 9568 5912 4875 3680 3005 2425

Материал для биологической рекультивации нарушенных земель при массовом соотношении ИАИ+ОПО:ШСП 3:1 характеризуется превышением допустимых нормативных значений ХПК водной вытяжки.

Материал для биологической рекультивации нарушенных земель при массовом соотношении ИАИ+ОПО:ШСП 1:2; 1:3 характеризуется превышением допустимых нормативных значений pH водной вытяжки.

На основании полученных результатов установлено, что значения показателей рН и ХПК водной вытяжки материала для биологической рекультивации нарушенных земель при массовом соотношении ИАИ+ОПО:ШСП 2:1-1:1 соответствуют нормативным требованиям и материал может быть рекомендован к использованию.

Материал для биологической рекультивации нарушенных земель, содержащий ИАИ и ОПО сооружений биологической очистки городских сточных вод текущего выхода (характеризующийся наихудшими физико-химическими свойствами) и мелкодисперсную фракцию (<0,5 мм) шлама содового производства в предложенном соотношении был исследован на фитотоксичность по методике «Определения фитотоксичности методом проростков».

В составе материала были использованы шламы содового производства, обезвоженные традиционными методами отстаивания в шламонакопителях (исходные шламы содового производства 4 класса опасности, pH 12,8) и обезвоженные путем центрифугирования с выделением в процессе обработки мелкодисперсной фракции размером менее 0,5 мм (мелкодисперсная фракция шламов содового производства 5 класс опасности, pH 7,8) (табл.3).

Таблица 3 Результаты исследования фитотоксичности материала для биологической рекультивации нарушенных земель Компоненты ИАИ+ОПО:ШСП Проростки семян овса, шт. Проростки семян гороха, шт. Общая всхожесть, шт. контроль (плодородная почва) 4 3 7 исходные шламы содового производства (4 класс опасности, рН=12,8) 1:1 0 0 0 2:1 2 5 7 мелкодисперсная фракция шламов содового производства (5 класс опасности, pH=7,8) 1:1 2 4 6 2:1 3 6 9

Полученные результаты позволили установить нецелесообразность использования при изготовлении материалов для биологической рекультивации исходных шламов содового производства (4 класс опасности, pH 12,8).

В эксперименте с мелкодисперсной фракцией шламов содового производства (5 класс опасности, pH 7,8) общая всхожесть семян при использовании состава ИАИ+ОПО:ШСП 1:1 сопоставима с общей всхожестью в контрольном опыте. Общая всхожесть семян в контрольном опыте ниже, чем при использовании состава ПАИ+ОПО:ШСП 2:1.

Результаты оценки фитотоксичного эффекта материала для биологической рекультивации нарушенных земель представлены в табл.4.

Таблица 4 Фитотоксичный эффект материала для биологической рекультивации нарушенных земель Компоненты ИАИ+ОПО:ШСП Фитотоксичный эффект, % 1:1 (исходные шламы содового 4 класс опасности, pH=12,8)производства 100 2:1 (исходные шламы содового 4 класс опасности, pH=12,8)производства 37 1:1 (мелкодисперсная фракция 5 класс опасности, рН=7,8) 13,1 2:1 (мелкодисперсная фракция 5 класс опасности, pH=7,8) 7,2

Самый высокий фитотоксичный эффект - 100% у пробы с компонентным соотношением ИАИ+ОПО:ШСП (исходные шламы содового производства 4 класс опасности, рН 12,8) 1:1. Самый низкий фитотоксичный эффект - 7,2% у пробы с компонентным соотношением ИАИ+ОПО:ШСП (мелкодисперсная фракция 5 класс опасности, pH 7,8) 2:1, что сопоставимо с контрольным опытом и свидетельствует о целесообразности использования предложенного материала для биологической рекультивации нарушенных земель.

Материал для биологической рекультивации нарушенных земель содержит органические соединения и биогенные элементы (соединения азота и фосфора), находящиеся в легкодоступной для растений форме, в результате этого дополнительное внесение минеральных удобрений не требуется.

Преимущество предлагаемого технического решения состоит в том, что оно позволяет получить материал для биологической рекультивации без ограничения области применения из дешевого и распространенного сырья, что значительно снижает стоимость материала и расширяет сырьевые ресурсы для его получения.

Изобретение относится к области охраны окружающей среды, а именно к биологической рекультивации нарушенных земель и утилизации промышленных отходов. Материал включает шлам содового производства и обезвоженный избыточный активный ил или смесь обезвоженного избыточного активного ила и осадка первичных отстойников после очистки городских хозяйственно-бытовых стоков. Обезвоженный избыточный активный ил представляет собой отход текущего выхода или отход, стабилизированный в естественных условиях от 1 года до 10 лет следующего состава, мас.%: органические вещества - 49-67, минеральные вещества - 33-51, в т.ч. общий азот до 5,7%, фосфор до 7,4%. Использован шлам содового производства мелкой фракции размером менее 0,5 мм, полученной в результате центрифугирования при скорости вращения 3800-4200 об./мин и времени центрифугирования 12-18 мин с pH водных вытяжек 8,2-8,5. Массовое соотношение шлама содового производства к обезвоженному избыточному активному илу или смеси обезвоженного избыточного активного ила и осадка первичных отстойников составляет 2:1-1:1. Техническим результатом является получение материала для биологической рекультивации без ограничения области применения, снижение стоимости материала и расширение сырьевых ресурсов для его получения. 4 табл.

Материал для биологической рекультивации нарушенных земель, включающий шлам содового производства и обезвоженный избыточный активный ил, содержащий минеральные и органические вещества, отличающийся тем, что содержит шлам содового производства мелкой фракции размером менее 0,5 мм, полученной в результате центрифугирования при скорости вращения 3800-4200 об/мин и времени центрифугирования 12-18 мин с pH водных вытяжек 8,2-8,5, а обезвоженный избыточный активный ил или смесь обезвоженного избыточного активного ила и осадка первичных отстойников после очистки городских хозяйственно-бытовых стоков, причем обезвоженный избыточный активный ил представляет собой отход текущего выхода или отход, стабилизированный в естественных условиях от 1 года до 10 лет, и содержит ингредиенты в следующем соотношении, мас.%:
органические вещества - 49-67,
минеральные вещества - 33-51, в т.ч. общий азот до 5,7%, фосфор до 7,4%,
при этом массовое соотношение шлама содового производства к обезвоженному избыточному активному илу или смеси обезвоженного избыточного активного ила и осадка первичных отстойников составляет 2:1-1:1.