6.4 Захист ґрунтів від забруднень та їх очищення

Ґрунти забруднюються в результаті сільськогосподарської діяльності, промисловими викидами в атмосферу з наступним перенесенням атмосферними опадами, викидами автомобільного транспорту, через відчуження ґрунтів гірничодобувними підприємствами. Настає деградація ґрунтів та їхня ерозія.

Захист ґрунтів від ерозії. Розроблена ціла система заходів захисту ґрунтів від ерозії та від втрати ґрунтами поживних речовин. Цікаво, що на перегнійно-карбонатних ґрунтах втрати нітрогену становили 32 кг/га, а після застосування комплексу протиерозійних заходів були зведені до мінімуму. Основні протиерозійні заходи охарактеризовані нижче.

Застосовують спеціальні методи протиерозійної обробки ґрунту, які передбачають якнайменше руйнування ґрунтового покриву.

Щоб поповнити втрату поживних речовин змиванням, вносять добрива, причому у правильно вибрані терміни, з правильно визначеною дозою та відповідним набором речовин.

Можливе застосування для утворення структури ґрунту відповідних полімерних речовин.

Серед усіх заходів найважливішим є максимально застосувати біологічні методи. Поверхня землі має бути вкрита рослинністю, ґрунти повинні бути зафіксовані коренями і дерниною, що забезпечує достатній вміст гумусу. На ґрунтах, на яких почалася ерозія, впроваджують протиерозійну сівозміну. У випадку сильної ерозії ґрунти засівають багаторічними травами. Добиваються максимального рослинного покрову на еродованих територіях, для цього в міжряддя основної культури щільно засівають ґрунтозахисні культури. Проводять засів полів після жнив культурою, яку потім переорюють.

Самоочищення ґрунту. Якщо вміст забруднювачів невеликий, то ґрунт, як і повітря чи вода, здатний самостійно перебороти їхній шкідливий вплив. Самоочищувальна здатність ґрунту – це здатність протидіяти токсичному впливу внесених хімічних речовин на ґрунтовий біоценоз та на абіотичні властивості: хімічні, фізичні, фізико-хімічні, біохімічні. Можна вважати, що зменшення кількості мікроорганізмів внаслідок токсичної дії речовин на 10-15% є межею, за якою здатність до самоочищення ґрунту зникає. У цьому випадку слід провести очищення ґрунтів хімічними, фізико-хімічними, біологічними методами.

Захист ґрунтів від негативного впливу добрив

Як зазначено вище, використовують як органічні добрива і перегній, так і мінеральні.

Основними причинами забруднення ґрунтів добривами є:

• незбалансованість поживних речовин,

• введення супутніх токсичних речовин,

• вплив на кислотно-лужний баланс ґрунту.

Умовою захисту ґрунту від надміру елементів живлення та продуктів їх розкладу є дотримання правильного режиму введення добрив у певний період вегетації рослин. Крім того, важливо правильно оцінити, які добрива слід вносити на даний тип ґрунту. Таким чином, найважливіше дотриматися балансу поживних речовин між внесенням з добривами, фіксацією у ґрунті, засвоєнням рослинами і наступним виносом з ґрунту. Це стосується не лише внесення основних елементів живлення – калію, фосфору, нітрогену, а також біогенних мікроелементів.

Найчастіше негативний вплив має передозування добрив нітрогену, що веде як до накопичення нітратів у рослинах, так і виділення під час денітрифікації газуватих продуктів – N₂, N₂О i NH₃, які забруднюють атмосферу. Так, американські вчені обчислили, що втрати нітрогену в атмосферу досягають 10-50% від внесеного на поле. Всі сполуки нітрогену у ґрунті піддаються процесу нітрифікації, а надлишок нітрату вимивається ґрунтовими водами. Тому вводять інгібітори процесу нітрифікації, які гальмують стадію окиснення амонійних сполук у токсичний NO₂^-, не гальмуючи окиснення до NO₃^-.

