Отвалы литейного...
TRANSCRIPT
валы трубки Мир, сложенные в основном доломитами, вплотную прилегают к урбанизированной зоне. При рекультивации этих отвалов целесообразно использовать рыхлые породы рядом расположенного карьера Водораздельные галечники. Проведенные нами опыты показали, что нанесение на поверхность отвалов трубки Мир слоя таких пород (глин и суглинков) мощностью 20 см с последующим посевом многолетних траб позволяет создать устойчивый растительный покров. На отвалах, сложенных связными несцементированными породами россыпных месторождений, рационально проводить биологическую рекультивацию сельскохозяйственного направления, что позволяет сохранить от распашки значительные площади лесных угодий.
УДК 622:624.131.4:591.42
М. В. ПАСЫНКОВА Уральский университет
А. А. ЛЯПКИН Институт охраны труда
Отвалы литейного производства
Работы.по изучению вопросов рекультивации отвалов, сформированных отходами литейного производства, впервые в Союзе были начаты сотрудниками лаборатории промышленной ботаники в 1982 г. В статье приводятся обобщенные результаты по этой теме.
Известно, что литейное производство характеризуется не только большим количеством вредных воздушных зыбросов, но и твердыми отходами и сточными водами. С введением новых прогрессивных технологических процессов получения форм и стержней на основе самотвердеющих синтетических смол количество токсичных веществ с этими выбросами значительно увеличилось.
Как показывают литературные данные (Горячев, Д ругое, 1981), состав токсичных продуктов в отработанных смесях литейного производства очень разнообразен. Проблема обезвреживания таких смесей стала особенно острой в связи с развитием прогрессивных форм литья на основе холодно-твердеющих смесей с использованием синтетических фенолформальдегидных, мочевинофурановых смол, ассортимент которых значительно возрос. Как отмечено в работе А. А. Ляпкина и др. (1983), проблема обезвреживания отходов имеет большое значение как в экологическом (защита окружающей среды, в первую очередь биосферы), так и в экономическом (использование вторичных сырьевых ресурсов) аспектах.
Для литейных предприятий характерно производство с использованием связанных бентонитом сырых форм и органически связанных стержней. В последнее время широко применяются химически связанные смеси. 90 % твердых отходов литейных цехов составляет использованная, связанная органическими и химическими веществами формовочная земля, которую направляют в отвалы. Под воздействием природных факторов (дождя, солнечного тепла) из отвалов выщелачиваются вредные для внешней среды химические вещества, которые загрязняют почву, грунтовые воды, окружающую отвал местность. Однако большинство отходов литейного производства не содержит ядовитых и вредных для здоровья и окружающей среды веществ. Так, в работе К. Бако, М. Ковач (1981) отмечено, что в ходе анализа отобранных из различных застойных ответвлений канала проб воды и влажных, пропитанных отходов формовочной земли было установлено присутствие в них микроорганизмов и бактерий, которые разлагают фенол. Обнаруженные в пробах трава, микроорганизмы, рыбы позволили сделать заключение о том, что отходы формовочной земли из применяющих оболочковые формы литейных производств не чреваты вредными последствиями для окружающей среды, животного мира. Серией работ, связанных с изучением опасности для окружающей среды отходов литейного производства, проведенных в ГДР, установлено, что отходы формовочной земли органического и неорганического происхождения для окружающей среды вредны не более, чем бытовой мусор. Однако перед отправкой в отвал использованной земли, связанной жидким стеклом и органическими веществами, необходимо получить разрешение местных органов государственного надзора.
Наличие в литейном производстве значительного количества твердых отходов в виде отработанной формовочной смеси и шламов сточных вод ставит задачу их регенерации с целью возврата в производство, а также утилизации нерегенерируемых остатков. Чтобы снизить или устранить количество вредных выбросов со сточными водами и твердыми отходами, необходимо создание безотходных или малоотходных технологий, которое предусматривается в Постановлении ЦК КПСС и Совета Министров СССР «О дополнительных мерах по усилению охраны природы и улучшению использования природных ресурсов» от 1 декабря 1978 г.
Утилизация твердых отходов, не поддающихся регенерации, играет существенную роль в экономике литейного производства. В большинстве случаев такие остатки предполагается использовать в качестве стройматериалов или при укладке дорог, при получении асфальта или термопласта. Наибольшее развитие за рубежом получили методы отверждения промышленных и бытовых отходов различными композициями, содержащими цемент в качестве связующего материала. В Японии имеются
способы стабилизации отходов, содержащих тяжелые металлы, отходы глиноземного производства, пески, глину, фосфорную кислоту и ее соли, основанные на предварительной химической обработке отходов с целью перевода токсичных веществ в малорастворимые соединения и образования бетона. Использование нетоксичных формовочных смесей возможно и в сельском хозяйстве. Как указывается в работе А. А. Ляпкина и др. (1983), для кислых почв и заболоченных мест можно в качестве раскисляющей добавки вводить отработанные смеси на основе жидкого стекла, что способствует снижению кислотности почвы. Наличие в отработанных смесях мочевиноформальдегидной смолы и фосфорной кислоты позволяет увеличить в компосте (бытовые отходы + отработанные формовочные смеси) содержание азота и фосфора. Песчано-смолянистые смеси на основе мочевиноформальдегидных смол могут применяться в сельском хозяйстве как высокоэффективные и долговременные удобрения. В работе И. А. Романова и др. (1980) предлагается использовать в виде пены мочевиноформальдегидную смолу как продукт, создающий благоприятные водно-физические свойства почв и снабжающий растения азотом и микроэлементами.
