Технологии детоксикации загрязненных тяжелыми металлами почв

Поступление тяжелых металлов в растение регулируется органическим веществом почвы. При взаимодействии ТМ с органической составляющей почвы образуются соли гуминовых кислот, металлы вовлекаются в малоподвижные (плохо доступные растениям) комплексные соединения. Происходит процесс нейтрализации токсичных ТМ, поступающих в почву, поэтому существенное влияние на способность почвы к самоочищению оказывает прочность связей ТМ - органическое вещество почвы (Соколов, Черников, 2008).

Наземные экосистемы, в частности почва, являются основной производительной силой промышленного сырья и продуктов питания для человека. Качественная продукция не должна содержать токсические концентрации ТМ. Такую продукцию можно получить, возделывая культуры только на почвах с нормальным содержанием этих элементов.

Почвы, содержащие ТМ в количествах превышающих ПДК, требуют обязательной детоксикации. Мероприятия по приведению ТМ в загрязненных почвах к фоновым концентрациям крайне необходимы как для оздоровления почвенного покрова и получения качественной аграрной продукции, так и для предотвращения загрязнения ТМ грунтовых вод, которое происходит в результате миграции ТМ вниз по почвенному профилю (Соколов, Черников, 2008; Постников, 2009).

Разработки способов детоксикации загрязненных ТМ почв ведутся давно. В.А. Королёв пишет: «Все методы очистки грунтов можно разделить на три группы:

  • 1) методы удаления (изъятия) токсичных соединений из грунта (промывка, экстракция и выщелачивание, электрохимическое и электрокинетическое удаление);
  • 2) методы локализации (закрепления) токсикантов в пределах почвенного горизонта (механические защитные экраны (барьеры), химическая иммобилизация);
  • 3) методы деструкции загрязнений (подавления токсичности) в массиве грунта (газовая и химическая нейтрализация, гидролитическое разложение, окисление, микробиологическая деструкция)» (Королёв, 2001).

Д.С. Орлов выделяет три группы методов очистки и обезвреживания почв от загрязнений ТМ: механические, химические и агротехнические (Орлов, Васильевская, 1994).

Технология электрохимического метода очистки загрязненных тяжелыми металлами почв основана на переносе ТМ под действием постоянного электрического поля, первостепенную роль при этом играют процессы электроосмоса и электрофореза. При применении электрокинетической технологии представляется возможным с достаточной точностью контролировать и управлять процессами очистки, что является явным преимуществом данного метода. Силовые линии электрического поля перемещают тяжелые металлы в ходе процесса очистки и распределяют их по расположению электрода, причем скорость процесса регулируется напряженностью поля.

Электроды устанавливаются в почве на расстоянии 2-5 метров друг от друга и погружаются на глубину 2 метров. В зависимости от природы извлекаемого токсиканта устанавливаются следующие параметры электрокинетиче- ского процесса: напряженность поля, плотность тока, напряжение на электродах. Исходные концентрации контоминантов в почвах могут быть уменьшены в 5-10 раз. Эффективность очистки достаточно высокая (около 90 %), но такие показатели очистки достигаются только при применении химических реагентов или растворов поверхностно активных веществ. Стоимость электрокинетической очистки почв довольно высока и составляет 130-150 долларов США за 1 м3 (Новиков).

Химическая детоксикация почв основана на химическом осаждении ТМ в результате помещения токсичной почвы в реактор с реакционно-способной смесью (100 мг/кг сероводорода в азоте, известь, сульфат натрия, оксиды железа, органический углерод). Преимущества данной технологии в том, что она применима для почв с различными физико-химическими свойствами. Эффективность способа зависит от рационально подобранного взаимодействия реа- гент-экотоксикант. В результате обработки почвы реакционной смесью возможна фиксация 90% ТМ. Явным недостатком является то, что почву невозможно очистить на месте, требуется ее сбор и перемещение в реактор.

Существуют так же химические методы очистки загрязненных ТМ почв, позволяющие вносить реакционную смесь непосредственно на загрязненную площадь, при этом пахотный слой очищаемой почвы не оказывает значительного влияния на функционирование экосистемы в целом.

Одним из таких методов является способ очистки черноземов от тяжелых металлов, который отличается тем, что в качестве сорбирующей реагентной смеси применяется органоминеральный компост. При приготовлении компоста смешиваются следующие реагенты: перегной крупнорогатого скота, фосфо- гипс, суперфосфат простой. Сочетание данных компонентов зависит от уровня содержания щелочных металлов и должно соответствовать следующим долям в % от общей массы:

  • • фосфогипс 10,0-15,0;
  • • суперфосфат простой 0,8-1,0;
  • • перегной крупнорогатого скота 84,0-89,2.

