Изобретение относится к области сельского и лесного хозяйства и природовосстановления, в частности для мелиорации почв и для подготовки грунтов к рекультивации, и может быть использовано для очистки почв или грунтов земель различного назначения, включая земли населенных пунктов, сельскохозяйственные угодья, земли сельскохозяйственного и несельскохозяйственного назначения, от легкорастворимых солей и загрязнений водорастворимых неорганических и органических соединений, естественно содержащихся в почвах и грунтах, а также появившихся в последних в результате хозяйственной деятельности человека, в том числе солями радионуклидов (например, цезия-137 и стронция-90).
Известно, что проблема расселения и очистки почв и грунтов земель различного назначения является крайне актуальной в сфере природопользования и природовосстановления в общемировом масштабе. Поэтому этой проблемой активно занимаются и на сегодняшний день существует несколько разных подходов к ее решению.
Известны следующие способы удаления водорастворимых соединений (в частности солей) из профиля почв: механическое удаление солей, запашка солей («разбавление»), вмывание солей в нижние горизонты и сквозная промывка [1, 2].
Недостатками этих известных способов являются низкая эффективность, высокие материальные затраты, а также большой расход пресной воды.
Известен способ расселения почв, включающий нарезку щелей на расселяемом участке, подачу промывной воды на межщелевые полосы, удаление солей с поверхности щелей и засыпку последних [3].
Недостаток данного способа - захоронение солей на дне щелей, высокие материальные затраты (сложные экраны с поплавковыми элементами, нарезка щелей, последующее систематическое глубокое рыхление почвы), климатические ограничения и опасность вторичного засоления при промачивании почвы глубже расчетной величины.
Известна разновидность вертикального дренажа, предназначенная для очистки почв с низким коэффициентом фильтрации и состоящая из синтетических естественно разлагаемых дрен, через одни дрены нагнетается вода или пар, через другие водный раствор отводится из почв [4].
Недостаток указанного способа - высокие материальные затраты, ограничение применения.
Известен способ, предназначенный для удаления загрязняющих веществ из почвы. Он заключается в том, что в загрязненную почву помещаются тонкопористые цилиндры, во внутренней полости которых находится адсорбент. Грунтовая вода, содержащая загрязнители, проникает в цилиндр, ксенобиотические вещества поглощаются адсорбентом, после чего адсорбент заменяется новым [5].
Недостаток этого способа - высокие материальные затраты, низкая эффективность, климатическая зависимость и большой расход пресной воды.
Известен способ обработки in situ почвы, загрязненной энергетическими материалами или продуктами их деградации, который заключается в том, что легкоразлагаемый микроорганизмами органический материал и гуминовые вещества помещаются на поверхность почвы, которые затем вмываются в почву. В почве легкоразлагаемый микроорганизмами органический материал инициирует биологическое разложение загрязнителя, а гуминовые вещества инактивируют поллютанты, препятствуя, таким образом, вымыванию последних из профиля почвы [6].
Недостаток этого способа - климатическая зависимость, ограниченность применения.
Известен способ дезактивации почв и грунтовых вод, содержащих органические загрязнители и соединения металлов. Этот способ заключается в том, что загрязненные почвы и грунтовые воды обрабатываются водным раствором, содержащим достаточное количество пероксида и водорастворимого хелатирующего агента [7].
Недостаток данного способа - высокие материальные затраты, ограниченность применения.
Известны способы расселения почв с использованием растений-галофитов с последующей их уборкой [8-12].
Недостатки этих способов - кратковременность действия, климатические ограничения, низкая скорость расселения.
Известны способы удаления неорганических и органических водорастворимых соединений из почвы и грунтов, основанные на применении сорбентов, содержащих сфагнум [13] или гидролизный лигнин [14].
Недостаток этого способа - трудность механического удаления с поверхности почв и грунтов, ограниченность применения.
Известно, что удаление неорганических и органических соединений из почв и грунтов может быть усилено применением раствора гуминовых веществ в качестве хелатирующего агента [15, 16].
Известен способ удаления водорастворимых органических и неорганических соединений из почв и грунтов, наиболее близкий по технической сущности и достигаемому техническому результату к заявляемому изобретению, выбранный в качестве прототипа [17].
Сущность этого способа состоит в том, что пористый абсорбент в виде отдельных листов фильтровального материала или губчатого материала одним концом помещается в загрязненную часть почвы или грунтовой воды, содержащей экологические загрязнители, при этом другой конец абсорбента приподнят вверх. Листы абсорбирующего материала помещают на загрязненном участке через интервалы от 10 см до 5 м. Под действием капиллярной силы загрязняющие вещества мигрируют к расположенному в воздухе концу материала. На приподнятой над поверхностью почвы части абсорбента загрязнители или испаряются в атмосферу вместе с водой, или концентрируются. В последнем случае загрязняющие почву вещества удаляются вместе с абсорбентом. Процесс может быть ускорен наличием соответствующих микроорганизмов, находящихся в пористом материале.
