Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВСКРЫШНЫХ ПОРОД КМА В АГРОЭКОСИСТЕМАХ (НА ПРИМЕРЕ МИХАЙЛОВСКОГО ГОКА)

ВАК РФ 03.00.16, Экология

Автореферат диссертации по теме "ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВСКРЫШНЫХ ПОРОД КМА В АГРОЭКОСИСТЕМАХ (НА ПРИМЕРЕ МИХАЙЛОВСКОГО ГОКА)"



На правах рукописи

Глаголев Роман Владимирович

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВСКРЫШНЫХ ПОРОД КМА В АГРОЭКОСНСТЕМАХ (на примере Михайловского ГОКа) 03.00.16. экология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук

ВОРОНЕЖ -2004

Работа выполнена в Курской государственной сельскохозяйственной академии им. проф. И.И.Иванова.

Научные руководители: доктор химических наук профессор Жукова Л.А. доктор сельскохозяйственных наук профессор Стифеев А.И,

Официальные оппоненты; доктор сельскохозяйственных наук профессор Павлюк Н.Т. доктор сельскохозяйственных наук профессор Масютенко Н.П.

Ведущая организация: Орловский государственный аграрный университет

**

Защита состоится <к/л » ноября 2004 года в^ часов на заседании диссертационного совета Д 220.010.06. по адресу: 394087 г.Воронеж, ул.Мичурина 1 ауд.268.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке Воронежского Государственного аграрного университета.

Автореферат разослан «18 » октября 2004 г. Ученый секретарь диссертационного совета

Кольцова О.М.

1 Общая характеристика работы

Актуальность темы. В результате добычи железной руды, на территории КМА отсыпано в отвалы более 2 млрд.тонн вскрышных пород и отходов их обогащения, которые не находят вторичного применения. В основном они складируются валовым способом и частично используются как источник дополнительного сырья в строительстве, цементной промышленности, мелиорации и т.д. Народное хозяйство способно востребовать только незначительную часть отходов горного производства - не более 3%. Остальное складируется в отвалы, в результате возникают техногенные ландшафты. После завершения формирования отвалов они технически перемешиваются, образуя смеси, а при вторичной их сортировке возникают значительные трудности технического и экономического характера. Сегодня ведется ряд исследований, цель которых наЯти пути использования пород вскрыши в народном хозяйстве.

Проведенные нами исследования являются актуальными и направлены на рациональное использование вскрышных пород Михайловского железорудного карьера, предусматривающее поиск путей снижения затрат при их использовании в народном хозяйстве и решении социально-экологических проблем.

Состояние изученности проблемы. Решение экономических и экологических задач функционирования Михайловского железорудного месторождения является сложным и многогранным. Исследованиями ученых А.М. Бурыкина, А.И. Стифеева, М.В. Сергеева, В.И.Прозорова, Э.В. Засо-риной и др. разработаны приемы биологической рекультивации земель, изучены процессы образования естественных и искусственных фитоцено-зов, интенсивность эрозионных процессов и меры борьбы с ними в техногенных ландшафтах. Вместе с тем, вопросы глубокого изучения физико-химических свойств вскрышных пород и возможности их использования в различных отраслях народного -хозяйства, позволяющих параллельно улучшить экологическое состояние территории Железногорского района до настоящего времени не решены, что предопределило цели и задачи наших исследований.

Цели и задачи исследований. Целью наших исследований являлось установление уровня сорбционных свойств и биологической пригодности вскрышных пород для биологической рекультивации и других видов использования.

Для реализации поставленной цели нами решались следующие задачи:

1.На основании обзора научных данных дать оценку степени воздействия горнорудного производства на состояние природных ресурсов в районах добычи полезных ископаемых.

ЦНБ МСХА (

фонд научной литературы)

2.0пределить химический состав вскрышных пород по срезу стратиграфической колонки карьера Михайловского железорудного месторождения. 3.Установить тенденцию изменения химического состава вскрышных пород, отсыпанных в отвалы, во времени.

4.0пределить сорбционные и биологические свойства вскрышных пород Михайловского железорудного месторожден ия, находящихся в карьере и отсыпанных в отвалы.

Научная новизна работы. Более глубоко изучен химический состав и впервые определены сорбционные свойства вскрышных пород карьера Михайловского железорудного месторождения. Выявлены кинетические закономерности их химического состава и свойств. Изучены биологические свойства вскрышных пород, обусловленные сорбционными химическими свойствами.

Практическая значимость работы состоит в том, что детальное изучение химического состава, сорбционных и биологических особенностей вскрышных горных пород в карьере и отвалах разных возрастов позволит использовать их в решении проблем, связанных с «реанимацией» нарушенной экологической обстановки региона КМА. Материалы диссертационной работы широко используются в учебном процессе Курской государственной сельскохозяйственной академии и Курском институте социального образования (филиал) Московского государственного социального университета.

Апробация работы: Диссертационная работа выполнена в соответствии с планом научных исследований КГСХА им. И.И.Иванова, ее результаты включены в научные отчеты по программе НИР (№ государственной регистрации 01.9.70000668). Основные положения диссертационной работы рассматривались на ежегодных отчетах аспирантов и научных сотрудников (2000-2004г.г.), на научно-практических конференциях профессорско-преподавательского состава и аспирантов в КГСХА и получили положительную оценку.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 6 научных статей.

