способ рекультивации отвалов и полигонов промышленных отходов

Формула изобретения

1. Способ рекультивации отвалов и полигонов промышленных отходов, включающий покрытие склонов почвенным субстратом путем равномерного сдвигания его с горизонтальных поверхностей, покрытие горизонтальных участков почвенным субстратом путем разравнивания, посадку саженцев деревьев и кустарников, посев семян травянистых растений, отличающийся тем, что в качестве почвенного субстрата применяют смесь материала с высоким содержанием питательных веществ и фосфогипса при соотношении компонентов смеси 2:1 по объему, смесь перемешивают фрезерованием на горизонтальном полотне, покрытие поверхности склонов полученной смесью толщиной 25-30 см проводят равномерным сдвиганием на склоны, затем формируют сплошной покровный слой толщиной 15-20 см на горизонтальных поверхностях, слой почвенного субстрата сверху покрывают мульчирующим слоем песка толщиной 1-3 см с помощью разбрасывателя, на заключительном этапе рекультивации по всей поверхности высаживают саженцы быстрорастущих деревьев и кустарников с развитой корневой системой и надземной частью высотой 0,5-1,0 м с последующим подсевом семян травянистых растений.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве материала с высоким содержанием питательных веществ для последующего смешения с фосфогипсом используют осадки сточных вод, перегной, торф, навоз.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области лесного хозяйства и промышленного производства, в том числе горного дела, в частности к восстановлению нарушенных земель путем создания лесных насаждений на отвалах промышленных отходов. Изобретение может быть использовано для рекультивации полигонов фосфогипса, являющегося вторичным материалом (отходом) при производстве фосфорной кислоты, а также для рекультивации аналогичных по форме многоярусных плоских отвалов, которые сформированы из сыпучих пород, например доломито-известковых.

Фосфогипс - это материал, который по ряду причин, прежде всего, вследствие загрязненности фосфатными, фтористыми и другими соединениями, не находит полной утилизации путем переработки в общественно необходимые продукты и накапливается в значительных количествах на специальных полигонах складирования.

Наиболее распространенное в настоящее время сухое складирование на полигонах даже при нейтрализации растворимых примесей и правильной эксплуатации может приводить к неблагоприятным изменениям окружающей природной среды, которые могут проявляться в загрязнении атмосферного воздуха, подземных и поверхностных вод, почвенно-растительного покрова вредными веществами в результате переноса ветром и вымывания их атмосферными осадками с поверхности отвала, а также в нарушении эстетического вида окружающего ландшафта. Под полигоны складирования фосфогипса приходится отчуждать достаточно большие площади. Все названное выше может отрицательно сказываться на функционировании окружающих природных экосистем, приводить к формированию очага сложной экологической обстановки.

В целях смягчения экологических последствий воздействия таких полигонов на прилегающие природные территории должен быть осуществлен комплекс превентивных и последующих природоохранных мероприятий. Одним из них является создание устойчивого растительного покрова на поверхности отвалов фосфогипса (облесения).

Известны различные способы рекультивации (облесения) нарушенных промышленностью земель и отвалов промышленных отходов. В частности, при лесокультурном освоении сильнокаменистых почв, где преобладает мергель, при посадке растений корневую систему сеянца заделывают пульпой: смесью воды и мелкозема в определенных пропорциях (см. В.Ф.Зинин и др. Приспособление для заделки корневых систем культур на каменистых почвах. - М.: Лесное хозяйство, 1986, № 10, с.54-55). Приживаемость сеянцев оказалась выше на 20%, чем при посадке растений, корни которых заделывались мелкоземом. Недостатком данного способа является то, что он трудоемок в технологическом процессе и механизировать его можно лишь на малой крутизне склона.

Наиболее распространенным в мировой практике и в нашей стране является способ, при котором поверхность промышленных отвалов покрывается искусственным почвогрунтом, или почвенными субстратами, или мелиорантами слоем толщиной до 30 см - смесью осадочных пород с применением органических (компосты, торф, почва и т.д.) и минеральных удобрений (см. Ю.А.Хватов. Облесение земель, нарушенных при разработке полезных ископаемых. - М.: ЦБНТИлесхоз, 1973, с.6-7). Недостатками данного способа являются большая трудоемкость и относительно высокая стоимость работ.