Недостатки известного способа состоят в том, что он позволяет только частично осушить почву, для устранения чего в способе предусматривается использование растворителей или синтетических комплексонов, способствующих увеличению экстракции загрязняющих веществ, и их предварительное внесение в почву, а для еще более ускоренного выведения загрязняющих веществ из почв и грунтов предлагается дополнительно использовать электричество.
Недостатком известного способа являются высокие трудозатраты, состоящие в том, что на загрязненном участке помимо обеспечения особой пространственной геометрии отдельно расположенных листов абсорбирующего материала, которые устанавливаются вручную, необходим дополнительный механический крепеж как для приподнятой части листов абсорбента, так и крепления электрических проводов и электродов. Кроме того, известный способ требует специальных и достаточно дорогих расходных материалов, в частности специальных листов сорбента или фильтров, электрическое оборудование и т.п., а также имеет климатические ограничения, в частности, не учитывается сила и частота ветра. Большим недостатком известного способа является ограниченность его использования, которая состоит в том, что способ пригоден только для малых площадей (очищаются участки только «пятнами», т.е. каждое из «пятен» небольшой площади), а также действует только в отношении экологических загрязнителей.
Заявленное изобретение свободно от этих недостатков.
Техническим результатом изобретения является снижение трудозатрат и возможность широкого использования заявляемого способа, прежде всего на значительных по размерам площадях, т.е. по мере надобности, и не менее 1 га, а также более эффективного воздействия на почвы и грунты и удаления из них не только экологических загрязнителей (экотоксикантов), но и, что очень важно на практике, для засоления (и рассоления) почв и грунтов, в том числе удаления из почв и грунтов соединений серы в виде самородной серы, образующихся при окислении сульфидов, водорастворимых соединений радиоактивных элементов (в частности цезия-137 и стронция-90) и тяжелых металлов, а также водорастворимых органических и неорганических загрязняющих (ксенобиотических) веществ.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе мелиорации почв для подготовки грунтов к рекультивации, основанном на очистке почв и грунтов от водорастворимых органических и неорганических ксенобиотических соединений на основе поглощения их вмещающим материалом, в соответствии с заявленным изобретением очищаемые почвы и грунты увлажняют очищающим водным раствором, в качестве которого используют пресную воду с природными или синтетическими комплексонами, производят полив нормой не более 800 м /га, выдерживают в зависимости от гранулометрического состава почв грунтов в течение не более 1 часа для песчаных почв и грунтов и не менее 5 часов для глинистых почв, после чего очищаемые почвы и грунты покрывают вмещающим материалом, предварительно пропитанным идентичной очищающей жидкостью, и при визуальном наблюдении на поверхности вмещающего материала кристаллов соли вмещающий материал удаляют, после чего его отмывают от солей до содержания легкорастворимых солей в верхнем слое очищаемых почв и грунтов до 0,3% уровня.
В заявленном способе рассоление и/или очистка от загрязняющих веществ почв и грунтов происходит непосредственно на месте - за счет механизированного расстилания без дополнительного механического крепежа дешевого натурального, искусственного или синтетического пористого вмещающего материала на всей поверхности мелиорируемых и рекультивируемых земель любой площади (особенно, если это касается больших площадей). После подсушивания пористого вмещающего материала под действием солнечного излучения и ветра соли и загрязняющие вещества (неорганические и органические) накапливаются как в самом вмещающем материале, так и большей частью на его поверхности. Соли и загрязняющие вещества удаляются с мелиорируемых почв и рекультивируемых грунтов вместе с вмещающим материалом механизированным скатыванием последнего. Чем больше и выше (по концентрации) содержание солей и загрязняющих веществ в почве и грунтах, тем чаще необходимо расстилать и скатывать вмещающий материал (больше проводить реплик). Это в свою очередь повысит эффективность очистки почв и грунтов от солей и загрязняющих веществ. В результате предлагаемое изобретение приводит к снижению трудозатрат и удешевлению мероприятий, проводимых на засоленных и/или загрязненных участках почв и грунтов особенно на территории большой площади.
Указанный технический результат, таким образом, достигается, таким образом, тем, что почвы и грунты увлажняются пресной водой до достижения в верхнем 10-50-ти см слое капиллярно-подвешенной влаги, далее на поверхность почв и грунтов помещается предварительно смоченный пористый вмещающий материал, который подсушивается на солнце, после чего вмещающий материал вместе с солями и соединениями экологических загрязнителей, визуально идентифицирующихся в виде кристаллов, выцветов солей или пятен, удаляется с засоленного или загрязненного участка.
Кроме того, указанный технический результат достигается тем, что в поливную воду могут быть добавлены естественные или синтетические комплексоны, позволяющие перевести в водорастворимое состояние большее количество соединений тяжелых металлов, включая радиоактивные элементы, что позволит повысить эффективность очищения загрязненных почв и грунтов. В качестве естественных комплексонов предлагается использовать гуминовые вещества (гуминовые кислоты и фульвокислоты).