Личный вклад автора. Диссертантом выполнен весь объем исследований, проведены необходимые расчеты, произведена обработка полученных результатов и их анализ, сформулированы общие положения, выносимые на защиту, выводы и рекомендации. Положения, выносимые на защиту;

1. Сорбционные и биологические свойства вскрышных пород, обусловленные их химизмом,

2. Возрастные тенденции изменения во времени химического состава и свойств вскрышных пород, отсыпанных в отвалы.

3. Комплексные направления использования вскрышных пород, продиктованные их сорбционной способностью и биологическими свойствами.

4. Возможности комплексного использования вскрышных пород в природоохранных мероприятиях.

Структура н объем работы. Работа изложена на 153 страницах основного текста состоит из введения, четырех глав, 6 приложений, содержит 12 рисунков, 32 таблиц, список литературы включает 136 наименований.

2 Основное содержание работы

2.1 Объект и методика исследований

' Исследования проводились на породах карьера и отвалов Михайловского железорудного месторождения в 2000 — 2002 гт. Объектом исследований были вофышные породы, находящиеся непосредственно в карьере, и отсыпанные в отвалы. Пробы из карьера брались непосредственно по срезу стратиграфической колонки, в пятнадцати точках соответствующих горногеологических ярусов. Пробы пород, отсыпанных в отвалы и образующих техногенный ландшафт, проводились с поверхности отвалов (глубина 0,02 — 1,0 м) трех, пяти, десяти и девятнадцати - летнего возраста. «Поверхностное» изучение отвалов необходимо для оценки процессов, идущих в верхнем слое отвала, так как именно этот слой будет задействован в создании искусственных биоценозов. V Отбор проб проводился по схеме приведенной в таблице 1,

Таблица I: Схема отбора образцов пород

Место взятия образца Глубина отбора образцов

1)Вскрышные породы, находящиеся непосредственно в карьере. 0-0,05м

2)Вскрышные породы отвала 3 - летнего возраста. 0,2-

3)В скрытные породы отвала 5 — летнего возраста. -//-

4)Вскрышные породы отвала 10 - летнего возраста.

5)Вскрышные породы отвала 19 — летнего возраста. ОД — 1,2 м

Рельеф местности, климатические условия, геология и гидрогеология определяют: характер механической миграции вещества (эрозия почвенного покрова на склонах, накопление сносимого материала у подножия склонов и в балках); наличие выходов материнских пород на поверхность;

микроклимат (как правило, южные склоны более сухие и теплые, чем северные); водообеспеченность почв и растительности (на водоразделах практически вся влага дождей и снеготаяния поглощается почвой, на склонах часть воды уносится с поверхностным стоком, в поймах рек и ручьев за счет близкого залегания грунтовых вод почвы хорошо увлажнены). Вышеперечисленные факторы оказывают влияние на химические свойства пород, отсыпанных в отвалы и залегающих в карьере.

Первым этапом нашей работы был отбор образцов пород карьера и поверхности отвалов.

На втором этапе проводились аналитические исследования состава вскрышных пород карьера месторождения.

Третий этап заключался в обработке полученной информации, оценке химического состава исследуемых образцов и в сравнительной характеристике их свойств в отвалах и карьере.

На четвертом этапе проводились дополнительные исследования, направленные на изучение сорбционных свойств пород. На основе полученных данных сделано предложение о возможном комплексном использовании пород вскрыши. Для подтверждения сорбштнных качеств вскрышных пород в 2000 — 2002 гт. был заложен опыт по изучению миграции свинца в породах, заскладированных в отвалы.

На пятом этапе проводилась оценка пород по биологической активности, так как большая роль в почвообразовании принадлежит микроорганизмам. Именно благодаря процессам жизнедеятельности микроорганизмов, перерабатывающих остатки живых растений, вовлекаются в почвообразовательный процесс новые соединения, увеличивающие плодородие вновь образованных почв. Микроорганизмы способны преобразовывать, аккумулировать и рассеивать химические элементы.

Для изучения биологических свойств вскрышных пород проводили лабораторный опыт по изучению возможности произрастания на них люцерны синегибридной.

Наибольшую мощность в стратиграфической колонке Михайловского железорудного месторождения занимают лессовидные суглинки, глина келловея, пески сеноман-альба и алевриты аггг-неокома. Для изучения биологических свойств вскрышных пород закладывали лабораторный опыт. Для этого брали пластмассовые сосуды 40 л 40x60 см. Для дренажа на дно сосуда насыпали гравий, предварительно выдержанный в концентрированной соляной кислоте. На гравий накладывали марлевые круги и вставляли по 2гетеклянных трубочки диаметром 10мм для лучшего воздушного питания растений. Сосуды заполняли по следующей схеме: 1-вариант — серая лесная почва (контроль); 2 -вариант — лессовидные суглинки; 3-варанг — глина келловея; 4-вариант- песок сеноман - альба; 5-вариант -алевриты апт-неокома. Повторность опыта восьмикратная. Сосуды вы-

ставляли на открытый воздух, приближая к естественным климатическим условиям

Шестой этап связан с проведением экономического обоснования использования вскрышных пород и других техногенных образований в комплексе природоохранных мероприятий, где они выступают как объекты рекультивации с последующим созданием зон рекреации.

Для измерения массы исследуемых образцов пород использовали аналитические весы ВЛР-200, Смеси перемешивались на магнитных мешалках ММ-5. Все использованные реактивы имели квалификацию «ч.д.а.» (чистый для анализа) или «х.ч.» (химически чистый).