При застосуванні фосфорних добрив слід пам’ятати, що більшість фосфатів металів є малорозчинними. Тому внесення у глинисті ґрунти фосфатних добрив є неефективним, оскільки фосфат зв’язується у важкорозчинний AlPO₄ і є недоступний рослинам. Спостерігалось, що систематичне внесення фосфату призводило до зв’язування цинку і недостачі цього елемента для живлення рослин. Тому доречно у ґрунтах з невисоким вмістом мікроелементів вводити також додатково відповідні мікродобрива.

Застосування високоякісних добрив зменшує потрапляння супутніх токсичних речовин у ґрунт. Слід дотриматись таких умов:

• усунути з добрив домішки важких металів та інших токсичних речовин, що досягається очищенням сировини;

• добрива повинні бути збалансовані за вмістом як макроелементів, так і мікроелементів, збагачені на стимулятори росту, інгібітори нітрифікації;

• для того щоб речовини з добрив поступово потрапляли в ґрунт і рослина могла їх засвоювати протягом всієї вегетації, добрива повинні бути пролонгованої дії. Це досягається виготовленням гранульованих добрив, добрив, покритих смолами, полімерами, використання як добрив малорозчинних сполук поживних елементів.

З метою захисту ґрунту від підкислення не можна в кислуваті дерново-підзолисті ґрунти вводити фізіологічно та біологічно кислі добрива, наприклад сечовину та сполуки амонію. Вони крім підкислення сприяють вимиванню сполук кальцію і магнію, підвищенню розчинності сполук важких металів, а отже їхній рухливості. З метою захисту від підкислення ґрунтів їх додатково вапнують, вводять сполуки кальцію та магнію.

Захист ґрунтів від важких металів. Джерелом потрапляння у ґрунти важких металів є відвали породи та викиди промисловості. Так відвали огарків піриту містять 40-63% Fe, невелику кількість (1-2%) S та домішки низки важких металів: 0,42-1,35% Zn, 0,33-0,47% Cu, 0,32-0,58% Pb, а у свіжих відвалах – до 0,15% As. Різноманітні за складом є відвали породи після переробки поліметалічних руд. Як результат, ґрунти довкола підприємства забруднені важкими металами. Встановлено, що ґрунт здатний до самоочистки від сполук арсену. Сполуки арсену леткі і вміст їх з часом зменшується до рівня допустимого. Крім того арсенат та арсеніт добре зв’язуються ґрунтами з високим вмістом сполук феруму та алюмінію.

Вапнування ґрунтів є надійним способом зв’язати важкі метали у малодоступні рослинам сполуки. Так внесення СаСО₃ різко зменшує засвоєння рослинами кадмію – засвоюється Са²⁺, якого є багато, і тим самим гальмується потрапляння в організм рослини Cd²⁺, а крім того утворюється малорозчинний CdCO₃. Вапнування зменшує кислотність ґрунту. Таким чином зменшується розчинність сполук важких металів і як наслідок поглинання їх рослинами. Внесення СаСО₃ також ефективно зв’язує у ґрунті сполуки плюмбуму. Однак вапнування має недоліки. При внесені у ґрунт СаСО₃ у важкорозчинні сполуки зв’язуються не вибірково токсичні важкі метали, а всі, що може спричинити недостачу біогенних мікроелементів, таких як цинк, купрум, кобальт. А це вимагає додаткового внесення їх у вигляді мікродобрив. Іншим недоліком є те, що на піщаних ґрунтах вапнування неефективне.

Забезпечення ґрунтів гумусом є важливим фактором захисту від важких металів. Метали, міцно зв’язані гумусовими кислотами у хелатні комплекси, малодоступні рослинам. Важливо, щоб ґрунт мав якомога вищу кількість кальцію та магнію, які можуть заміщатися іонами важких металів у ґрунтовому поглинальному комплексі і в такий спосіб зменшується рухливість важких металів. Так при вмісті плюмбуму 1000 мг/кг у чорноземі він лише в перший рік засвоювався рослинами, а наступні роки вміст його у рослинах не перевищував ГДК. Звичайно, рухливість плюмбуму зменшується в міру підвищення рН ґрунту. Тому способом захисту ґрунту від важких металів є створення сприятливих умов для збільшення вмісту гумусу – внесення органічних добрив, заорювання соломи, перегною, торфу.

Органічні добрива, подібно до гумусових речовин, адсорбують і утримують у поглиненому стані більшість важких металів. Внесення органічних добрив у високих дозах, використання зелених добрив, пташиного посліду, муки з рисової соломи знижує вміст кадмію і фтору в рослинах, а також токсичність хрому й інших важких металів.

Оптимізація мінерального харчування рослин шляхом регулювання складу і доз добрив також знижує токсичну дію окремих елементів. Так в Англії у ґрунтах, забруднених плюмбумом, арсеном і купрумом, навіть після удобрення сполуками нітрогену, спостерігалась затримка появи сходів. У той же час внесення підвищених доз фосфорних добрив зменшило токсичну дію плюмбуму, купруму, цинку і кадмію, оскільки вони зв’язувались у важкорозчинні фосфати. На заливних рисових полях внесення фосфорних добрив за умови лужної реакції середовища веде до утворення нерозчинного і важкодоступного для рослин фосфату кадмію. Подібно внесення нітратів зменшує токсичний вплив на рослини сполук арсену, плюмбуму, купруму. Внесення сполук магнію зменшує токсичну дію фториду та надлишку нікелю.

Рівень токсичності важких металів неоднаковий для різних видів рослин. Тому зменшення токсичності важких металів оптимізацією мінерального харчування повинно бути диференційовано не тільки з урахуванням особливостей ґрунту, але також і виду рослин. Серед природних рослин і сільськогосподарських культур виявлені стійкі до забруднення важкими металами. Це, зокрема, бавовна, буряк і деякі бобові. Сукупність захисних заходів для ліквідації забруднення ґрунтів важкими металами дає можливість захистити ґрунти і рослини від токсичного впливу.

Селективне зв’язування важких металів. Досліджено, що підвищення вмісту одних мікроелементів у ґрунті може зменшити засвоєння рослинами інших мікроелементів і, таким чином, усунути шкідливий вплив надлишку важких металів. Наприклад, якщо у ґрунт з підвищеним вмістом сполук Pb, Co, Ni, Zn, Cu вносити MnO₂, то рослини (на прикладі конюшини) значно менше засвоюють Pb i Co. Підвищений вміст Zn у ґрунтовому розчині блокує засвоєння Cd. У той же час, якщо в ґрунті міститься Pb, то він сприяє кращому засвоєнню рослиною Cd. У випадку потрапляння у ґрунт сполук меркурію його хімічно зв’язують додаванням у ґрунт сірки.

Біологічний захист від важких металів полягає у тому, що деякі рослини є невразливими до підвищеного вмісту певних металів. Так окремі сорти ярої пшениці навіть при 100-кратному надлишку меркурію в порівнянні з фоновим вмістом у ґрунті засвоюють кількість його, значно меншу за ГДК. Для деяких важких металів нема кореляції між їхнім вмістом у ґрунті та засвоєнням рослинами. Це стосується зокрема сполук арсену. На вегетацію певних рослин підвищений вміст окремих важких металів зовсім не впливає. Такі рослини є хорошим засобом рекультивації забруднених важкими металами ґрунтів.

Рекомендовано низку хімічних речовин, що спроможні інактивувати важкі метали в ґрунті і, таким чином, понизити їхню токсичність. Для цього можна застосовувати іонообмінні смоли, які утворюють хелати з важкими металами. Смоли можуть бути в кислотній і сольовій формах або в суміші цих форм. Засобом фіксування важких металів є меркапто-8-триазин. При використанні цього препарату сполуки кадмію, свинцю, купруму, меркурію та нікелю міцно фіксуються в ґрунті у вигляді нерозчинної і недоступної для рослин форми. З цєю метою використовують також природні цеоліти, глауконіт.

