Способ интенсификации рекультивационной сукцессии земель, загрязненных тяжелыми металлами Российский патент 2023 года по МПК B09C1/00 A01B79/00 

Изобретение относится к способу интенсификации рекультивационной сукцессии земель, загрязненных тяжелыми металлами посредством внесения в них органо-минерального субстрата, состоящего из вымороженных лигнин-содержащих осадков целлюлозно-бумажной промышленности (шлам-лигнин) и золы сжигания древесного топлива.

Изобретение относится к критическим технологиям для России «Технологии мониторинга и прогнозирования состояния окружающей среды, предотвращения и ликвидации ее загрязнения» и к приоритетному направлению развития науки и технологий «Рациональное природопользование» (утверждено 07.07.2011 г.), поскольку включает в себя технологию интенсификации рекультивационной сукцессии нарушенных земель и использование отходов производства – лигнин-содержащих осадков целлюлозно-бумажной промышленности и зол сжигания древесного топлива.

Наиболее сложной проблемой, препятствующей проведению рекультивации земель, нарушенных в ходе деятельности различных промышленных предприятий является их загрязнение тяжелыми металлами.

Существуют следующие основные направления решения данной проблемы:

- проведение фиторекультивации;

- вывоз и захоронение загрязненного грунта на полигонах;

- применение физико-химических методов рекультивации (химическая экстракция, пирометаллургическая и электрохимическая обработка, витрификация) с извлечением загрязненного грунта.

Однако, приведенные методы рекультивации нарушенных земель имеют целый ряд существенных недостатков, снижающих их эффективность и рентабельность, например:

- высокое содержание тяжелых металлов негативно сказывается на росте и развитии растений, используемых для фиторекультивации, их существенное накопление в биомассе растений создает проблему ее утилизации;

- вывозка загрязненных земель для захоронения на специальных полигонах с технико-экономической точки зрения высокозатратна и не всегда целесообразна, при этом, в связи с их высоким классом опасности накладываются определенные ограничения по вывозке и складированию;

- физико-химические методы обработки сильно-загрязненных земель также высокозатратны, нуждаются в специализированном оборудовании и химических веществах, способных к вторичному загрязнению объектов окружающей среды.

Из уровня техники известен способ внесения в почву органоминеральной добавки (RU № 2723401, МПК C05B 17/00, C05F 7/02, A01B 79/02, опубликовано 11.06.2020). Изобретение относится к области сельского хозяйства и может быть использовано в качестве органоминеральной добавки пролонгированного действия с целью окультуривания территорий лесных массивов, рекультивации откосов автомобильных дорог и свалок твердых коммунальных отходов.

Сущность данного изобретения заключается в том, что органоминеральную добавку вносят при соотношении органоминеральной добавки и почвы 1:1, затем проводят рассеивание и запашку, при этом в качестве минеральной составляющей добавки используют фосфогипс, в качестве органической составляющей - шлам лигнина, причем компоненты используют при следующем соотношении компонентов по массе (мас. %): фосфогипс - 20-25, шлам лигнина - 75-80. Недостатком данного способа является его технико-экономическая затратность (соотношение добавки и почвы 1:1) и то, что данный способ подходит только для земель, содержащих незначительные концентрации тяжелых металлов (окультуривание территорий лесных массивов, рекультивации откосов автомобильных дорог и свалок твердых коммунальных отходов, при этом способствует переходу тяжелых металлов и РЗМ в растения, что не подходит для рекультивации земель, нарушенных в ходе деятельности промышленных предприятий

Общими признаками заявляемого изобретения с аналогом является улучшение агрохимических свойств почв путем внесения добавки, а также использование в качестве органического компонента лигнин-содержащие осадки целлюлозно-бумажной промышленности – сульфитный шлам-лигнин.

