4.7. Рекультивация загрязненных земель

Химическое загрязнение геосистем и принципы рекультивации загрязненных земель Проблема загрязнения должна решаться с учетом переноса и трансформации техногенных продуктов в компонентах геосистемы и в трофических цепях. Загрязнение по своей сущности будь то природное или антропогенное – это внедрение (инъекция) различных веществ в абиотические и биотические компоненты геосистемы, обуславливающая негативные токсико-экологические последствия для биоты.

При изучении процессов загрязнения и их описания необходимо опираться на знания о свойствах геосистемы, межкомпонентных связях и экологических законах. Это позволяет:

- обоснованно членить большую территорию на генетически однородные образования по практически полной совокупности признаков, что повышает достоверность и репрезентативность результатов исследований и прогнозирования процессов загрязнения, оптимизирует объем работ по описанию процессов загрязнения;

- выявлять объективные связи между отдельными элементами ландшафта, которые предопределяют структуру линейных горизонтальных моделей переноса загрязняющих веществ;

- обеспечивать пространственную полноту описания процессов загрязнения, поскольку любой ландшафт состоит из земель разного назначения;

- знать и выделять объекты риска по величине последствий загрязнения геосистемы.

Можно считать, что геосистемы становятся загрязненными, когда накопление в них загрязняющих веществ, а также формы их нахождения приводят к следующим процессам:

- нарушение газовых, концентрационных, окислительно-восстановительных функций биоты, вызывающих утрату ее геохимического самоочищения;

Рекомендуемые материалы

- изменение биохимического состава продукции биоты, вызывающее нарушение жизненных функций цепей в данной геосистеме и за ее пределами при отчуждении биологической продукции;

- снижение биологической продуктивности геосистемы;

- уменьшение информативности геосистемы, т.е. разрушение генофонда, необходимого для ее существования.

Загрязнение может вызываться природными процессами, но часто - это результат деятельности человека. Антропогенное загрязнение почв можно разделить на коммунальное, сельскохозяйственное, промышленное и военное.

Коммунальное загрязнение связано с функционированием населенных пунктов, при котором в природную среду сбрасываются продукты жизни и деятельности людей в местах их поселения: сточные воды, бытовые отходы, мусор и т.п.

Сельскохозяйственное загрязнение возникает на больших территориях как последствие применения средств борьбы с болезнями и вредителями культурных растений, с сорной растительностью (пестициды, инсектициды, гербициды), при внесении повышенных доз минеральных и органических удобрений. Сюда же можно отнести загрязнение при использовании для орошения сточных вод, в том числе и промышленных, с удобрительной и увлажнительной целью и при использовании для полива вод с повышенной минерализацией.

Промышленное загрязнение на больших территориях возникает при попадании в почву через атмосферу или с дождем и снегом паров, аэрозолей, пыли или растворенных полютантов. Локальное загрязнение возникает в местах хранения отвалов, отходов и т.п.

Военное загрязнение возникает при ведении боевых действий, маневров, испытании боевой техники.

Объектами загрязнения могут быть все компоненты геосистемы, но основное внимание нужно уделять загрязнению почв по следующим причинам:

- почва, являясь по определению В.В. Докучаева наружной оболочкой суши, в первую очередь воспринимает удар от многих  загрязнителей, аккумулирует большой объем загрязняющих веществ;

- загрязненная почва, будучи средой обитания  сельскохозяйственных растений, предопределяет возможность нарушения их жизнедеятельности и другие, связанные с этим последствия;

- почва, как активно действующее органоминеральное тело, способна значительно трансформировать загрязняющие вещества, связывать их в неподвижные формы и даже разрушать;

- почва, трансформируя потоки влаги и содержащих в ней веществ, регулирует в известных пределах загрязнение подстилающих горных пород, подземных и связанных с ними поверхностных вод, т.е. выполняет природоохранную функцию.

Принято выделять три уровня оценки состояния загрязненных почв:1) -относительно удовлетворительная ситуация; 2) – чрезвычайная экологическая ситуация; 3) – экологическое бедствие (табл. 7).

