Оценка эффективности применения модифицированного сорбента на техногенно-загрязненных почвах

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Оценка эффективности применения модифицированного сорбента на техногенно-загрязненных почвах

М.П. Мещеряков

В.Н. Хавронина

Н.В. Кузнецова

В. Тронев

Е.Г. Мещерякова

Аннотация

Актуальность. Основными источниками загрязнения почв тяжелыми металлами являются промышленные предприятия и автотранспорт. Техногенная нагрузка на почвенные экосистемы возрастает с каждым годом. Тяжелые металлы, такие как цинк, свинец, медь, никель, кадмий и др., являются сильными экотоксикантами. Накапливаясь в почвах, а затем в растительных и животных организмах по пищевой цепи и далее попадая в организм человека, они способны вызывать опасные заболевания. Следовательно, необходимость поиска и применения эффективных способов очистки и рекультивации почв от тяжелых металлов очевидна. Объект. Светло-каштановые почвы г. Волгограда, Городищенского, Светлоярского, Фроловского районов Волгоградской области, расположенные вблизи крупных промышленных предприятий, транспортных магистралей, в том числе и сельскохозяйственные земли, подвергающиеся частой обработке химическими средствами. Исследовались свойства гуминово-минерального сорбента на основе модифицированного природного цеолита и гуминовой кислоты, применяемого для извлечения тяжелых металлов из нарушенных почв. Материалы и методы. Исследования проводились в соответствии с современными методическими указаниями и требованиями, в процессе написания статьи были изучены и использовались материалы других авторов, занимающихся проблемой рекультивации и очистки почв от тяжелых металлов в результате применения сорбционных способов извлечения поллютантов. Результаты и выводы. В результате проведенных исследований был получен гуминово-минеральный сорбент (ГМС) на основе модифицированного цеолита и препарата гуминовой кислоты. Установлены дозы его внесения в почву в зависимости от степени ее загрязнения, исследована динамика извлечения никеля, мышьяка и меди из нарушенных почв при проведении рекультивационных мероприятий с внесением ГМС. Проведена статистическая обработка полученных экспериментальных данных, изучены представленные графические зависимости исследуемых процессов. В заключении сделаны выводы о целесообразности и эффективности применения разработанного препарата для очистки и восстановления почв, загрязненных тяжелыми металлами, и даны рекомендации о способе его применения.

Ключевые слова: мелиоранты, природные сорбенты, рекультивация почв, тяжелые металлы, гуминовая кислота, модифицированный цеолит.

Abstract

Evaluation of the effectiveness of the modified sorbent on technogenically polluted soils

M.P. Mescheryakov, V.N. Havronina,

N.V. Kuznetsova, S.V. Tronev, E.G. Mescheryakova

The upper humus horizons of the soil, the most valuable and fertile, as we know, are primarily exposed to the negative effects of various toxic components of the environment. Getting on the soil surface, pollutants, depending on the type and location of its horizons, accumulate in it at different depths, disrupting the main root layer. At the same time, if organic pollutants are capable of degrading, then metals do not possess such properties. Being in the soil, they have an extremely negative impact on adjacent environments - groundwater, plants, microorganisms, animals, humans. Soils contaminated with heavy metals lose their qualitative properties: its acidity increases, the ratio of nutrients is disturbed, the functioning of the soil microbiota is disturbed, the vegetation cover is degraded, etc. The use of natural sorbents in the course of recultivation of soils contaminated with heavy metals can effectively solve this problem. The soils of the city of Volgograd and the Volgograd region, including agricultural land adjacent to the urban area, to industrial areas, to major highways, experience a powerful technogenic load, pollutants settle on its surface as a result of atmospheric pollution, enter with sewage, introduction of various chemicals during agricultural work. The purpose of this work was to study the degree and time of extraction of heavy metal ions to the maximum allowable concentrations level from contaminated light chestnut medium loamy soils of the Volgograd region as a result of the introduction of a humic-mineral sorbent.