Однако утилизация отработанных смесей не находит широкого применения в литейном производстве, и твердые отходы более 15 млн т в год выносятся в отвалы, загрязняя окружающую среду. Полностью устранить отвалы литейного производс тв а — задача довольно трудная, но снизить их количество и сделать их безвредными для природы возможно.
Отработанные формовочные смеси, согласно классификации А. А. Ляпкина и др. (1983), можно условно разделить на безопасные и потенциально опасные. К безопасным можно отнести песчано-глинистые, песчано-цементные, песчано-бентонитбвые смеси, не содержащие токсичных веществ в водных смывах на уровне П Д К воды (песчано-смолянистые пески, отвержденные углекислотой или аммиаком; пески на основе фосфатного связующего; неотожженные мочевиноформальдегидные смеси). К потенциально опасным относятся смеси, после экстракции которых содержание токсичных веществ в воде в 10 и более раз превышает ПДК. К таковым относятся неотожженные фенолформальдегидные, фенолфурановые, песчано-смолянистые пески, а также жидкостекольные смеси, отверждаемые алкила- цетатами и феррохромовым шлаком. Наиболее экологически опасным можно считать фенол и его гомологи. Однако авторы отмечают, что загрязнение окружающей среды токсическими веществами, выделяющимися из отработанных формовочных смесей, не является сколько-нибудь значительным. Это связано, с одной стороны, с большой скоростью роста отвалов, что не позволяет атмосферным осадкам просачиваться сквозь толщу отвала и смешиваться с грунтовыми водами, а с другой — с низким содержанием токсичных веществ и быстрым их раз
ложением под воздействием микроорганизмов, что значительно снижает опасность загрязнения окружающей среды.
Несмотря на то, что отвалы литейного производства не столь значительны и не так быстро растут по площади, как отвалы горнодобывающей и перерабатывающей промышленности, они по мере роста требуют мероприятий по их стабилизации и рекультивации.
Работы по изучению свойств отходов литейного производства как субстрата для роста растений и по изысканию способов рекультивации их биологическими методами проводились на отвалах, расположенных в различных гёоботанических зонах, а именно: Европейско-Сибирской лесостепной (НабережныеЧелны), Европейской широколиственной (Рязань), Европейской хвойнолесной-таежной (Свердловск), Евроазиатской хвойнолесной-таежной (К асли), Западно-Сибирской лесостепной (Каменск-Уральский). Цель работы — выявить возможные способы рекультивации отвалов, сложенных отходами литейного производства, которая решалась путем изучения эдафических факторов и естественного зарастания отвалов.
Отбор проб отходов литейного производства проводился по методике для обследования действующих отвалов промышленных отходов (ГОСТ 17.4.3.01—83, СТ СЭВ 3847—82), предназначенной для отбора проб почвы при общих и локальных за грязнениях, дифференциальным методом — отбор проб на каж дом участке технологической цепи — и интегральным — с места складирования, с отвала (Методические указания..., 1988). Естественное зарастание отвалов изучалось согласно методикам, принятым в геоботанике (Ярошенко, 1961; Воронов, 1963; Шен- ников, 1964; и др.).
Известно, что основу формовочных смесей составляет песок. В качестве отвердителей в зависимости от целей литья приме^ няются фенолформальдегидные смолы (С Ф — ,015, Ф ПР — 24), карбидофурановые смолы (К Ф — 90, К Ф — 40, К Ф — 35), крахм алит— продукт переработки кукурузной муки, бентонит — тип глины, стеорат кальция, цинка, тяж елая фракция генераторной сланцевой смолы (ГТФ), жидкое стекло (силикат натрия, алюминат натрия), соли (сульфаты, фториды, хлориды и т. п.), фосфатные композиции, содержащие смесь окислов железа, смесь окислов магния и хрома в виде магнитохромита в сочетании с ортофосфорной кислотой и др. В качестве катализаторов используется ортофосфорная кислота, мочевина, медь азотнокислая, уротропин, каучук — СКТ и другце вещества. Все это говорит о том, что химический состав отходов довольно сложный и малоблагоприятный для живых организмов.
Агрохимический анализ исходных образцов (табл. 1) показал, что реакция среды исходных формовочных смесей может быть очень кислой (pH —2,4—3,6) или очень щелочной (pH— 7,9—11,6). Смеси могут быть засолены, причем сумма токсич
ных солей составляет иногда 25,3%. Засоление происходит за счет солей натрия, кальция, хрома, железа, алюминия, которые содержатся в применяемых отвердителях и катализаторах. Обеспеченность подвижными формами Р 2О5 и К2О различна. Так, формовочные смеси на УЗТМ практически не содержат их; на Каслинском машзаводе величина их колеблется от низкой до средней; формовочные смеси с КАМАЗа хорошо обеспечены подвижным калием, с Центролита и Каменск-Уральского литейного завода — и фосфором, и калием. Следовательно, химические свойства формовочных смесей определяются применяемыми в производстве химическими веществами.
Агрохимический анализ образцов формовочных смесей с отвалов показал (табл. 1 ), что при складировании химические свойства исходного материала изменяются. Так, pH становится слегка щелочной или сильно щелочной, усредняются показатели по подвижным элементам фосфора и калия, уменьшается сумма токсичных солей, так как в отвалах происходит вымывание солей атмосферными осадками, приводящее к рассолению отходов за счет неустойчивых солевых комплексов. Таким образом, смешивание отходов улучшает их химические показатели, делая отвалы вполне приемлемыми для поселения и произрастания растений.
