СПОСОБ СНИЖЕНИЯ ВЕРТИКАЛЬНОЙ ВНУТРИПОЧВЕННОЙ МИГРАЦИИ СВИНЦА И КАДМИЯ Российский патент 2023 года по МПК A01B79/02 

Изобретение относится к области экологии, охраны окружающей среды и природопользования и может быть использовано для снижения вертикальной внутрипочвенной миграции свинца и кадмия и увеличения экологической устойчивости почв.

Почвы современных городов в большинстве своем загрязнены тяжелыми металлами. Приоритетность загрязнения тем или иным элементом варьирует в зависимости от вида хозяйственной деятельности. Такие тяжелые металлы как кадмий и свинец достаточно часто загрязняют почвы городов [Неведров Н.П., Проценко Е.П., Фомина М.Ю. Экологическая оценка почв ландшафтно-геохимических катен Сеймского округа г. Курска // Экология урбанизированных территорий, 2017, №3, С. 18-26; Неведров Н.П., Проценко Е.П., Глебова И.В. Соотношение содержания валовых и подвижных форм тяжелых металлов в почвах Курска // Почвоведение. ─ №1. ─ 2018 г. ─ С. 111-117; Федорова А.И., Шунелько Е.В. Загрязнение поверхностных горизонтов почв г. Воронежа тяжелыми металлами/ А.И. Федорова, Е.В. Шунелько // Вестник ВГУ, серия география и геоэкология. ─ 2003 г.─ № 1─ С. 74-82]. Эмиссия Cd и Pb обуславливается стремительным ростом количества автомобилей, использованием и производством гальванических элементов, развитием машино- и приборостроительной отрасли промышленности и т.д.

Экологически безопасными и перспективными в аспекте снижения токсичности загрязненных почв являются сорбенты на основе природных материалов. Использование природных органических и минеральных сорбентов способствует снижению подвижных форм ТМ в почве. Тяжелые металлы при взаимодействии с сорбционными материалами образуют слаборастворимые комплексы, что резко снижает их токсический эффект, за счет уменьшения миграции и транслокации ТМ в другие компоненты окружающей среды.

Известен состав для мелиорации почв [Патент RU 2049107C1]. Состав для мелиорации почв «СОРБЭКС», 1995] препаратом «СОРБЕКС» на органической основе с добавлением минеральных компонентов, в котором в качестве органической основы используется сапропель, а в качестве минеральных компонентов применяется цеолит и глинозем при процентном соотношении масс: сапропель 60-70, цеолит 23-27, глинозем 8-11.

Недостатком известного состава является то, что разработка и транспортировка сапропеля (основной компонент) – является дорогостоящим процессом и зачастую может приводить к деградации элементов ландшафта в местах его добычи. В итоге это может приводить к неравноценной трансформации и переносу типов и видов негативного и техногенного влияния при осуществлении данного состава с элементов агроландшафта на природный ландшафт.

Известен способ детоксикации и рекультивации загрязненных почвогрунтов, заключающийся в предварительном рыхлении поверхностного слоя почвогрунта, равномерном внесении в него водной суспензии мелиоранта и последующем перемешивании обработанного почвогрунта, отличающийся тем, что в качестве мелиоранта используют водную суспензию алюмосиликатов глинистых пород, подвергшихся предварительному кислотному и/или щелочному гидролизу, причем концентрация суспензии составляет 10 – 15 мас. % по твердой фазе, а внесение мелиоранта в почвогрунт выполняют поверхностным орошением и/или посредством инъекций на заданную глубину [Заявка на изобретение RU 2004138248A. Способ детоксикации и рекультивации загрязненных почвогрунтов, 2006].

Известный способ отличаются рядом существенных недостатков: высокая трудоемкость, сложность в исполнении, а также продолжительный срок получения результатов.