Abstract

Introduction. The main sources of soil pollution with heavy metals are industrial enterprises and motor transport. The technogenic load on soil ecosystems is increasing every year. Heavy metals such as zinc, lead, copper, nickel, cadmium, etc. they are strong ecotoxicants. Accumulating in soils, then in plant and animal organisms along the food chain, then getting into the human body, they can cause dangerous diseases. Therefore, the need to find and apply effective methods of cleaning and recultivation of soils from heavy metals is obvious. Object. Light chestnut soils of the city of Volgograd, Gorodishchensky, Svetloyarsky, Frolovsky district of the Volgograd region, located near large industrial enterprises, transport routes, including agricultural lands, are often treated with chemicals. The properties of a humic-mineral sorbent based on modified natural zeolite and humic acid used to extract heavy metals from disturbed soils were studied. Materials and methods. The research was carried out in accordance with modern methodological guidelines and requirements, in the process of writing the article, the materials of other authors dealing with the problem of recultivation and purification of soils from heavy metals as a result of the use of sorption methods for the extraction of pollutants were studied and used. Results and conclusions. As a result of the conducted research, a humic-mineral sorbent based on modified zeolite and a preparation of humic acid was obtained. The doses of its application to the soil were determined depending on the degree of its contamination, the dynamics of extraction of nickel, arsenic and copper from disturbed soils during reclamation measures with the introduction of humic-mineral sorbent was investigated. Statistical processing of the obtained experimental data was carried out, the presented graphical dependences of the studied processes were studied. In conclusion, conclusions are drawn about the expediency and effectiveness of using the developed drug for cleaning and restoring soils contaminated with heavy metals and recommendations are given on the method of its application.

Key words: meliorant, natural sorbent, soil reclamation, heavy metals, humic acid, modified zeolite.

Основная часть

Верхние гумусовые горизонты почвы, наиболее ценные и плодородные, как мы знаем, в первую очередь подвергаются негативному воздействию различных токсичных компонентов окружающей среды. Попадая на поверхность почвы, поллютанты в зависимости от типа и расположения ее горизонтов аккумулируются в ней на различной глубине, нарушая основной корнеобитаемый слой. При этом если органические загрязнители способны деградировать, то металлы такими свойствами не обладают. Находясь в почве, они оказывают крайне негативное влияние на сопредельные среды - подземные воды, растения, микроорганизмы, животных, человека [6, 9, 10, 14]. Почвы, подвергшиеся загрязнению тяжелыми металлами, теряют свои качественные свойства: увеличивается их кислотность, нарушается соотношение питательных элементов, нарушается функционирование почвенной микробиоты, происходит деградация растительного покрова и т.д. Использование природных сорбентов в ходе рекультивации загрязненных тяжелыми металлами почв способно эффективно решать эту проблему [1-3, 9].

Гуминовые препараты и цеолиты - это сорбенты-мелиоранты природного происхождения. Цеолиты - природные минералы - алюмосиликаты вулканического происхождения. Помимо сорбционных свойств, они оказывают мелиорирующие действие на почвы, улучшая их структуру, влаго- и воздухопроницаемость, стимулируют развитие полезной почвенной микробиоты. Устойчивость кристаллической решетки природных цеолитов к разрушению позволяет модифицировать их различными химическими способами, изменяя и улучшая их свойства, в зависимости от того, для решения какой задачи цеолиты будут использованы [4, 8, 13]. При обработке клиноптилолита растворами кислот увеличивается его сорбционная способность, этот эффект объясняется изменениями объема пор в процессе модификации. Установлено, что происходит увеличение удельной поверхности на 50%, общего объема пор - на 46%, объема мезопор - на 22%, объема микропор - на 91% [1, 2, 4, 6]. Гуминовые кислоты - это сложные органические соединения. Они способны образовывать в почве устойчивые водонерастворимые соединения с ионами тяжелых металлов, нейтрализуя их негативное воздействие на почвенную среду. В процессе поиска более эффективных решений для восстановления почв, нарушенных тяжелыми металлами, необходимо применять многокомпонентные препараты в процессе рекультивации. Почвы г. Волгограда и Волгоградской области, в том числе и земли сельскохозяйственного назначения, прилегающие к городской зоне, к промышленным территориям, к крупным автомагистралям, испытывают мощную техногенную нагрузку. Загрязнители оседают на ее поверхности в результате загрязнения атмосферы, попадают со сточными водами, при внесении различных химических веществ в ходе сельскохозяйственных работ [2, 4, 5, 11].