Также известен способ получения органоминерального удобрения (RU № 2086521, МПК C05F, опубликовано 10.08.1997), сущность которого заключается в том, что минеральную основу, в качестве которой берут золу бурых углей, наполняют отходами промышленности и сельского хозяйства, такими, как шлам-лигнин, активный ил целлюлозно-картонных комбинатов, древесными отходами. В смесь добавляют навоз крупного рогатого скота или птичий помет в количестве не более 1/3 от общей массы компонентов и проводят компостирование. Массовое соотношение золы к остальным отходам составляет 1:1,5-5.

Недостатком данного способа является ограничение его применения связанного с использованием навоза крупного рогатого скота или птичьего помета, а также необеспечение полноценной микробиологической чистоты удобрения. При этом необходимость компостирования смеси увеличивает трудоемкость технологии и повышает технико-экономические затраты.

Общими признаками заявляемого изобретения с аналогом являются возможность получения почвоудобрительного материала, возможность переработки отходов целлюлозно-бумажной промышленности, а также использование сульфатного шлам-лигнина в качестве органического компонента для получения сырья.

Также известен способ переработки шлам-лигнина в биоудобрение (Заявка RU № 2019114539, МПК C05F 7/02, C05F 17/00, опубликовано 13.11.2020), который осуществляется следующим образом - на площадке формируются бурты трапецеидальной формы, через сутки с учетом влажности 70-80% и температуры до 50% в бурт вносится инокулянт, биопрепарат на основе BR-1256, который активируя микрофлору бурта, меняет биохимический состав шлам-лигнина, превращая его в органическое биоудобрение, при этом скорость процесса переработки шлам-лигнина в биоудобрение регулируется ворошением бурта 2-3 раза в неделю, в процессе которого происходит внесение дополнительной влаги или проводится аэрация.

Недостатком данного способа является то, что данный способ является технологически сложным и материально затратным (внесение в бурт до 50% инокулянта), так как для получения биоудобрения необходимо формировать бурты специальной формы, при этом способ требует внесения дополнительной влаги или аэрации и контроля температуры и влажности субстрата.

Общими признаками заявляемого изобретения с аналогом являются – возможность получения почвоудобрительного материала, возможность переработки отходов целлюлозно-бумажной промышленности, а также использование сульфатного шлам-лигнина в качестве органического компонента для получения сырья.

За прототип принят способ получения почвогрунтов для рекультивации нарушенных земель (Богданов А.В. и др. «Опытно-промышленные испытания технологии вымораживания коллоидных осадков шлам-лигнина ОАО "Байкальский целлюлозно-бумажный комбинат», ХХI ВЕК. ТЕХНОСФЕРНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ, 2020, №5(1), с. 8-20), заключающийся в получении почвогрунтов путем смешивания вымороженного осадка шлам-лигнина с илом канализационных очистных сооружений в соотношении (4:1) или путем смешивания вымороженного осадка шлам-лигнина с илом канализационных очистных сооружений и золами ТЭЦ в соотношении 4:1:1.

Недостатки данного способа заключаются в следующем:

- использование осадков городских канализационных очистных сооружений – активного ила вызывает вторичное микробиологическое загрязнение получаемой смеси и может негативно сказываться на его органолептических показателях;

- использование зол ТЭЦ дополнительно вносит тяжелые металлы и бенз(а)пирен в получаемую смесь;

- данный способ не регламентирует количество внесения полученного почвогрунта в нарушенные земли, загрязненные тяжелыми металлами для проведения рекультивации.

Отличие заявляемого способа от прототипа заключается в том, что получение почвогрунта в прототипе осуществляется путем смешивания вымороженного осадка шлам-лигнина с илом канализационных очистных сооружений в соотношении (4:1) или путем смешивания вымороженного осадка шлам-лигнина с илом канализационных очистных сооружений и золами ТЭЦ в соотношении 4:1:1, при этом количество вносимого почвогрунта в нарушенные земли, загрязненные тяжелыми металлами для проведения рекультивации не регламентировано. Тогда как в предлагаемом способе смешиваются вымороженные лигнин-содержащие осадки целлюлозно-бумажной промышленности (шлам-лигнин) и золы сжигания древесного топлива в долевом соотношении 1:0,05, затем смесь вносится в нарушенные земли, загрязненные тяжелыми металлами в количестве 30 т/га.