Д ля получения более полной характеристики отходов литейного производства на предмет использования их в качестве субстрата для растений необходимо знание микроэлементного состава отходов, так как растения постоянно связаны с субстратом и физико-химическая структура его отображается в своеобразии и составе растительного покрова (Тиссен, 1954; Бабичка, 1954). Анализ микроэлементного состава (табл. 2 ) показал, что в исходных формовочных смесях содержится до 19 элементов, причем по всем объектам такие элементы, как Ni, Со, Pb, Be, Ti, Ga, Y, Zr, Cu, Zn, Ba, Sr> хотя и относятся к нормально распространенным элементами, но их содержание превышает минимальный кларк горных пород в 1,6—700 раз. К избыточно распространенным можно отнести Сг, Mo, РЬ, содержание которых превышает не только минимальный (в 2 ,5 —200,0 раз), но и максимальный (в 1,5—3,5 раза) кларк горных пород. Анализ микроэлементного состава формовочных смесей с отвалов (табл. 2 ) показал, что в отвале происходит некоторое количественное изменение элементов по сравнению с исходными образцами. Так, увеличивается содержание Mn, Ni, Си, Zn, Pb; отмечается наличие серебра во всех отвалах; часть элементов (Y, Yb, Be), в частности на отвалах Центролита, практически не определена. Подобные явления можно объяснить как химическими реакциями, происходящими в отвалах, так и накоплением элементов. Однако по-прежнему высоким остается содержание таких элементов, как Ti, Сг, РЬ, Мо.
Оценку категории опасности литейных отходов следует про-
Агро
хими
ческ
ие
пока
зате
ли
форм
овоч
ных
смес
ей2К *
0) лЯЁ
оis?
owоГ
21 & а?
(NГ -I
CDСМ
«I
СОО
«оСМ
ю05*
IюСО
CDСМ
IО )
о<мo '
4ср* CD • CD
СОО
СМо
см
о"
CDО
Г -
СОоо*I
с о
0 5
Iт#«
IDоо*I
с о
о*тюаГюс о
Iо
Iсм
CD
с о
cl
<М00
<иV к с: s <т> х® 23*S дКяш5с
Оis?
ОоГ
2sК
оо*
©^ ©ID ©_
©* N.*CO ID ID IDCM
1Tf
I I I1
ID1
CM ©^1
ID©* —Г CM* ~-T
ю*4
CDCDI
юСО*CDCM
IО
оIо
CM*OQCO*4
0 5
1̂.*i d
ID
o*TCD
sIO h
«<• <15 CQ
00 w >>
§ •ffl .COCOэ^;* 5• COcov;3 *
*яs « *< CO ts
!*
oo*
© -rh©* I
<N©*
Tь-
ов —4
2 . со ■ s
* ?§ I s i ч
Табл
ица
2
Мик
роэл
емен
тный
со
став
фо
рмов
очны
х см
есей
, СЮ
~~*
со<2со*
СО
со
со<2
СО£*
2нсо>>
1Я1 НЭИЭ1Ге
о о ю юА А оГ со см 2 Д о"I I I I I I I V
О 00 Ю О N 05 СМ - -о о
О О оо —' сч —'n А со Аn~ ю юV Г о" о*
§ СОI °.— о
O C O - H C O C O O ! N i n O ( N ( N O O СО О СО (N * -н— о0 - 0 0 0
осм
_ о оо о ю ю оN Ю СО -н -н О
СМ Ю О О СМ СОо ^
о о ю7 7 7о ю ю
<мою со оо о
о"____
соо ю юсГ — S 2 8 оI I ° I I I Iо ю о о о о
ою1ю
l'- о"1 1 1 оою1
Осо
1
соо"1
30- 1-
0,3- 1ю СО 1
N-1
г^.1
о
N Ю СО
N- O' о" О*I I I I
СО О О —о" 4 о"
— соо О -ч 2I I 2 I 0 — 0 0
о"______оо о оо
о8 о ю о
7 1 1 1 со1 7 7 о"1 см11о 1со 1 1 ю 1о 1о 1 1юю осм осм 0~
со o' о —I I Г I— о о о
о —o' o S S
< r i о о<мою см 00 о о—I - ~ со ю юд со ю см см —A I I I I II СО Ю СО СО СМ
- V о- о о - V
оV
о о— СО — CM LOо I I I I Iу N СО СО СО
V о о~ о"V V V
Vтг СОI 2— о
V V
<м о N--■■о оо о <м о оо о о о о о - о ~ -ю — ^ ( N C O C O N O C O N C O O « (М О (N О N OI I I I I \ I I I I I I I I I I I I I I I IN C O O C M O C M IO O ^ O C O C о о о о о ~ ~—Iо о о
о о
о см оо о о - о оЮ Ю — Ю С М С О Ю О — —'СМ
ю ю о
kj Lk J «-kJ V—> —̂ V-N ’--- >—*I I I I I I I I I I I I I I IOOOOCMl^OCMCOO о о . . 7 . .о о о о о
о юО о о о оN N iO « ^ C O lO O iC N ^ O O ( M— N-- - — о оО О О СО см
I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I IОЮСОСООСОООГ^О — О О О O O O O t x
ю о о л см© *> •> о о ю -CM О - СМ СО Ю — О N ОП I I I I I I M l IN C O ^ O N C J ^ ^ O C O
^ o ' о" о~
о t" —о - *— N- О О
X X 1 1 X I 2 I 1о о со о
| 2 о . •’- « - . « - . О З С Х З с С Л CD /НU > H U N g u N f l ,M < > ‘ B .|SO > '
водить по четырем основным показателям: реакция среды (pH),, сумма токсичных солей (% ), химическая потребность в кислороде (ХПК) и содержание токсичных элементов в водной вытяжке (Zn, Си, Mn, Сг, Be, F ), которые определяются выборочно, *в зависимости от наличия их в технологическом процессе при образовании отходов. На основании этих показателей все отходы литейного производства подразделены на 3 категории, 2 из которых согласно ГОСТ— 17.5.1.03—86 отнесены к малопригодным для биологической рекультивации субстратам (табл. 3).