Доза внесения смеси составляет 100-110 т/га. Необходимым параметром является содержание в смеси органического вещества - около 20 % с реакцией среды (pH) 6,0-6,5. Полученную реагентную смесь заделывают в почву культиваторами на глубину 0,25 м. По истечении 4-5 лет внесение органоминерального компоста в почву повторяют снова (Патент РФ № 2492944, 2013).

Данный метод обладает спектром недостатков. Способ не решает проблему удаления поллютантов из почв, а лишь на время (4-5 лет) переводит подвижные формы ТМ в почве в труднодоступные для растений. Также происходит снижение активности всех микроэлементов, что негативно сказывается на плодородии почвы. Наиболее явным и основным недостатком химического метода очистки по сравнению с другими является внесение вторичных загрязнителей в очищаемую почву. В состав реакционных смесей, применяемых в процессе ремедиации, входят различные химикаты, которые аккумулируются почвенным покровом и могут вызвать вторичное загрязнение поллютантами другой природы.

Биологические методы очистки почв, а в частности фиторемедиация, в некоторой мере решают две основные проблемы: они более экономичны и не требуют внесения в почву специальных смесей, растворов, реагентов (вторичные загрязнители отсутствуют). В последнее время все чаще используются способы восстановления экосистем при помощи живых растений. Ученые считают перспективным применение растений в целях очистки почв от ТМ и радионуклидов (Ebbs et al, 2008; Kramer, 2000).

Фиторемедиация представляет собой выращивание в течение установленного временного периода на загрязненном участке специально подобранных видов растений-гипераккумуляторов, накапливающих тяжелые металлы корневой системой и переносящих их в надземную биомассу (Квеситадзе и др., 2005; Титов и др., 2007; Chaney et al., 1997, Salt, et al., 1998). При подборке растений- ремедиаторов основополагающую роль играет аккумулирующая способность по отношению к тяжелым металлам (Прасад, 2003; Квеситадзе и др., 2005; Титов и др., 2007). По способности накапливать ТМ все растения условно делят на:

  • гипераккумуляторы - растения, способные выживать в почвах с высоким содержанием токсикантов (ТМ) и сорбировать их в большом количестве в своих органах за счет защитных физиологических механизмов к избытку ТМ;
  • аккумуляторы - растения, способные накапливать металлы в больших количествах в надземной биомассе при невысоком их содержании в почве;
  • индикаторы - растения, накапливающие ТМ таким образом, что содержание металла в растении равно его содержанию в экотопе;
  • исключители (эксклюдеры) - устойчивые к ТМ растения, которые сохраняют низкую концентрацию ТМ в побегах при высоком уровне загрязнения экотопа (Baker, 1981; Antosiewicz, 1992; Saraswat, Rai, 2009).

Содержание ТМ в разных органах растений уменьшается в следующем порядке: корни>листья>стебли>соцветия>семена, но для разных видов растений данный порядок может значительно варьироваться (Кошкин, 2010; Yang et al., 1995; Florjin, 1993;).

Термин «гипераккумулятор» был предложен Чейни (Chaney, 1983, 1997) для обозначения растений, накапливающих свыше 1000 мг/кг абсолютно сухой массы РЬ, 10 000 - Zn; 100 - Cd (Титов и др., 2007). Умеренными аккумуляторами называют растения, в органах которых концентрации тяжелых металлов довольно высокие, но не достигают установленного порога (Титов и др., 2007).

Так же принято считать, что растения, у которых транслокационный фактор или коэффициент транслокации (отношение содержания металла в побегах к его содержанию в корнях) больше единицы, являются гипеаккумуляторами, в то время как не являющиеся гипераккумуляторами растения имеют более высокое содержание металла в корнях, чем в побегах (Титов и др., 2007).

A.J.M. Baker пишет: «У металлофитов имеются значительные различия как в накоплении тяжелых металлов, так и в концентрациях ТМ, переносимых ими, а так же явно отличаются пороги токсичности. Но все же существуют растения, у которых концентрации тяжелых металлов в побегах существенно превосходят токсичные. Такие растения при выращивании на загрязненных почвах накапливают ТМ в своих надземных органах значительно больше, нежели обычные растения, произрастающие в этом же месте» (Baker, 1994).

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >