Способ закрепления и восстановления почвенно-растительного покрова нарушенных земель с использованием биополимера-структурообразователя Российский патент 2024 года по МПК E02D3/12 C09K17/18 C09K17/20 C09K105/00 A01B79/02 B09C1/00 

Способ закрепления и восстановления почвенно-растительного покрова нарушенных земель с использованием биополимера-структурообразователя относится к области экологии и может быть использован для закрепления почвогрунтов, оголенных или нарушенных на территории предприятий, осуществляющих добычу и транспортировку газа в различных природно-климатических условиях. Изобретение предназначено для предотвращения водно-эрозионных процессов и улучшения агрофизических и структурных свойств почв при добыче и транспортировке газа в различных природно-климатических условиях.

Известен способ защиты грунтов от эрозии, включающий пропитку грунта водным раствором поливинилового спирта с последующим перемешиванием пропитанного криогелем грунта при помощи средств механизации в период года с положительной температурой в дневное время и отрицательной температурой в ночное время, при колебании температуры окружающего воздуха в диапазоне: от +8°С днем до -10°С ночью. Наличие перехода температур от положительных к отрицательным и обратно является необходимым условием для набора прочности грунта, обработанным препаратом (Патент RU 2754141 С1, СПОСОБ ЗАЩИТЫ ГРУНТОВ ОТ ЭРОЗИИ, патентообладатель - Общество с ограниченной ответственностью "Газпром добыча Надым" (RU), опубл. 30.08.2021).

К недостаткам известного способа можно отнести высокие материальные и энергетические затраты, связанные с нагреванием воды до температуры 80÷95°С для приготовления криогеля заданной вязкости и со стабильными техническими параметрами путем растворения поливинилового спирта в нагретой воде, а также крайне низкую эффективность его применения при положительных температурах в течение суток (т.е. отсутствия перехода температур от положительных к отрицательным и обратно).

Известен способ, заключающийся в приготовлении водного 0,25-2,0 % раствора поливинилового спирта и нанесении его на поверхность грунта, отличающийся тем, что в грунт предварительно вносят влаго-сорбент, в качестве которого используют порошок бентонитовой глины с расходом 100-500 г/м². В варианте 2 так же в поверхностный слой грунта предварительно вносят влаго-сорбент, семена многолетних трав, удобрения и гуматы, а водный раствор поливинилового спирта наносят на закрепляемую поверхность грунта во вспененном виде (Патент RU 2267514 С1, СПОСОБ ЗАЩИТЫ ГРУНТОВ ОТ ЭРОЗИИ, патентообладатель - Чеверев Виктор Григорьевич (RU), опубл. 10.01.2006).

Недостатком известного способа является ухудшение аэрации и увеличение гидрофобности почвогрунтов.

Известен способ защиты грунтов от эрозии и создания зеленого покрытия путем обработки грунта водным раствором поливинилового спирта, отличающийся тем, что в водный раствор поливинилового спирта вводят минеральные или органические удобрения, добавляют семена многолетних трав или хвойных растений, смешивают с грунтом, замораживают при отрицательных температурах, затем размораживают при положительных температурах при следующих соотношениях компонентов, мас.%: поливиниловый спирт 0,625-1,25, грунт 83-88, минеральные и/или органические удобрения 0,03-0,05, остальное вода (Патент RU 2496588 С1, СПОСОБ ЗАЩИТЫ ГРУНТОВ ОТ ЭРОЗИИ И СОЗДАНИЯ ЗЕЛЕНОГО ПОКРЫТИЯ, патентообладатель - Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии нефти Сибирского отделения Российской академии наук (ИХН СО РАН) (RU), опубл. 20.03.2012).

Недостатками известного способа являются высокие материальные и энергетические затраты, связанные с введением в смесь грунта, поливинилового спирта, воды и семян растений, которые ввиду суровых природно-климатических условий Крайнего Севера, небольшой глубины оттаивания грунта в летний период, а также низкой концентрации питательных веществ в грунте имеют низкую всхожесть, что усложняет технологию и приводит к повышенным материальным затратам.

