RU2777529C1 - Способ детоксикации почвы, загрязненной тяжелыми металлами - Google Patents

Способ детоксикации почвы, загрязненной тяжелыми металлами Download PDF

Info

Publication number
RU2777529C1
RU2777529C1 RU2022101471A RU2022101471A RU2777529C1 RU 2777529 C1 RU2777529 C1 RU 2777529C1 RU 2022101471 A RU2022101471 A RU 2022101471A RU 2022101471 A RU2022101471 A RU 2022101471A RU 2777529 C1 RU2777529 C1 RU 2777529C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
soil
heavy metals
soils
biochar
straw
Prior art date
Application number
RU2022101471A
Other languages
English (en)
Inventor
Людмила Вячеславовна Галактионова
Надежда Алексеевна Терехова
Святослав Валерьевич Лебедев
Вера Васильевна Юрак
Алексей Владимирович Душин
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Уральский государственный горный университет"
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Уральский государственный горный университет" filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Уральский государственный горный университет"
Application granted granted Critical
Publication of RU2777529C1 publication Critical patent/RU2777529C1/ru

Links

Abstract

Изобретение относится к области охраны окружающей среды и может быть использовано для снижения токсичности почвы населенных пунктов и земель сельскохозяйственного назначения. Способ включает внесение сорбента, состоящего из биоугля, соломы и силикагеля в соотношении 40%:40%:20% с минимальным сроком его экспозиции 30 суток. Техническая проблема, на решение которой направлено заявленное изобретение, выражается в расширении арсенала экологически безопасных способов детоксикации почв, способствующих уменьшению их биотоксичности. Техническим результатом изобретения является снижение содержания подвижной формы тяжелых металлов в почвах и, как следствие, их доступности для живых организмов. 2 табл.