Содержание органического вещества определялось по Е.В. Аринуш-киной (1961), рН солевой вытяжки при помощи рН-метра-150 с точностью ±0,05 ед. рН, тяжелые металлы (Хп, Си, N1, Со, Сг, РЬ, Сс1) по Е. Сенделу, (1996).

Анализ и другие исследования делались в 3-4-х кратной повторно-сти. Результаты, различающиеся между собой более чем на 5-7%, не учитывались. В таблицах с результатами исследований приведены средние данные.

Элементарный состав определяли методом атомной абсорбции, а также на спектрофотометре СФ-26 в кюветах с толщиной светопоглащаю-шего слоя 1 см по известным аналитическим методикам.

Химические исследования проводились на кафедре неорганической и аналитической химии КГСХА, химической лаборатории Михайловского ГОКа, НИИ земледелия и защиты почв от эрозии. Полученные экспериментальные данные во всех опытах обработаны методом дисперсионного анализа на ЭВМ, на кафедре естественно - математических дисциплин Курского института социального образования (филиал) Московского государственного социального университета.

2-2 Сорбционные качества вскрышных пород

Анализ показал, что вскрышные породы имеют в своем большинстве среду близкую к нейтральной, в основном это глины, для песков характерны более низкие показатели, высокие показатели характерны для четвертичных отложений (лессовидные суглинки показатель рН К,2), что наглядно отражено на рисунке 1.

§: к « 2 - - - _

- -

1 2 Э 4 5 в 7 6 9 10 11 12 « 14 15

Рисунок I- Показатель рН вскрышных пород карьера Михайловского железорудного месторождения 1. лессовидные суглинки; 2. суглинки озерного типа; 3. пески сеноман - алъба; 4. пески стт-неокома; 5. светлые пестроцветные глины: 6. темные пестроцеетные глины; 7. глины нижнего мела; 8. нижневолжские глины; Р.верхние крупноглыбовые глины; 10. мелкощебенчатые глины; 11. нижние крупноглыбовые глины; 12. ракушняковые глины; 13. пески еерхнебатскиг; 14. батские глины; 15. пески иижмебатские.

Можно сделать заключение, что распределение элементов в породах, находящихся непосредственно в карьере, подчинено оттре-деленной закономерности, это связано с геологическими процессами проходившими в период формирования кристаллического фундамента. Так, например, одни породы имеют большой обменный комплекс, и как следствие, богатый химический состав. Можно также отметить, что чем больше количество магния содержится в породах, тем более они способны к комплексообразо-ванию. При повышенном содержании кальция и железа наблюдается более высокая тенденция к сорбции тяжелых металлов.

Наиболее яркими карбонатными свойствами обладают глины девона и глины нижнего мела, что вероятно связано с большим количеством в них остатков органического происхождения.

Для пород, отсыпанных в отвалы, присущи свои особенности, их свойства отличаются от свойств пород, находящихся непосредственно в карьере. Основная масса отвалов представлена лессовидными суглинками, глинами келловея, песками батскими и сеноман-апьба. При анализе разновозрастных отвалов мы ориентировались, в основном, на эти породы. Молодые отвалы характеризуются показателями, наиболее близкими к естественным. Однако для всех пород в отвалах характерно более высокое содержание ре, Си, РЬ по сравнению с породами, залегающими в стратиграфической колонке карьера. Причем количество железа превы-шаег природный фон в 6-7 раз, а свинца и меди в 3-4 раза. Вероятно, это можно объяснить общим загрязнением окружающей среды на фоне горного производства. В первые годы отвалообразования, отмечено отсутствие органического вещества в свежеотсыпанных отвалах. Следы органики отмечаются на более старых отвалах 5-10 лет, к двадцатилетнему возрасту содержание органических соединений несколь-ко увеличивается. По мере

старения происходит усреднение химических и физико-механических свойств отвалов.

По содержанию железа можно отметить, что наибольшее его количество содержится в глинах, лессы и пески содержат приблизительно одинаковое количество. Максимальное содержание железа отмечается в верхних горизонтах наиболее старых по возрасту отвалов.

Среднее содержание по породам изменяется, в старых отвалах железа меньше чем в молодых. Это объясняется миграцией элементов в отвале, причем железо мигрирует в верхние слои горизонта и подвергается выносу с растительными организмами, а также в результате выветривания и водной эрозии.

Элементарный состав пород в отвале также разнообразен, но возрастная тенденция отмечается и здесь. Отвалы, отсыпанные в более ранний период, содержат большее количество одних элементов и меньшее других, по сравнению с более молодыми образованьями.

Для подтверждения сорбционных качеств вскрышных пород в 2000 - 2002 гг. был заложен опыт (таблица 2) по изучению транслокацни свинца, в породах вскрыши, заскладированных в отвалы.

Таблица 2: Схема проведения опыта

Варианты опыта Годы

Серые лесные почвы (контроль) - - - -

Лессовидные суглинки карьер 3 года 5 лет Шлет

Глины кел-ловея карьер 3 года 5 лет Шлет

Пески сено-ман-альба карьер 3 года 5 лет Шлет

Опыт содержал 16 вариантов. В качестве контроля использовалась серые лесные почвы. В качестве вариантов были использованы лессовидные суглинки, глины келловея, пески сеноман - альба, породы отбирались из карьера и разновозрастных отвалов, по вышеупомянутым методикам.

