WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 | 2 || 4 | 5 |

Третья глава диссертационной работы посвящена разработке способов использования отходов камнепиления известняков-ракушечников в целях повышения продуктивности и экологической безопасности сельскохозяйственных земель.

Наличие на территории Дагестана кислых и загрязненных тяжелыми металлами земель позволяет также судить и о возможности использования известкового материала получаемого при камнедобыче известняков – ракушечников для улучшения свойств этих почв.

Отходы камнепиления известняков-ракушечников, особенно тонкие фракции, могут быть использованы в качестве мелиоранта без дополнительной переработки для проведения химических мелиораций почв – для регулирования кислотности и подвижности тяжелых металлов в почвах. По химическому составу отходы камнепиления пористых известняков - ракушечников Дагестанских карьеров в основном состоят из карбоната кальция и магния, содержание которых колеблется: СаСО3 от 73 до 94 %, Мg СО3 – 0,4 ….12 %. Они являются практически чистыми карбонатами кальция и магния и не содержат в своем составе токсичных веществ, что предопределяет возможность их использования в качестве известкового материала. Известковая мука, получаемая при переработке отходов камнепиления известняков-ракушечников, относится к первой группе по экологическим ограничениям на использование известковых материалов, материалы, применение которых разрешено без ограничений.

Имеющиеся запасы этого материала позволяют судить о возможности их промышленного использования для улучшения свойств почв. Только при разработке известняков - ракушечников в одном Дербентском районе может быть получено порядка 250000 м3 известкового материала. Известковый материал может быть получен отсевом пылевидной фракции как из отходов камнепиления известняков – ракушечников так и из продуктов их переработки в заполнители для бетонов.

Почвы Республики Дагестан по кислотности характеризуются как кислые, нейтральные и слабощелочные, поэтому изменение кислотности в результате внесения в почву тонких продуктов камнепиления не только улучшит ее плодородие, но и обеспечит хорошее качество продукции растениеводство за счет снижения содержания подвижных форм тяжелых металлов в почве.

Площадь территории, на которой необходимо провести известкование равняется 1,5 млн. га, что составляет свыше 30 % от общей площади республики. Физическая доза данного известнякового материала с учетом его влажности и крупности помола составляет Дф = 15,06 тонн/га. Для известкования всех почв имеющих кислую реакцию, необходимо До = 22,59 миллион тонн данного известкового материала.

Как известно важным фактором, оказывающим влияние на соотношение подвижных и неподвижных форм металлов в почве, является кислотно-щелочные условия почвы.

Формализовать процесс поведения и превращения в различные соединения даже отдельного взятого металла очень сложно, поскольку этот процесс непрерывный и зависит от многих факторов, включая тип почвы, ее физические, химические и агрохимические свойства, биологическую, зоологическую (участие крупных животных) и микробиологическую активность, сезонность и повторяемости лет по климату и др.

Ввиду малой концентрации тяжелых металлов в почвенных растворах и большой емкости поглощения почвы А.И. Голованов рекомендует использовать линейное уравнение изотермы сорбции Генри:

; (1)

где C0 - равновесная концентрация металла в почвенном растворе; - объемная влажность почвы; S0 - равновесное, соответствующее C0, количество металла, сорбированное почвой; Г - безразмерная константа Генри; = 1/Г - коэффициент изотермы сорбции. Кинетика сорбции описывается уравнением (2).

Параметром, определяющим поведение тяжелых металлов в почве, является достоверное знание коэффициента изотермы сорбции, т.к. по сути дела этот коэффициент объединяет все описанные выше процессы, формирующие соотношение между подвижной и связанной фракциями иона конкретного металла. Содержание этого иона в единице объема почвы в равновесном состоянии равно Z=C+S или Z=(1+1/)C. Коэффициент подвижности иона, т.е. отношение массы ионов в растворе к общему его содержанию в почве R=C/Z=/(1+). Зная это соотношение в результате лабораторных анализов почв, можно приближенно оценить значение эффективного коэффициента изотермы сорбции:

; (2)

Изучение поведения тяжелых металлов в почве с помощью математической модели Голованова А.И. проводилось для кадмия и свинца, характеризующиеся как вещества первого класса опасности.

Для оценки влияния кислотности на подвижность указанных металлов, также как и Голованов А.И., использовались результаты опубликованных исследований (Айдаров И.П., Глазовская И.Г., Ильин В.Б., Ладонин Д.В.,) и данные, полученные в ходе проведения инженерно-экологических изысканий почв и грунтов при строительстве Лефортовских тоннелей и Братеевской набережной. После обобщения и статистической обработки данных были построены зависимости изменения коэффициента подвижности металлов от кислотности почвы, которые представлены на рис.2. и рис.3.