Description

Область техники, к которой относится изобретение.
Изобретение относится к области охраны окружающей среды и может быть использовано для снижения токсичности почвы населенных пунктов и земель сельскохозяйственного назначения.
Уровень техники.
Результатом активной индустриализации и урбанизации окружающей среды является поступление загрязнителей. В перечне контаминаторов тяжелые металлы продолжают удерживать лидирующие позиции. При поступлении в почву они образуют комплексы с минеральными и органическими компонентами, что увеличивает их токсичность [1]. Подавление процессов жизнедеятельности растений и почвенных животных зависит от способности ионов тяжелых металлов переходить в почвенный раствор, эту форму элементов называют подвижной.
В настоящее время широкое распространение получили различные способы снижения доступности тяжелых металлов и их детоксикации в почве [2]. Так известен способ очистки почв от тяжелых металлов суть которого заключается в высадке травосмеси состава: 30 % тимофеевка луговая, 10 % райграс высокий, 20 % донник желтый, 30 % овсяница луговая, 10 % люцерна желтая с нормой внесения семян 15-20 кг/га, с последующим ее скашиванием в период вегетации и уборкой. А на стадии проведения грубых планировочных работ осуществляют обогащение почвы буроугольной крошкой с нормой внесения 200-220 кг/га [3]. Однако такой способ предполагает использование бурого угля, высокая гигроскопичность которого ограничивает его использование в районах с недостаточным атмосферным увлажнением.
Известен способ очистки почв от тяжелых металлов, путем выращивания растений-фитомелиорантов, а именно сафлора, который высевают в загрязненную почву из расчета 20-22 кг/га, затем доводят растения до фазы окончания цветения и начала отмирания нижних листьев, после чего полностью удаляют из почвы [4]. Недостатком такого метода является проблема накопления биомассы растений, т.к. необходимость дальнейшей транспортировки и утилизации скошенной фитомассы увеличивает риски вторичного загрязнения окружающей среды.
Известен способ детоксикации дерново-подзолистых почв, который перед посевом культурных растений предусматривает их экспозицию с природным цеолитом в дозе 100 - 250 кг/га [5]. Недостатком указанного подхода является ограниченное его использование для почв лесной зоны, загрязненных гербицидами, что не решает задачи детоксикации почв, загрязненных тяжелыми металлами.
Наиболее близким к предложенному изобретению по технической сущности и количеству совпадающих признаков является способ адсорбционной подготовки почвы к фиторемедиации, заключающийся в использовании смеси адсорбентов гидрофильной (вермикулит или клиноптилолит) и гидрофобной природы (активированный уголь) в соотношении 1:3 для снижения содержания полютантов [6]. Недостатком способа является высокая стоимость активированного угля.
Техническая проблема, на решение которой направлено заявленное изобретение, выражается в расширении арсенала экологически безопасных способов детоксикации почв, способствующих уменьшению их биотоксичности.
Техническим результатом предполагаемого изобретения является снижение содержания подвижной формы тяжелых металлов в почвах и, как следствие, их доступности для живых организмов.
Указанный технический результат достигается за счет внесения в загрязненную почву сорбента, состоящего из биоугля, соломы и силикагеля в соотношении 40 %:40 %:20 % с минимальным сроком его экспозиции 30 суток, обеспечивающего поглощение ионов тяжелых металлов и снижение фито- и зоотоксичности.
Осуществление изобретения.
Способ разрабатывался на базе Федерального научного центра биологических систем и агротехнологий Российской Академии Наук (ФГБНУ ФНЦ БСТ РАН), г. Оренбург. Для оценки эффективности предлагаемого изобретения в качестве прототипа был взят способ адсорбционной подготовки почвы к фиторемедиации с использованием адсорбентов гидрофильной (вермикулит или клиноптилолит) и гидрофобной природы (активированный уголь) в соотношении 1:3.
Для выполнения способа детоксикации смешивают предварительно высушенные и измельченные биоуголь и солому с силикагелем в соотношении 40 %:40 %:20 %.
Для реализации изобретения был взят биоуголь, который характеризовался удельной поверхностью от 500 до 1500 м2/г, влажностью и зольностью, не превышающей 5 %, соответствующий ГОСТу 7657-84, с содержанием углерода не менее 85 % (производитель ООО «ВСК», г. Таруса, Россия). Кластерная структура биоугля обеспечивает пролонгированную необратимую сорбцию ионов тяжелых металлов из почвенного раствора.
