Мелиоративный потенциал использования доменного шлака для рекультивации техногенно нарушенных почв
Мелиоративный потенциал использования доменного шлака для рекультивации техногенно нарушенных почв
Аннотация
Рекультивация техногенно нарушенных земель является актуальной проблемой для горнопромышленных регионов России. В качестве объекта исследования изучен доменный шлак для восстановления кислых почв. Определены его свойства: pH составляет 10,5, в химическом составе преобладают оксиды кремния (31,24%) и кальция (30,85%), а сумма оксидов кальция и магния составляет 42,55%, что обуславливает щелочные свойства. Проведен эксперимент по выращиванию травосмеси на сильнокислой (pH=2,1) и нейтральной (pH=6,8) почвах с внесением 5 и 10% шлака. Установлено, что в сильнокислой почве без внесения шлака всхожесть семян составляет 0%, а при добавлении 10% шлака достигает 80%. Максимальная высота растений в кислой почве при внесении 10% шлака составляет 21,5 см, что на 39% выше фонового значения. В нейтральной почве оптимальная доза внесения составляет 5%, при которой всхожесть достигает 80%, а максимальная высота растений — 35,2 см. Оценка токсичности на примере Eisenia fetida показала 100% выживаемость при внесении 2,5% шлака. Доменный шлак не требует дополнительного внесения удобрений. Рекомендованные дозы внесения доменного шлака: 5% для нейтральных почв и 10% для сильнокислых почв.
1. Введение
Территории, занятые отходами горнопромышленного производства, представляют значительную экологическую проблему для России. Ежегодно образуется около 57 млн т металлургических шлаков, большая часть которых складируется в отвалах , , занимая 2,2 тыс. га и негативно влияя на среду и здоровье людей .
В Свердловской области накоплено 61,2 тыс. га техногенно нарушенных земель, что в 2,9 раза выше среднего по стране . Основной проблемой таких земель является загрязнение почв тяжелыми металлами и изменение кислотно-основных свойств, что мешает восстановлению растительности.
Доменный шлак — отход выплавки чугуна, обладающий потенциалом сорбента-мелиоранта. Высокое содержание оксидов кальция, магния, кремния и алюминия обуславливает его щелочные свойства и способность к иммобилизации тяжелых металлов . Зарубежный опыт подтверждает эффективность его применения для рекультивации в Германии, Японии, Китае и других странах , .
Традиционные методы рекультивации требуют значительных затрат. Доменный молотый шлак обладает меньшей стоимостью , поэтому его применение как вторичного ресурса уменьшает накопление отходов и решает проблему дорогих сорбентов.
В России шлак используется для дорожного строительства, а вопросы доз внесения и влияния на растения изучены слабо , поэтому цель работы — оценка мелиоративного потенциала шлака и определение оптимальных доз для восстановления растительности на кислых почвах.
2. Методы и принципы исследования
Исходные образцы шлака диаметром 1,8–6,1 см дробили для увеличения площади поверхности, при этом первичное дробление выполнили на щековой дробилке, вторичное — на валковой, после чего шлак просеивали. В исследованиях использовали фракцию менее 0,5 мм.
Определение состава проведено методом РСФА на спектрометре «Clever A-17». Для подготовки шлак был измельчен до ≤73 мкм, затем смешан с борной кислотой и спрессован в таблетку. Значение pH измеряли на анализаторе «Эксперт-001» по ГОСТ 26423-85 .
Оценка мелиоративных свойств проведена в вегетационном эксперименте с использованием травосмеси «Альпийские луга 7 трав» (пшеница, ячмень, овес, рожь, сорго, вика, просо). В качестве субстрата использовали почву с техногенно нарушенных земель Левихинского медноколчеданного месторождения. Сильно кислая почва имела pH=2,1, нейтральная — pH=6,8. Также была взята почва с оптимальными условиями влажности, структуры почвы, насыщенная азотом, фосфором и калием, с pH=6,6, которая использовалась в качестве фоновой. Доменный шлак вносили в дозах 5 и 10% от массы почвы. Эксперимент был поставлен в две серии: с удобрением (гумат калия) и без него, проводили 21 день при температуре 24-26°С с ежедневным поливом, оценивая всхожесть, высоту растений и тургор листьев по 5-балльной шкале.
Оценка токсичности проведена с использованием червей Eisenia fetida по ГОСТ 33036-2014 , для чего была выбрана почва Левихинского месторождения с pH=3,0 и фоновый почвогрунт из торфа, известняка и удобрения с pH=5,5. Червей по 10 особей заселяли в стеклянные емкости с увлажненной фоновой почвой и загрязнённым грунтом с 0, 1 и 2,5% доменного шлака. Эксперимент проводили 7 суток при температуре 22±0,23°С и относительной влажности 46±3,5%.
3. результаты и обсуждение
3.1. Физико-химические свойства доменного шлака
Результаты анализа показали, что в шлаке преобладают диоксид кремния (31,24%) и оксид кальция (30,85%) (таблица 1), а сумма оксидов кальция и магния составляет 42,55%, что обуславливает щелочные свойства и потенциал для раскисления почв. Диоксид кремния является удобрением, так как обладает растворимостью и повышает стрессоустойчивость , а SiO2 и Al2O3 создают потенциал для сорбционной емкости.