Формирование первичных фитоценозов на отвалах литейного производства — вопрос новый, литературных данных по нему очень мало. В работе немецких авторов (К вопросу захоронения..., 1980) при обледовании свалки Шедегрубе отмечается 102 вида растений, принимающих участие в зарастании отходов литейного производства. Среди них встречены пырей ползучий, марь белая, пастушья сумка, осот розовый, мать-и-мачеха и другие виды, т. е. растения с широкой экологической амплитудой и приспособляемостью. Имеются злаки — ежа сборная, овсяница луговая, мятлик однолетний, бобовые — клевер ползучий. Отмечены и древесные виды — береза бородавчатая, ива белая, тополь канадский, бузина черная. Авторы указывают, что растительность появляется только там, где отходы литейного производства смешиваются с бытовыми отходами, глиной, почвой. Чистая формовочная смесь как в свежем виде, так и после длительного захоронения не зарастает ввиду своей стерильности.
Проведенное нами геоботаническое обследование отвалов показало, что формирование растительных группировок связано с физико-химическими свойствами субстрата и с возрастом отвала. Чем старше отвал, тем большее количество видов отмечено на нем. Так, на 30-летнем отвале (УЗТМ) зарегистрировано 55 видов, на молодых (К М З)—20. На старовозрастных отвалах имеются уже сложившиеся разнотравно-злаковые ценозы, а на молодых отвалах растительность представлена разрозненными экземплярами растений, небольшими пятнами. Д ан ные по биологической характеристике растений на обследованных отвалах (табл. 4) показали, что биоморфа на законченных отвалах представлена многолетними (70,0—82,0 % ), а на действующих отвалах — однолетними (42,9% ) формами. Экотип растений, независимо от местоположения отвала, представлен: мезофитами (68,5—79,6 %) и ксеромезофитами (11,0— 17,5% ), что говорит о различном содержании влаги в субстрате. Из ксеромезофитов следует отметить икотник серо-зеленый (sol), липучку ежовную (sp), полынь горькую (sp), полынь обыкновенную (sp), скерду кровельную (sol), клоповник мусорный (sol), которые отмечены на всех объектах и произрастают на засушливых местах отвала. На засоленных участках встречены
галофиты — солянка русская (сорг), лебеда татарская (sol — copi) и галоксеромезофиты — бескильница расставленная (sol — sp), которая переносит большое засоление и может развиваться там, где растут солеросы, вытесняя их и формируя ценный в кормовом отношении покров. На очень влажных местах встре-
Таблица 3Оценка4 категорий опасности отходов литейного производства
К атего р и я
Х арактеристика отхода по виду
загрязнени яГруппа пригодности
к рекультивации Вид отходов
II
1 II
Практическиинертные
Биологически окисляемые, легко разлагающиеся органические вещества Слаботоксичные, малорастворимые в воде вредные вещества
Малопригодные
Малопригодные
Непригодные
1. Отработанные формовочные и стержневые смеси на основе глины, бентонита, этилсиликата.2 . Отожженные песчаносмоляные смеси.3. Шлаки черных металлов.4. Керамика, огнеупоры.5. Строительный мусор.1. Брак форм и стержней и неотожженные песчаносмоляные смеси.
1. Отработанные формовочные жидкостекольные и песчано-смоляные смеси, отверждаемые соединениями токсичных элементов.2. Шлаки цветных металлов.3. Пыль от регенерационных и пылеочистных установок.4. Отходы смоляных связующих.
чены мезогигрофиты — овсяница красная (copt), береза бородавчатая (sp). Жизненная форма на старых отвалах (УЗТМ, КМ З, КАМАЗ) представлена в основном травянистыми поли- карпиками (60,0—72,4 % ), на молодых (Центролит и Каменск- У ральский)— травянистыми монокарпиками (47,1—64,3% ). Фанерофиты составляют небольшой процент, который увеличивается от молодых (2*9—3,5% ) к старым (14,5% ) отвалам. И з фанерофитов следует отметить березу бородавчатую (sol — copi), иву козью (copi), иву прутовидную (sp]f, осину (sp), сосну обыкновенную (sp), а на отвалах, расположенных в
Европейской широколиственной зоне (Ц ентролит)— клен ясенелистный (sol), т. е. виды, которые могут быть включены в ассортимент растений, используемых при рекультивации отвалов. Ландшафтно-экологическая группа представлена на всех отвалах сорными (34,5—62,4 %) и луговыми (10,5—29,9% )
' Х имический состав водной вы тяж ки
pH сумма 'токсичных
солей. %хпк,
У мгОг/кгтоксичны еэлем енты ,
мг/кг
5 ,5 -8 ,4 0,0—0,4 до 300 ДО 1,0
3,5—5,5 и 8 ,4 -9 ,0
0 4*. 1 О ОО до 4000 до 1,0
до 3,5 и свыше 9,0
свыше 0,8 свыше 4000 до 10,0
видами. Общими для всех экотопов являются мать-и-мачеха, одуванчик лекарственный, клоповник мусорный, мятлик луговой, полынь обыкновенная, тысячелистник обыкновенный. На отвалах, расположенных в лесной зоне, встречены лесные виды растений — борщевик сибирский (sol), вероника дубровная (sol), земляника лесная (sol). Всего зарегистрировано 11 ландшафтноэкологических групп. На отвалах литейного производства поселяются растения различных семейств, причем с возрастом численность их увеличивается. Так, на действующих отвалах Каменск-Уральского литейного завода и завода Центролит за-
регистрированы представители 11 семейств, а на 3.0-летнем (У ЗТ М )— 21. Пионерами заселения являются представители: семейств Asteraceae (20,0—34,9% ), Cruciferae (7,4—14,0%),.