Известен способ улучшения водно-физических свойств почв путем внесения в почву порошка полимерного гидрогеля на основе акрилового полимера, отличающийся тем, что в качестве порошка полимерного гидрогеля используют полиакриламид, модифицированный ионизирующим гамма излучением до поглощенной дозы 3,0-7,0 кГц с последующей стабилизацией водой и сушкой при температуре 60-70°С, при этом дисперсные частицы полученного полимерного гидрогеля, имеющие показатели вязкоупругих свойств: модуль упругости 20,0-23,07 Па, динамическую вязкость 3000-3754 Па при скорости сдвига 2,0-2,6⋅10^-4c^-1, при водопоглощении частиц до 1000 мл на 1 г полимера, вносят в почву в количестве 50-300 кг на 1 гектар. В состав порошка полимерного гидрогеля дополнительно вводят микроэлементы либо при стабилизации путем обработки полимера водным раствором микроудобрений, либо напылением порошка микроудобрений на стабилизированные частицы полимера (Патент RU 2527215 С1, СПОСОБ УЛУЧШЕНИЯ ВОДНО-ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПОЧВ, патентообладатель - Аджиев Джамболат Рамазанович (RU) и др., опубл. 27.08.2014).

Недостатком данного способа является сложность исполнения метода, существенные энергозатраты на сушку, необходимость наличия и использования специального оборудования.

Известен способ рекультивации, предусматривающий последовательное покрытие загрязненной токсическими веществами площадки слоями - сначала 10-сантиметровым слоем цеолитсодержащей породой, затем 15-сантиметровым слоем карбонатной глины, 10-сантиметровым слоем смеси почвы с полиакриламидным полимером АК-639 марки В-415К в объемном соотношении 100:1, а также 20-сантиметровым слоем почвы. Последующее залужение поверхности проводят посевом корневищных многолетних трав, костреца и пырея в весовом соотношении семян 1:1 и нормой высева 20 кг/га (Патент RU 2329882 С2, СПОСОБ РЕКУЛЬТИВАЦИИ ЗАГРЯЗНЕННЫХ ЗЕМЕЛЬ, патентообладатель - Региональный центр Государственного экологического контроля по Пензенской области (RU), Стаценко Александр Петрович (RU), опубл. 27.07.2008).

Недостатком известного способа рекультивации является большая трудоемкость, сложность выполнения мероприятий, высокая стоимость рекультивационных работ.

Технической задачей, на решение которой направлено заявленное техническое решение, является создание такого способа закрепления и восстановления почвенно-растительного покрова нарушенных земель, использование которого позволяло бы предотвратить водно-эрозионные процессы, закрепить и восстановить почвенно-растительный покров в различных природно-климатических условиях.

Техническим результатом, на достижение которого направлено заявленное техническое решение, является повышение устойчивости почв к водно-эрозионным процессам, улучшение агрофизических и структурных свойств почв, ликвидация последствий негативного воздействия на окружающую среду, а также сокращение сроков, финансовых, материальных и энергетических затрат при восстановлении техногенно-нарушенных участков.

Указанный технический результат достигается за счет создания способа закрепления и восстановления почвенно-растительного покрова нарушенных земель с использованием биоразлагаемого полимера-структурообразователя на водной основе, включающего подготовку участка, внесение в поверхностный слой почвогрунта семян многолетних трав, заделывание семян на глубину 1-2 см, укатывание и обработку почвогрунта полимером, отличающийся тем, что в качестве полимера применяется биоразлагаемый полимер-структурообразователь на водной основе, содержащий растворенные в 10000 г на 1 м² почвы водной фазы поливинилпирролидон с высокой и средней молекулярной массой из расчета внесения 1,8-3,6 г на 1 м² почвы, анионный полиакриламид в диапазоне 5,4-10,7 г на 1 м² почвы и дополнительно минеральные удобрения.

Кроме того, заявленный технический результат достигается за счет того, что в грунт на глубину 5-10 см предварительно вносят гидрогель.

Также, заявленный технический результат достигается за счет того, что в грунт на глубину 5-10 см предварительно вносят альгинат натрия.

Способ реализуется следующим образом.

Подготавливают участок. Подготовка заключается в удалении механических включений, разрыхлении, планировании, засыпке углублений, сравнивании гребней почвогрунта различными средствами: грейдер, экскаватор, культиватор и др. Рыхление почвогрунта обеспечивает лучшее проникновение в грунт корней растений при прорастании и закрепление полимер-структурообразователя в слое и на поверхности рекультивируемых территорий.

Затем осуществляют подбор семян многолетних трав. Подбор осуществляют с учетом природно-климатических условий региона прорастания. Семена с нормой высева в интервале 100-250 кг/га вносят в поверхностный слой почвогрунта, заделывают семена на глубину 1-2 см с помощью граблей и укатывают при необходимости.

