Состав для мелиорации почв, загрязненных тяжелыми металлами Российский патент 2023 года по МПК B09C1/00 A01B79/02 

Изобретение относится к мелиорации почв и может быть использовано при рекультивации земель, загрязнённых тяжелыми металлами.

Известен способ мелиорации почв, загрязненных тяжелыми металлами, включающий внесение на поверхность почвы мелиоранта, перемешивание его с мелиорируемым слоем почвы с последующим выращиванием культур. Для этих целей используются один из мелиорантов: фосфоритная мука, цеолит, суперфосфат, сульфид натрия, известняковая мука либо низинный торф [Пат. RU 2597172, 01.12.2014]. Недостатком данного метода является очень высокие дозы внесения мелиорантов: торф и цеолит 100 т/га, известняковая мука 12 т/га, фосфоритная мука 1,5 т/га, суперфосфат и сульфид натрия по 120 кг д.в./га. Кроме того, применение только одного из предложенных мелиорантов, накладывает ограничения в их использовании на почвах с различными химическими и физико-химическими свойствами.

Известен способ рекультивации почв, загрязнённых тяжелыми металлами при помощи внесения сорбент-мелиоранта, состоящего из глауконитового песка, термонеизмененной отвальной породы угольных шахт, синих глин, при соотношении компонентов мас. %, сответственно, 25, 60, 15 [Пат. RU 2356931, 27.05.2009]. Недостатком данного метода является вероятность наличия высоких концентраций тяжелых металлов в отвальной породе и низкая доступность компонентов.

Известны составы для мелиорации почв, загрязненных тяжелыми металлами, на основе сапропеля, цеолита и глинозема, с обработкой кремнийорганической жидкостью [Пат. RU 2049107, 15.10.1992].

Однако сапропель зачастую сам содержит в своем составе достаточно большое количество загрязнителей и, в том числе, тяжелых металлов. Кроме того, предложенный состав достаточно сложный в изготовлении и имеет высокую стоимость.

Известен состав для очистки почв от тяжелых металлов при помощи торфяного мелиоранта, содержащего в своем составе торф верховой нейтрализованный, диатомит и вермикулит при соотношении, мас. % 60, 30, 10 соответственно [Пат. RU 2745456, 03.09.2020]. Недостатком способа является использование в составе смеси верхового торфа, характеризующегося относительно низким содержанием гумусовых соединений, которые наиболее активно участвуют в снижении подвижности тяжелых металлов в почвах.

Наиболее близким техническим решением является способ мелиорации сельскохозяйственных земель при помощи внесения в почву почвоудобрительного материала, в качестве которого используется органоминеральный компост, состоящий из свиного навоза и навоза КРС, суперфосфата и фосфогипса. Компост вносят в почву в дозе 100-110 т/га с последующим культивированием на глубину 20…25 см. [Пат. RU 2492944, 22.03.2012].

Целью изобретения является резкое снижение биодоступности тяжелых металлов в загрязнённых почвах и повышение плодородия почв, за счет использования определённой смеси мелиоративных добавок на основе цеолита, торфа, известняковой муки, суперфосфата, сульфида натрия.

Сущность изобретения заключается в том, что благодаря многокомпонентному составу мелиоративных добавок происходит одновременное использование различных механизмов снижения подвижности тяжелых металлов в загрязнённых почвах, что повышает их эффективность и расширяет спектр рекультивационного действия. В рекомендуемых многокомпонентных мелиоративных добавках задействуются два механизма закрепления тяжелых металлов в почвах: физико-химический и химический.

В качестве компонентов мелиоративных добавок используются:

1. Цеолит осадочный. Кристаллическая решётка цеолитов характеризуется огромной внутреней поверхностью, благодаря чему обладает очень высокой поглотительной способностью (90-120 ммоль/100 г минерала), за счет которой происходит физико-химическое поглощение тяжелых металлов, в том числе необменное. Цеолиты обладают высокой селективностью (избирательным поглощением) по отношению ко многим тяжелым металлам. Внесение цеолита позволяет не только существенно повысить емкость поглощения и буферность почв, но и способствует увеличению запаса элементов питания в почвах (табл. 1).

Таблица 1 - Химический состав цеолита Соединение SiO₂ TiO₂ Al₂O₃ Fe₂O₃ CaО MgО Na₂O MnО K₂O Содержание, % 65,9 0.35 6,19 2,65 17,16 1,45 0,16 0,16 1,43

2. Торф низинный с фракцией 0-10 мм: Торф представляет собой продукты разложения растительных и животных остатков в анаэробных условиях и высокой влажности. В низинном торфе высокой степени разложения много гумусовых соединений, способных обеспечивать как химическое осаждение тяжелых металлов, так и физико-химическое их закрепление в составе почвенного поглощающего комплекса. Они обладают большим разнообразием функциональных групп, в них много нерастворимых, но химически активных компонентов, комплексы которых с тяжелыми металлами прочны.