Биологическая характеристика растений на отвалах литейного производства, %
Отвалы
Биоэкоморф ыУЗТМ кмз КамАЗ Центро-
литКаменск-
Ураль-ский
Всего видов . . . . . . 55 20 37 28 34Биоморфа
м ноголетники..................... 82,0 70,0 72,4 35,7 52,9двулетники .......................... 9 ,0 15,0 4 ,4 21,4 20,6о д н о л е т н и к и ..................... 9 ,0 15,0 . 23,2 42,9 26,5
Итого: 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0Экотип
м е з о ф и т ы .......................... 72,7 75,0 78,2 68,5 79 ,6ксеромезофиты . . . . 12,7 15,0 11,0 17,5 2 ,9прочие ..................................... 16,4 10,0 10,8 14 ,0 . 17,5
• . Итого: 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0Жизненная форма
травянистые поликарпики 67,5 60,0 72,4 32,2 50,0травянистые монокарпики 18,0 30,0 27,6 64,3 47,1ф а н е р о ф и т ы ..................... 14,5 10,0 — 3 ,5 2 ,9
Итого: 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0Ландшафтно-экологическаягруппа
сорная . ............................... 34,5 60,0 62,4 44,5 58,8луговая ................................ 21,8 25,0 29,9 10,5 29,4лесная ..................................... 18,2 15,0 — — 5 ,9прочие ............................... 25,5 — 7 ,7 45,0 5 ,9
• Итого: 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0Распределение по семействам
астр овы е............................... 25,5 20,0 34,9 32,5 29,4крестоцветные..................... 9 ,0 10,0 7 ,4 14,0 —мятликов ы е .......................... 12,7 5 ,0 12,4 7 ,0 8 ,8бобовые .......................... 5 ,5 10,0 7,8 7 ,0 5 ,9прочие ..................................... 47,3 55,0 37,5 39,5 —
Итого: 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0Тип корневой системы
стержнекорневой . . . . 69,8 55,0 62,5 75,5 55,9корневищ ны й..................... 27,2 40,0 17,2 7 ,0 23,7дерновинный ..................... 3 ,6 — 4 ,7 3 ,5 5 ,8прочие ..................................... 9 ,4 5,0 16,6 14,0 16,6
Итого: 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0
численность которых находится в обратно пропорциональной связи с возрастом отвалов.
Представители наиболее ценных в хозяйственном отношении трав семейств Роасеае и Leguminosae захватывают интенсивно* участки на старовозрастных отвалах и формируют, устойчивые
фитоценозы, увеличивая численность своих представителей. Так, на 30-летнем отвале основу фитоценоза составил пырей ползучий с проективным покрытием 100%, который сформировал плотную дернину, способную противостоять пылению отвала. Кроме пырец отмечены овсяница красная, овсяница луговая, кострец безостый, бе^кильница расставленная, из бобовых — клевер луговой и клевер ползучий, чина луговая. На молодых несформированных отвалах — мятликовые и бобовые (1—2 представителя) встречаются единично или небольшими разрозненными группами, не способными играть решающую роль в формировании среды. Все это говорит о том, что численность хозяйственно ценных видов из семейств Роасеае и Leguminosae находится в прямой зависимости от возраста отвала.
Известно (Пасынкова, 1978), что на отвалах поселяются растения с различным типом строения корневой системы. На отвалах литейного производства основная масса имеет стержневой тип строения корневой системы (55,0—75,5 % ). Здесь можно отметить глубокостержнекорневые ветвистые виды (эспарцет песчаный), мелкостержнекорневые простые (подорожник большой, подорожник средний, вика лесная) и ветвистые (бедренец-камнеломка). Вторая большая группа растений имеет корневищный тип строения корневой системы' (от 7,0 до 40,0% ). Особи, этой группы распространяются по площади на небольшие расстояния при увеличении количества надземных побегов (расползающиеся виды). Сюда можно отнести короткокорневищные ветвистые (подмаренник настоящий, подмаренник мягкий), короткокорневищные дернообразующие (пижма обыкновенная, гвоздика травянка, бескильница рас
ставленная, мятлик луговой, овсяница луговая и др.), длиннокорневищные с корневищами-отбегами (пырей ползучий, вей- ник наземный, земляника лесная) и приповерхностные с глубиной залегания корневищ в слое 0,5—5,0 см (кострец безостый, тысячелистник обыкновенный, мать-и-мачеха и другие виды), корнеотпрысковые (льнянка обыкновенная, бодяк полевой, кипрей узколистный). Преобладание на отвалах растений со стержневым и корневищным типом строения корневой системы позволяет им расселяться на данной территории ц наиболее полно использовать экологические условия среды.