Наличие отличительных признаков позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения условию патентоспособности «новизна».

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение заключается в том, чтобы с применением почвоудобрительной смеси интенсифицировать рекультивационную сукцессию нарушенных земель, загрязненных тяжелыми металлами, что позволит провести их рекультивацию, повысить скорость самозаростания и увеличить видовое биоразнообразие фитоценозов, при этом решается проблема утилизации многотоннажных накопленных лигнин-содержащих осадков целлюлозно-бумажной промышленности – шлам-лигнина.

Технический результат заявляемого изобретения заключается в интенсификации процессов рекультивационной сукцессии нарушенных земель, загрязненных тяжелыми металлами.

Указанный технический результат достигается тем, что способ интенсификации рекультивационной сукцессии земель, загрязненных тяжелыми металлами, заключается в том, что для получения органо-минерального субстрата вымороженные лигнин-содержащие осадки целлюлозно-бумажной промышленности, представляющие собой шлам-лигнин смешиваются с золами сжигания древесного топлива в долевом соотношении 1:0,05, затем полученная смесь вносится в нарушенные земли, загрязненные тяжелыми металлами в количестве 30 т/га для интенсификации процессов рекультивационной сукцессии.

Преимущества перед прототипом заключаются в том, что заявляемый способ предполагает внесение в вымороженные осадки шлам-лигнина химически и микробиологически безопасный компонент – золу сжигания древесного топлива практически неопасную (Код ФККО: 6 11 900 02 40 5), которая богата такими ценными для питания растений компонентами, как калий и фосфор, при этом данный способ регламентирует количество внесения полученного почвогрунта в нарушенные земли, загрязненные тяжелыми металлами для проведения рекультивации.

Сущность заявляемого изобретения заключается в том, что при предлагаемом способе интенсификации рекультивационной сукцессии земель, загрязненных тяжелыми металлами в них вносят органо-минеральный субстрат в количестве 30 т/га, который представляет собой смесь, состоящую из вымороженных лигнин-содержащих осадков целлюлозно-бумажной промышленности, представленных шлам-лигнином с золой сжигания древесного топлива в долевом соотношении 1:0,05. При этом большое количество целлюлозного волокна, входящего в состав вымороженных осадков шлам-лигнина обладает высокими сорбционными свойствами в отношении тяжелых металлов и позволяет их иммобилизовать в почве, переводя их в недоступную для растений форму. Также вымороженный осадок шлам-лигнина содержит большое количество органических веществ (до 45%), необходимых для роста и развития растений. Вносимая в смесь добавка – зола сжигания древесного топлива практически неопасная (Код ФККО: 6 11 900 02 40 5) относится к V классу опасности (практически неопасные) отходов, которые представляют наименьшую опасность для экологии и человека, воздействуют на окружающую среду в низкой степени, практически не нарушая ее компонентов. При этом данная зола содержит большое количество питательных компонентов для развития и роста растений – оксиды калия, фосфора и за счет щелочной среды стабилизирует вымороженный осадок шлам-лигнина, который имеет слабокислую среду. Интенсификация рекультивационной сукцессии заключается в том, что оптимальное количество питательных элементов, а также снижение доступности тяжелых металлов для усвоения растений способствует ускорению процессов самозарастания нарушенных земель и быстрой смене биологического разнообразия фитоценозов.

Осуществляют данный способ интенсификации рекультивационной сукцессии земель, загрязненных тяжелыми металлами следующим образом:

В предварительно подсушенные в естественных условиях вымороженные лигнин-содержащие осадки целлюлозно-бумажной промышленности, представляющие собой шлам-лигнин вносится добавка, представляющая собой усредненные золы сжигания древесного топлива практически неопасные (Код ФККО: 6 11 900 02 40 5) в долевом соотношении 1:0,05, затем смесь равномерно перемешивается по всему объему. Так как влажность вымороженных осадков шлам-лигнина составляет порядка 25-35%, то дополнительного орошения не требуется. Полученный органо-минеральный субстрат вносится для интенсификации рекультивационной сукцессии в нарушенные земли, загрязненные тяжелыми металлами в количестве 30 т/га.

Для подбора оптимальных соотношений вымороженный осадок шлам-лигнина : золы сжигания древесного топлива были проведены лабораторные и опытно-промышленные испытания. Усредненный состав вымороженных осадков шлам-лигнина и золы сжигания древесного топлива по основным питательным для растений компонентам приведены в таблице 1.

Таблица 1 – Усредненный состав вымороженных осадков шлам-лигнина и золы сжигания древесного топлива по основным питательным для растений компонентам

Компонент Образец Требования ГОСТ Р 54651-2011 «Удобрения органические на основе осадков сточных вод. Технические условия» Вымороженный осадок шлам-лигнина Зола сжигания древесного топлива Органическое вещество, % 40-45 менее 5 не менее 30% Фосфор общий, в пересчете на Р₂О₅, % 0,5-0,8 4,0-6,0 не менее 0,7 Калий общий, в пересчете на К₂О, % 0,07-0,12 10,0-12,0 не менее 0,1 Азот общий, % 0,9-1,5 менее 0,1 не менее 0,6

Как видно из таблицы 1, вымороженный осадок шлам лигнина имеет в первую очередь дефицит калия, а также фосфора по отношению к питательным элементам, при этом общий азот и органическое вещество соответствуют требованиям ГОСТ Р 54651-2011 по основным питательным для растений компонентам. Также из таблицы 1 видно, то зола сжигания древесного топлива богата такими питательными элементами, как общий калий и фосфор, что дает предпосылки для использования ее в качестве добавки для получения органо-минерального субстрата.

Были выполнены исследования для подбора оптимальных соотношений вымороженного осадка шлам-лигнина и золы сжигания древесного топлива. Для этого были выбраны следующие соотношения вымороженного осадка шлам-лигнина и золы сжигания древесного топлива: 1:0,01; 1:0,025; 1:0,05; 1:0,10; 1:0,15; 1;20, далее анализировался химических состав питательных для растений элементов, pH водной вытяжки, средняя сырая масса высаженных в образцы растений (редька масличная (Brassica rapa) на 14е сутки прорастания. Результаты испытаний представлены в таблице 2.

Таблица 2 – Подбор оптимальных компонентов органо-минерального субстрата

Компонент Соотношение вымороженного осадка шлам-лигнина : золы сжигания древесного топлива в долях 1:0,01 1:0,025 1:0,05 1:0,10 1:0,15 1:0,20 Органическое вещество, % 42,4 41,9 41,5 38,4 36,8 32,6 Фосфор общий, в пересчете на Р₂О₅, % 0,6 0,7 0,8 1,0 1,2 1,3 Калий общий, в пересчете на К₂О, % 0,12 0,25 0,57 1,12 1,47 1,89 Азот общий, % 0,94 0,86 0,81 0,78 0,75 0,71 pH водной вытяжки 5,9 6,1 6,4 6,9 7,3 7,9 Средняя сырая масса высаженных в образцы растений (редька масличная (Brassica rapa) на 14е сутки прорастания, г 0,21 0,22 0,28 0,31 0,33 0,35

Основываясь на полученных результатах, приведенных в таблице 2, оптимальным соотношением вымороженный осадок шлам-лигнина : зола сжигания древесного топлива было выбрано 1:0,05, так как при данном соотношении существенно не снижаются концентрации таких питательных элементов, как органическое вещество и азот общий и происходит насыщение субстрата фосфором и калием до необходимых значений.

Полученный органо-минеральный субстрат вносится для интенсификации рекультивационной сукцессии в нарушенные земли, загрязненные тяжелыми металлами в количестве 30 т/га, согласно Требования ГОСТ Р 54651-2011 «Удобрения органические на основе осадков сточных вод. Технические условия».

Сравнение основных технических характеристик заявленного способа интенсификации рекультивационной сукцессии и уже известных ранее приведено в таблице 3.