Заявленный способ состоит из следующих последовательно осуществляемых действий:
1) удаление, в случае необходимости, с поверхности почвы травянистого растительного покрова (для лучшего контакта поверхности почв и грунтов с вмещающим материалом);
2) поверхностное орошение дождеванием почв и грунтов водой, пригодной для орошения, в количестве, достаточном для создания в верхнем 10-50 см слое почв и грунтов капиллярно-подвешенной влаги (количество необходимой для полива воды будет определяться исходным влагозапасом влаги в почвах и грунтах, типом почв, гранулометрическим составом почв и грунтов), при этом необходимое количество используемой поливной воды 5-20 раз и более меньше, чем обычно используется для вымывания солей «вниз»;
3) механизированное расстилание на поверхности мелиорируемых и рекультивируемых земель предварительного увлажненного дешевого натурального (например, хлопчатобумажного), искусственного (например, нетканого вискозного полотна) или синтетического (например, нетканых полотен типа спанбонда) пористого вмещающего материала;
4) подсушивание в течение 1-7 дней (в зависимости от влажности и температуры воздуха) пористого вмещающего материала под действием солнечного излучения и ветра, накопление солей и соединений экологических загрязнителей (неорганических и органических) на поверхности вмещающего материала визуально идентифицируется в виде кристаллов, выцветов солей или пятен, при этом летучие соединения могут испариться в атмосферу;
5) удаление солей и/или соединений экологических загрязнителей за счет механизированного скатывания пористого вмещающего материала вместе с солями и/или загрязняющими веществами;
6) при необходимости действия повторяют.
Наиболее приемлемым сезоном для начала мероприятий по расселению и очистки от экологических загрязнителей почв и грунтов в зоне умеренного климата является весна. Этот период удобен тем, что травянистый растительный покров еще не сформировался, а влагозапас в почвах и грунтах достаточен для наличия в их верхней части капиллярно-подпертой влаги.
Следует заметить, что обычно расселение почв и грунтов процесс весьма медленный (двукратное снижение солей длится несколько лет) и дорогостоящий (промывка требует рытья канав или прокладки щелей, а также значительных количеств воды), предлагаемое изобретение позволяет более быстро и эффективно решить эту проблему - за один-два сезона - и сэкономить воду.
Сущность предлагаемого изобретения реализуется за счет капиллярных сил, создающихся в почвах и грунтах либо за счет естественного увлажнения осадками, либо при их орошении, в результате чего водорастворимые неорганические и органические соединения передвигаются к поверхности почв и грунтов и накапливаются как в самом пористом вмещающем материале, так и на его поверхности. Кроме того, сущность поясняется Фиг. 1-4.
Заявленное изобретение было апробировано на базе Санкт-Петербургского государственного университета на модельных образцах; результаты лабораторных исследований, полученные в режиме реального времени, приведены в виде конкретных примеров реализации изобретения.
Заявленное изобретение иллюстрируется Фиг. 1 - 10.
На Фиг. 1 представлена зависимость, построенная в координатах: Х - содержание солей в смеси, Y - поступление солей во вмещающий материал.
На Фиг. 2 представлена графическая модель, построенная в координатах: Х - количество реплик (число раз расстилания-скатывания вмещающего материала), Y - содержание солей в смеси, где 3,3 и 10,0 - содержание солей в смеси, %.
На Фиг. 3 представлена зависимость, построенная в координатах: Х - содержание солей в смеси, Y - поступление солей во вмещающий материал, г/г, где ГФ - гидрофильный, ЛФ - липофильный (гидрофобный) пористый вмещающий материал.
На Фиг. 4 представлена графическая модель, построенная в координатах: Х - количество реплик (число раз расстилания-скатывания вмещающего материала), где ГФ - гидрофильный, ЛФ - липофильный (гидрофобный) пористый вмещающий материал, Y - содержание солей в смеси.
На Фиг. 5 представлена зависимость, построенная в координатах: Х - содержание карбонатов в смеси, Y - поступление катионов кальция в гидрофильный вмещающий материал. Здесь и далее: П - песчаная смесь, ПБ - песчано-бентонитовая смесь.
На Фиг. 6 представлена зависимость, построенная в координатах: Х - содержание карбонатов в смеси, Y - поступление катионов кальция в гидрофильный вмещающий материал.
На Фиг. 7 представлена зависимость, построенная в координатах: Х - содержание медного купороса в смеси, Y - поступление катионов меди в гидрофильный вмещающий материал.
На Фиг. 8 представлена зависимость, построенная в координатах: Х - содержание солей в смеси, Y - поступление солей во вмещающий материал.
На Фиг. 9 представлена зависимость, построенная в координатах: Х - содержание солей в смеси, Y - поступление катионов меди в гидрофильный вмещающий материал.
На Фиг. 10 представлена зависимость, построенная в координатах: Х - содержание солей в смеси, Y - поступление гуминовых веществ в гидрофильный вмещающий материал.