В настоящее время большое внимание уделяется изучению взаимоотношений между организмами и средой. Растения очень чутко реагируют на избыток или недостаток в среде химических элементов, что выражается в более или менее глубоких изменениях их элементарного химического состава. В биохимических провинциях, обогащенных тяжелыми металлами, уровень содержания их в растениях выше, чем в зональной растительности. Известно, что виды-металлофиты накапливают огромное количество металлов. Так, например, смолевка широколистная на галмейских почвах содержит 2,1 % цинка в золе, ярутка
альпийская и полынь морская не только в естественных, но и в экспериментальных условиях накапливают в золе без признаков угнетения огромное количество цинка— 1,3 и 0,4% соответственно. Металлофиты медной флоры смолка альпийская и дрема лесная нормально развиваются при огромных коли-
Таблица 5Ряды биологического поглощения элементов растениями на отвалах литейного производства
Р ядыпоглощ ения
Г радаци я по К БП
УЗТМ
мятлик луговой полынь горькая
Энергично накоп > 1 0 — —ляемыеСильно накопляе 1 0 - 1 Mn, Ni, Мо, Си, Мо, Си, Zn, Pb,мые Zn, Pb, Ва, Sn, Sr Sn, Ва, Sr
Слабо накопляемые 1— 0,1 V, Ti, Сг, Zr Mn, Ni, V, Tiи среднего захвата Cr, Zr
Любого захвата р т о о — —
чествах меди в тканях. В составе сообществ на отвалах рудников наряду с видами-металлофитами и сорными видами встречаются с высоким обилием обычные виды местной флоры, адаптация которых может происходить за счет формирования устойчивых популяций (Косицын, Алексеева-Попова, 1983). Способность наземных растений накапливать в своей биомассе те или иные элементы, отражая при этом специфику своего местообитания, делает их основными объектами апробирования при биологических исследованиях.
Вопросу изучения химического состава и накопления4 тяжелых металлов биомассой растений, произрастающих на -промышленных отвалах, уделяется большое внимание, так как отвалы могут быть использованы как кормовые угодья. Здесь следует отметить работы В. В. Тарчевского, Ф .Д. Дробиза (1969),. Ф. Д. Дробиза и др. (1969), М. В. Пасынковой (1979, 1988), Г. И. Махониной (1981, 1985, 1987), Г. И. Махониной, О. И. Ка- бониной (1980), С. Я. Левит и др. (Техногенные аномалии..., 1988), Г. И. Карташевой (1984, 1985).
Химический состав биомассы определялся с помощью спектрального анализа 16 видов растений, произрастающих на отвалах: бескильницы расставленной, вейника узколистного, донника белого, земляники лесной, клевера лугового, костреца безостого, крапивы двудомной, лапчатки гусиной, мать-и-мачехи, мятлика лугового, овсяницы красной, подмаренника мягкого,.
полыни горькой, пырея ползучего, эспарцета песчаного, щавеля конского. Отмечено, что в биомассе растений концентрируется от 15 до 23 элементов, причем в корнях их содержится больше как в видовом, так и в количественном отношениях. Так, в корнях обнаружены' у костреца безостого ванадий, олово, иттрий,
О твалы
кмз КАМАЗ Центролит
мятлик луговой полынь горькая м ятлик луговой полы нь гсдеькая
Sn Sn, Ag Sn, Mo Sn
Mn, Ni, Со, Мэ, Zn, Pb, Ag, Ba,Sr
Mo, Ga, Ba, Sr, Mn, V
Mn, Со, V, Cu, Zn, Pb, Ag, Ba
Mn, Ni, V, Mo, Cu, Pb, Ba, Sr
V, Ti, Сг, Си Ni, Co, Ti, Cr, Zr, Zn
Ni, Cr, Zr, Ga, Sr
Ti, Cr, Zr, Zn, Co
Zr Си, Pb Ti Ga, Ag
иттербий, скандий; у бескильницы расставленной — иттрий, иттербий; у подмаренника мягкого — олово, галлий; у овсяницы красной — иттрий; у мать-и-мачехи — скандий; у пырея ползу-
- чего — вольфрам, лттрий, которые в надземной массе этих культур отсутствуют. Большая часть микроэлементов в корнях в количественном отношении превосходит накопление их в надземной массе. Так, содержание меди у клевера лугового в надземной массе составило 3 -10-3 %, а в корнях 20 -10—3 %, т. е. больше в 6,6 раза. У земляники содержание меди в корнях в2,0 раза больше, чем в надземной массе (10-10—3 и 5 -10—3 % соответственно). Это подтверждает положение о том, что подземная масса поглощает большее количество того или иного элемента, препятствуя тем самым поступлению их в чрезмерном количестве в надземную массу и органы плодоношения.
На основании коэффициентов биологического поглощения (Глазовская, 1965) были построены ряды биологического поглощения (табл. 5). Данные табл. 5 показывают, что к энергично накопляемым элементам относятся олово, серебро, молибден (К Б П > 10). Основная часть микроэлементов относится к сильно накопляемым (К Б П = 1 0 — 1) и слабо накопляемым (К Б П = 1 —0,1), причем выбор или градация тех или иных элементов зависит как от вида растения, так и от химического состава субстрата.