Согласно представленных графиков наибольшее поглощение почвой кадмия наблюдается при рН = 6.5 – 10.0, а свинца – рН = 6,0 – 9,5, поведение этих металлов в щелочной среде нами не выявлено из-за отсутствия данных. Однако даже представленные результаты позволяют сказать, что в указанных диапазонах кислотности свинец менее подвижен, чем кадмий, при чем коэффициент подвижности кадмия составляет около 0.08, а свинца около 0.05.

Для расчета коэффициента сорбции по зависимости (2.) были использованы данные связи коэффициента подвижности с кислотно-щелочными условиями почвы (рис.2. и рис. 3.). В результате выполненных расчетов на рис. 4. и рис. 5. представлены зависимости коэффициента сорбци от коэффициента подвижности тяжелых металлов в почве.

Анализ представленных графиков показывает, что они имеют схожую зависимость, т.е. коэффициент сорбции в пределах изменения коэффициента подвижности от значений близких к нулю до 0.5 не зависит от вида конкретного металла. Представленные на рисунках 4. и 5. зависимости имеют большое значение при прогнозировании изменения содержания тяжелых металлов в почве на сельскохозяйственных и приусадебных землях. Зная исходные кислотно-щелочные условия и валовое содержание тяжелых металлов в почве (наиболее часто проводимое определение), можно, изменяя в ретроспективе кислотность почвы, получить характер передвижения подвижных форм в системе почва – растения и оценить качество получаемой продукции.

Для изучения динамики изменения содержания подвижных и валовых форм в почве в условиях Республики Дагестан были приняты буро-лесные остепненные почвы, имеющие реакцию от 4,5 до 5,5, а в качестве выращиваемой культуры – картофель, как одной из самых распространенных культур – индикаторов экологического состояния почв, продукта растениеводства.

Полученные выше зависимости были использованы в методике долгосрочного прогнозирования содержания тяжелых металлов в почве, которая совместно с автором этой методики - А.И. Головановым, впервые была специально модернизирована и настроена на определение динамики тяжелых металлов при разной почвенной кислотности в условиях продолжительного периода реальных климатических лет.

Методика основана на решении системы дифференциальных уравнений передвижения влаги и ионов металлов в почве. Точность и чувствительность методики зависит от полноты учета главных действующих факторов. При выполнении данной работы методика прогноза была привязана к конкретным природным условиям, выполнена ее апробация и настройка в части формирования водного режима, а также настроена на объемы загрязнения и модифицирована для условий изменения кислотности почвы, что потребовало изменения граничных условий и алгоритмов решения системы уравнений.

Поступление тяжелых металлов в почву моделировалось следующим образом. Принято, что в основном они поступают в виде пыли и аэрозолей, в которых кадмий и свинец содержатся преимущественно в виде оксидов. В почве они преобразуются в карбонат кадмия и в гидроксид (карбонат, гидрокарбонат) свинца. При увлажнении верхних слоев почвы происходит растворение этих соединений, сорбция значительного количества ионов и поступление оставшейся их части в почвенный раствор. Поэтому при моделировании принято, что тяжелые металлы поступают в почву с атмосферными осадками в растворенном виде, для этого модель настраивалась таким образом, чтобы к началу внесения известковых отходов каменепиления, содержание тяжелых металлов отвечало исходному уровню. Исходный уровень загрязнения почв принимался для условий приближенных к рассматриваемой задаче.

Погодные условия для Республики Дагестан приняты по 20 летнему ряду наблюдений с 1966 по 1985 г.г. Для этого региона среднее годовое количество осадков за теплый период (1.04 по 20.10) составляет 273 мм. Потенциальное испарение с почвы за теплый период по нашим оценкам составляет в среднем 683 мм, дефицит влаги равен 683-273 = 410 мм, значения дефицита изменяется от 200 мм до 800 мм, что говорит о засушливости климата и необходимости орошения.

При решении поставленной задачи был применен ретроспективный метод моделирования: принято, что загрязнение почвы атмосферными осадками расчета продолжалось в течение 30 лет и составило по кадмию 0.30 кг/га, по свинцу – 6.50 кг/га, после чего рассмотрен 10-ти летний период с разными уровнями кислотности почвы, которая создавалась за счет внесения соответствующих доз отходов камнепиления.

В течение 30 лет от начала расчета при ежегодном выпадении кадмия и свинца вместе с осадками на уровне 0.30 кг/га и 6.5 кг/га на момент внесения отходов камнепиления содержание кадмия (горизонт А1+А2) составило 0.72 мг/кг, свинца – 26.98 мг/кг (валовое содержание).