Внесение соломы (пшеницы) обогащает ее грубым органическим веществом, включающимся в процессы гумификации и обеспечивающим стимулирование процессов жизнедеятельности растений и животных.
Силикагель представляет собой синтетический сорбент с удельной поверхностью до 1000 м2/г, поглощающий тяжелые металлы всем объемом. Он безопасен для живых организмов, устойчив к воздействию факторов окружающей среды и долго сохраняет свою сорбционную активность. В ходе исследования был использован Силикагель КСКГ (диоксид кремния, высушенный гель поликремниевой кислоты, соответствующий ГОСТу 3956-76, производитель ООО «Ноябрь», Московская обл., Люберецкий р-он, п. Томилино, Россия).
Объектом исследования послужили почвы, отобранные на участке, расположенном на расстоянии 250 м (51.442919 N, 57.566141 E) к юго-западу от металлургического комбината ООО «Медногорский медно-серный комбинат» (Оренбургская область, Россия). Почвенный покров участка был представлен черноземом южным легкосуглинистого гранулометрического состава. Отбор проб на участке проводился методом «конверта» в соответствии с ГОСТом 17.4.4.02.84. Всего было отобрано по 5 образцов массой не менее 3,5 кг из слоя 0-20 см. Почвы участка отбора проб характеризовались содержанием гумуса 1,5 %, плотностью 0,97-1,04 г/см3 при мощности гумусового горизонта от 23 до 27 см, слабокислой реакцией почвенного раствора (рНKCl 5,7), превышением значений ПДК по содержанию подвижной формы цинка (7,5 ПДК), никеля (1,15 ПДК) и фонового содержания кадмия в 7,69 раз.
Почву предварительно высушивали, просеивали через сита 5 мм и помещали в пластиковые контейнеры по 300 г. Далее в каждый контейнер вносили сорбенты, а контролем послужила почва без их внесения.
Таким образом варианты опыта включали:
№ 1. Без внесения сорбента;
Внесение сорбентов:
№ 2. Вермикулит : Активированный уголь (1:3) (прототип);
№ 3. Солома : Биоуголь (50 %:50 %);
№4. Солома : Биоуголь : Силикагель (40 %:40 %:20 %).
Каждый вариант опыта был проведен в 10-кратной повторности. Далее почву увлажняли до влажности 70 % и давали высохнуть в естественных условиях. Процедуру увлажнения и высушивания повторяли до 5-7 раз для максимального проявления адсорбционных характеристик предлагаемых сорбентов в течение 30 суток. Затем проводили определение фито- и зоотоксичности почв, а также содержания подвижной формы тяжелых металлов.
Исследование проводили общеизвестными методами в соответствии с ISO 11269-1:2012 и ISO 11269-2:2012 с использованием тест-культуры гороха посевного сорта «Флагман 12» и мягкой яровой пшеницы сорта «Учитель» [7, 8]. В контейнер высаживали до 20 семян растений и оценивали витальные (всхожесть) и морфометрические (длина корня и ростка) показатели. Фитотоксичность почв рассчитывали, как величину обратную всхожести. Из морфометрических показателей определяли длину корней и ростков (см), затем эти показатели суммировали, учитывая общую длину растения (L, см) рассчитывали индекс толерантности (IT) растений:
L=Lкорня+Lростка,
IT=Lвар / Lпрототип*100%
Где: IT - индекс толерантности, %;
L вар - длина исследуемого растения в целом, см;
L прототип - длина растения в варианте обработки - прототип, см.
Оценка зоотоксичности почв осуществлялась согласно ISO 11268-1:2012 [9]. Для проведения исследования дождевые черви (Eisenia fetida) были промыты дистиллированной водой и выдержаны в течение 24 ч на фильтровальной бумаге в чашках Петри. Десять здоровых особей дождевых червей внесли в контейнеры с почвой, которые закрыли перфорированной крышкой для предотвращения потери влаги и поместили в темное место для хранения. Эксперимент проводили в течение 28 суток при постоянном увлажнении и температуре воздуха 22 (2 в 10 повторностях. Контейнеры ежедневно осматривали на предмет извлечения мертвых особей. По завершению эксперимента была рассчитана зоотоксичность почв, как доля погибших в ходе эксперимента особей, выраженная в процентах.
Определение содержания подвижной формы тяжелых металлов проводилось методом инверсионной вольтамперометрии (ПНД Ф 16. 1:2:2.2:2,3.47-06) с помощью анализатора АКВ-07 МК (АО «Аквилон», г. Москва, Российская Федерация). Выбор элементов для анализа определялся тем фактом, что главным источником загрязнения почвенного покрова при производстве черновой меди и серной кислоты являются выбросы Cu, Zn, Pb, Cd и Ni.