Известен способ рекультивации и озеленения действующих плоских многоярусных отвалов (см. Авторское свидетельство СССР № 929842, М. кл.³ Е21С 41/00, 30.07.1980), где при формировании каждого яруса производят опережающую послойную рекультивацию и озеленение откоса по периметру с последующей отсыпкой складируемых пород. Недостатком способа является очень большой расход почвогрунта на предварительную обваловку каждого яруса отвала.

По результатам выполненных исследований А.А.Мартынюком, Л.Л.Коженковым и В.Н.Кураевым в 2002 году был получен патент на изобретение ( № 2186474 «Способ облесения отвалов промышленных отходов», МПК⁷ А01В 79/02, 13/16, 28.11.2000), который предполагает в качестве насыпного почвогрунта на поверхность отвалов вторичных материалов промышленности наносить осадки сточных вод из очистных сооружений, поскольку осадки сточных вод не находят полной утилизации и постоянно накапливаются на очистных сооружениях, богаты органическим веществом и элементами питания растений, могут служить плодородным почвенным субстратом. Осадки сточных вод доставляются из очистных сооружений с иловых карт после выдержки в отвалах на протяжении нескольких лет, что снижает их санитарно-гигиеническую опасность.

Данный способ принят за прототип.

Однако этот способ имеет недостатки. При сдвигании осадков сточных вод с горизонтальных участков на склон отвала крупные комки и глыбки осадков сточных вод скатываются вниз, не задерживаясь на склоне полигона, до самого его подножья. В итоге слой осадка на склоне образуется недостаточной толщины (15-20 см), а на выпуклых частях склона почти совсем отсутствует. Поэтому в предлагаемом способе предусматривается предварительное измельчение применяемого почвенного грунта.

Кроме того, в способе, взятом за прототип, происходит очень быстрое (в первые 1-2 месяца после покрытия отвала осадками сточных вод) зарастание берм и склонов сорняками из-за значительного содержания в осадках семян травянистой рудеральной растительности. С одной стороны, данный факт является достоинством способа, так как сразу же достигается главная цель - фиторемедиация (зарастание поверхности отвала), но с другой стороны, рудеральная травянистая растительность препятствует приживаемости и росту древесно-кустарниковой растительности, которая имеет большую эстетическую ландшафтную значимость.

Целями данного изобретения являются:

1) создание на склонах отвала слоя защитного плодородного грунта большей высоты, более равномерно распределенного по толщине;

2) ускорение биологической рекультивации полигона складирования отходов за счет создания оптимальных условий для роста древесно-кустарниковой растительности путем оптимизации состава применяемого искусственного почвенного субстрата.

Поставленные цели достигаются тем, что в предлагаемом способе в качестве искусственного почвенного субстрата применяют смесь осадков сточных вод с фосфогипсом, которую создают путем дискования или фрезерования, с последующим покрытием слоя смеси песком. При этом получение искусственного почвенного субстрата производят на горизонтальном полотне отвала. Покрытие поверхности склонов полигона полученной смесью толщиной 25-30 см производят медленным равномерным сдвиганием на склоны. На втором этапе формируют сплошной покровный слой толщиной 15-20 см на горизонтальных поверхностях. Слой искусственного почвенного субстрата сверху покрывают тонким мульчирующим слоем песка толщиной 1-3 см с помощью разбрасывателя. Мульчирование производится с целью сохранения влажности и рыхлости нанесенного слоя, для замедления прорастания рудеральной растительности, а также для снижения отрицательного воздействия атмосферных осадков. На заключительном этапе рекультивации по всей поверхности высаживают саженцы наиболее пригодных для роста в искусственных почвогрунтах быстрорастущих деревьев и кустарников с последующим подсевом семян неприхотливых травянистых растений.

В настоящее время осадки сточных вод не находят полной утилизации и накапливаются на очистных сооружениях. В то же время они богаты органическим веществом и элементами питания растений (азотом, фосфором, микроэлементами и др.) и могут служить в рекультивационных целях плодородным почвенным субстратом.