Опыты проводились в стеклянных сосудах 0,бм ж 0,6м х 0,55м. В опыте велось наблюдения за миграцией РЬ. Для моделирования уровня загрязнения на дно сосуда вносился сульфид свинца (РЬЭ) в дозе 22 мг/кг. Наблюдение за транслокацией свинца в породы и почву велось с 2000 — 2002гг.

Наличие фульво и гуминовых кислот в почвенных системах значительно снижает концентрации подвижных форм ионов тяжелых металлов, которые можно описать схематично так:

МеП++пНН=М11п+пН+

Константу распределения можно рассчитать исходя из соотношения двух фаз:

.. [МЯл]арг.

~ [М!ЩИ20

Гетерогенные системы П- почвенный раствор можно сравнить с экстракционными системами, в которых органическая фаза сорбирует некоторые металлы в определенных концентрациях и соотношениях. Подбором определенного экстракционного реагента НИ, рН среды и других условий добиваются достаточно высоких значений К и, следо-вательно избирательного извлечения ионов тяжелых металлов. Экстрагентом или в нашем случае сорбентом являются вскрышные породы. Наиболее яркие сорбци-онные свойства проявляют глины девона, глины нижнемелового яруса, а также глины келловея, взятые непо-средственно из карьера.

Изучая результаты эксперимента можно предположить, что в данном случае хорошо работает вариант механизма ионообменной сорбции РЬ (Жукова Л .А. и др., 2001) .

где, К - коэффициент селективности; С - концентрация тяжелых металлов;

и аСс.1 - активности прстивоионов тяжелых металлов и Са3+ в обменной фазе.

* Наиболее универсальны модели для расчета поглощающей способности сорбента уравнения Хлопина В.Г. и Шилова НА.

где, 5 — коэффициент микрокомпонента в твердой фазе (сорбента) в единицах измерения массы сорбируемого вещества на единицу массы сорбента

С — концентрация микрокомпонента (РЬ) во внесенной порции, мг/кг К4— коэффициент сорбции

Корректное применение Кс) для описания ионообменных процессов в природных системах затруднено. В практике используются упрощенные варианты и модели, базирующиеся на субъективных литературных представлениях о природе этих процессов.

Предполагаемые механизмы сорбции ионов РЬ основаны, вероятно, на поглощении растворенного вещества твердыми поглотителями (РеО, РегОз, СаО, АЬО}) и представлены целым спектром модификаций: адсорбция, хемосорбция, капиллярная конденсация. Вполне вероятно, что практически каждый вид сорбции сочетается друг с другом.

В нашем экспериментальном материале содержание сорбентов оксидов достаточно велико. Сорбционные свойства у глин девона, кеяловея, песков сеноман-альба выражены в значительной мере. Экспериментально установлено, что наиболее сорбционно-активнымн являются породы, взятые непосредственно из карьера. Это объясняется высоким содержанием сорбентов - оксидов. Так, оксид алюминия гидрофилен и можно предположить, что вклад в сорбционный цикл вносит небольшой, зато высокое содержание Ре203) оксида кальция и магния компенсирует этот недостаток. При рН 7-8 отмечается максимальная сорбция. В процессе «старения» глин в отвалах оксиды переходят в карбонатные формы, которые в свою очередь являются коллекторами (носителями) микроэлемента свинца. Вероятно, с течением времени, кинетический процесс сорбции глинами тяжелых металлов заканчивается (с установлением динамического равновесия) процессом соосаждення или переходом вещества в состав вновь образованных соединений (например, карбонатов) с образованием изоморфных смешанных кристаллов, ок-клюзии и механического захвата одновременно.

Процесс сокр металлизации можно рассматривать, как обратимую реакцию ионного обмена между, ионом-макрокомпонентом и ионом-ми крокомпонетом с возникновением обменной конкуренции за связь с ионом осадителем.

1 2 1

где, ($0 — символ твердой фазы (1§) — символ жидкой фазы Х| — ион 1 с валентностью х\ Хг — ион 2 с валентностью г — заряд иона

При заданных концентрациях иона — макрокомпонента в осадке и водном растворе (присутствующий во всех природных системах),

= (М

[* }.=соям

что приводит нас к линейному закону распределения микрокомпонектов

Таким образом, если рассмотреть изотерму распределения иона микрокомпонента, то есть она будет линейной, а коэффициент распределения равен

На рисунке 1 коэффициент сорбции возрастает до 0,98, даже пески имеют достаточно высокий показатель Кй до 0,64.

Рисунок 2-Кй суглинков, глин келловея, песков сеноман-альба

Согласно данным атласа распределения тяжелых металлов в объектах окружающей среды О.Н.Соколова и В.А. Черникова (1999г.) ПДК РЬ составляет: фон +20 мг/кг, а фон принят равным 12 мг/кг. Содержание свинца в верхних горизонтах почв колеблется в приделах 3-38мг/кг, следовательно, вносимая доза РЬ явно могла бы являться сильнейшей техногенной нагрузкой, однако сорбционные свойства вскрыши настолько велики, что способны сорбировать даже и более высокие концентрации свинца.

Можно заключить, что основная масса вскрышных пород является отличным сорбционным барьером и может представлять собой искусственно созданный геохимический барьер физико-химического класса на основе доломитовых и каолинитовых соединений. По результатам экспериментальных исследований можно рекомендовать применение вскрышных пород для устранения технологической нагрузки РЬ, а также пред-

карьер Згода бяет Юлят 19лет возраст отвал«

положительно и других тяжелых металлов, посредством их использования в качестве естественных барьеров при восстановлении бросовых земель или утилизации отходов.