Таблица 7. Параметры загрязнения для оценки экологического состояния почв

Почвы селитебных территорий

Почвы сельскохозяйственных земель

Химическое загрязнение почв оценивается по суммарному химическому показателю Z_c, который рассчитывается как сумма коэффициентов концентраций загрязняющих веществ

                  ;                                          (68)

где, n – число определяемых элементов;

      K_с – коэффициент концентрации i-го загрязняющего вещества; для селитебных территорий: =C_i /; для почв сельскохозяйственных земель:  = C_i / С_ПДКi ;

     C_i – концентрация i-го загрязняющего вещества;

    – фоновое содержание i-того вещества (табл. 8);

    Cпдк_i – предельно допустимая концентрация загрязняющего вещества (табл. 9).

Таблица 8. Фоновое содержание валовых форм тяжелых

металлов и мышьяка, мг/кг

Оценка загрязнения сельскохозяйственной продукции проводится путем сравнения исходного содержания конкретного вещества с предельно допустимой концентрацией (табл. 10).

Таблица 9. Значения предельно допустимых концентраций химических веществ в почве

Таблица 10. Предельно допустимые концентрации химических элементов в продовольственном сырье и  пищевых продуктах, мг/кг сырого веса

Каждому уровню загрязнения должен соответствовать уровень рекультивации, опирающийся на систему мер предыдущего уровня.

При первом уровне загрязнения рекультивация имеет предупредительное и оздоровляющее назначение. На этом уровне осуществляется регулирование подвижности и трансформации загрязняющих веществ, поддержание или повышение плодородия почвы, применение мероприятий почвозащитного земледелия; проводится агромелиорация и фиторекультивация, культивируются устойчивые к загрязнению культурные растения. Здесь же рассматриваются сценарии снижения, стабилизации или возможного повышения уровня загрязнения от выявленных источников, а в рамках пилотных проектов или опытно-производственных испытаний отрабатываются способы рекультивации для конкретных условий.

Для почв, имеющих чрезвычайную экологическую ситуацию, т.е. второй уровень загрязнения, необходимо создавать инженерно-экологические системы, предназначенные для управления техно-природными процессами на больших территориях.

На почвах, относящихся к зоне экологического бедствия, проводится санитарно-гигиеническая рекультивация, создаются инженерно-экологические системы, осуществляется ремонт, замена или полная ликвидация отдельных участков загрязненных компонентов геосистемы, например: ликвидация и утилизация почвенного слоя, загрязненного радиоактивными веществами и т.д.

Рекультивация земель, загрязненных тяжелыми металлами. Загрязнение почв тяжелыми металлами приводит к образованию кислой или щелочной реакции почвенной среды, снижению обменной емкости катионов, потери питательных веществ, к изменению плотности, пористости, отражательной способности, к развитию эрозии, дефляции, к сокращению видового состава растительности, ее угнетению или к полной гибели.

Прежде, чем начать рекультивацию таких земель необходимо установить источник и причины загрязнения, провести мероприятия по снижению выбросов, локализации или ликвидации источника загрязнения. Только при таких условиях может быть достигнута высокая эффективность рекультивационных работ.

Ориентиром для разработки состава работ по рекультивации земель в первую очередь служит приоритетное вещество, вызывающее ухудшение экологического состояния почв и качество сельскохозяйственной продукции, а ожидаемая подвижность других опасных веществ должна регулируется специальными или комплексными мероприятиями.

Рекультивация земель, загрязненных тяжелыми металлами, осуществляется с использованием следующих способов:

1) Культивирование устойчивых к загрязнению культурных и дикорастущих растений. На загрязненных землях сельскохозяйственного назначения проводится реорганизация и переориентация сельскохозяйственного производства за счет введения новой структуры растениеводства, обеспечивающей получение качественной продукции. В зонах с чрезвычайной экологической ситуацией, имеющих многоэлементный набор загрязнителей, целесообразно переходить с производства овощей на зерно-кормовые севообороты и развитие животноводства с особым режимом содержания животных, например, со стойловым и кормлением разбавленными кормами или с выгоном на загрязненные и чистые луга.