3. Известняковая мука представляет собой тонкоизмельченные карбонатные породы, в основном известняки и доломиты. Благодаря высокому содержанию в своем составе карбонатов кальция и магния происходит образование труднорастворимых соединений тяжелых металлов с анионом СО₃^2-. Так, например, при взаимодействии карбонатов с ионом свинца происходит связывание этого элемента в виде малорастворимого минерала церуссита. Кроме того, известкование оказывает очень благоприятное влияние на показатели плодородия кислых почв (подзолистых, дерново-подзолистых, серых лесных и др.). В них наблюдается резкое снижение почвенной кислотности и увеличение суммы обменных катионов оснований, улучшается структура почв, активизируются микробиологические процессы, улучшается количественный и качественный состав почвенной микробиоты.

4. Суперфосфат характеризуется хорошей растворимостью в воде, благодаря чему ионы PO₄^3- способны вступать в взаимодействие с ионами многих тяжелых металлов и переводить их в слаборастворимые соединения, труднодоступные для растений. Кроме того, он является ценным минеральным удобрением, резко улучшающим фосфатный режим почв и повышающим урожайность всех сельскохозяйственных культур.

5. Сульфид натрия - хорошо растворимое в воде соединение. Благодаря содержанию в своем составе аниона S^-2 способен к образованию труднорастворимых солей с различными металлами (сульфидов), в том числе с никелем, свинцом и кадмием. В результате химической реакции осаждения катионы тяжёлых металлов значительно снижают свою биодоступность, а, следовательно, и токсичность.

В целях выявления эффективности составов мелиоративных добавок были проведены исследования в условиях лабораторных и полевых опытов. В таблице 2 представлены результаты исследований влияния фракционного состава торфа и цеолита на подвижность тяжелых металлов в почве.

Таблица 2 - Влияние размеров частиц осадочного цеолита и торфа на изменение подвижности тяжелых металлов в почвах, мг/кг почвы Мелиорант Фракция, мм Cd Pb Ni сод-ие абс. откл-ие откл. % сод-ие абс. откл-ие откл. % сод-ие абс. откл-ие откл. % Осадочный цеолит 0,2-1 (к) 1,33 - - 20,19 - - 56,18 - - 1-3 1,49 0,16 12 25,66 5,47 27 56,98 0,8 1 3-5 1,55 0,22 17 29,50 9,31 46 57,88 1,7 3 5-10 1,70 0,37 28 40,50 20,31 101 58,45 2,27 4 НСР₀₅ 0,17 4,55 F_ф<F₀₅ Торф низинный 0-10 (к) 1,31 - - 17,17 - - 53,21 - - 0-1 1,43 0,12 9 16,10 -1,07 -6 49,50 -3,71 -7 0-3 1,18 -0,13 -10 17,02 -0,15 -1 59,92 6,71 13 0-5 1,22 -0,09 -7 18,00 0,83 5 45,15 -8,06 -15 НСР₀₅ F_ф<F₀₅ F_ф<F₀₅ F_ф<F₀₅

Подвижные формы тяжелых металлов в почве были определены в вытяжке ацетатно-аммонийного буфера (рН 4,8) [Методические указания…, 1992].

Установлено, что наибольшая эффективность снижения подвижности тяжелых металлов происходит при использовании цеолита с размером частиц 0,2…1 мм. Закономерностей в изменении содержания загрязнителей в вытяжке при использовании различных фракций торфа выявлено не было.

Результаты исследований влияния различного сочетания видов и доз мелиорантов на содержание тяжелых металлов в зерне пшеницы приведены в таблице 3.