Ниже приведены примеры конкретной реализации расселения почв грунтов и проиллюстрированы Фиг. 1-10.
Пример 1
Цель эксперимента: выявить влияние капиллярных сил минеральных смесей (грунтов) на миграцию солей в пористый покровный материал (и в гидрофильный, и в гидрофобный). Для этого практически важным является создание условий для накопления солей и экотоксикантов на поверхности пористого вмещающего материала, в качестве которого могут быть использованы натуральные или искусственно-синтетические полотна и выявление влияние гранулометрического состава почв и грунтов.
Для этого были созданы две смеси. Одна смесь состояла из песка с размером частиц меньше 1 мм (песчаная почва). Вторая смесь состояла из песка и бентонита в массовом отношении 1:1 и имитировала грунт тяжелосуглинистого гранулометрического состава. (тяжелосуглинистая почва). Основной компонент, бентонит (60-70%) - глинистый минерал монтмориллонит Al2[Si4O10](OH)2·nH2O, который обладает высокой степенью набухания.
Каждуя смесь разделяли на две части. В одну часть образцов добавляли 3,3 г сульфата калия, а в другую - 10 г этой же соли на 100 г смеси.
Все образцы были разделены еще раз на две части: на одних - на деятельной поверхности (на границе субстрат-воздух) - укладывали гидрофобный материал (нетканную синтетическую ткань), а на других - гидрофильный (льняную ткань).
В ходе эксперимента было получено, что гранулометрический состав минеральных смесей не оказал существенного влияния на накопление солей в пористом покровном материале (как в гидрофильном, так и в гидрофобном), что можно объяснить действием капиллярных сил. Такой результат позволяет не учитывать тип и гранулометрический состав почвы, что позволяет использовать заявленный способ независимо от неоднородности почвенного покрова (в отличие от известных способов, используемых «рванными пятнами» на территориях, подвергшихся загрязнению). Это позволяет очищать и расселять почвы и грунты на существенно больших территориях с одинаковым эффектом, независимо от гранулометрического состава. Так, поступление солей в пористый покровный материал, которым сверху закрывались образцы грунтов как песчаные, так и песчано-бентонитовые, было практически одинаковым и в зависимости от исходного содержания солей в образцах составляло 1,4 г и 2,4 г на 1 грамм покровного пористого материала, соответственно.
На Фиг. 1 показано, 1 грамм ткани (и гидрофильной, и гидрофобной) в случае обеих смесей (и лего- и тяжелосуглинистой) способен удерживать 1,4 г и 2,5 г соли при исходном содержании солей в смеси 3,3 и 10,0% соответственно.
На Фиг. 2 продемонстрировано, что в случае исходного содержания солей в обеих смесях в количестве 3,3% для двукратного снижения солей в исходном субстрате необходимо провести около 9 реплик, тогда как в случае исходного содержания солей в смеси в количестве 10,0% для аналогичного снижения необходимо 16-17 реплик.
Пример 2
Цель эксперимента: выявить влияние гидрофильности/гидрофобности пористого покровного материала на миграцию в него солей из минеральных смесей (грунтов) за счет действия капиллярных сил.
Также как в примере 1 были использованы две смеси: песчаная и песчано-бентонитовая.
Каждая смесь тоже разделялась на две части. В одну часть образцов добавлялось 3,3 г сульфата калия, а в другую - 10 г этой же соли на 100 г смеси.
Все образцы были разделены еще раз на две части: на одних - на деятельной поверхности (на границе субстрат-воздух) - укладывали гидрофобный материал (нетканную синтетическую ткань), а на других - гидрофильный (льняную ткань).
В ходе эксперимента было получено, что из минеральных смесей в гидрофобный материал поступило больше солей, чем в гидрофильный. Так, в зависимости от исходного содержания солей в модельных образцах в гидрофобный пористый материал поступило 1,8 и 3,3 г/г ткани, в гидрофильный - 1,0 и 1,6 г/г ткани соответственно. Отмечено, что в случае гидрофобного материала соль в большей мере скапливалась под ним (образуя корочку), тогда как в случае гидрофильного материала соль в большей мере скапливалась на поверхности (в виде кристаллов).
На Фиг. 3 показано, 1 грамм гидрофильной ткани способен удерживать 1,0 г и 1,6 г соли при исходном содержании солей в смеси 3,3 и 10,0% соответственно, 1 грамм гидрофобной ткани - 1,8 г и 3,3 г при том же исходном содержании солей в смеси.
На Фиг. 4 продемонстрировано, что при исходном содержании солей в смеси в количестве 3,3% в случае гидрофильного материала для двукратного снижения солей в исходной смеси необходимо провести около 16-17 реплик, тогда как в случае с гидрофобным материалом - 9-10 реплик.
Таким образом, как показали результаты исследований, моделирующих природные условия в лаборатории, заявляемый способ очистки почв и грунтов от засоления и загрязняющих веществ является эффективным в зависимости от используемого покровного материала.