Переход на другие сельскохозяйственные культуры определяется различной их отзывчивостью на уровень содержания металлов в почве, причем эта отзывчивость у растений проявляется как в зависимости от вида, сорта, так и по распределению металлов в вегетативных и регенеративных органах. Различное накопление тяжелых металлов в растениях вызвано существованием биологических барьеров в системе: почва - корень – стебель (листья) – регенеративный орган. Обычно наибольшее накопление тяжелых металлов наблюдается в вегетативных органах, наименьшее – в регенеративных, например, при содержании в почве 800мг/кг свинца в соломе ржи обнаружено 9 мг/кг, а в зерне – 0,9мг/кг. Отзывчивость растений на отдельные металлы можно проследить на примере кадмия, наиболее чувствительными к избытку кадмия являются соя, салат, шпинат, а устойчивыми - рис, томат, капуста.

С учетом конкретных условий на почвах, загрязненных тяжелыми  металлами, можно  выращивать  следующие  устойчивые культуры: зерновые колосовые, злаковые травы, картофель, капусту, томаты, хлопчатник, сахарную свеклу.

2) Рекультивация почв с помощью растений (фиторекультивация), способных накапливать тяжелые металлы в вегетативных органах. Установлено, что дерево за вегетационный период вдоль автомобильной дороги способно накапливать в себе количество свинца, равное его содержанию в 130 кг бензина, поэтому в населенных пунктах с загрязненными районами листовой опад целесообразно собирать и утилизировать. Для очистки почв от цинка, свинца и кадмия необходимо выращивать большой горец, от свинца и хрома – горчицу, от никеля - гречиху и т.д. (табл. 5), при загрязнение радиоактивными изотопами можно использовать вику, горох, люцерну, махорку.

3) Регулирование подвижности тяжелых металлов в почве. Поглощение тяжелых металлов растениями зависит от содержания их подвижных форм в почве. Существование подвижных форм определяется свойствами и плодородием почв, биогеохимическими процессами, интенсивностью и объемами поступления тяжелых металлов в почву, выносом растениями. Поведение тяжелых металлов в почве и способы управления их содержанием вытекают из теории геохимических барьеров, а рекультивация загрязненных почв сводится к созданию дополнительных барьеров, управлению существующими барьерами или к ослаблению некоторых из них.

Почвы, тяжелые по механическому составу и имеющие высокое плодородие, содержат меньше подвижных форм тяжелых металлов, чем почвы легкие и малопродуктивные. Многие из металлов, относящиеся к первому классу опасности, в нейтральной почвенной среде образуют трудно растворимые соединения, а в кислой – легко растворимые. Кадмий наиболее подвижен в кислой среде и слабо подвижен в нейтральной и щелочной среде. К подвижным в кислой среде относятся химическим соединениям, содержащие катионы Zn, Сu, Pb, Cd, Sr, Mn, Ni, Co и др. К подвижным в нейтральной и щелочной среде – Mo, Cr, As, V, Se.

В равных условиях  наименьшей  растворимостью  обладают фосфаты и сульфиды тяжелых металлов, из карбонатных соединений меньшую растворимость имеют соединения ртути, свинца и кадмия. Гидроксиды тяжелых металлов образуют трудно растворимые формы в слабокислых и нейтральных средах, исключением являются гидроксид Fe (рН = 2,5) и Al (рН = 4,1).

На подвижность оказывают влияние органические вещества с малой молекулярной массой, фульвокислоты и гуминовые кислоты, так количество подвижной меди изменяется от 4,5 мг/кг до 2,0 мг/кг при изменении содержания гумуса в почве от 0,6 до 6,5%. Адсорбция свинца почвой при изменении содержания в ней гумуса от 2,5% до 7,0% возрастает с 5 мкг/кг до 20 мкг/кг.

Внесение в почву жидкого навоза и слабо разложившихся органических веществ повышает подвижность тяжелых металлов за счет образования низкомолекулярных водорастворимых комплексов. Поступление тяжелых металлов в растения по степени их подвижности: кадмий – свинец – цинк - медь.

Для регулирования подвижности соединений тяжелых металлов в почве используют известкование, гипсование, внесение органических и минеральных удобрений, землевание (внесение глины или песка).