Захист ґрунтів від пестицидів. При обробці ґрунту пестицидами лише невеличка частина їх діє токсично на рослини і тварини. Інша частина накопичується на поверхні ґрунтів та вимивається у ґрунтові води. Ступінь забруднення ґрунтів залежить насамперед від стійкості пестициду. Під стійкістю пестициду розуміють спроможність токсиканта не розкладатися під впливом фізичних, хімічних і біологічних процесів.

Зменшити забруднення ґрунтів від біоцидів можливо при правильній технології застосування пестицидів.

Одною з умов є створення і застосування менш токсичних біоцидів і таких, які швидше розкладаються. Використання нових форм пестицидів дозволяє істотно знизити норму витрати речовини і зводити до мінімуму небажані наслідки, у тому числі і забруднення ґрунтів. Друга умова – зменшення дози внесених у ґрунт біоцидів. Існує декілька способів зменшення дози біоцидів без зниження їх ефективності. Найкращий – інтегрований метод боротьби зі шкідниками, який передбачає комбінацію застосування пестицидів з іншими агротехнічними прийомами, біологічними заходами. При цьому ставиться завдання не знищити вид шкідників цілком, а надійно захистити культуру. Доцільно застосовувати мікробіопрепарати разом із невеликими дозами пестицидів, так щоб дія пестициду ослаблювала організм шкідника і робила його більш сприйнятливим до захворювань.

Почергове застосування токсикантів з неоднаковим механізмом дії дозволяє вносити менші дози біоцидів. Такий спосіб внесення хімічних засобів боротьби запобігає появі стійких форм шкідників. Для більшості культур рекомендують 2-3 препарати з неоднаковим спектром дії. Ще краще комплексно використовувати засоби хімізації: добрива, речовини для захисту рослин від шкідників, захисту від бур’янів та хвороб і регулятори росту. Комплексне застосування гербіцидів та добрив усуває конкуренцію в забезпеченні елементами живлення рослин та бур’янів.

Захист ґрунтів від радіонуклідів. Встановлено, що радіонукліди самочинно видаляються з ґрунтовими водами з легких (піщаних, супіщаних) ґрунтів. Натомість у важких ґрунтах з високим вмістом гумусу вони міцно зв’язуються. Тому вміст радіонуклідів більший у ґрунтах з вищою ємністю поглинання. Важливо, що засвоюваність радіоактивних ізотопів, зокрема ⁹⁰Sr i ¹³⁷Cs, різна рослинами різних видів.

Досліджений вплив мінеральних добрив та вапнування на вміст радіонуклідів у ґрунті. Чим повніше рослини забезпечені поживними речовинами, тим менше вони засвоюють радіоактивні ізотопи. Виявляється, що застосування повного добрива (N, P, K) понижує у 1,5-2,0 рази засвоєння картоплею і пшеницею сполук ⁹⁰Sr. Особливо зменшується засвоєння при вищому вмісті добрив калію та фосфору – підвищення вмісту К⁺ блокує засвоєння Sr²⁺, а фосфат зв’язує його в малорозчинний Sr₃(PO₄)₂. Якщо одночасно з добривом вносити доломіт, то засвоєння стронцію зменшується навіть у 8 разів.

Було встановлено, що вапнування ґрунту зменшило вміст ⁹⁰Sr у зерні ячменю в 3 рази, а внесення фосфатів – у 4 рази. У вапнованому ґрунті вміст ізотопу ¹³⁷Cs в зерні ячменю зменшився у 2,3-2,5 разів. Якщо ж у ґрунт вносили високі дози калійних добрив, то зменшення досягало 5-7 разів. Такий вплив більше виражений на дерново-підзолистих ґрунтах, а менше на лісових сірих.

Проводять хімічну меліорацію ґрунтів сполуками кальцію (CaSO₄) і, таким чином, переводять радіоактивні елементи (Sr, Zr, Ru, Nb) у малорозчинні сполуки.

Різні рослини по-різному засвоюють радіонукліди. На це впливає низка факторів. По-перше, рослини з кореневою системою, яка глибоко проникає в ґрунт (наприклад, люцерна), засвоюють радіонукліди менше. Отже, з метою очищення ґрунту можна вирощувати рослини, що добре засвоюють радіонукліди та інші важкі метали. Отже, основними заходами захисту ґрунтів та рослинності є:

• зменшення відносного вмісту радіонуклідів у ґрунті надлишковим введенням подібними за хімічними властивостями елементів (цезій замінюють калієм, а стронцій – кальцієм);

• переведення радіонуклідів у малорозчинні сполуки – глинисті сполуки, карбонати, фосфати;

• вирощування культур, які мінімально засвоюють радіонукліди;

• засівання забруднених територій технічними культурами;

• внесення у ґрунт природних цеолітів, які є ефективними адсорбентами радіоактивних ізотопів стронцію та цезію.

У випадку неефективності зазначених заходів забруднений шар ґрунту глибоко закопують (на 50-70 см), щоб він був недоступний кореням рослин.

Очищення ґрунтів від летких органічних речовин

Забруднення ґрунтів леткими органічними речовинами найчастіше зумовлене потраплянням нафтопродуктів. Це спостерігається біля нафтопереробних підприємств, біля автозаправних станцій.

Найпростіший спосіб очищення ґрунту від токсичних речовин – механічне видалення забрудненого ґрунту з місцевості. Однак це спосіб вимагає застосування землекопної техніки і є малоефективним.

Часто застосовують спеціальні методи очищення ґрунтів. Суть очищення полягає у видаленні з нього летких забруднювачів газовим потоком з наступним їх вловлюванням та концентруванням. У ролі потоку газу найчастіше виступає повітря. Щоб визначити, чи можлива очистка, враховують, якою є швидкість потоку газу-носія; яка концентрація забруднювача в парах газу-носія; як локалізований забруднювач відносно напрямку потоку газу-носія.

У ґрунті прокладають колодязі для видалення газів та під’єднують до вакуумного насоса або вентилятора. Установка складається з вакуумного насоса; кранів, які регулюють потік повітря; манометрів для вимірювання тиску газового потоку; сепаратора для вилучення вологи з газу; апарата для очищення виділеної з ґрунту пари. Схема видалення забруднювача з ґрунту показана на рис. 6.19.

Повітря продувають у забруднений ґрунт. Пари леткої речовини піднімаються колодязем вверх та йдуть на очистку. Ґрунтову воду насос відсмоктує на поверхню і вона також піддається очистці.

Для більш ефективного очищення нижні шари ґрунту нагрівають гарячою парою. Для цього подають або нагріте повітря до 30-40С, або гарячу водяну пару. Нагрівання можна проводити з допомогою інжектування гарячою парою або гарячим повітрям. Таким способом ефективно видаляють з ґрунту нафтопродукти, зокрема бензин.

Якщо очищують викопаний ґрунт, то всередині купи ґрунту прокладають трубопроводи, а далі процедуру проводять аналогічно.

Видалену забруднену пару обов’язково очищають від летких органічних речовин. Обробка виділеної пари може бути каталітичною, адсорбційною, термодеструкційною, як це описано вище у розділі, присвяченому очищенню повітря. Встановлено, що видуванням парів летких речовин можна видалити з ґрунту 1330 л бензину за 100 днів. Рівень очищення контролюють у відхідних парах методом газової хроматографії.

Барботування повітря як спосіб видалення летких речовин, застосовують для ґрунтів, насичених вологою. Так очищають ґрунт від хлорованих вуглеводнів (різних розчинників), бензину.