После этого приготавливают водный раствор биоразлагаемого полимер-структурообразователя. Приготовление осуществляют следующим образом: поливинилпирролидон (1-этенилпирролидин-2-он) с высокой и средней молекулярной массой растворяют в водной фазе, которая не должна содержать взвешенных веществ, объемом 10000 г на 1 м² почвы, из расчета внесения поливинилпирролидона 1,8-3,6 г на 1 м² почвы. Предварительно в водной фазе могут растворять минеральные удобрения для стимуляции роста корневой системы растений. Анионный полиакриламид вносят в полученный водный раствор поливинилпирролидона в диапазоне 5,4-10,7 г на 1 м² почвы. Пропитку почвогрунта водным раствором биоразлагаемого полимер-структурообразователя осуществляют поливом.

Применение биоразлагаемого полимер-структурообразователя на водной основе по назначению обеспечивает повышение противоэрозионной и противодефляционной стойкости почвогрунтов путем достижения оптимальных значений показателей, характеризующих размываемость почвогрунта (интенсивность размыва и размывающая (или критическая) скорость водного потока) за счет создания водопрочных агрегатов. При изучении эффективности конкретной композиции полимер-структурообразователя проводились исследования, в результате которых была взята конкретная рецептура и количество вносимой композиции для достижения оптимального размыва водного потока (см. табл. 1).

Водный раствор поливинилпирролидона (1-этенилпирролидин-2-он) обладает высокими адгезионными свойствами и предназначен для увеличения связывающего действия полимера-структурообразователя на частицы почвы. Поливинилпирролидон (Требования к характеристикам ПВП (таблица 2)) также оказывает стимулирующее действие на рост растений, развитие их корневой системы и обеспечивает их элементами питания.

Анионный полиакриламид (ТУ 2216-133-26447891-2016) уменьшает поверхностное уплотнение и образование корки, предотвращает проявление последствий эрозии. Анионный полиакриламид представляет собой отрицательно заряженный полимер, поэтому он может притягивать к себе положительно заряженные частицы грунта, глины или песка. Анионный полиакриламид обладает адгезивными свойствами и закрепляет грунт на период до прорастания семян растений.

Оба основных компонента растворимы в водной фазе и при концентрации 0,1-0,2 % могут использоваться совместно, не ухудшая свойств каждого из них.

Композиция используется в качестве носителя для проращивания семян травяных растений с нормой высева в интервале 100-250 кг/га. Объем высева и типы семян определяются в зависимости от природно-климатических условий. Для стимуляции роста их корневой системы может быть использована обработка стимуляторами роста. Композиция оказывает склеивающее действие на природный субстрат, способствует развитию корневой системы трав, которое усиливает взаимодействие композиции с субстратом.

При проведении вышеуказанных исследований диапазон концентраций выбран на основании того, что при концентрации поливинилпирролидона (1-этенилпирролидин-2-он) менее 1,8 г/м² почвы размыв образцов грунта начинается при малых значениях скоростей потока, а при концентрации более 3,6 г/м² почвы значительного увеличения значения неразмывающей скорости потока не отмечается.

Исходя из того, что ПАА является компонентом, «ответственным» за закрепление почвогрунта до появления на его поверхности травостоя с развитой корневой системой (ускоренному развитию которой способствует ПВП и другие добавки) была проанализирована связь концентрации ПАА и размывающей скорости потока для грунта, обработанного композицией полимеров, но не закрепленного растительностью.

Анализ влияния концентрации ПАА на неразмывающую скорость потока показывает, что после достижения концентрацией значения 5,36 г/м² происходит резкое (более чем двукратное по сравнению с необработанным почвогрунтом) увеличение неразмывающей скорости потока до значения более 50 см/с. Однако при такой концентрации ПАА его эффективность в противоэрозионном отношении может быть уменьшена другим компонентом полимерной композиции. При опытах с концентрацией ПАА 7,14 г/м² и более неблагоприятное влияние ПВП становилось существенно менее значимым, а неразмывающая скорость потока устойчиво увеличивалась до значений, превышающих 60 см/с. При этом скорость, при которой начинается размыв почвы, составила 66,5 см/с.

Дальнейшее увеличение концентрации ПАА приводит к увеличению неразмывающей скорости по зависимости, близкой к линейной. Исходя из принципа разумной достаточности для условий конкретного природного или техногенного объекта (скорости стекания воды по его поверхности, зависящей от крутизны и длины склонов, а также технологии их обработки и концентрации второго компонента полимерной композиции) был определен рекомендуемый диапазон концентраций ПАА: 5-10 г/м².

Увеличение рекомендуемой концентрации внесения ПАА выше значений данного диапазона нецелесообразно, как исходя из экономических соображений, так и из-за того, что при внесении избыточного количества полимера на поверхности почвогрунта образуется корка, препятствующая росту растительности и развития ее корневой системы. В то же время в ряде особых случаев (крутые длинные склоны северной экспозиции в арктических областях), где быстрое прорастание семян может быть проблематичным, концентрация ПАА может быть увеличена выше значений рекомендуемого диапазона.