При рекультивации земель, загрязненных тяжелыми металлами, значительное внимание уделяется поддержанию и образованию в почве труднорастворимых соединений. Для этого в дополнение к приведенным способам используют искусственные и природные адсорбенты. К природным относятся торф, мох, черноземные почвы, сапропель, бентонитовые и бентонитоподобные глины, глауконитовые пески, клиноптилолиты, опоки, трепелы, диатомиты. Искусственные адсорбенты создаются в результате активации или смешения природных адсорбентов, например, активированный уголь, алюмосиликатные и железо-алюмосиликатные адсорбенты, углеалюмогели, адсорбент «СОРБЭКС», ионообменные смолы, полистирол.

Избирательная способность адсорбентов может быть ориентирована на определенные металлы, например, при использование адсорбента  «МЕРКАПТО-8-ТРИАЗИН»  кадмий,  свинец, ртуть и никель переходят в недоступные для растений соединения (опыт Японии, Франции, Германии и других стран), применение клиноптололита значительно снижает поступление свинца, хрома, кадмия, меди, цинка в растения и т.д..

4)Регулирование соотношений химических элементов в почве. В основе этого способа лежит антагонизм и синергизм химических элементов, т.е. когда один элемент препятствует или способствует поступлению другого в растение, например, цинк препятствует поступлению ртути, а избыток фосфора приводит к снижению токсичности цинка, кадмия, свинца и меди, присутствие кальция может создать для одних металлов антагонистические, а для других синергические условия, в плодородной почве цинк и кадмий противостоят закреплению меди и свинца, а в малоплодородной почве процесс может развиваться в обратном направлении.

5)Создание рекультивационного слоя, замена или разбавление загрязненного слоя почвы может проводиться по многослойной схеме, а также путем нанесения одного слоя почвы на предварительно экранированную или неэкранированную загрязненную поверхность. Разбавление загрязненного слоя проводится землеванием чистой почвы с последующим смешением, разбавление может также проводится с помощью глубокой вспашки, когда верхний загрязненный слой перемешивается с чистым нижним слоем. Применяют снятие загрязненного слоя и его переработку, или снятие загрязненной почвы с последующей очисткой и возвращением обратно, но обычно такие операции проводят на небольших участках, они являются дорогостоящим способом рекультивации.

Для рекультивации больших территорий, включающих селитебные и рекреационные зоны населенных пунктов, сельскохозяйственные угодий, испытывающие длительное загрязнение, можно применить следующую комплексную схему:

- существенное сокращение выбросов предприятиями (техноло-

гический барьер);

- строгое дозирование химических средств защиты растений, оптимальное регулирование питательного и кислотного режимов почвы (технологический барьер);

- управление водными миграционными потоками за счет организации поверхностного стока, создания ливневой канализации, дренажных с последующей очисткой стоков (механический барьер).

- усиление сорбционного барьера почвенного слоя, необходимого для существенного уменьшения количества подвижных соединений тяжелых металлов, которые поступают в растения и загрязняют продукцию, в тоже время общее количество металлов в почве может не только не уменьшается, но даже расти за счет уменьшения подвижности.

- дополнительно к этому - минимизация инфильтрационной составляющей водного режима почвенного слоя в условиях полива зеленых насаждений, газонов, огородных, сельскохозяйственных и других культур, т.е. выполнение мероприятий, направленных, с одной стороны, на некоторое ослабление гидрофизического барьера, но с другой - необходимых для закрепления эффекта от усиления сорбционного барьера.

Уменьшение количества подвижных соединений при внесении сорбента фактически ослабляет перераспределение общего содержания металлов по почвенному профилю под действием нисходящих токов влаги и приводит к избыточной аккумуляции металлов в самом верхнем слое. Ослабление гидрофизического барьера путем регулируемой инфильтрации способствует перераспределению металлов, так как происходит разбавление почвенного раствора и одновременное уменьшение трудно растворимых соединений за счет десорбции.

Такое мероприятие можно считать возможным, поскольку при значительном загрязнении почв и грунтовых вод токсичными веществами необходимо создавать инженерно-экологическую постоянно действующую систему управления потоками вещества в компонентах: почва - грунтовые воды. Подобная система обеспечивает рекультивацию загрязненных почв и грунтовых вод, а также служит барьером для поступления техногенных продуктов в реки и другие места разгрузки подземных стоков. Для количественного обоснования этих мероприятий используются математические модели передвижения влаги, а также тяжелых металлов с учетом их сорбции и отбора корнями растений. Эти модели описаны в п.2.3 и 2.8.