Таблица 3 - Сравнение основных технических характеристик заявленного способа и известных ранее

Компоненты могут вторично загрязнять окружающую среду (микробиологическое, химическое загрязнение) Необходимость компостирования / стабилизации смеси Возможность рекультивации нарушенных земель, загрязненных высоким содержанием тяжелых металлов Аналог 1 (пат. №2723401) +
(тяжелые и редкоземельные металлы) - -
(способствует накоплению тяжелых и редкоземельных металлов в растениях) Аналог 2 (пат. № 2086521) +
(микробиологическое загрязнение – навоз, помет) +
(необходимость компостирования) -
(в способе нет указаний на такую возможность) Аналог 3 (Заявка № 2019114539) - +
(необходимо проводить регулярную аэрацию и внесение влаги) -
(в способе нет указаний на такую возможность) Прототип +
(активный ил - микробиологическое загрязнение, запах; золы ТЭЦ – бенз(а)пирен, тяжелые металлы) ±
(необходимость использовать отработанный и стабилизированный активный ил канализационных очистных сооружений, при этом сама смесь не требует стабилизации) ±
(состав говорит о возможности использования, однако не регламентирует точной нормы внесения в нарушенные земли) Предлагаемый способ - - +

Как видно из таблицы 3, в отличие от прототипа, заявляемый способ позволяет интенсифицировать рекультивационную сукцессию нарушенных земель, загрязненных тяжелыми металлами без внесения компонентов, которые могут вторично загрязнять окружающую среду и должны быть предварительно стабилизированы, при этом данный способ регламентирует нормы внесения органо-минерального субстрата в нарушенные земли.

В отличие от аналогов, заявляемый способ позволяет не использовать компоненты, которые могут вторично загрязнять окружающую среду, не нуждается в компостировании и стабилизации полученной смеси и позволяет интенсифицировать рекультивационную сукцессию нарушенных земель, загрязненных высоким содержанием тяжелых металлов.

Использование заявляемого изобретения позволит утилизировать многотоннажные лигнин-содержащие осадки целлюлозно-бумажной промышленности, представленные вымороженными осадками шлам-лигнина с получением ценной товарной продукции – органо-минеральным субстратом, который можно использовать для рекультивации нарушенных земель без высоких технико-экономических затрат для его получения.

Изобретение относится к способу интенсификации рекультивационной сукцессии земель, загрязненных тяжелыми металлами, посредством внесения в них органо-минерального субстрата, состоящего из вымороженных лигнин-содержащих осадков целлюлозно-бумажной промышленности (шлам-лигнин) и зол сжигания древесного топлива. Способ включает внесение в нарушенные земли, загрязненные тяжелыми металлами, органо-минерального субстрата, состоящего из вымороженных осадков шлам-лигнина и зол сжигания древесного топлива, для интенсификации рекультивационной сукцессии за счет внесения оптимальных количеств питательных для растений элементов (органическое вещество, калий, фосфор, азот) и иммобилизации тяжелых металлов. Способ осуществляют путем внесения в вымороженные осадки шлам-лигнина добавки, представляющей собой золы сжигания древесного топлива, в соотношении 1:0,05 с последующим перемешиванием и внесением для интенсификации рекультивационной сукцессии в нарушенные земли, загрязненные тяжелыми металлами, в количестве 30 т/га. Технический результат изобретения заключается в интенсификации процессов рекультивационной сукцессии нарушенных земель, загрязненных тяжелыми металлами. 3 табл.

Способ интенсификации рекультивационной сукцессии земель, загрязненных тяжелыми металлами, посредством внесения в них органо-минерального субстрата, отличающийся тем, что способ осуществляют посредством внесения в вымороженные лигнин-содержащие осадки целлюлозно-бумажной промышленности (шлам-лигнин) добавки, представляющей собой золы сжигания древесного топлива, в долевом соотношении 1:0,05 с последующим перемешиванием и внесением для интенсификации рекультивационной сукцессии в нарушенные земли, загрязненные тяжелыми металлами, в количестве 30 т/га.