Варианты расчетов по эффективности применения отходов камнепиления определялись уровнем рН и подвижностью (R) металлов в почве согласно рис.2. и рис.3.:

1. Вариант - рНCd = 8,0 (Д = 2,5т/га), рНPb = 7,5 (Д = 2 т/га), R = 0.05

2. Вариант - рНCd = 6,0 (Д = 3,5 т/га), рНPb = 6,5 (Д = 3 т/га), R = 0.1

3. Вариант - рН = 4.5 (Д = 10 т/га), R = 0.3

4. Вариант - рН = 4.0 (Д = 13 т/га), R = 0.5

Вариант 4 принят условно для расчетов, поскольку почвы с такой кислотностью в данном регионе не встречаются, но это не отрицает возможность применение подобной ситуации в других условиях. Результаты прогнозирования представлены на рис. 6. и 7.(кадмий) и рис. 8. и 9. (свинец).

Анализ результатов расчетов по прогнозу изменения содержания кадмия и свинца в почве показывает, что при внесении отходов камнепиления в дозах, обеспечивающих подвижности металлов на уровне R=0,05 достижение минимального содержания тяжелых металлов происходит в течение двух лет. В тоже время для этого варианта наблюдается наибольшее валовое содержание этих металлов в почве, однако тенденция такова, что даже при принятой нагрузке по кадмию на уровне 0,30 мг/кг и по свинцу – 6,50 мг/кг в динамике загрязнения появляется некоторая стабилизация валового содержания в течение последних 10 лет. Все это говорит о том, что в почве при поддержании кислотных условий на уровне 1 варианта, стабилизируются балансовые соотношения между приходом и миграцией тяжелых металлов в слое А1 + А2.

Снижение кислотности за счет внесения тонких продуктов камнепиления хотя и не очищает почву, но при снятии источников загрязнения, позволит стабилизировать на минимальном уровне содержание доступных для растений подвижных форм тяжелых металлов в почве. Критерием достаточности такого приема, в конечном итоге, должно быть получение незагрязненной продукции, а не оценка изменения общего содержания металла в почве.

Исходя из изложенного выше делаем вывод, что отходы камнепиления известняков-ракушечников могут быть использованы для повышения урожайности и экологической безопасности кислых и загрязненных земель.

В четвертой главе диссертационной работы рассматриваются вопросы комплексной рекультивации карьерных выемок, отвалов и прилегающих территорий при добыче пильного стенового камня. Определены виды нарушений и основные направления использования нарушенных земель (карьерные выемки, отвалы вскрышных пород и отходов камнепиления, запыленные, загрязненные и захламленные прилегающие территории).

Карьерные выемки, образующиеся при добыче известняков-ракушечников, относятся к глубоким карьерам, глубиной 30…50м., площадью более 10 га, по водному режиму могут быть сухими, переувлажненными или затопленными водой. Не имеют в бортах токсичных пород, грунтовые воды не токсичны и не засолены. Чаще всего карьеры расположены недалеко от населенных пунктов или в их черте.

В процессе добычи камня образуются насыпи из вскрышного (поверхностный слой месторождения) слоя грунта, непригодного для производственных целей. Толщина вскрышного слоя, снимаемого при разработке известняков-ракушечников, составляет в среднем 3…10 м.

Отвалы, образующиеся из отходов камнедобыче известняков-ракушечников, относятся по ГОСТ 17.5.1.02-85 к средневысоким отвалам, по форме могут быть террасированными или гребневатыми. Отходы камнепиления известняков-ракушечников относятся к материалам и породам, не вызывающим негативных воздействий на окружающую природную среду и могут складироваться в линейно протяженные отвалы, формируемые в виде многоярусной террасированной горы (холма).

В работе рассмотрены вопросы адресной рекультивации нарушенных земель, обустройства переувлажненных, обводненных и сухих выемок образующихся при разработке месторождений пористых горных пород. Дано обоснование основных направлений использования отвалов вскрышных пород, отходов камнепиления и прилегающих территорий.

Основываясь на том, что при обосновании направлений рекультивации нарушенных земель (сельско, лесо, рыбо, водохозяйственное, рекреационное, строительное и др.) должны учитываться такие факторы как рельеф местности, геологические и гидрологические условия, состав и свойства пород и почв прилегающих территорий, природно-климатические условия, состав растительности, экономико–географические, хозяйственные, социально–экономические и санитарно–гигиенические условия выделены следующие критерии выбора основных направлений использования карьерных выемок известняков-ракушечников при их рекультивации: размеры (площадь, глубина); водный режим (сухие, переувлажненные, затопленные водой); химический состав грунтовых вод; геохимический состав вмещающих горных пород (наличие в бортах токсичных пород); удаленность от населенных пунктов.

По приведенным выше обоснованиям основных направлений использования карьерных выемок, выемки, образующиеся при разработке месторождений известняков-ракушечников, могут быть использованы как в сельскохозяйственных, лесохозяйственных так в водохозяйственных и рекреационных целях (водоемы для рыбной ловли, купания или хранения воды).

Pages:     | 1 | 2 || 4 | 5 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»