Пример 3
Цель эксперимента: выявить влияние капиллярных сил грунтов на миграцию катионов кальция, усиленную синтетическим комплексоном, в частности динатриевой солью этилендиаминтетрауксусной кислоты (ЭДТА - C10H14O8N2Na2·2H2O), в гидрофильный пористый покровный материал (льняную ткань) из модельных смесей. Так же как и предыдущих примерах, были использованы две смеси: песчаная и песчано-бентонитовая. Каждую смесь разделяли на две части. В одну часть образцов добавляли 3,3 г карбоната кальция (СаСО3), а в другую - 10 г этой же соли на 100 г смеси. При этом во все смеси добавлялось по 25 мл 0,01 М раствора ЭДТА.
В ходе эксперимента было выявлено, что ни гранулометрический состав минеральных смесей, ни исходное содержание карбонатов не оказали существенного влияния на накопление катионов кальция в гидрофильном пористом покровном материале, что можно объяснить действием капиллярных сил и насыщенностью комплексона ионами кальция. Так, поступление катионов кальция в пористый покровный материал, которым сверху закрывались образцы грунтов, было практически одинаковым и составляло около 22-27 мг ионов кальция (Са2+) на 1 г покровного пористого материала (Фиг. 5), а также существенно не зависело от исходного содержания карбонатов в образцах.
Результаты данного эксперимента позволяют заключить, что при практическом применении данного способа синтетические комплексоны (такие как ЭДТА) способствуют переведению в раствор катионов кальция и, соответственно, магния и стронция.
На Фиг. 5 показано, из песчаной смеси в 1 грамм гидрофильной ткани мигрировало 25,7 мг и 28,4 мг катионов кальция, а из песчано-бентонитовой - 23,7 мг и 21,8 мг при исходном содержании карбонатов (углекислого кальция) в смеси 3,3 и 10,0% в обоих случаях соответственно.
Пример 4
Цель эксперимента: выявить влияние капиллярных сил грунтов на миграцию из модельных смесей в гидрофильный пористый покровный материал (льняную ткань) катионов кальция усиленную гуминовыми веществами - темно-окрашенными природными высокомолекулярными амфотерными амфифильными органическими азотсодержащими рандомизованными редокс-гетерополимерами арилгликопротеидной природы (Попов, 2004), которые являются природными комплексонами. Так же как и предыдущих примерах, были использованы две смеси: песчаная и песчано-бентонитовая. Каждую смесь разделяли на две части. В одну часть образцов добавляли 3,3 г карбоната кальция (СаСО3), а в другую - 10 г этой же соли на 100 г смеси. При этом во все смеси добавлялось по 25 мл 0,1% водного нейтрального (рН ~ 7) раствора гуминовых веществ (смеси гуминовых кислот и фульвокислот).
В ходе эксперимента было выявлено, что исходное содержание карбонатов не оказало существенного влияния на накопление катионов кальция в гидрофильном пористом покровном материале, что можно объяснить насыщенностью ионами кальция гуминовых веществ как природного комплексона. Установлено, что из песчано-бентонитовых смесей катионов кальция поступило несколько меньше, чем из песчаных смесей, что может объясняться разной их солеотдачей (Волобуев, 1975) - в песчаных смесях солеотдача выше по сравнению со смесями более тяжелого гранулометрического состава. Так, поступление катионов кальция в пористый покровный материал было практически одинаковым и составляло около 14-17 мг катионов кальция (Са2+) на 1 г покровного пористого материала (Фиг. 6).
Результаты данного эксперимента позволяют заключить, что при практическом применении данного способа гуминовые вещества способствуют переведению в раствор ионов кальция и, соответственно, магния и стронция.
На Фиг. 6 показано, из песчаной смеси в 1 грамм гидрофильной ткани мигрировало 16,3 мг и 17,4 мг катионов кальция, а из песчано-бентонитовой - 15,1 мг и 13,8 мг, при исходном содержании карбонатов (углекислого кальция) в смеси 3,3 и 10,0% в обоих случаях соответственно.
Пример 5
Цель эксперимента: выявить возможность удаления соединений меди (как тяжелого металла) из модельных образцов с помощью пористого гидрофильного покровного материала (льняной ткани). Так же как и предыдущих примерах, были использованы две смеси: песчаная и песчано-бентонитовая. Каждую смесь разделяли на две части. В одну часть образцов добавляли 3,3 г медного купороса - пятиводного сульфата меди (CuSO4·5H2O), а в другую - 10 г этой же соли на 100 г смеси.
В ходе эксперимента было выявлено, что из минеральных смесей в гидрофильный материал поступило равновеликое количество катионов меди (Сu2+) от 106-140 мг до 103-135 мг на 1 г покровного пористого материала, соответственно из песчаной и песчано-бентонитовой смесей (Фиг. 7).
Результаты данного эксперимента позволяют заключить, что при практическом применении данного способа можно удалять соединения тяжелых металлов из почв и грунтов.
На Фиг. 7 показано, из песчаной смеси в 1 грамм гидрофильной ткани мигрировало 106,3 г и 140,5 г катионов меди, а из песчано-бентонитовой - 102,8 мг и 134,9 мг, при исходном содержании медного купороса (пятиводного сульфата меди) в смеси 3,3 и 10,0% в обоих случаях соответственно.
Пример 6
Цель эксперимента: выявить возможность миграции солей (в частности сульфата калия - К2SO4) и соединений меди (как тяжелого металла) из модельных образцов с помощью пористого гидрофильного покровного материала (льняной ткани), усиленную гуминовыми веществами и синтетическим комплексоном - динатриевой солью этилендиаминтетрауксусной кислоты (ЭДТА - C10H14O8N2Na2·2H2O). Так же как и предыдущих примерах, были использованы две смеси: песчаная и песчано-бентонитовая. Каждую смесь разделяли на две части. В одну часть образцов добавляли 1,65 г медного купороса (CuSO4·5H2O) и 1,65 г сульфата калия (К2SO4), а в другую - 5 г медного купороса и 5 г сульфата калия на 100 г смеси. При этом во все смеси добавлялось по 25 мл нейтрального (рН ~ 7) водного раствора, содержащего 0,01 М ЭДТА-2Na и 0,1% гуминовых веществ.
В ходе эксперимента было выявлено, что гранулометрический состав минеральных смесей не оказал существенного влияния на накопление солей в гидрофильном пористом покровном материале, что можно объяснить действием капиллярных сил. Так, поступление солей (сульфатов калия и меди) в пористый покровный материал, которым сверху закрывались образцы грунтов как песчаные, так и песчано-бентонитовые, было практически одинаковым и в зависимости от исходного содержания солей в образцах, составляло 0,38-0,42 и 0,52-0,53 г на 1 г покровного пористого материала (Фиг. 8).
В ходе лабораторного имитационного моделирования было выявлено, что из минеральных смесей в гидрофильный материал поступило равновеликое количество катионов меди (Сu2+) от 55-77 мг до 61-79 мг на 1 г покровного пористого материала соответственно из песчаной и песчано-бентонитовой смесей (Фиг. 9).
Опытным установлено, что из модельных смесей в пористый материал поступило от 0,0012-0,0016 до 0,0011-0,0014 мг гуминовых веществ на 1 г покровного материала (Фиг. 10).
Результаты данного эксперимента позволяют заключить, что при практическом применении данного способа можно удалять из засоленных почв и грунтов как водорастворимые соли, так и соединения тяжелых металлов совместно с помощью гуминовых веществ и синтетических комплексонов.
На Фиг. 8 показано, из песчаной смеси в 1 грамм гидрофильной ткани мигрировало 0,38 г и 0,52 г соли (смеси сульфата калия и пятиводного сульфата меди - медного купороса), а из песчано-бентонитовой - 0,42 г и 0,53 г, при исходном содержании солей в смеси 3,3 и 10,0% в обоих случаях соответственно.
На Фиг. 9 продемонстрировано, из песчаной смеси в 1 грамм гидрофильной ткани мигрировало 51,1 мг и 76,8 мг катионов меди, а из песчано-бентонитовой - 60,8 мг и 78,9 мг, при исходном содержании солей (смеси сульфата калия и пятиводного сульфата меди - медного купороса) в смеси 3,3 и 10,0% в обоих случаях, соответственно.
На Фиг. 10 приведено, из песчаной смеси в 1 грамм гидрофильной ткани мигрировало 0,0012 мг и 0,0016 мг гуминовых веществ, а из песчано-бентонитовой - 0,0011 мг и 0,0014 мг, при исходном содержании солей (сульфата калия и пятиводного сульфата меди) в смеси 3,3 и 10,0% в обеих смесях соответственно.
Пример 7
Цель эксперимента: выявить возможность удаления фенолов из модельного образца с помощью пористого гидрофильного покровного материала (льняную ткань). Так же как и предыдущих примерах были использованы две смеси: песчаная и песчано-бентонитовая. Каждую смесь разделяли на две части. Во все смеси добавлялось по 25 мл 0,1% водного раствора фенола.
В ходе эксперимента было выявлено, что из минеральных смесей в гидрофобный материал поступило равновеликое количество фенола 0,0025 и 0,0017 мг на 1 г покровного материала соответственно из песчаной и песчано-бентонитовой смесей.
Результаты данного эксперимента позволяют заключить, что при практическом применении данного способа можно удалять фенолы, а также другие водорастворимые органические ксенобиотические соединения из почв и грунтов.
Заявленное изобретение позволяет ускорить и удешевить мелиоративные и мероприятия рекультивационные мероприятия, особенно на территориях с большой площадью, и может быть широко использовано и рекомендовано как эффективная технология для решения экологических проблем путем очистки почв и грунтов от засоления и загрязняющих веществ (ксенобиотических соединений).