Целью настоящей работы стало изучение степени и времени извлечения ионов тяжелых металлов до уровня ПДК из загрязненных светло-каштановых среднесуглинистых почв Волгоградской области в результате внесения гуминово-минерального сорбента (ГМС).

Для выполнения поставленной цели были проведены лабораторные исследования для определения доз внесения в зависимости от степени загрязнения и времени восстановления почвы.

Материалы и методы. Объединенные почвенные пробы отбирали на территории г. Волгограда и Городищенского, Светлоярского, Фроловского районов Волгоградской области вблизи крупних промышленныхпредприятий, транспортных магистралей, исследовались в том числе и сельскохозяйственные земли. Отбор осуществлялся в соответствии с ГОСТ 17.4.4.02-84. Превышение было обнаружено по следующим элементам: никель, медь и мышьяк, по ним и проводилась дальнейшая оценка. Эксперимент приводили в лаборатории ФГБОУ ВО Волгоградский ГАУ. Соблюдалась трехкратная повторность, параллельно, измерения проводили каждые 10 дней, по результатам трех параллельных измерений в каждом опыте находили среднеарифметическое значение, которое учитывали как результат. Измерение содержания тяжелых металлов в почве осуществляли методом колориметрии. Полученные показатели содержания тяжелых металлов в очищаемой почве сравнивались со значениями ПДК, установленными в соответствии с ГН 2.1.7.2041-06. (таблица 1).

Таблица 1. Предельно допустимые концентрации никеля, меди и мышьяка в почве

Рекультивацию почв, загрязненных тяжелыми металлами, проводили путем внесения ГМС, после чего почву рыхлили на глубину загрязнения. В качестве гуминово - минерального сорбента использовали природный цеолит фракцией 3-5 мм, с содержанием клиноптилолита 75-80%, который предварительно модифицировали химическим реагентом, осуществляли отстаивание в течение 3 часов, осадок промывали и сушили до влажности не более 15%, после чего перемешивали с порошкообразным гуминовым препаратом с содержанием гуминовых кислот 60-70% в соотношении 1: 30 и вносили дозой 130-160 г/кг загрязненной почвы, почву увлажняли до уровня 70-80% наименьшей влагоемкости 3-5 раз за период рекультивации в течение 6-8 месяцев. В качестве химического реагента применяли 6% раствора уксусной кислоты или 3% раствора соляной кислоты. Время отстаивания смеси, природного цеолита в кислотном растворе - 3 часа - определено опытным путем и является достаточным для достижения необходимых параметров модификации, соответственно сокращение времени не позволяет их достичь, а увеличение не приводит к существенным изменениям характеристик сорбента.

Необходимость сушки модифицированного природного цеолита до влажности не более 15% обусловлена трудностями, связанными с технологическим процессом приготовления гуминово-минеральной смеси и дальнейшим внесением в почву препарата с использованием технических средств, так как при большем уровне влажности материала происходит склеивание зерен природного цеолита. Высокий уровень влажности исходного материала также приводит к комкованию порошкообразного препарата гуминовой кислоты в процессе приготовления, что в конечном итоге снижает качество применяемого материала. Кроме того, при внесении препарата происходит его налипание в районе выходных отверстий, что затрудняет процесс внесения и отрицательно сказывается на равномерности распределения препарата в загрязненной почве.

Соотношение модифицированного природного цеолита и порошкообразного гуминового препарата 1: 30 и дозы его внесения - 130-160 г/кг загрязненной почвы были подтверждены опытно-экспериментальным путем и являются достаточными и необходимыми, так как при их уменьшении снижается степень очистки почвы от тяжелых металлов, а увеличение отрицательно сказывается на физико-химических характеристиках почвы. Дозы внесения зависят от класса опасности загрязнителя в соответствии с ГОСТ 17.4.1.02-83 и уровня превышения степени загрязнения почвы по сравнению со значениями ПДК (таблица 2).