Известен способ очистки черноземных почв от тяжелых металлов [Патент RU 2492944. Способ очистки черноземных почв, загрязненных тяжелыми металлами, 2013], включающий использование побуждающего вещества, в качестве которого используют органоминеральный компост, полученный смешиванием фосфогипса, суперфосфата простого и перегноя КРС, при следующем их соотношении в зависимости от уровня концентрации щелочных металлов: фосфогипс 10,0-15,0 %; суперфосфат простой 0,8-1,0 %; перегной КРС 84-89 %. Вносят в почву однократно на 4-5 лет в дозе 100-110 т/га с содержанием в нем органического вещества до 20% и с pH 6,0-6,5, способной снизить щелочность черноземной почвы до pH 7,2-7,8 с последующей заделкой его культиватором на глубину до 20-25 см.

Недостаток данного способа состоит в том, что он не удаляет ТМ, а лишь на небольшой промежуток времени (4-5 лет) переводит их в почве в труднодоступные для растительных организмов формы. Происходит снижение активности всех микроэлементов, что негативно сказывается на плодородии почвы. Данный способ применим только для почв агроценозов.

Наиболее близким аналогом, выбранным в качестве прототипа, является способ обработки почвы, включающий внесение навоза с последующей вспашкой, заключающийся в том, что один раз в 7-10 лет в нижней части пахотного слоя создают экранирующую прослойку толщиной до 10 см из бентонитовых или бентонитоподобных глин, причем внесение навоза осуществляется в поверхностный слой почвы совместно с глауконитом [SU 1794342A1. Способ обработки почвы, 1993].

Недостатком данного способа является использование глауконита (в количестве 0,5 т/га) совместно с навозом, что задерживает его разложение и обогащает почвы азотом. Навоз при этом приводит к ускоренному разложению глауконита, который способен адсорбировать вредные вещества из окружающей среды, главным образом ТМ, гербициды и пестициды. Внесение навоза производится в больших объемах, что экономически нецелесообразно и негативно влияет на растительные организмы. Различная степень загрязнения участков почвы не дает равномерного распределения навоза и глауконита, это приводит к нерациональному их расходу.

Целью нашей разработки является создание доступного, экономичного и эффективного способа снижения вертикальной миграции свинца и кадмия в почвах территорий, подверженных воздействию источников эмиссии тяжелых металлов в окружающую среду (городские территории, территории промышленных предприятий и импактные зоны техногенного воздействия) и увеличения экологической устойчивости почв.

Технической задачей изобретения является закрепление тяжелых металлов Pb и Cd в загрязненных почвах и почвоподобных телах, с целью ограничения их внутрипрофильной вертикальной миграции и препятствия их дальнейшему поступлению в грунтовые воды и сопряженные ландшафты. Адсорбции свинца и кадмия на реакционных центрах глины келловея позволит значительно лимитировать их внутрипрофильную миграцию.

Технический результат достигается за счет того, что моделируемая почвенная конструкция, формируется из гумусового горизонта (AU) незагрязненной почвы мощностью 25 см, залегающего сверху и залегающего непосредственно под ним сорбционного горизонта мощностью 25 см, изготовленного путем смешивания глины келловея, измельченной до фракции не более 1 мм, с речным кварцевым песком в соотношении 1:1.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 приведены образованные структурные отдельности (почвенные агрегаты) после нахождения в составе модельной почвенной колонки в течение 3-х месяцев сорбента на основе глины келловея и речного кварцевого песка, смешанных в соотношении 1:1, а на фиг.2 показана зависимость показателя мобильности свинца и кадмия в модельных горизонтах почвенных колонок от дозы загрязнения.

В нашем изобретении предлагается использовать в качестве сорбционного горизонта глину келловея – вскрышную породу морского происхождения Михайловского железорудного бассейна Курской магнитной аномалии, имеющую слабощелочную реакцию среды, содержащую до 4% органического вещества, богатую калием и микроэлементами. Глина келловея - отход горнодобывающей промышленности, складируемый в отвалы добывающего предприятия.

В ходе разработки эффективных способов внесения глины келловея для детоксикации свинца и кадмия в почвах городских территорий в условиях лабораторных экспериментов моделировались почвенные профили: гусмусово-аккумулятивный горизонт → глина келловея + песок в соотношении 1:1 → песок → дренаж.

Методика исследования состояла в оценке миграции в почвенном профиле тяжелых металлов (Cd и Pb) после внедрения в модельный почвенный профиль сорбционного горизонта, представленного исключительно сорбционным материалом на основе глины келловея и речного кварцевого песка, смешанных в соотношении 1:1. Мощность каждого горизонта модельного почвенного профиля равнялась 6 см, общая мощность колонки 18 см.

В качестве контроля использовались почвенные профили двух типов:

1) контроль без гумусово-аккумулятивного горизонта: глина келловея + песок в соотношении 1:1 → песок → дренаж;

2) контроль без сорбционного горизонта: 18 сантиметров гумусово-аккумулятивного горизонта → дренаж.

Норма ежедневного полива почвенных колонок соответствовала промывному водному режиму и составляла 93 мл/неделю, что соответствовало среднемесячной июльской норме осадков (74,4 мм). Всего в рамках проведения лизиметрического опыта было внесено количество модельных осадков равное сумме выпадающих в г. Курске осадков за июль, август и сентябрь. Почвенные колонки в каждом варианте поливали загрязненной Pb и Cd водой. Моделировались 2 дозы загрязнения, соответствующие 2 предельно-допустимым концентрациям (ПДК) и 10 предельно-допустимым концентрациям (ПДК) по кадмию и цинку.

Опыт проводился в трехкратной повторности. Определение массовых концентраций подвижных форм свинца в образцах проводили методом атомно-абсорбционной спектрометрии (ААС). Подвижные формы свинца извлекались ацетатно-аммонийным буферным раствором (рН=4,8).

Моделирование конструктоземов с оптимальными свойствами для каждого отдельного типа городского ландшафта, как правило, представляет собой последовательную укладку слоев грунта различного генезиса с определенным набором параметров (физических и химических свойств: плотность, водоудерживающая и водопропускная способность, содержание органического вещества и элементов минерального питания растений и др.), определяющих их функционал. При моделировании устойчивых почвоподобных тел можно использовать глину келловея и формировать из нее сорбционный горизонт, который должен залегать сразу под гумусово-аккумулятивным. Поступающие в гумусово-аккумулятивный горизонт ТМ после постепенной вертикальной миграции будут поступать в горизонт, сформированный из глины келловея и прочно закрепляться на сорбционных центрах глины. Элементы минерального питания входящие в состав глины могут подниматься с восходящими растворами и обогащать корнеобитаемый слой.

Физические свойства глины и ее дисперсия приводит к уплотнению и слабо пропускает воду, а при иссушении сильно уплотняется и приобретает твердую глыбистую структуру. В ходе исследования глины келловея на предмет формирования на ее основе сорбционных горизонтов в конструктоземах проведена попытка смешивания ее с речным песком в соотношении 1:1 с целью облегчения механического состава. В ходе проведенных испытаний выявлено, что после смешивания измельченной до фракции 1 мм глины келловея с песком и использовании этой смеси в качестве субстрата для вегетации растений происходят процессы образования почвенных агрегатов (Фиг. 1).

Результаты проведенного опыта показали, что при внесении глины келловея в моделируемые почвенные профили миграция свинца снижается в 3,7 – 4,0 раза, а миграция кадмия в 1,2 – 1,3 раза по сравнению с контрольными вариантами равных по мощности почвенных колонок, состоящих только из гумусового (гумусово-аккумулятивного) горизонта, что доказывают данные по валовому содержанию ТМ (табл.1). Также менее эффективными оказались почвенные колонки без гумусового (гумусово-аккумулятивного) горизонта при дозах загрязнения Pb и Сd 10 ПДК. Залповое поступление такого количества металлов в систему не способствовало полному закреплению поллютантов и они вымывались за пределы почвенного профиля. Сорбционный горизонт проявляет эффект при постепенном поступлении ТМ из выше залегающих слоев почвы. При дозах загрязнения 2 ПДК модельный горизонт в составе глина келловея + песок (1:1) полностью адсорбировал внесенный свинец и 42% внесенного кадмия. Отмечалось вымывание 52,2% свинца и 58% кадмия (табл. 1).