Как показали результаты апробации, приведенные в виде иллюстрации на Фиг. 1-10, заявленный способ включает увлажнение поверхности почв и грунтов с целью создания капиллярно-подвешенной влаги, помещения на поверхность почв и грунтов предварительно смоченного пористого вмещающего материала, подсушивание этого материала на солнце и удаления загрязняющих соединений, визуально идентифицированных в виде мелких кристаллов, выцветов солей или пятен, вместе с вмещающим материалом. Увлажнение почв и грунтов, а также вмещающего материала проводится как пресной водой, так и пресной водой, содержащей естественные или синтетические комплексоны. Естественные или синтетические комплексоны вводятся в воду с целью повышения растворимости загрязняющих соединений. В качестве естественных комплексонов рекомендуется использовать гуминовые вещества (так называемые гуминовые кислоты и фульвокислоты). Изобретение позволяет достаточно быстро удалить («через верх») различные водорастворимые соединения из поверхностных слоев почв и грунтов и при этом существенно (в 5-20 раз и более) сэкономить воду, предназначенную для удаления («через низ») загрязняющих веществ и легкорастворимых солей из почв и грунтов.
В настоящее время основным способом удаления солей при мелиорации засоленных почв является сквозная промывка почв на фоне горизонтального, вертикального или комбинированного дренажа (Зайдельман, 2003). Обычно сквозные промывки осуществляют в условиях ограниченного испарения влаги: осенью или зимой. Промывная норма, то есть объем воды, необходимый для вымывания солей из почв, зависит от физических свойств почв, степени и химизма засоления, глубины залегания грунтовых вод. Процесс промывки осуществляется в два этапа. На первом этапе раствор солей после насыщения почвы водой происходит растворение солей. На втором этапе раствор солей вытесняют дополнительным объемом воды. При этом раствор солей удаляется с помощью искусственного дренажа. Промывная норма воды также состоит из двух частей. Первая соответствует количеству воды, которое увлажняет почву до значений, соответствующих наименьшей влагоемкости (НВ) почвы. Это количество равно разности между НВ и ee предполивной влажностью (минус объем защемленного воздуха). Эта часть поливной нормы предназначена для растворения солей. Вторая промывная норма вытесняет солевой раствор из почв и грунтов.
Наименьшая влагоемкость почвы, или же влагоемкость полевая, или же предельная полевая влагоемкость - максимальное количество влаги, которое почва в природном залегании может удерживать в подвешенном состоянии после прекращения свободного оттока гравитационной воды. Выражается в процентах от массы или объема почвы или запасом воды в почве (мм, т, м3). Обусловливается гранулометрическим, минералогическим и химическим составами почвы, ее структурой, плотностью, пористостью. В верхнем метровом слое почв глинистого и сулинистого гранулометрического состава НВ обычно не превышает 370 мм, в легкосуглинистых - 300, в супесчаных - 200, в песчаных - 100 мм.
Промывную норму воды на первом этапе расселения почв (на первом этапе - этапе растворения солей) определяют по формуле (Зайдельман, 2003):
М=100·H·ρb ·(WHB-W0,7HB),
где М - промывная норма, м3/га; Н - мощность насыщаемого влагой слоя почвы, м; ρb - средневзвешенная плотность насыщаемого влагой слоя почвы, т/м3; WHB - влажность насыщаемого влагой слоя почвы, практически равная НВ; W0,7HB - влажность насыщаемого влагой слоя почвы перед поливом (WHB и W0,7HB - влажность, % от массы сухой почвы).
Нормы полива 20 и 100 сантиметровой толщи почв напуском или дождеванием (с учетом 10-ти и 40-ка процентной испаряемости влаги) в зависимости гранулометрического состава почв приведены в таблице 1. То есть для достижения состояния капиллярно-подвешенной влаги (соответствует величине НВ) в 100 см толще максимально необходимо для песчаных почв около 90-340 м3 воды, а для глинистых и суглинистых - около 1600 м3. Количественные интервалы норм полива в виде конкретных примеров также сведены в таблицу 1.
В мелиоративной практике широкое применение получила формула расчета промывных норм (на втором этапе - этапе вытеснения солевого раствора из почв и грунтов), предложенная В.Р. Волобуевым (1975):
Mпр=10000·α·lg(SH/S0),
где Мпр - промывная норма, м3 /га; α - показатель солеотдачи, определяемый по данным опытно-производственных промывок; SH - содержание солей в промываемом слое почв или грунтов до начала промывки, % от массы сухой почвы; S0 - допустимое содержание солей, % от массы сухой почвы.
В зависимости от гранулометрического состава, состава и содержания солей в расчетном слое до начала промывки однократные промывные нормы (на втором этапе) для почв песчано-супесчаного состава составляют от 3500 до 8500 м3/га, для почв суглинистого состава - от 1000 до 12000 м3/га и для глинистых почв - от 2500 до 23000 м3/га. Обычно промывка почвенной толщи от солей производится не менее двух раз за сезон.
