Рекультивация загрязненных земель
Химическое загрязнение геосистем и принципы рекультивации загрязненных земель. Загрязнение по своей сущности будь то природное или
- 56 -
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.
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;
- 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;
- 57 -
- 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.
Для правильного понимания процессов загрязнения компонентов геосистем, выработки способов их рекультивации полезно использовать теорию биогеохимических барьеров, объективно существующих в природе и создаваемых человеком (см. 2.4).
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 рекультиваци-онных 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 сельскохозяйст- венного производства за счет введения новой структуры растениеводства, переходят к выращиванию культур, не идущих напрямую в пищу человека.
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,
- 58 -
свинца и кадмия необходимо выращивать большой горец, от свинца и хрома – горчицу, от никеля - гречиху и т.д., 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 химические соединения, содержащие катионы Zn,Сu, Pb, Cd, Sr, Mn, Ni, Co. К подвижным в нейтральной и щелочной среде – Mo, Cr, As, V, Se.
Для регулирования подвижности соединений тяжелых металлов в почве используют известкование, гипсование, внесение органических и мине-
ральных 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 (озерный ил), бентонитовые 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, ионообменные смолы, полистирол.
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.
- 59 -
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 (технологический 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.
Рекультивация земель, загрязненных нефтью и нефтепродуктами. Состав работ зависит от степени загрязнения. При незначительном загрязнении активизируют деятельность 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 при-
- 60 -
менения сложных комплексов: NPK + навоз; NPK + известь; NPK + известь + навоз. Высевают устойчивые кормовые растения, использование которых должно строго контролироваться, поскольку в них могут накапливаться такие канцерогены, как полициклические ароматические углеводороды.
При сильном загрязнении сооружают инженерно-экологические системы. Создание таких системы обусловлено высокой подвижностью нефтепродуктов в компонентах геосистем, 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. Они вызывает опасность загрязнения не только почв но и подземных и поверхностных вод. Поэтому задачами инженерно-экологической системы являются удаление подвижных нефтепродуктов, рекультивация почв, защита рек и водозаборов от загрязнения нефтепродуктами с одновременной локализацией очагов загрязнения.
Такие системы в течение длительного периода (в течение нескольких десятков лет) предотвращают распространение неизвлекаемой части нефтепродуктов из залежи в городские водозаборы и в реки, регулируют концентрацию легких углеводородов в зоне аэрации и снижают пожарную опасность, обеспечивают на основе экологического мониторинга управление гидрохимическими и биологическими режимами почв, грунтов подземных и поверхностных вод.
В состав инженерно-экологических систем входят дамбы обвалования, стена в грунте, нагнетательные скважины, горизонтальный и вертикальный дренаж, добывающие скважины, а также мероприятия по технической и биологической рекультивации загрязненных земель.
Дамбы 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; локализует область загрязнения. Нагнетательные скважины обеспечивают подъем и вытеснение подвижных нефтепродуктов к добывающим скважинам, которые в пределах контура нефтяной залежи откачивают нефтепродукты и загрязненные подземные воды с последующей очисткой.
После удаления подвижных нефтепродуктов проводят доочистку почв. При этом используют различные биодеструкторы, для которых создают оптимальный водный, воздушный, тепловой и пищевой режимы, применяя
- 61 -
орошение, осушение, вносят органические и минеральные удобрения. Осуществляют постоянный контроль за уровнем загрязнения и за качеством сельскохозяйственной продукции.
Почвы с очень высоким уровнем загрязнения, замазученные направляются на переработку с целью добычи извлекаемой части нефтепродуктов, после чего их рекультивируют в стационарных или полевых условиях.
СОДЕРЖАНИЕ стр.
ПРЕДИСЛОВИЕ………………………………………………………………. 3
Глава 1. ПРИНЦИПЫ ПРИРОДООБУСТРОЙСТВА…………………..……4
1.1. Понятие “природообустройство”…………………………………………4
1.2. Общие принципы природообустройства…………………..……..………7
1.3. Геосистемы (ландшафты) как объекты природообустройства………….9
1.4. Техногенные воздействия на геосистемы. Природно-техногенные
комплексы….…………………………………….………………………..13
1.5. Общие подходы к созданию культурных ландшафтов…………..…….20
Глава 2. КРУГОВОРОТ ВЕЩЕСТВ В ПРИРОДЕ……………………….....25
2.1. Круговорот воды в природе……………………………………………...25
2.2. Энергетические потоки в геосистемах………..…….…………………...29
2.3. Геохимический круговорот веществ………….…………………….……32
2.4. Биогеохимические барьеры……………………..…..………………........34
2.5. Биотический круговорот веществ………….………..………….…...…...36
2.6. Мониторинг и земельный кадастр……………………..…………..…….39
Глава 3. ОБЩИЕ ПОДХОДЫ К МЕЛИОРАЦИИ ЗЕМЕЛЬ………….…….41
3.1. Мелиоративные системы……………………………………………..…..44
3.2. Мелиорация сельскохозяйственных земель………………………….….46
3.3. Характеристика сельскохозяйственных земель страны…………….…..47
Глава 4. РЕКУЛЬТИВАЦИЯ ЗЕМЕЛЬ…..……………………..………….....49
4.1. Основные понятия о рекультивации земель…………………….……….49
4.2. Этапы рекультивации земель………..………………………………...….52
4.3. Подготовительный этап рекультивации…………………………………52
4.4. Технический этап рекультивации………………………………………..53
4.5. Биологический этап рекультивации……………………………………..54
4.6. Рекультивация загрязненных земель….…………………………………56
- 62 -
Голованов Александр Иванович
Зимин Федор Михайлович
Введение в природообустройство
(Учебное пособие для лицеев и профильных классов)
2-ое издание, переработанное и дополненное
Подписано в печать Формат 60х84/16 Тир. - экз.
Бумага типогр. №2. Объем 4,1 уч.-изд. л.
Цена договорная. Заказ №
Редакционно-издательский отдел МГУП
- 63 -