Рекультивация земель, загрязненных нефтью и нефтепродуктами. Мероприятия по рекультивации почв, загрязненных нефтью и нефтепродуктами, необходимо назначать с учетом критериев оценки экологической обстановки территорий (табл. 7). Однако сложность этой оценки определяется отсутствием в нашей стране обоснованных ПДК нефтепродуктов в почве.

В Нидерландах для оценки загрязнения почв применяют три уровня: 1 – фоновый с содержанием нефтепродуктов 50 мг/кг сухой почвы; 2 – повышенное загрязнение - 1000мг/кг, при котором выявляются и устраняются причины загрязнения, организовывается мониторинг; 3 – высокое загрязнение - 5000 мг/кг, при котором назначается рекультивация почв и грунтовых вод.

В Инструкции по рекультивации земель, введенной на предприятиях Миннефтепрома в 1987 г., ориентировочный уровень сильного загрязнения почв нефтепродуктами равен от 5000 до 10000мг/кг для мерзлотно-тундровых районов, и свыше 60000 мг/кг - для степных районов.

Для оценки загрязнения предлагается считать нижним пределом такое содержание нефтепродуктов, при котором за счет самоочищающей способности почвы в течение одного года восстанавливается продуктивность или нормализуются микробиологические процессы.

Исходя из этих посылок, норматив содержания нефти и нефтепродуктов для целей рекультивации должен определяться с учетом характера регионального загрязнения и природных условий, обуславливающих самоочищающую способность компонентов геосистем.

Организация рекультивационных работ на  землях,  загрязненными нефтью и нефтепродуктами, должна проводится по уровненной схеме, сформулированной выше.

Состав работ первого уровня направлен на активизацию почвенных микроорганизмов по деструкции углеводородов. Сюда входит рыхление почвы, внесение извести, гипса, высоких доз органических и минеральных удобрений с последующей запашкой, создание мульчированной поверхности из высоко питательных смесей, посев повышенными нормами нефтетолерантных растений; возможны варианты применения сложных комплексов: NPK + навоз; NPK + известь; NPK + известь + навоз.

В качестве устойчивых культур при сильном загрязнении можно выращивать ежу сборную и полевицу белую; при среднем загрязнении, кроме указанных, тимофеевку, овсяницу красную, кострец безостый, люпин многолетний, бекманнию восточную, канареечник, лядвенец рогатый, клевер и люцерну. Использование этих растений для корма животных должно строго контролироваться, поскольку в них могут накапливаться такие канцерогены, как полициклические ароматические углеводороды.

Рекультивацию земель, соответствующих уровню чрезвычайно экологической ситуации и экологического бедствия, проводят как систему мероприятий в составе инженерно-экологической системы. Создание такой системы обусловлено высокой подвижностью нефтепродуктов в компонентах геосистемы, особенно при длительном загрязнении почв, и образованием больших ареалов свободных и связанных нефтепродуктов на границе раздела зоны аэрации и подземных вод. Подобные антропогенные залежи нефтепродуктов формируются вблизи складов топливно-смазочных материалов, нефтебаз и нефтеперерабатывающих заводов. Сам факт существования антропогенных залежей вызывает опасность загрязнения не только почв на сопредельных к источнику территориях, но и гидравлически связанных с ней подземных и поверхностных вод. Поэтому, реализуемыми задачами инженерно-экологической системы являются удаление подвижных нефтепродуктов, рекультивация почв, защита рек и водозаборов от загрязнения  нефтепродуктами  с  одновременной локализацией очагов загрязнения подземных вод.

Управляемая система в течение длительного периода (в течение нескольких десятков лет) предотвращает распространение неизвлекаемой части нефтепродуктов из залежи в городские водозаборы и в реки, регулирует концентрацию легких углеводородов в зоне аэрации и снижает пожароопасную опасность, обеспечивает на основе экологического мониторинга управление гидрохимическими и биологическими режимами почв, грунтов подземных и поверхностных вод.

Основу системы могут составлять такие инженерные сооружения, как дамбы обвалования, стена в грунте, нагнетательные скважины, горизонтальный и вертикальный дренаж, добывающие скважины, а также мероприятия по технической и биологической рекультивации загрязненных земель.