Повітря інжектують в шар ґрунту, який залягає нижче від рівня ґрунтової води. Цим способом добре очищається ґрунтова вода від леткого забруднювача і насичується киснем. Недоліком методу є можливе поширення забруднювача ґрунтовими водами. Щоб цього не допустити, необхідно паралельно з системою барботування повітря встановити систему для виділення летких речовин з ґрунту. Друге, що слід зробити, це утримувати ґрунтові води в зоні введення повітря, локалізуючи межі поширення ґрунтових вод по місцевості.

Рис.6.19. Спрощена схема видалення парів забруднювача з ґрунту; 1 – колодязь для видалення летких речовин, 2 – колодязь для відводу ґрунтової води, 3 – установка для контролю за станом водоносної зони.

Біовентиляція. Багато забруднювачів ґрунту здатні розкладатися під впливом бактерій, тобто біодеградацією.

Аеробні бактерії окиснюють вуглеводні, споживаючи при цьому кисень. Для деяких органічних речовин розщеплення може пройти навіть до СО₂ і води. Добре очищаються ґрунти від паливних матеріалів та органічних речовини, які не містять хлору. Швидкість аеробного розкладу залежить від швидкості надходження кисню в нижні шари ґрунту. Контроль за процесом очищення ведуть за витратою кисню або за утвореним під час розкладу СО₂.

Застосування сорбентів і біоПАР. Науково-виробничим підприємством «Екоресурс» (ВАТ „Геотехнічний інститут”, м. Львів) запропоновано використання глауконіту і біоПАР як інженерно-біогеохімічних бар’єрів для очищення ґрунтів, забруднених нафтою, нафтопродуктами та супутніми канцерогенними речовинами.

Глауконіт K(Fe³⁺,Fe²⁺,Mg²⁺,Al³⁺)(OH)₂(AlSi₃O₁₀)nH₂O належить до глинисто-слюдистих мінералів шаруватої структури з високою пористістю. Особливість структури обумовлює велику питому поверхню та високу ємність катіонного обміну. Використовують природну суміш глауконіту (50-80%) з кварцом (10-25%) та монтморилітом (5-25%). Зерна кварцу виконують роль механічного фільтра, а монтмориліт за сорбційними властивостями не поступається глауконіту. Усі складові суміші створюють фільтруючо-сорбційну або блокуючу систему по відношенню до нафти та нафтопродуктів. БіоПАР – поверхнево-активні речовини природного походження, які продукуються мікроорганізмами. Вони підвищують біодоступність забруднювача для мікроорганізмів з наступним їх руйнуванням. За своїми властивостями вони значно переважають традиційно вживані синтетичні ПАР, є екологічно безпечні.

Глауконіт є ідеальним середовищем для розвитку мікроорганізмів-редуцентів (деструкторів). Вони розкладають нафтопродукти, регенеруючи одночасно глауконіт. Така композиція глауконіт – біоПАР (у вигляді змішаної мікробної популяції) ефективно функціонує тривалий час та в широкому інтервалі температур і не потребує утилізації сорбенту. Одночасно відновлюється родючий шар ґрунту, зникає мутагенний ефект у забруднених ґрунтах.

Біологічне очищення ґрунтів запропоноване професором біологічного факультету Львівського національного університету ім. І. Франка Терек О.І. Для цього використовують кореневища рослин осоки шершавої (Carex hirta). Рослини осоки викопують з комом ґрунту на екологічно чистій території, запаковують у розмакаючі пакети, разом з якими висаджують у підготовлений забруднений ґрунт (від весни до осені). Осока шершава може рости на ґрунтах, забруднених нафтою до вмісту 98 г/кг. Експериментально встановлено, що при вмісті у ґрунті нафтопродуктів 48 г/кг протягом 2-х місяців їхній вміст понижується на 7%. Крім того відновлюються фізико-хімічні властивості ґрунту (кислотність, повітряно-водний баланс та ін.) протягом року. Осока шершава сприяє відновленню ґрунтової мікрофлори (сапрофітів, мікроскопічних грибів і дріжджів, целюлозоруйнуючих бактерій, нітрифікаторів).