Постановка опыта по оценке фитотоксичности почв показала, что всхожесть и морфометрические показатели растений в вариантах внесения вермикулита и активированного угля достоверно превышают аналогичные значения варианта без использования сорбентов (табл. 1). При этом фитотоксичность по отношению к яровой пшенице снижается более чем на 23% относительно варианта прототипа и по отношению к гороху посевному более чем на 39,2%. Индекс толерантности позволяет судить не только об увеличении морфометрических параметров, но и об устойчивости растений к внешним воздействиям. Его значения увеличивались при использовании всех вариантов сорбентов, но максимальное увеличение отмечено для состава солома, биоуголь и силикагель (40%:40%:20%) для яровой пшеницы более чем на 44,5%, а для гороха посевного на 42,3% относительно результатов, полученных в варианте прототипа.
Оценка изменения зоотоксичности загрязненных почв показала снижение показателя при внесении сорбентов различного состава, с минимальным значением (39%) в варианте внесения соломы, биоугля и силикагеля в соотношении 40%:40%:20%.
Определение содержания подвижной формы тяжелых металлов в загрязненных почвах показало, что внесение предлагаемого сорбента достоверно снижало концентрацию Zn более чем на 16,1%, Pb на 34,4% и Cd - 25,1% относительно прототипа (табл. 2). Уменьшение содержания относительно контроля отмечено для всех изученных элементов: Zn на 30,4%, Pb на более чем 39,2%, Cu - 36,05%, Cd - 40,7% и Ni на 32,3%. Внесение в загрязненные почвы сорбентов позволило снизить концентрацию ионов тяжелых металлов в почвенном растворе за счет их поглощения органическими и минеральными компонентами.
Таким образом, полученные результаты свидетельствуют о высокой эффективности использования сорбента, состоящего из соломы, биоугля и силикагеля взятых в соотношении 40%:40%:20% с минимальным сроком его экспозиции 30 суток для детоксикации почв, загрязненных тяжелыми металлами. Внесение которого снижает подвижность ионов металлов в почвенном растворе, их доступность и токсичность для растений и почвенных животных.
Список литературы:
1. Новиков С.Г. Экологическая оценка загрязнения тяжелыми металлами почв урбанизированных территорий по категориям землепользования (на примере г. Петрозаводска): автореф. дис.(канд. биол. наук. - Петрозаводск, 2014. - 24 с.
2. Jacukowicz-Sobala I, Ociński D, Kociołek-Balawejder E. Iron and aluminium oxides containing industrial wastes as adsorbents of heavy metals: Application possibilities and limitations. Waste Manag Res. 2015 Jul;33(7):612-29. DOI: 10.1177/0734242X15584841.
3. Патент RU №2712542 C1. Опубликовано 29.01.2020. Бюл. №4.
4. Патент RU №2007146036. Опубликовано 20.06.2009.
5. Патент RU №2759603 C1. Опубликовано 16.11.2021. Бюл. №32.
6. Патент RU №2692554 C1. Опубликовано 25.06.2019. Бюл. №18.
7. ISO 11269-1: 2012 Soil quality. Determination of the impact of pollutants on the flora of the soil. Part 1. Method for measuring root growth retardation. P. 24.
8. ISO 11269-2: 2012 Soil quality. Determination of the impact of pollutants on the flora of the soil. Part 2. Effects of chemicals on the growth of higher plants. P. 26.
9. ISO 11268-1:2012 (en) Soil quality - Effects of pollutants on earthworms - Part 1: Determination of acute toxicity to Eisenia fetida/Eisenia Andrei. P. 26.
Таблица 1
Биотоксичность почв, загрязненных тяжелыми металлами
Варианты опыта Фитотоксичность по отношению к яровой пшенице, % IT яровой пшеницы% Фитотоксичность по отношению к гороху посевному, % IT гороха посевного, % Зоотоксичность, %
Без внесения сорбента 77,1±0,87 100±0 85,3±0,39 100±0 90±1,09
Внесение сорбентов
Вермикулит : активированный уголь (1:3) (прототип) 53,0±0,63 113,4±0,48 49,2±0,97 137,8±0,68 60±1,65
Солома : Биоуголь (50 %:50 %) 48,3±0,33 129,9±0,39* 36,9±0,43* 157,1±0,29* 69±1,44
Солома : Биоуголь : Силикагель (40 %:40 %:20 % ) 30,0±0,49* 157,9±0,55* 10±0,6* 180,1±0,76* 39±1,09*
Примечание: * достоверно при р ≤ 0,05 (различие с прототипом).
Таблица 2
Содержание подвижной формы тяжелых металлов в черноземе южном после внесения сорбентов
Варианты опыта Zn, мг/кг Pb, мг/кг Cu, мг/кг Cd, мг/кг Ni, мг/кг
Без внесения сорбента 172,51 4,46 1,47 3,02 4,61
Внесение сорбентов
Вермикулит : активированный уголь (1:3) (прототип) 143,24 4,13 1,03 2,39 3,26
Солома : Биоуголь (50 %:50 %) 130,24 3,83 1,35 2,58 4,17
Солома : Биоуголь : Силикагель (40 %:40 %:20 % ) 120,12* 2,71* 0,94 1,79* 3,12
Примечание: * достоверно при р ≤ 0,05 (различие с прототипом).

Claims (1)

  1. Способ детоксикации почвы, загрязненной тяжелыми металлами, отличающийся тем, что в загрязненные тяжелыми металлами почвы вносят сорбент, содержащий биоуголь, солому и силикагель в соотношении 40%:40%:20%, и в течение не менее чем 30 суток обеспечивают его экспозицию.
RU2022101471A 2022-01-24 Способ детоксикации почвы, загрязненной тяжелыми металлами RU2777529C1 (ru)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2777529C1 true RU2777529C1 (ru) 2022-08-05

Family

ID=

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2406579C2 (ru) * 2008-12-08 2010-12-20 ООО ПКБ "Геотехнология" Состав для рекультивации загрязненных почв
CN109622594A (zh) * 2018-12-07 2019-04-16 重庆玖正环境科技有限公司 一种利用聚合物吸附法改善土壤重金属污染的方法
RU2692554C1 (ru) * 2017-12-25 2019-06-25 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А." (СГТУ имени Гагарина Ю.А.) Способ адсорбционной подготовки почвы к фиторемедиации
RU2707030C1 (ru) * 2019-05-13 2019-11-21 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тихоокеанский государственный университет" Состав для снижения пылевой нагрузки на экосферу и рекультивации поверхности хвостохранилища

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2406579C2 (ru) * 2008-12-08 2010-12-20 ООО ПКБ "Геотехнология" Состав для рекультивации загрязненных почв
RU2692554C1 (ru) * 2017-12-25 2019-06-25 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А." (СГТУ имени Гагарина Ю.А.) Способ адсорбционной подготовки почвы к фиторемедиации
CN109622594A (zh) * 2018-12-07 2019-04-16 重庆玖正环境科技有限公司 一种利用聚合物吸附法改善土壤重金属污染的方法
RU2707030C1 (ru) * 2019-05-13 2019-11-21 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тихоокеанский государственный университет" Состав для снижения пылевой нагрузки на экосферу и рекультивации поверхности хвостохранилища

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Ваганова Л.А., Лопарев Е.В., Рыкова А.И. Сорбционная активность соломы по отношению к ионам тяжелых металлов // Вестник КГУ. - Курган. - 2010, N 2, с. 86-88. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Garbowski et al. An overview of natural soil amendments in agriculture
Rao Responses of bryophytes to air pollution
Morera et al. Bioavailability of heavy metals in soils amended with sewage sludge
US20070227212A1 (en) Materials and methods for preparing dolomite phosphate rock-based soil amendments and fertilizers
CN103599922A (zh) 土壤重金属吸附剂
Mindari et al. Efficiency of various sources and doses of humic acid on physical and chemical properties of saline soil and growth and yield of Rice
Villar et al. Evaluation of three organic wastes for reclaiming burnt soils: improvement in the recovery of vegetation cover and soil fertility in pot experiments
Cao et al. Straw composts, gypsum and their mixtures enhance tomato yields under continuous saline water irrigation
Koiv et al. Reuse potential of phosphorus-rich filter materials from subsurface flow wastewater treatment filters for forest soil amendment
CN106631490B (zh) 一种农作物降镉富硒有机肥及其制备方法与应用
CN109365506B (zh) 一种适用于中碱性镉污染土壤的重金属钝化剂及其应用
RU2777529C1 (ru) Способ детоксикации почвы, загрязненной тяжелыми металлами
CN109913233B (zh) 一种水稻田土壤重金属钝化改良剂
Kerridge et al. Plant nutrient status of soils of the Atherton Tableland, North Queensland
Afaf et al. The importance of initial application of biochar on soil fertility to improve growth and productivity of tomato plants (Solanum lycopersicum L.) under drought stress
Al-Busaidi et al. Efficacy of soil amendments in organic farming systems
Castro et al. Lowest effective and optimum poultry manure dose for reclaiming burnt soils: pot experiments
Bermanec et al. Influence of digested wastewater sludge on early growth of the perennial ryegrass (Lolium perenne L.)
Aladesida et al. Nutrient analysis of three earthworm cast-types collected from Ikenne, Ogun state, Nigeria
Bilderback et al. Improving nutrient and moisture retention in pine bark substrates with rockwool and compost combinations
Suleiman et al. Effects of tillage and Terminalia catappa L. leaf compost on soil properties and performance of Capsicum chinense Jacq
Krutilina et al. Effect of zeolite and phosphogypsum on yield, plant uptake, and content of strontium in soil
Zhu et al. Effect of biochar on soil cadmium content and cadmium uptake of cotton (Gossypium hirsutum L.) grown in northwestern China.
Doula et al. Turning wastes into valuable materials: Valorization of pistachio wastes in agricultural sector
Soudejani et al. Incorporation of Mg-modified zeolite in municipal solid waste compost reduces heavy metal concentration in soil and corn plant