Таблица 1 – Вертикальное распределение свинца и кадмия в модельных почвенных колонках (лабораторный опыт)

Вариант опыта (схема почвенной колонки) Горизонт почвенного профиля Вариант опыта Содержание ТМ в модельных горизонтах почвенных колонок, мг/кг Контроль (18 см слой серой почвы, смешанной с торфом 2:1) Гумусовый (верхний горизонт 6 см) Гумусовый (нижний горизонт 6 см) Контроль (6 см слой серой почвы / 12 см слой песка) Глина келловея (6 см) + песок (12 см) (1:1) Песок Опыт (6 см слой серой почвы, смешанной с торфом 2:1 / 6 см слой сорбента / 6 см слой песка) Гумусовый Глина келловея + песок (1:1) Песок

Наиболее эффективным в плане закрепления Pb (задержано в профиле 88,1 – 100%) и Cd (задержано в профиле 86 – 90%) и ограничения их внутрипрофильной миграции оказался моделируемый почвенный профиль, состоящий из трех последовательно залегающих горизонтов следующего состава:

1. 6 см – слой серой почвы, смешанной с торфом 2:1;

2. 6 см – слой сорбента (глина келловея + речной песок 1:1;

3. 6 см – слой песка.

Сорбционный горизонт также позволял значительно снижать мобильность свинца и кадмия, доля подвижных форм исследуемых ТМ была на 4,1 – 40,3% ниже, чем в гумусовом горизонте и на 17,2 – 49,0% ниже, чем в песчаном горизонте (Фиг. 2). Это позволяет утверждать, что при вертикальной миграции ТМ из гумусового (гумусово-аккумулятивного) горизонта, слой на основе смеси глины келловея и речного кварцевого песка в соотношении 1:1 будет выполнять функцию контрастного и емкого геохимического барьера.

Стоит отметить, что большее количество внесенных поллютантов независимо от дозы загрязнения было адсорбировано в гумусовом (гусмусово-аккумулятивном) горизонте модельных почвенных профилей (таблица 1). Сорбционный горизонт из смеси глины келловея и песка (1:1) выполнял барьерную функцию, резко снижая мобильность свинца и кадмия и препятствовал их дальнейшей вертикальной миграции. Исходя из этого можно утверждать, что при моделировании почвенных профилей в натурных условиях необходимо осуществлять следующим образом - сорбционный горизонт (глина келловея + песок (1:1) закладывать сразу под гумусовым (гумусово-аккумулятивным) или, согласно современной классификации городских почв, сразу под техногенным рекультивационным горизонтом (RAT) [Прокофьева Т.В., Герасимова М.И., Безуглова О.С., Бахматова К.А., Гольева А.А., Горбов С.Н., Жарикова Е.А., Матинян Н.Н., Наквасина Е.Н., Сивцева Н.Е. Введение почв и почвоподобных образований городских территорий в классификацию почв России // Почвоведение. 2014. № 10. С. 1155–1164; Rossiter D.G. Classification of urban and industrial soils in the world reference base for soil resources // J. Soils Sediments. 2007. V. 7. P. 96–100].

Пример осуществления способа в натурных условиях. Опыт проводился в вегетационный сезон 2021 года на агробиостанции Курского государственного университета с мая по сентябрь (суммарное количество осадков в этот период составляло 458,6 мм). В полевых условиях моделировалась почвенная конструкция. Для этого снимался гумусово-аккумулятивный горизонт (AU) темно-серой типичной почвы и субэлювиальный горизонт (BEL) общей мощностью 50 см. Изъятие производилось буром диаметром 20 см, площадь изъятия составляла 314 см². В образованные скважины помещалась канализационная труба диаметром 200 см (для исключения латеральной миграции растворов), в которую послойно помещалась почвенная конструкция, состоящая из гумусового слоя и сорбционного слоя. С целью создания благоприятного корнеобитаемого слоя для нормальной вегетации растений мощность гумусового (гумусово-аккумулятивного) горизонта конструируемых почвенных профилей составляла 25 см. Использовался горизонт AU темно-серой почвы. Мощность сорбционного горизонта (глина келловея + речной кварцевый песок 1:1), закладываемого сразу под гумусовым горизонтом, была соразмерной – 25 см. В натурных условиях почвенные конструкции состояли из равных по мощности гумусовых и сорбционных горизонтов, аналогично изложенным выше лабораторным испытаниям. После создания почвенных конструкций проводилось искусственное моноэлементное загрязнение почв растворами нитратов свинца и кадмия. Загрязнение почвы проводилось в дозах соответствующих 5, 10 и 20 ПДК по каждому металлу. В качестве контроля использовалась не загрязненная почвенная конструкция. Повторность опыта – трехкратная.