Содержание солей в промываемом слое почв или грунтов до начала промывки (SH) устанавливают на основе почвенно-мелиоративных материалов. Промывка орошаемых почв считается завешенной, если допустимое содержание солей в почвогрунтовой толще не превышает определенных величин (% от массы сухой почвы) - от 0,2 до 0,4 в зависимости от токсичности солей.
В предлагаемом способе удаления солей (тех или иных катионов и анионов), а также водорастворимых органических веществ и соединений, на поверхность почвы кладется смоченная водой гидрофильная ткань, которая представляет собой деятельную поверхность. Смоченная ткань обеспечивает более плотный контакт с почвой или грунтом. Испарение влаги с деятельной поверхности обеспечивает подтягивание к поверхности вместе с капиллярно-подвешенной влагой всех водорастворимых веществ и соединений, находящихся в почвенном растворе: в этом участвуют и капиллярный градиент (Шеин, 2005), и градиент химического (осмотического) потенциала (Спозито, 1984), а также и поверхностное натяжение раствора (Шеин, 2005), которое обеспечивает это капиллярное передвижение (последнее зависит и от химического потенциала водорастворимых органических и неорганических веществ и соединений).
Экономический эффект создается за счет того, что не нужно использовать воду для вытеснения солевого раствора из почв и грунтов, т.е. отсутствует второй этап расселения. Кроме того, не нужно проводить дорогостоящие земляные работы, необходимые для создания искусственного дренажа.
Источники информации
1. Волобуев В.Р. Расчет промывки засоленных почв. - Баку: Изд-во АН АзССР, 1975. 95 с.
2. Зайдельман Ф.Р. Мелиорация почв. 3-е изд., испр. и доп. - М.: Изд-во Моск. ун-та, 2003. 448 с.
3. Попов А.И. Гуминовые вещества: свойства, строение, образование / Под ред. Е.И. Ермакова. - СПб.: Изд-во С. - Петерб. ун-та, 2004. 248 с.
4. Спозито Г. Термодинамика почвенных растворов/ Пер. с англ. - Л.: Гидрометеоиздат, 1984. 340 с.
5. Шеин Е.В. Курс физики почв. - М.: Изд-во Моск. ун-та, 2005. 432 с.
6. Патент RU 2273693 С2.
7. Патент RU 2261953 С1.
8. Патент KR 101155392.
9. Патент JP 2009297617.
10. Патент US 2012/0148347 A1.
11. Патент Всемирной организации интеллектуальной собственности (World Intellectual Property Organization) WO 2012/155029 A1.
12. Патент RU 2109425 С1.
13. Патент RU 2019943 A1, C9.
14. Патент RU 2147165 А1.
15. Патент RU 2109425 A1.
16. Патент RU 2108016 A1.
17. Патент RU 2183501.
18. Патент RU 2033389.
19. Патент RU 2125039.
20. Патент RU 2233293.
21. Патент JP 2009039693 (прототип).
Изобретение относится к мелиорации почв и подготовке грунтов к рекультивации и может быть использовано для очистки почв или грунтов земель различного назначения. Способ мелиорации почв для подготовки грунтов к рекультивации заключается в очистке почв и грунтов от водорастворимых органических и неорганических ксенобиотических соединений на основе поглощения их вмещающим материалом. Сначала очищаемые почвы и грунты увлажняют очищающим водным раствором, в качестве которого используют пресную воду с природными или синтетическими комплексонами, затем производят полив нормой не более 800 м3/га и выдерживают в зависимости от гранулометрического состава почв грунтов в течение не более 1 часа для песчаных почв и грунтов и не менее 5 часов для глинистых почв. После этого очищаемые почвы и грунты покрывают вмещающим материалом, предварительно пропитанным идентичной очищающей жидкостью. При визуальном наблюдении на поверхности материала кристаллов соли вмещающий материал удаляют и отмывают от солей. Изобретение обеспечивает снижение трудозатрат и эффективное удаление загрязнителей. 10 ил., 1 табл., 7 пр.
Способ мелиорации почв для подготовки грунтов к рекультивации, заключающийся в очистке почв и грунтов от водорастворимых органических и неорганических ксенобиотических соединений на основе поглощения их вмещающим материалом, отличающийся тем, что очищаемые почвы и грунты увлажняют очищающим водным раствором, в качестве которого используют пресную воду с природными или синтетическими комплексонами, производят полив нормой не более 800 м3/га, выдерживают в зависимости от гранулометрического состава почв грунтов в течение не более 1 часа для песчаных почв и грунтов и не менее 5 часов для глинистых почв, после чего очищаемые почвы и грунты покрывают вмещающим материалом, предварительно пропитанным идентичной очищающей жидкостью, и при визуальном наблюдении на поверхности вмещающего материала кристаллов соли вмещающий материал удаляют.