2.3 Биологические свойства вскрышных пород

Общее количество микроорганизмов на породах и почвах определяли ежегодно. В первый год перед закладкой опытов и после вегетации, второй и третий год перед отрастанием люцерны и второго учета наземной массы. После первого укоса (2000г), а затем после второго укоса (2001 и 2002г.г.) изучали количество клубеньков на корнях люцер-ны. Дяя этого в изучаемом варианте почву избыточно увлажняли, изымали из сосуда и проводили отмывание корней от почвы и породы. После испарения влаги корневую систему 10 растений люцерны помешали на миллиметрованную бумагу, подсчитывали общее количество клубеньков и определяли их размер и окраску. Результаты наших исследований по определению биологической активности пород и почв приведены в таблице 3.

Таблица 3: Микробиологическая активность пород и почвы в лабораторном опыте (среднее за 2000-2002г.г.)_

Варианты опыта Содержание м икроорганизм ов 1г сухих пород и почвы, тыс.шт. Разложение клетчатки, в% Содержание нитратов в мг/кг

до компостирования после компостирования

Серая лесная почва(контроль) 870,0 49,7 3,4 45,2

Лессовидные суглинки 113,2 22,0 следы 15,6

Пески сеноман-апьба 31,0 . 14,4 следы 4,4

Глина келловея 61,5 16,9 следы 6,0

Алевриты апт-неокома 0,2 нет нет нет

Согласно приведенных в таблице данных видно, что наибольшая микробиологическая активность отмечается на серых лесных почвах. Так, в 1г почвы среднее количество микроорганизмов составило 170 тыс.шт.

Количество колоний в лессовидных суглинках в среднем за три года составило 113,2 тыс, шт., глине келловея б],5, пески сеноман-апьба - 31,0

тыс.шт и алевриты апт-неокома микроорганизмы были обнаружены только в период закладки опыта, их количество было минимальным 0,1 тыс. шт, в последующем их количество возросло в 2 раза - 0,2 тыс.щт. в 1 г почвы.

Степень разложения клетчатки во многом определилась свойствами пород. Максимальный процент разложения клетчатки отмечен на лессовидном суглинке 22,0%, затем на глине к ел л о вея — 16,9% и песках сеноман-альба — 14,4%. Максимальная убыль массы полотна отмечена на серой лесной почве 49,7%, в алевритах апт-неокома целлюлозо-разрушающие микроорганизмы не обнаружены, т.к. разложение клетчатки не происходило. Количество нитратов во многом зависело также от свойств породы. Так, в лессовидных суглинках их количество в среднем за три года составляло 15,5 мг/кг, в глинах — 6,0, в песках сеноман-альба — 4,4, в алевритах они отсутствовали, а максимальное количество отмечено, как и следовало ожидать в серой лесной почве - 45,2 мг/кг.

Количество клубеньков образовавшихся на корнях люцерны приведены в таблице 4.

Таблица 4: Общее количество клубеньков на корнях люцерны по вариантам опыта (перед уборкой)__

Варианты годы Среднее

опыта 2000 2001 2002 затри года

Серая лесная почва 11,4 18,0 23,6 44,1 39,9 59,6 24,9 40,6

Лессовидные суглинки 0 9,1 0 29,6 0 40,2 0 26,3

Пески сеноман- альба 0 8,7 0 18,8 0 26,3 0 17,9

Глина келло-вея 0 9,0 0 19,4 0 273 0 18,5

Алевриты апт-неокома 0 1,1 0 0 0 0 0 0

+) числитель семена без обработки

++) знаменатель семена обработаны ризоторфином

В таблице приведены средние данные по определению массы растений по вариантам опыта. Учет массы растений первого года жизни свидетельствует о том, что по всем вариантам опыта она была не высокой и колебалась от бг/сосуд на песках сеноман-альба, до 14,8 г/сосуд — лессовидные суглинки. На серой лесной почве отмечена максимальная сухая масса растений - 23,2 г/сосуд. В условиях 2001 -2002гг. по двум вариантам

опыта проведено два учета продуктивности люцерны (серая лесная почва и лессовидные суглинки), на остальных один.

В среднем за три года произрастания люцерны без инокуляции семян максимальная сухая масса получена на серой лесной почве — 99,7 г/сосуд, на лессовидных суглинках — 79.8, глина келловея — 49,6 и песке сеноман-альба - 20,3 г/сосуд. На алевритах апт-неокома растения люцерны погибли после всходов.

Инокуляция семян люцерны ризоторфином позволила значительно повысить массу растений. На серой лесной почве - до 117,1 г/сосуд, прибавка в сравнении с посевом семян, не обработанных ризоторфином, составила 17,4 г/сосуд,

Наиболее значимой эта прибавка получена на породах, где клубеньковые бактерии отсутствовали. Так, на лессовидном суглинке она составила 28,5 г/сосуд, на глине келловея — 20,2 и на песках сеноман-альба — 19,1 г/сосуд (таблица 5).