Таблица 1 - Химический состав доменного шлака
Оксиды | Содержание, % | Микроэлементы | Содержание, % |
SiO2 | 31,24 | S | 0,52 |
CaO | 30,85 | Cr | 0,33 |
Al2O3 | 14,26 | Sr | 0,05 |
MgO | 11,7 | Ni | 0,012 |
TiO2 | 14,26 | Zr | 0,004 |
Fe2O3 | 1,16 | Zn | 0,002 |
MnO | 0,55 | Rb, Y | 0,001 |
K2O | 0,32 | Cu, Pb | <0,001 |
P2O5 | <0,01 |
|
|
Сумма оксидов | 99,39 | Сумма микроэлементов | 0,92 |
Сумма общая = 100,31 % | |||
В кислых почвах питательные элементы находятся в труднодоступной форме, но почвоулучшители с CaO и MgO способны раскислять почву и способствовать усвоению кальция и магния, укреплению корней и улучшению фотосинтеза .
3.2. Влияние доменного шлака на всхожесть и высоту растений
Результаты вегетационного эксперимента представлены в таблице 2 и на рисунках 1, 2.
Показатели роста растений в зависимости от кислотности почвы и дозы внесения шлака
без удобрения
Почва | Доза шлака, % | Максимальная высота, см | Всхожесть, % | Тургор, баллы |
Сильно кислая | 0 | 0 | 0 | - |
5 | 21,5 | 60 | 3 | |
10 | 21,5 | 80 | 3 | |
Нейтральная | 0 | 22,0 | 53 | 3 |
5 | 35,2 | 80 | 4 | |
10 | 25,2 | 67 | 3 | |
Фоновая | 0 | 18,1 | 20 | 2 |
Всхожесть семян в сильно кислой почве в зависимости от длительности эксперимента
Более эффективным является применение 5% шлака в нейтральной почве, поскольку это повышает всхожесть на 27% по сравнению с контрольной почвой без шлака и на 60% по сравнению с фоном. При этом зона роста составляет 7 дней, за которые семена прорастают ежедневно до 80%.
В нейтральной почве без шлака и с 10% шлака тургор был равен 3, а с 5% шлака тургор составлял 4 из-за повышения влагоудерживающей способности листьев. В кислой почве без шлака всходов нет, но при добавлении шлака тургор оценен в 3 балла, тогда как в фоновой почве он оценивался в 2 балла.
Сравнение результатов эксперимента с внесением гумата калия и без него показало, что доменный шлак не требует дополнительного внесения удобрений. Максимальные параметры по высоте растений (21,5 см) и всхожести (80%) были достигнуты без использования удобрения, однако отмечено повышение значения тургора на 1 балл при использовании гумата калия.
Полученные данные подтверждают результаты зарубежных исследований, где также отмечено, что доменный шлак способствует увеличению биомассы растений без дополнительного внесения удобрений. А именно, фитомасса растений, посаженных на почве с добавлением доменного шлака, в среднем в 2,8 раза больше, чем в его отсутствии на контрольной почве
, .
3.3. Оценка токсичности доменного шлака
Выживаемость калифорнийских червей в зависимости от длительности эксперимента и дозы внесения шлака
С добавлением 1% шлака смертность червей начала расти на 4-е сутки и составила 20% к окончанию эксперимента.
С добавлением 2,5% доменного шлака выживаемость червей составила 100 и не отличалась от таковой в фоновом образце. Черви находились в клубке в почве, на третьи сутки были более активными, чем черви в емкости с добавлением 1% шлака. В конце эксперимента также оставались активными, кожный покров чище, чем у червей в фоновом образце.
Рекомендовано внесение 2,5% шлака, поскольку при такой дозе выживаемость червей равна фоновой. Шлак является безопасным для Eisenia fetida: выживаемость в контрольной почве без шлака составляет 0%, с 1% шлака — 80%, а с 2,5% — 100%. Зафиксирован рост выживаемости с увеличением дозы. Шлак в дозе 2,5% повышает выживаемость на 100% по сравнению с контрольной почвой и на 20% по сравнению с кислой почвой, улучшенной путем внесения 1% шлака.
4. Заключение
Исследования показали, что шлак обладает мелиоративным потенциалом и может быть использован для рекультивации техногенно нарушенных кислых почв.
Установлено, что шлак характеризуется щелочной реакцией (pH=10,5) и содержанием оксидов кальция и магния 42,55%, что обусловливает его способность к раскислению.
Вегетационный эксперимент показал, что в кислой почве (pH=2,1) без шлака всхожесть составляет 0%, 10% шлака повышает всхожесть до 80% и обеспечивает высоту растений 21,5 см, тогда как в нейтральной почве доза 5% обеспечивает всхожесть 80% и высоту 35,2 см. При этом шлак не требует внесения удобрения: максимальные параметры были достигнуты без гумата калия.
Оценка токсичности на червях Eisenia fetida показала, что доза внесения 2,5% шлака обеспечивает 100% выживаемость, что подтверждает безопасность данной концентрации для почвенной биоты.
Рекомендованы дозы 5% для нейтральных и 10% для сильно кислых почв. Шлак может быть эффективно использован без удобрений для рекультивации техногенно нарушенных земель в горнопромышленных регионах.