Таблица 3 - Влияние различных сочетаний видов и доз мелиоративных добавок на содержание Cd, Pb, Ni в зерне пшеницы в полевом опыте, мг/кг зерна воздушно-сухой массы Вариант кадмий свинец никель Сод-ие абс. откл-ие откл. % Сод-
ие абс. откл-ие откл. % Сод-
ие абс. откл-
ие откл.
% 1 АК 0,002 0,017 0,05 2 почва без мелирантов +Cd, Pb, Ni - фон (контроль) 0,141 0,604 1,110 3 Цт 50 + Им 6 0,096 -0,045 -32 0,490 -0,114 -19 0,856 -0,254 -23 4 Тф 50 + Им 6 0,102 -0,039 -28 0,452 -0,152 -25 0,615 -0,495 -45 5 Цт 25 + Тф 25 0,128 -0,013 -9 0,575 -0,029 -5 0,733 0,377 -34 6 Цт 25 + Им 6 0,099 -0,042 -30 0,497 -0,107 -18 0,902 -0,208 -19 7 Тф 25 + Им 6 0,111 -0,03 -21 0,505 -0,099 -16 0,635 -0,475 -43 8 Цт 25 + Тф 25 + Им 6 0,078 -0,063 -45 0,365 -0,239 -40 0,511 -0,599 -54 9 Цт 25 + Тф 25 + Им 6 + Сф 0,12 0,066 -0,075 -53 0,328 -0,276 -46 0,456 -0,654 -59 10 Цт 25 + Тф 25 + Им 6 + Фм 1,5 0,079 -0,062 -44 0,346 -0,258 -43 0,588 -0,522 -47 11 Цт 25 + Тф 25 + Им 6 + Сн 0,12 0,061 -0,08 -57 0,342 -0,262 -43 0,475 -0,635 -57 12 Им 6 + Сф 0,12 0,103 -0,038 -27 0,473 -0,131 -22 0,869 -0,241 -22 13 Им 6 + Фм 1,5 0,119 -0,022 -16 0,509 -0,095 -16 0,920 -0,19 -17 14 Им 6 + Сн 0,12 0,096 -0,045 -32 0,489 -0,115 -19 0,900 -0,21 -19 15 ВЦт 10 + Им 12 + Сф 0,12 0,094 -0,047 -33 0,437 -0,167 -28 0,502 -0,608 -55 16 ВЦт 10 + Им 12 + Фм 1,5 0,107 -0,034 -24 0,460 -0,144 -24 0,541 -0,569 -51 НСР₀₅ 0,026 0,083 0,285 ПДК 0,1 0,5 0,5

Наибольшую эффективность в снижении накопления тяжелых металлов в почве показало сочетание Цт 25 + Тф 25 + Им 6 + Сф 0,12 (торф 25 т/га, торф 25 т/га, известняковая мука 6 т/га, суперфосфат 0,12 т/га) и Цт 25 + Тф 25 + Им 6 + Сн 0,12 (торф 25 т/га, торф 25 т/га, известняковая мука 6 т/га, сульфид натрия 0,12 т/га). Эти смеси позволили получить продукцию содержанием загрязнителей ниже уровня ПДК.

Изобретение позволяет значительно улучшить показатели плодородия почв увеличивая содержание: подвижного фосфора на 8 %, обменного калия на 5 %, гумуса на 9 %, а также позволяет добиться повышения показателей рН на 13 % и суммы обменных катионов оснований на 38 %.

Изобретение относится к мелиорации почв и может быть использовано при рекультивации земель, загрязнённых тяжелыми металлами (ТМ). Для достижения необходимого результата задействуются два механизма снижения биологической доступности ТМ в почве: химический и физико-химический. Состав для мелиорации почв, загрязненных тяжелыми металлами, включает низинный торф, цеолит, известняковую муку в дозах внесения 2,5, 2,5, 0,6 кг/м² или 25, 25, 6 т/га соответственно, а также суперфосфат или сульфид натрия в дозе внесения 0,012 кг/м² или 0,12 т/га. Все компоненты предварительно смешиваются в указанных дозах, распределяются по поверхности почвы и равномерно перемешиваются в пахотном слое 0-25 см. Доза внесения мелиоранта зависит от уровня загрязнения почвы ТМ и колеблется от 5 до 6 кг на 1 м² почвы. Разработанный состав мелиорантов оказывает комплексное положительное влияние на плодородие почв: снижает почвенную кислотность, увеличивает их поглотительную способность, содержание элементов минерального питания и органического вещества. Внесение мелиорантов повышает урожайность культур на 20-30% и снижает содержание ТМ в растениеводческой продукции на 50-60%. 3 табл.

Состав для мелиорации почв, загрязненных тяжелыми металлами, выполненный на основе органических и минеральных компонентов, отличающийся тем, что содержит в своем составе низинный торф, цеолит, известняковую муку в дозах внесения 2,5, 2,5, 0,6 кг/м² или 25, 25, 6 т/га соответственно, а также содержит суперфосфат или сульфид натрия в дозе внесения 0,012 кг/м² или 0,12 т/га, при этом все компоненты предварительно смешиваются в указанных дозах, распределяются по поверхности почвы и равномерно перемешиваются в пахотном слое 0-25 см.