Таблица 5: Сухая масса растений люцерны по вариантам опыта, г/сосуд

Варианты годы Средняя Прибавка

опыта 2000 2001 2002 за три года

Серая лесная почва 2за 40,4 58,8 0,6 217,1 220,3 99,7 117,1 17,4

Лессовидные 14,8 42,6 182,0 79,8 24,5

суглинки 27,7 ■ КОД 2053 104,3

Пески сено- 9,8 10,0 911 46,9 19,1

ман-альба 15,5 77,7 102,0 66,0

Глина кел- 6,0 36 л 49,0 203 25,2

ловея 9,9 52,5 74,1 43,5

Алевриты апт-неокома Растения погибли -

НСР(* 0,8/1,1 2,1/3,6 4,1/4,6 3,1/3,4 0,6

+) числитель семена без обработки

++) знаменатель семена обработаны ризоторфином

Таким образом, биологические свойства горных пород во многом определяются адсорбционными и химическими свойствами. Наилучшие показатели этих свойств отмечены у лессовидных суглинков, глин келловея и песков сеноман-альба. Алевриты апт-неокома в связи с их токсичностью практически не обладают биологическими показателями. Первоначальное содержание в них микроорганизмов 0,1 тысУг, связано с тем, что на из поверхности поселились микроорганизмы из воздуха,

Целлюлозоразрушаюцше микроорганизмы не обнаружены, так как льняное полотно, заложенное в сосуд с алевритами апт-неокома не рэзру-

шилось. В виду гибели посевов люцерны — клубенысовые бактерии также не обнаружены.

Среди изученных нами пород наилучшие показатели получены у лессовидных суглинков, где отмечено наибольшее количество микроорганизмов — 113,2 г/порода, среднее разложение клетчатки составило — 22%, при компостировании отмечается накопление нитратов до 15,6 мг/кг. Продуктивность сухой массы люцерны на варианте с инокуляцией семян ризоторфином приближена к серой лесной почве н составила 104,3 г/сосуд. По остальным исследуемым породам она распределилась следующим образом: 66 г/сосуд на глинах келловея и 45,5 г/сосуд на песках сеноман — альба. На варианте с алевритами растения погибли.

Проведенные нами исследования свидетельствуют о том, что изученные нами породы (кроме алевритов апт-неокома), обладают благоприятными биологическими свойствами и могут быть вовлечены в эколого-биологические программы, направленные на охрану окружающей природной среды.

2,4 Агрожологические основы проведения восстановите^ьных мера* приятии в условиях Михайловского железорудного месторождения

Наши исследования позволили установить примечательные свойства ряда вскрышных пород, как сорбента тяжелых металлов, на примере свинца. Используя эти примечательные свойства и их основное использование - восстановление нарушенных ландшафтов в районе горных разработок г.Железногорска приобретает направленность их дальнейшего использования как естественных сорбентов тяжелых металлов, а рассматривая в отдельности глинистые породы (глины келловея) следует отметить их предельно низкую фильтрационную способность, что делает из мощнейшим водоупором. Вторая отличительная особенность основной массы вскрышных пород их удовлетворительная биологическая активность, что делает возможным их дальнейшее использование в качестве субстратов для восстановления растительного покрова в районе. Таким образом хочется выделить тенденцию одновременного использования вскрышных пород, как экранов при захоронении некоторых видов отходов при одновременном использовании их как субстрата для восстановления растительного покрова, в этом случае начнет формироваться искусственно созданный ландшафт, под одной частью которого будут находится в захоронении некоторые виды отходов, другая его часть может быть использована для консервации отходов горного производства, которая может в отдаленном будущем представлять некоторый экономический интерес, такое захоронение приобретает название «техногенного месторождения».

Наиболее часто глинистые породы вскрыши используются при утилизации твердых бытовых отходов (надо отметить актуальная для г.Железногорска проблема). Такой способ погребения считается экономически доступным, так как не предусматривает расходов на сортировку отходов, их измельчение, дополнительную термическую или химическую обработку. Как правило для закладки отходов используют уже отработанное карьерное пространство, однако подобное допустимо лишь на незначительных по объему карьера, а карьер Михайловского железорудного месторождения является одним из крупнейших в мире, и окончание разработок в ближайшее время не предвидится, целесообразней всего в дальнейшем облесение склонов карьера с последующим созданием зон рекреации. Для захоронения отходов целесообразнее использовать овражно балочную систему, которая характерна для Курской области в целом.

Для выравнивания экологической обстановки на территории Михайловского месторождения оптимальным будет погребение отходов уже прошедших некоторую предварительную обработку, такая тенденция несколько увеличит себестоимость утилизации отходов, но в тоже время позволит избежать последствий экологического характера, которые в дальнейшем могли бы повлечь за собой более крупные расходы.

Также для нейтрализации воздействия на окружающую среду отходов обогащения можно предложить использование биологически активных вскрышных пород в качестве экрана песчанистых пляжей хвостов обогащения.

Наши исследования проводились на примере свинца, поэтому для получения сравнительных характеристик мы использовали именно этот тяжелый металл.

Для доказательства примечательных свойств глин келловея 20032004гг. был заложен опыт, который представлял собой следующую модель. Для анализа были использовании вновь отобранные породы глин келловея непосредственно из карьера, а также перемешанный субстрат верзниего горизонта рекультивированной территории, суть опыта заключалась в следующем на дно стеклянного сосуда вносились, как и в предыдущем опыте соли свинца теми же качественными и количественными характеристиками . Для вычисления уровня металла испольовались методы математического моделирования пименялись такие программы как хнмкат и маткат. Результаты исследовании!! приведены в нижележащей таблице. Но в первом случае вносились породы незранированные глинами келловея слоем 40 см, во втором случае закладка выглядела следующим образом на дно ложили экранирующий слой глин 20 см, а уже сверху экрана укладывали слой отобранных пород также 20 см.