Таблица 2. Дозы внесения ГМС в зависимости от уровня превышения ПДК тяжелых металлов в почве

Увлажняли почву после внесения мелиоранта 3-5 раз за период рекультивации до уровня 70-80% наименьшей влагоемкости, при изменении количества поливов и необходимого уровня влажности почвы как в одну, так и в другую сторону, происходило замедление ремедиационной работы компонентов мелиоранта в почве.

Для сравнительной характеристики качественного состояния почв по уровню содержания того или иного металла нами был рассчитан коэффициент качественного состояния почвы по металлу (таблица 3):

где N - значение ПДК металла в почве; F - фактическое значение содержания металла в почве [5, 7].

Как видно из отношения, значения фактического содержания загрязнителя в почве и коэффициента находятся в обратной зависимости, а в норме коэффициент должен быть > или =1.

Результаты и обсуждение. На основании проведенных исследований в таблице 3 представлены данные, полученные в результате применения ГМС для очистки почв, загрязненных тяжелыми металлами.

Анализ коэффициента качественного состояния почвы по металлам позволяет нам сделать вывод о том, что качество почвы не соответствовало норме по всем трем исследуемым загрязнителям, но самое неблагоприятное состояние почвы в изучаемых образцах наблюдалось по мышьяку - 0,28, менее всего было отклонение коэффициента от норматива по никелю - 0,4.

Таблица 3. Содержание тяжелых металлов в почве в ходе проведения рекультивационных работ

Как видно из таблицы 3, значения в пределах ПДК быстрее всего были достигнуты по меди - через 6 месяцев после внесения ГМС и начала рекультивационных работ, несмотря на то что уровень содержания меди в почве был выше, чем мышьяка на 0,7 мг/кг, положительный результат по извлечению последнего был достигнут на 2 месяца позже. Самое высокое содержание в исследуемых образцах наблюдалось по никелю - 9,9 мг/кг почвы, при этом значение Км было самое благоприятное. Используемый гуминово-минеральный препарат при извлечении из нарушенной почвы данного тяжелого металла показал лучший результат по уровню сорбции: так через 3 месяца содержание никеля снизилось на 3,9 мг/кг, тогда как меди на 3,3 мг/кг, а мышьяка на 2,3 мг/кг. Уровень ПДК никеля в почве достигнут через 7 месяцев.

Динамика извлечения исследуемых загрязнителей из почвенных образцов, как видно на рисунке 1, была неравномерной. Наблюдалась общая тенденция более высокой сорбции на первоначальном этапе и ее замедления с течением времени. Это можно объяснить постепенным снижением сорбционной емкости внесенного препарата в процессе насыщения извлекаемыми поллютантами. Особенностью очистки почвы от мышьяка стало то, что уровень сорбции в результате применения ГМС был практически одинаковым на протяжении первых трех месяцев, на 4-м месяце наблюдалось ее увеличение, далее динамика замедлилась и практически равномерно распределилась в течение оставшегося периода, снижение скорости извлечения наблюдалось лишь в последний месяц перед достижением необходимого результата. По никелю и меди сразу степень извлечения была высокой, а далее происходило постепенное ее снижение.

Динамика извлечения тяжелых металлов из почвы в результате применения гуминово-минерального сорбента

В ходе проведенных нами исследований:

1. Установлено наличие превышения в почвенных образцах относительно ПДК никеля (Ni) в 2,5 раза, меди (Cu) - в 2,6 раза, мышьяка (As) - в 3,6 раза.

2. Разработан новый гуминово-минеральный сорбент (ГМС) на основе цеолита и препарата гуминовой кислоты, проведена модификация природного цеолита при помощи химического реагента, в качестве которого выступал 3% раствор соляной кислоты, в результате чего было достигнуто увеличение удельной поверхности минерала и общего объема пор на 41%, что позволило увеличить сорбционные свойства препарата.

3. Разработан способ применения ГМС для очистки и рекультивации почв, нарушенных тяжелыми металлами.

4. Доказана эффективность применения ГМС, в результате которого в течение одного вегетационного периода произошло снижение содержания исследуемых поллютантов до ПДК: никеля (Ni) - через 7 месяцев на 62%, меди (Си) - через 6 месяцев на 62%, мышьяка (As) - через 8 месяцев на 73%.