Как известно (Ильин, Степанова, 1979; Степанова, 1982; Косицын, Алексеева-Попова, 1983; и др.), важным фактором, влияющим на доступность тяжелых металлов, является pH почвы (субстрата), величина которой иногда имеет большее значение, чем общая концентрация металла. Отмечено, что накопление тяжелых металлов в растениях на почве с низким (2,5—3,0) или очень высоким (9,0— 10,5) pH может оказаться больше, чем общее содержание металла в субстрате. Так, на отвалах УЗТМ при pH = 9,1 такие элементы, как фосфор, литий, скандий, находящиеся в субстрате в микродозах, не поддающихся обнаружению, накапливаются в биомассе растений. Так, в надземной массе костреца безостого, в корнях вейника узколистного обнаружено 3 -10—3 и 50 • 10~3 % лития соответственно. Скандий и фосфор также накапливаются растениями в больших количествах, хотя в субстрате отсутствуют. Суммируя данные по содержанию микроэлементов в субстрате и биомассе,
, можно отметить, что исследованные нами растения являются представителями местной флоры, имеют широкую амплитуду выносливости к химическим элементам и могут произрастать как при повышенных концентрациях элементов, так и при нормальном и среднем их содержании в отходах литейного производства. По количеству накопляемых элементов исследуемые растения можно отнести к факультативным эндемикам, способным произрастать на субстратах, обогащенных различными элементами, причем в неодинаковой степени.
Отвалы литейного производства следует отнести к объектам первоочередной рекультивации, так как они расположены в основном в городской черте, и образование их носит, как правило, стихийный характер. Основным требованием при захоронении отходов является отсутствие контакта с грунтовыми и поверхностными водами, имеющими выход в открытые водоемы (Правила складирования..., 1987). Форма и рельеф отвала должны обеспечивать их хозяйственное освоение, причем предпочтение следует отдавать отвалам, наиболее крупным по площади. В зависимости от физико-географических условий расположения отвалов (климат, рельеф, геологические и гидрологические условия, близость к населенному пункту), химического и агрохимического состава отходов литейногб производства рекультивация отвалов проводится в санитарно-гигиеническом, рекреационном, строительном, лесохозяйственном или сельскохозяйственном направлениях с учетом специфики каждого конкретного объекта.
Биологический этап рекультивации включает мероприятия по воспроизводству биологическими методами условий, обеспечивающих плодородие отходов литейного производства (Методические рекомендации..., 1988). Сюда следует отнести посев многолетних злаковых и бобовых трав; посадку древесных и кустарниковых видов; внесение органо-минеральных удобрений.
Так как о т х о д ы литейного производства в своей основе являются песчано-глинистыми субстратами, лишенными органического вещества, азота, слабо обеспеченными подвижными элементами питания растений, то для успешного произрастания растений необходимо улучшение свойств отходов. Это можно сделать путем покрытия поверхности отвала слоем почвы, торфа или потенциально плодородной породы с внесением полного минерального удобрения или совместного складирования, с разрешения соответствующих органов, отходов литейного производства и бытовых отходов.
Способ распределения покрывающего материала по поверхности выбирается в зависимости от целей рекультивации (сплошное, полосное, внесение в посадочные ям ы ). Ассортимент растений должен включать местные районированные виды как травянистых, так и древесных культур.
Проведение мероприятий по биологической рекультивации поможет вернуть отвалам литейного производства биологическую продуктивность.
ЛИТЕРАТУРА
Бабичка И., 1954. Золото в организмах/ / Геохимические методы поисков. М . С. 373-426 .
Воронов А. Г., 1963. Геоботаника. М.Глазовская М. А., 1965. О биологическом круговороте элементов в раз
личных ландшафтных зонах (на примере Урала) //Д окл. к VIII Международ. конгрессу почвоведов. Физика, химия, биология и минералогия почв. М. С . 148—156.
Горячев Н. С., Другое Ю. С., 1981. Охрана окружающей среды и очистка промышленных выбросов в химической промышленности. Вып. 11. М.
ГОСТ 17.4.3.01—83 (СТСЭВ 3847—82), 1984. Охрана природы. Почвы. Общие требования к отбору проб. М.
ГОСТ 17.5.1.03—86, 1987. Охрана природы. Земли. Классификация вскрышных и вмещающих пород для биологической рекультивации земель. М.
Дороненко Е. П., 1979. Рекультивация земель, нарушенных открытыми работами. М.
Дробиз Ф. Д. и др., 1969. [Обложка 1970]. Содержание железа и алюминия в растениях, выращенных на красном шламе // Растения и промышленная среда. Свердловск. С. 180—189.
Израэль Ю. А., Гасилина Н. К., Ровинский Ф. Я. и др., 1978. Осуществление в СССР системы мониторинга загрязнения природной среды. Л.
Ильин В. Б., Степанова М. Д., 1979. Относительные показатели загрязнения в системе почва — растение/ / Почвоведение. № 11. С. 61—67.
Карташева Г. Г., 1984. Химический состав деревьев и кустарников, произрастающих на уступах угольного разреза // Растения и промышленная среда. Свердловск. С. 72—77.
Карташева Г. Г., 1985. Химический состав растений, произрастающих в Коркинском угольном разрезе // Растения и промышленная среда. Свердловск. С. 92—105.
Колесников Б. П., 1974. Рекультивация техногенных ландшафтов/ / Человек и среда обитания. Л. С. 220—232.
Косицын А. В., Алексеева-Попова Н. В., 1983. Действие тяжелых метал- • лов на растения и механизм металлоустойчивости // Растения в экстремаль
ных условиях минерального питания. Л. С. 5—22.Ляпкин и др., 1983. Комплексная переработка отходов литейного произ
водства. Сер. С—6 — 1. Технология литейного производства. М.Махонина Г. И., 1981. Химический состав травянистых растений на отва
лах железорудных месторождений Урала/ / Почвообразование в антропогенных условиях. Свердловск. С. 47—60.