Таблица б - Содержание кислорасгворимых форм свинца в модельных опьпах на перемешанных породах и породах отсыпанных с применение экранирующего слоя глин келловея (мг/кг)__

Объект изучения или моделирования. Глубина отбора образцов. РЬ

Образцы пород отобранные непосредственно с восстановленного фитоценоза (б км от промплощадки). 0-10 23,8

10-20 26,3

Образцы пород отобранные непосредственно с восстановленного фитоценоза (б км от пром площадки). Через год после закладки опыта. 0-10 48,0

10-20 56,0

Смоделированный фигоци-ноз с условием применения глин келловея в качестве естественного экрана. 0-10 3,8

10-20 14,6

Содержание свинца в экранирующем слое. 0-10 29,6

10-20 31,4

НСРо.5 - 0,8

Естественно, что уровень антропогенной нагрузки зависит от ряда факторов, таких как возраст, расстояние от источника загрязнения и т.д. тем не менее результаты данного эксперимента показали, что породы используемые в качестве субстрата накаливали свинец гораздо в более высоких количествах нежели те породы, где в качестве экранирующего слоя использовались глины келловея, тогда как сам экранирующий слой сорбировал значительные количества металла. Более того данные указывают на значительное снижение содержание свинца в породах находящихся выше экранирующего слоя.

В качестве наиболее перспективной породы используемой в качестве естественного сорбента предпочтительно применять естественно глины келловея, такое предпочтение им необходимо отдать из за того что по своей физической природе, как уже приводилось выше, они являются пластичным материалом с низким коэффициентом фильтрации. Тогда как лес-сы хотя и имеют некоторую способность к сорбции, являются неустойчивой системой (например просадочность породы).

Второй не менее важной деталью является снижение эрозирования почв на территории разработок, так как не освоенные породы являются дополнительными источниками заражения окружающей среды. Эрозиро-ваную почву можно рассмотреть как источник загрязнения носящий диффузный характер. Загрязнение почвой, а в нашем случае - горкой породой часто связано с диффузными процессами выщелачивания, улетучивания, осаждения и растворения материала в сточных водах. Широкая охрана искусственно восстановленных почв и почв искусственно созданных ландшафтов требует грамотного применения приемов агротехники.

В прйртдных лаидшафтах процессы накопления и расхода энергии оптимизированы самой природой, и интенсивность эрозионных процессов не превышает интенсивности почвообразовательного процесса, что достигается разнообразием типов растительности. С нарушением их существования агроландшафт стал более однообразным с преобладанием пашенного типа растительности, а следовательно, и менее устойчивым в эрозионном и экологическом отношении. Исходя из этого, создаваемые агроланд-шафты должны быть эрозионно-устойчивыми, экологически сбалансированными и высокопродуктивными.

Одним из условий снижение экологической нагрузки является создание зеленого каркаса вокруг промышленной площадки.

Как'уже упоминалось в предыдущих главах открытый способ добычи влечет нарушение почвенного покрова при вскрытии месторождений с последующим воздействием на природные ресурсы территории, чем н определяется необходимость мероприятий по востановлению нарушенных земель и включение их в сельскохозяйственный оборот, как уже упоминалось мною ранее создание полей для получения постоянных высоких урожаев сельскохозяйственных культур невозможно из-за низкого уровня аг-

ротехники, поэтому востановленные территории должны быть использованы для создания лесных массивов, а также зон рекреации.

Успех освоения нарушенных земель заключается в биологическом освоении восстановленных территорий. Первоначальный успех определяется ассориментом растений и системой обработки почвы в условиях техногенных ландшафтов.

Облесение территории - наиболее распространенный и дешевый способ освоения восстановленных земель. Лесонасаждения изменяют и оз-доравливают ланшафты.

2.5 Обоснование экономической эффективности исполыования вскрышных пород в мероприятиях направленных на восстановление экологического равновесия в условиях Михайловского железорудного месторождения

Результаты наших исследований химических, сорбционных и биологических свойств вскрышных пород позволили сделать ряд выводов, одним из которых являлось заключение о превосходных сорбционных качествах основной массы вскрышных пород. На основании этого мы сделали заключение — вскрышные породы имеют разнородный, богатый состав, имеют хороший обменный комплекс и в большинстве случаев нейтральную или слабощелочную среду. Поставленный нами опыт указал на благоприятные сорбцнонные качества. Анализ наших данных, а также данных других исследователей позволил сделать заключение.* основная масса вскрышных пород пригодна для рекультивации, а также может служить вмещающей породой (т.к. по своей сути является геохимическим барьером) при утилизации токсичных отходов горного и другого производства. По нашему мнению использование этих двух путей может и должно носить одновременный характер. Из чего можно сделать заключение, что существует возможность использования отвальной массы в качестве могильника, для погребения токсических и радиоактивных отходов.

Дополнительное снижение затрат в горнорудном производстве достигается путем оптимизации процесса на всех техногенных стадиях. Экологический аспект в этом плане представляет дополнительные возможности. Традиционно в сельском хозяйстве использовали подбор оптимальных параметров, осуществляющийся в виде математической модели, в которой доход выражается в виде функции оптимизированных параметров. Мы же избрали путь, который основан на использовании известных законов природы, лежащих в основе экологических процессов, происходящих на горнодобывающих предприятиях КМА.