Фосфогипс - побочный продукт производства экстракционной фосфорной кислоты, получаемой при разложении апатитового концентрата смесью серной и фосфорной кислот, может применяться в сельскохозяйственной производстве в качестве мелиоранта на солончаковых почвах, на солонцах, а также для других целей по согласованию с потребителями.

Об этом имеется свидетельство о государственной регистрации пестицида или агрохимиката № 1270 от 03.09.2008, выданное Федеральной службой по ветеринарному и фитосанитарному надзору. Фосфогипс рекомендован под все культуры с учетом агрохимических показателей почвы. Фосфогипс имеет в своем составе примеси неразложенного апатита и солей фосфорной кислоты, то есть элемент питания растений - фосфор, поэтому может применяться и для приготовления почвенного субстрата.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентам и научно-техническим источникам информации, содержащих сведения об аналогах заявляемого решения, не выявил аналоги, характеризующиеся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленного изобретения.

Предлагаемый способ рекультивации отвалов промышленных отходов обладает совокупностью существенных отличительных признаков по отношению к прототипу, изложенных в формуле изобретения. Следовательно, заявленное изобретение соответствует критерию «новизна».

Для проверки соответствия заявленного изобретения требованию изобретательского уровня был проведен дополнительный поиск по выявлению известных способов биологической рекультивации полигонов складирования фосфогипса и других отвалов промышленных отходов с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявляемого изобретения. Результаты проверки показывают, что заявляемое изобретение не следует для специалиста явным образом из известного уровня техники по разработке способа, в частности заявляемым изобретением не предусматриваются известные преобразования.

Следовательно, заявляемое изобретение соответствует требованию «изобретательский уровень».

На фигурах 1-8 показаны этапы проведения работ на верхней части сформированного плоского многоярусного отвала:

фиг.1 - отсыпка фосфогипса,

фиг.2 - разравнивание фосфогипса слоем необходимой величины,

фиг.3 - отсыпка смеси осадков сточных вод,

фиг.4 - разравнивание смеси осадков сточных вод слоем необходимой величины,

фиг.5 - дискование полученных слоев для их перемешивания и дополнительного измельчения,

фиг.6 - равномерное сдвигание полученного почвогрунта на склоны,

фиг.7 - мульчирование поверхности с помощью разбрасывателя,

фиг.8 - посадка саженцев.

Способ консервации полигонов складирования фосфогипса методом ускоренной биологической рекультивации осуществляют следующим образом.

После завершения отсыпки фосфогипса осуществляют покрытие поверхности полигона искусственным почвенным субстратом. Для этого на горизонтальной поверхности (берме) готовят смесь осадка сточных вод из очистных сооружений с фосфогипсом при среднем соотношении этих компонентов смеси около 2:1 по объему. Соотношение компонентов в этом конкретном случае выбирают, исходя из достаточности концентрации питательных веществ в получаемой смеси для последующего роста растений.

Формируют слой свежего фосфогипса толщиной около 10 см, а затем сверху - слой осадка сточных вод толщиной около 20 см. Несколькими проходами дискового плуга (например, типа ПЛД-1,2), или дисковой бороны (типа БДТ-2,2), или фрезы (типа ФЛШ-1) перемешивают слои, измельчая крупные комки и глыбки осадка сточных вод. Общую высоту слоев при получении смеси выбирают, руководствуясь возможностями применяемой сельскохозяйственной техники.

Готовую смесь медленным равномерным сдвиганием с помощью бульдозера перемещают на склоновую часть полигона, образуя сплошной слой толщиной 25-30 см. После этого аналогичным образом покрывают искусственным почвенным субстратом поверхность самой бермы слоем 15-20 см. В указанных пределах минимальная высота слоя выбрана для гарантированного создания покрова, устойчивого к дальнейшим эрозионным процессам при воздействии ветра и атмосферных осадков, а также достаточного для развития корневой системы деревьев и кустарников. Максимальная высота определяется рентабельностью предлагаемого способа по отношению к прототипу.