По результатам исследования констатировали, что более 94% свинца и кадмия было сорбировано в гумусовом горизонте исследуемых почвенных конструкций. Однако высокая подвижность свинца и кадмия (27,3 – 58,3%) позволяет прогнозировать активную вертикальную миграцию вниз по профилю в последующие годы. Отмечено снижение мобильности свинца на 16,5 – 20,1% в вариантах опыта с высокой и очень высокой дозами загрязнения (10 и 20 ПДК). В течение вегетационного сезона исследуемые ТМ активно мигрировали вниз по профилю и депонировались в сорбционном горизонте. Содержание свинца в сорбционном горизонте возрастало в 1,3 – 2,3 раза, кадмия – в 1,9 - 12,0 раз, относительно контрольных вариантов почвенных конструкций без внесения загрязняющих веществ (табл. 2).

Таблица 2 – Вертикальное распределение свинца и кадмия в модельных почвенных профилях (полевой опыт)

Горизонт Вариант опыта, содержание ТМ, мг/кг (числитель – валовая форма, знаменатель – подвижная форма) Контроль Pb Контроль Cd 5
ПДК 10
ПДК 20 ПДК 5
ПДК 10 ПДК 20 ПДК Гумусовый 9,8
1,2 156,7
42,8 221,1
85,5 668,5
390,5 0,31
0,10 7,7
2,6 34,7
12,3 45,5
15,4 Сорбционный 7,3
0,9 9,6
2,7 13,5
3,0 16,5
6,3 0,26
0,09 0,49
0,24 0,76
0,31 3,13
2,0 Вt 11,1
1,0 11,6
0,9 10,8
0,9 11,2
0,9 0,31
0,08 0,27
0,09 0,30
0,11 0,29
0,09

Создание сорбционного горизонта из смеси глины келловея и речного кварцевого песка в соотношении 1:1 мощностью 25 см способствовало препятствию миграции свинца и кадмия в субэлювиальный горизонт (Bt). Содержание валовых и подвижных форм свинца и кадмия в Bt горизонте исследуемой темно-серой типичной почвы в вариантах почвенных конструкций с искусственным загрязнением существенно не различалось со значениями, полученными в контрольных (незагрязненных) почвенных конструкциях (табл. 2).

Изобретение относится к области экологии, охраны окружающей среды и природопользования и может быть использовано для снижения вертикальной внутрипочвенной миграции свинца и кадмия и увеличения экологической устойчивости почв. В способе моделируемую почвенную конструкцию формируют из залегающего сверху гумусового горизонта AU незагрязненной почвы мощностью 25 см и залегающего непосредственно под ним сорбционного горизонта мощностью 25 см, изготовленного путем смешивания глины келловея, измельченной до фракции не более 1 мм, с речным кварцевым песком в соотношении 1:1. Способ обеспечивает закрепление тяжелых металлов в загрязненных почвах и почвоподобных телах, для ограничения их внутрипрофильной вертикальной миграции и препятствия их дальнейшему поступлению в грунтовые воды и сопряженные ландшафты, а также позволяет значительно лимитировать внутрипрофильную миграцию свинца и кадмия. 2 ил., 2 табл., 1 пр.

Способ снижения вертикальной миграции свинца и кадмия в почвах, отличающийся тем, что моделируемую почвенную конструкцию формируют из залегающего сверху гумусового горизонта AU незагрязненной почвы мощностью 25 см и залегающего непосредственно под ним сорбционного горизонта мощностью 25 см, изготовленного путем смешивания глины келловея, измельченной до фракции не более 1 мм, с речным кварцевым песком в соотношении 1:1.