Результаты проведенных исследований подтверждают эффективность применения разработанного нами гуминово-минерального сорбента для очистки и восстановления светло-каштановых среднесуглинистых почв Волгоградской области, загрязненных тяжелыми металлами.

Библиографический список

1. Байкенова Ю.Г. Приемы рекультивации почв, загрязненных тяжелыми металлами (тм) // Вестник биотехнологии. 2021. № 2 (27).

2. Восстановление плодородия почв, подвергшихся техногенным нарушениям / В.Ф. Кирдин, В.В. Конончук, В.Д. Штырхунов, С.М. Тимошенко // Аграрная Россия. 2022. № 2. С. 8-12.

3. Высоцкий С.П., Фрунзе О.В. Технология фиторемедиации загрязненных тяжелыми металлами почв с помощью декоративных травянистых растений // Вестник Донбасской национальной академии строительства и архитектуры. 2019. № 5 (139). С. 105-112.

4. Линкевич Е.В., Юдина Н.В., Савельева А.В. Роль гуминовых кислот в детоксикации нефтяных углеводородов в почве // Химия твердого топлива. 2021. № 5. С. 67-72.

5. Морозкина, Е.В. Природные сорбенты. Структура и свойства: монография. Саар - брюккен: LAPLAMBERT, 2013. 124 с.

6. Неведров Н.П., Смицкая Г.И. Влияние обработки загрязненных тяжелыми металлами почв удобрением-сорбентом на анатомические и морфологические показатели роста газонных трав // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Естественные науки. 2020. № 4 (32). С. 67-75.

7. Получение гидразидов гуминовых кислот и исследование их комплексообразования с ионами меди(П) / И.А. Потапова, Е.В. Бурова, П.П. Пурыгин, Ю.П. Зарубин // Бутлеровские сообщения. 2017. Т. 52. № 10. С. 88-97.

8. Саримсакова Н.С., Файзуллаев Н.И., Бакиева Х.А. Изучение физико-химических характеристик клиноптилотита в процессе его модификации // Universum: технические науки. 2022. № 1-3 (94). С. 21-26.

9. Чугай Н.В., Курочкин И.Н. Оценка загрязнения почв бассейна реки Теза тяжёлыми металлами при различных режимах землепользования // Аграрная Россия. 2021. № 6. С. 25-31.

10. Аdsorption modification of the zeolite surface with chitosan / Zh. A. Tattibayeva, M.T. Tursynbetov, S.M. Tazhibayeva, W. Kujawski, K.B. Musabekov// Chemical Bulletin of Kazakh National University. 2019. V. 95. № 4. P. 20-26.

11. Assessment of effectiveness of zeolite in acceleration of oil degradation in soil Siberian / T.P. Alekseeva, T.I. Burmistrova, N.M. Trunova, L.B. Naumova, L.P. Shilyaeva// Research Institute of Agriculture and Peat, Branch of the Siberian Federal Agri-Science Centre. Russian Academy of Scinces. V. 33. P. 85-91.

12. Comprehensive evaluation of the phytoremeditical ability of a number of agricultural crops for the restoration of polluted soils with heavy metals / L.P. Loseva, T.K. Krupskaya, S.N. Anuchin, S.S. Anufrick// Journal of the Belarusian State University. Ecology. 2020. No 1. P. 23-31.

13. Knust Kumasi Effects of gasoline-contamination on geotechnical properties of clayey soil // Ghana Abdalla M. Eissa Faculty of Engineering. Egypt 5AYGEC, 2016.

14. Socio-economic development of small and medium entrepreneurship: potential of resource-based approach / S.A. Korobov, V.O. Moseyko, E.G. Novoseltseva, V.S. Epinina, E.Y. Ma - rusinina// Contributions to Economics. 2017. № 9783319552569. P. 453-459.

15. Zabbey N. Sam, K. Email Author, Onyebuchi A.T. View Correspondence (jump link) Remediation of contaminated lands in the Niger Delta, Nigeria: Prospects and challenges(Review) // Science of the Total Environment. 2017. V. 586. P. 952-965.

Размещено на Allbest.ru