Махонина Г. И., 1985. Химический состав кормовых трав на рекультивированных отвалах Веселовско-Богословского буроугольного месторождения/ / Растения и промышленная среда. Свердловск. С. 81—91.
Махонина Г. И., 1987. Химический состав растений на промышленных отвалах Урала. Свердловск.
Махонина Г. И., Кабонина О. И., 1980. Химический состав травянистых растений на терриконах угольных шахт Урала/ / Питание растений и программирование урожая сельскохозяйственных культур. Пермь. С. 112— 126.
Методические рекомендации по рекультивации отвалов литейного производства, 1988/А . А. Ляпкин и др. Свердловск.
Методические рекомендации по отбору проб и анализу отходов литейного производства, 19887 А. А. Ляпкин и др. Свердловск.
Никитин Ю. И., Завриев А. В., 1979. Экономика использования отходов химических производств и охраны природы. Обзорная информация. Вып. 5. (24). Сер.: Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов. М.
Пасынкова М. В., 1978. Формирование растительности на отвалах Бу- скульского месторождения огнеупорных глин // Растения и промышленная среда. Свердловск. С. 26—32.
Пасынкова М. В., 1979. Влияние дымогазовых выбросов предприятий цветной металлургии на окружающую среду // Растения и промышленная среда. Свердловск. С. 5—22.
Пасынкова М. В., 1988. Микроэлементный состав субстратов и растений на отвалах при добыче меди //Т ез. докл. V Урал, совещ. «Проблемы рекультивации нарушенных земель», 14—18 нояб. 1988 г. Свердловск. С. 43—44.
Правила складирования отходов литейного производства, 1987/А . А. Ляпкин, Н. С. Чуракова, Е. Л. Плашкина и др. Свердловск.
Романов И. А. и др.' 1980. Влияние мочевиноформальдегидной пены на микробиологические процессы в почвах / / |Науч.-техн. бюл. по агрон. физике. № 39. С. 24—28.
Синецкий А. П., Тихомиров А. П., Билялетдинова Н. В., 1980. Рекультивация породных отвалов рудных карьеров за рубежом. Обзорная информация. Вып. 7. Сер. Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов на -предприятиях цветной металлургии. М.
Степанова М. Д., 1982. Подходы к оценке загрязнения почв и растений тяжелыми элементами//Химические элементы в системе почва — растение. Новосибирск. С. 92— 105.
Тарчевский В. В., Дробиз Ф. Д., 1969. Содержание железа и алюминия в растениях, выращенных на специфичных субстратах/ / Тез. докл. Сиб. конф. «Микроэлементы в биосфере и их применение в сельском хозяйстве, медицине Сибири и Дальнего Востока». Омск; Улан-Удэ. С. 77—78.
Техногенные аномалии тяжелых металлов на нарушенных землях, 1988/ С. Я. Левит, Г. Г. Карташева и др.//Материалы II Всесоюз. конф. «Тяжелые металлы в окружающей среде и охрана природы», 28—30 дек. 1987 г. М. Ч. 1. С. 110—113.
Тиссен С., 1954. Геохимические и фитобиологические связи в свете прикладной геофизики/ / Геохимические методы поисков рудных месторождений. М. С. 325—372.
Шенников А. П., 1964. Введение в геоботанику. Л.Ярошенко П. Д., 1961. Геоботаника. Основные понятия, направления*
методы. М.; Л.
Бако К., Ковач М., 1984. Выщелачивание использованных в литейном: производстве формовочных смесей / Пер. с венг. М. С. 133—137.
К вопросу захоронения промышленных отходов, 1980/И . Таухншц Р. Шнабель, В. Питч и др., пер. с нем. М. С. 178—212.
УДК 6 2 2 -1 7
Г. Г. КАРТАШЕВА, С. Я. ЛЕВИТ Уральский университет
Биологическая рекультивация шламохраиилища Качканарского горно-обогатительного
комбинатач
На железорудных предприятиях страны ежегодно образуется 250 млн м3 отходов обогащения руд. Значительную часть отводимых под отвалы земель занимали сельскохозяйственные угодья или леса, на месте которых размещаются бесплодные пустыни,, являющиеся постоянным источником загрязнения окружающей среды.
В данной работе представлены результаты исследований п а разработке способов биологической рекультивации отходов обогащения Качканарского ГОКа, работающего на титано- магнетитовых породах с низким содержанием железа в руде (Разработка технологии..., 1979; Разработка рационального вида..., 1980; Разработка способов..., 1986; Разработка и проведение..., 1988). По объему хвостов, ежегодно укладываемых в хранилище, ГОК является одним из крупнейших в стране и за рубежом. Хвостохранилище долинного типа площадью более 90 га, высота дамбы достигает 90 м, протяженность откосов — до 3 км.
Субстрат шламохраиилища представлен в основном пироксе- нами (53% ), сходными с ними амфиболитами (14% ), до 23% содержится магнетита. Эти минералы довольно устойчивы на открытом воздухе, поэтому можно ожидать, что они длительное время будут инертны по отношению к процессам выветривания. По ряду параметров хвосты близки к природным пескам. В механическом составе преобладает песчаная фракция (9 0 % ), незначительно представлены пыль — 2% и иловатая фракция — 8%. По классификации Н. А. Качинского (1985), шлам можно отнести к связным пескам с 9% -м содержанием «физической» глины (частиц меньше 0,01 мм).
В условиях шламохраиилища — этого сложного гидротехнического сооружения с системой отвода дренажных вод — основным источником влаги для растений являются атмосферные