Состав мероприятий и функции управляемой системы:

- дамба обвалования и мероприятия по организации поверхностного стока предназначены для защиты загрязненной территории от затопления во время паводка и предотвращения поверхностного смыва нефтепродуктов, аккумулированный поверхностный сток должен направляться после предварительного биодеструктирования и доочистки в водооборотные системы промышленных предприятий;

- стена в грунте, представляющая собой противофильтрационную завесу и устраиваемая по контуру нефтяной залежи;

- нагнетательные скважины обеспечивают подъем и вытеснение подвижных нефтепродуктов к добывающим скважинам;

- добывающие скважины, в пределах контура нефтяной залежи в регулируемом режиме откачивают нефтепродукты и загрязненные подземные воды, которые направляются на очистные сооружения;

- рекультивация загрязненных земель в условиях регулирования гидрохимического режима почв обеспечивает восстановление их продуктивности и создает условия для получения качественной растительной продукции на приусадебных участках и сельскохозяйственных угодьях;

Управление инженерно-экологической системой должно осуществляться на основе экологического мониторинга, проводимого на рекультивируемой территории.

Состав рекультивационных работ определяется с учетом содержания нефтепродуктов, включает мероприятия по рекультивации на слабо загрязненных почвах и использование биодеструкторов, таких как «Валентес», «Лидер», «Аллегро», «Биоприн», «Торнадо», «Руден», «Путидойл», «Дизойл», на сильно загрязненных почвах. Результативность биодеструкторов обеспечивается активностью микроорганизмов по отношению к углеводородам, особенно в условиях хорошей аэрации, благоприятного водного, температурного (от +5 до +30 градусов) и питательного режимов почвы. Примером эффективности работы биодеструкторов может служить препарат «Дизойл», благодаря действию которого за 10 суток снижение содержания нефти в поверхностном слое почвы снижается до 30% исходного.

В составе рекультивационных работ второго уровня проводится замена загрязненного слоя путем удаления последнего или создание рекультивационного слоя способом смешения замазученных и чистых слоев почвы с внесением органоминеральных и бактериальных активаторов (керамзитовых окатышей, навоза, биодеструктуров), устройство поглотительно-экранирующих слоев под загрязненным слоем из минеральных грунтов и извести.

Одной из комплексных схем рекультивационных работ может быть следующая:

1 год - рыхление загрязненной почвы для ее дегазации и стимулирования биохимических процессов;

2 год - применение биодеструкторов и регулирование для этой цели питательного и водного режимов почв;

3 и последующие годы - выращивание устойчивых культур до получения качественной продукции.

"Газовая промышленность" - тут тоже много полезного для Вас.

Почвы с высоким уровнем загрязнения могут направляться на переработку с целью добычи извлекаемой части нефтепродуктов, после чего их рекультивируют в стационарных или полевых условиях.

Рекультивация земель, загрязненных пестицидами. К пестицидам относятся органические и неорганические соединения, применяемые для борьбы с вредителями и болезнями растений, сорняками, а также для ускорения созревания регенеративных органов ряда культур, убираемых с помощью машин. В мире на один гектар в среднем вносится 300 г. химических средств защиты растений.

Оценка почв, загрязненных остаточным количеством пестицидов, проводится путем сравнения исходного содержания с санитарно-гигиеническими нормативами. ПДК для некоторых из них составляет: атразин – 0,01 мг/кг почвы, ДДТ – 0,1 мг/кг, линурон – 1,0 мг/кг, купроцин – 1,0 мг/кг, симазин – 0,01мг/кг.

Основной задачей рекультивационных работ на почвах, загрязненных пестицидами, является активизация процессов разложения их остаточных форм. Для этого применяются биодеструкторы, ориентированные на разложение определенных соединений, проводится ультрафиолетовое облучение растений и почв, вносятся органические и минеральные удобрения, проводятся агротехнические и агромелиоративные мероприятия.

В качестве специальных мероприятий применяют химические мелиоранты, сокращающие время полураспада пестицидов или образующие нетоксичные соединения, вносят природные и искусственные сорбенты, проводят известкование, вводят в севообороты культуры, способные усваивать отдельные соединения, например, выращивание кукурузы, рапса и люпина для очистки почв от атразина, линурона и др.