На засушливые территории в грунт на глубину 5-10 см предварительно вносят гидрогель или альгинат натрия. Альгинат натрия известен своими гелеобразующими, стабилизирующими и влагоудерживающими свойствами. В данном случае применяют именно альгинат натрия, поскольку он является биодеградируемым природным полимером.

Кроме того, в случае засушливых территорий в грунт на глубину 5-10 см предварительно вносят гидрогель, например, на основе полиакрилата натрия. Гидрогель имеет следующие свойства: как акриловый полиэлектролит он способствует уменьшению эрозии песчаных почв, выполняет функции полимерного компонента, запасающего, сохраняющего и отдающего воду в пригодном для растений виде, в связи с чем его применяют для создания в засушливых регионах максимально благоприятных для растений условий по обеспеченности влагой.

В результате использования данного способа закрепления и восстановления почвенно-растительного покрова нарушенных земель с использованием биоразлагаемого полимер-структурообразователя на водной основе с улучшенными характеристиками будет достигаться экологический эффект, который обусловлен тем, что предотвращаются водно-эрозионные процессы за счет уменьшения смыва почвы, что достигается путем повышения водопрочности структуры почвы, защиты ее от разрушения каплями дождя и увеличения межагрегатного сцепления, и улучшаются агрофизические и структурные свойства почв на территории предприятий, осуществляющих добычу и транспортировку газа в различных природно-климатических условиях, путем создания наиболее благоприятных условий водного, воздушного, теплового и питательного режимов для жизни растений за счет формирования оптимальных водопрочности, пористости, воздухо- и влагоемкости почв и поступления питательных веществ за счет продуктов разложения полимера-структурообразователя. Также использование биоразлагаемого полимер-структурообразователя на водной основе позволяет сократить сроки, финансовые, материальные и энергетические затраты при восстановлении техногенно-нарушенных участков за счет фиксирования почвенных частиц путем увеличения межагрегатного сцепления и связывания корнями растений, а также создания благоприятных условий для роста и развития растений, обеспечивающих достижение положительного результата в течение одного вегетационного периода, отсутствия необходимости в дополнительных затратах на выполнение работ по закреплению почв и подсеву семян, на закупку семенного материала и поддержание температуры, требуемой для получения полимера-структурообразователя путем смешения.

Изобретение относится к области экологии и может быть использовано для закрепления почвогрунтов, оголенных или нарушенных на территории предприятий, осуществляющих добычу и транспортировку газа в различных природно-климатических условиях. Способ закрепления и восстановления почвенно-растительного покрова нарушенных земель с использованием биоразлагаемого полимера-структурообразователя на водной основе включает подготовку участка, внесение в поверхностный слой почвогрунта семян многолетних трав, заделывание семян на глубину 1-2 см, укатывание и обработку почвогрунта биоразлагаемым полимером-структурообразователем. При этом биоразлагаемый полимер-структурообразователь содержит растворенные в 10000 г на 1 м² почвы водной фазы поливинилпирролидон с высокой и средней молекулярной массой, анионный полиакриламид и минеральные удобрения. Причем указанный поливинилпирролидон содержится в диапазоне 1,8-3,6 г на 1 м² почвы, а анионный полиакриламид содержится в диапазоне 5,4-10,7 г на 1 м² почвы. Технический результат – повышение устойчивости почв к водно-эрозионным процессам, улучшение агрофизических и структурных свойств почв, ликвидация последствий негативного воздействия на окружающую среду, сокращение сроков и энергетических затрат при восстановлении техногенно-нарушенных участков. 2 з.п. ф-лы, 2 табл.

1. Способ закрепления и восстановления почвенно-растительного покрова нарушенных земель с использованием биоразлагаемого полимера-структурообразователя на водной основе, включающий подготовку участка, внесение в поверхностный слой почвогрунта семян многолетних трав, заделывание семян на глубину 1-2 см, укатывание и обработку почвогрунта полимером, при этом в качестве полимера применяют биоразлагаемый полимер-структурообразователь на водной основе, содержащий растворенные в водной фазе, взятой в количестве 10000 г на 1 м² почвы, поливинилпирролидон с высокой и средней молекулярной массой из расчета внесения 1,8-3,6 г на 1 м² почвы, анионный полиакриламид в диапазоне 5,4-10,7 г на 1 м² почвы и дополнительно минеральные удобрения.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в грунт на глубину 5-10 см предварительно вносят гидрогель.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в грунт на глубину 5-10 см предварительно вносят альгинат натрия.