Слой искусственного почвенного субстрата затем сверху покрывают тонким мульчирующим слоем песка толщиной 1-3 см с помощью центробежных разбрасывателей минеральных удобрений. Создание слоя меньшей высоты не обеспечивает мульчирующий эффект, а слой большей высоты будет препятствовать разрастанию трав из-за снижения плодородности.

Для посадки растений используют саженцы деревьев и кустарников с хорошо развитой корневой системой и надземной частью высотой 0,5-1,0 м, что обеспечивает им достаточную конкурентоспособность среди густого и сильно разрастающегося рудерального травяного покрова. Перед посадкой корневую систему высаживаемых саженцев опускают в густую водную суспензию («болтушку»), приготовленную из смеси растительного грунта, глины и осадков сточных вод. На почвенном субстрате горизонтальных поверхностей (берм) посадку производят лесопосадочными машинами или вручную под меч Колесова, а также с использованием лопаты. На склонах производят ручную посадку с обязательным уплотнением почвогрунта вокруг корневой шейки высаженных саженцев.

Осуществляют порядную посадку саженцев (шаг посадки может колебаться в пределах 1,0-2,0 м, ширина междурядий 3,0-4,0 м). На склоновой части полигона посадку осуществляют сверху и вниз горизонтальными рядами. Производят размещение саженцев по породам отдельными посадочными рядами, чередуя ряды деревьев и кустарников.

После посадки древесно-кустарниковой растительности всю рекультивируемую площадь засевают семенами трав. С целью более надежной приживаемости растений используют 3-5 и более разных их видов.

Рекомендуемый для посадки состав древесных пород: береза повислая, осина, тополь серебристый, ива козья, клен американский, облепиха крушиновидная, рябина обыкновенная. Из кустарников можно высаживать розу морщинистую, бузину травянистую, акацию желтую, спирею зверобоелистную, снежноягодник белый, дерн красный, лох серебристый и др. Рекомендуется высевать следующие травы: кипрей волосистый, одуванчик лекарственный, календула лекарственная, осот огородный, пижма обыкновенная, мать-и-мачеха, нивяник обыкновенный. Из злаков рекомендуются: овсяница луговая, вейник наземный, мятлик луговой и др. (Суммарная норма высева всех семян ориентировочно составляет 50-100 кг/га.) Опыты показали, что в самом осадке сточных вод уже имеются семена травянистых растений (сурепки, лебеды раскидистой, крапивы жгучей, полыни обыкновенной и др.), а также некоторых деревьев и кустарников. Кроме того, семена многих растений систематически заносятся на полигон ветром и птицами, в результате чего древесно-кустарниковая растительность появляется и естественным путем.

По результатам наблюдений на опытных площадках полигона фосфогипса ОАО «Воскресенские минеральные удобрения», проводимых с 2005 года, установлено, что описываемый способ позволяет увеличить приживаемость древесно-кустарниковой растительности с 60% (в прототипе) до 75-87%. Подавление рудеральной травянистой растительности перед посадкой деревьев и кустарников приводит также к ускорению их роста на 5-10% по сравнению с прототипом, что было выявлено при статистической обработке результатов ежегодных измерений высоты для одинаковых пород.

Предлагаемый способ рекультивации полигонов складирования фосфогипса позволяет по сравнению с прототипом:

- создать на склонах отвала слой защитного плодородного грунта большее высоты, более равномерно распределенный по толщине, не имеющий разрывов на выпуклостях, так как производится предварительное измельчение и разрыхление используемого почвогрунта;

- свести к минимуму опасность отрицательного воздействия осадков сточных вод на окружающую среду, сохранить перед посадкой влажность и рыхлость за счет создания мульчирующего слоя песка;

- за более короткий срок придать ландшафту местности более естественный вид.

Изобретение может быть использовано и в отношении других аналогичных по форме многоярусных плоских отвалов, которые сформированы из сыпучих пород, например, доломито-известковых. В этом случае порода отвала должна состоять из мелких фракций, которые легко перемешиваются с плодородным почвогрунтом при помощи сельскохозяйственных машин. Порода также не должна отрицательно воздействовать на процесс роста растений. В качестве плодородного компонента могут быть использованы перегной, торф, навоз и т.п. Вместо песка могут применяться и другие мульчирующие материалы, применяемые в сельском хозяйстве.