Высокий экологический эффект достигается в результате рекультивации, облесения, захоронением отходов. Целесообразность таких мероприятий обусловлена экономической эффективностью используемых средств (таблица 7),

Таблица 7: Экономическая эффективность мероприятий, направленных на нормализацию экологической обстановки в районе Михайловского железорудного месторождения

Мероприятия

направленное на норналнза-(1ЛЮ экологи* чесиой скгун-

Ш1И

Сумма затрат на ме-ропря-тие

(у,е.уга

Эффект от предотвращения деградации почв (у.е)

1

год

1

год

3

год

Эффект от предотвращения загрязнения атмосферы (У-*)

1

год

год

год

Общая экономическая эффективность

1

год

2

год

3

ГОД

Средняя

окупаемость,

лет

Рекультивация

1571

21

37

40

261

334

37«

0,18

024

0,27

Облесение

1538

37

154

331

0,10

024

Погребение токсичных отходов в отвальной массе

1500

432

674

730

0,17

0,40

0,44

2.5

Создание зон рекреации

2115

27

40

41

303

378

411

0,17

0,24

0,25

Затраты на проведение рекультивации взяты из расчетно-техно-логических карт ведения горных, сельскохозяйственных, лесотехнических работ и переведены в условные единицы по соответствующему на существующий период курсу. Расчеты эффекта рассматриваемых работ проведены по величине размеров предотвращаемых ущербов от деградации почв и загрязнения атмосферы. ,

Экономическая эффективность при облесении зависит от возраста фитоценоза. В лесопосадках первого года природоохранный эффект отсутствует и срок окупаемости возрастает до 2 - 3 лет.

Выводы

I. Добыча железной руды открытым способом на Михайловском железорудном месторождении связана с извлечением горных вскрышных пород, количество которых в 2003 году превысило 1 млрд.т. Из общего количества пород только 1,5 - 3,0% используются в народном хозяйстве, в качестве материала при строительстве дорог с твердым

покрытием, изготовления кирпича, цемента, извести и т.д. При отсыпке горных порол образуется неустойчивый техногенный ландшафт, который подвергается интенсивным процессам водной эрозии и дефляции, что приводит к экологическим проблемам.

2. Вскрышные породы характеризуются различными химическими свойствами от токсичных (глины апт - неокома, пески батские) до нейтральных (лессовидные суглинки). Химический состав вскрышных пород карьера разнообразен, он определяет их свойства, наиболее активны те породы, которые находятся в высоко-дисперсном состоянии. В них протекает одновременно множество реакций, противоположно направленных, что обеспечивает их устойчивость, как системы.

3. На химические свойства пород отсыпанных в отвалы влияют климатические условия, а также способ формирования отвалов (с применением автомобильного транспорта, железнодорожного, конвейерного и др.). По мере старения отвалов их свойства усредняются, основная масса пород представлена тяжелым гранулометрическим составом.

4. Вскрышные породы отвалов имеют сложный химический состав. Основная масса пород отсыпанных в отвалы обладают достаточно высокими показателями сорбционных качеств, по мере старения отвалов зги свойства также стремятся к среднему показателю.

5. Проведенные нами исследования свидетельствуют о том, что основная масса вскрышных пород за исключением токсичных, обладают благоприятными биологическими свойствами и могут быть вовлечены в биологические программы.

6. С точки зрения рационального природопользования в нашем случае перспективными являются приемы, направленные на улучшение экологической ситуации в районах горных разработок. Наиболее приемлемым способом снижения неблагоприятного влияния техногенных ландшафтов на окружающую среду является биологическая рекультивация, которая позволяет приостановить эрозионные процессы за счет создания на поверхности отвалов защитной «пленки», состоящей из многолетних трав и лесо-кустарниковых насаждений.

7. Использование вскрышных пород в качестве сорбентов тяжелых металлов позволит получить дополнительную прибыль. Расчет экономической эффективности рекомендованных выше приемов, показал, что при планомерном их использовании появляется возможность получить дополнительную экономическую выгоду.

Предложения производству

1. С целью улучшения экологической обстановки в условиях Михайловского железорудного производства необходимо проводить природоохранные мероприятия, при которых будут использоваться вскрышные породы месторождения. Основная масса вскрыши за исключением токсичных пород обладает удовлетворительными сорбционными свойствами и хорошей биологической активностью, что делает их пригодными для использования в качестве геохимических барьеров естественного происхождения, а примечательная биологическая активность позволяет их задействовать в мероприятиях направленных на создание зеленого каркаса, который в свою очередь будет препятствовать процессам эрозии и загрязнения окружающей среды

2. Для захоронения отходов с высоким содержанием тяжелых металлов (наши исследования проводились на примере свинца), в качестве экрана можно использовать глнкы келловея, обладающие высокой сорбционкой способностью. Их физические характеристики также говорят о том, что экран из глин келловея в наименьшей степени будет подвергаться образованию различного рода трещин (порода весьма пластична), а также имеет низкий коэффициент фильтрации, что препятствует проникновению токсичного раствора в нижние водоносные горизонты.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ

1. Жукова, Л.А. Особенности гидрогеологического строения горных пород КМА / ЛА.Жукова, Р.В. Глаголев /У Актуальные вопросы современного земледелия в ЦЧЗ: Материалы научно-практической конференции (гЛСурск, 22-25 февраля 2000г.), - Курск: Изд-во Курской госсельхоз академии, 2001.- 4.2. - С.93-95.

2. Жукова, Л.А. К вопросу о комплексном использовании вскрышных пород КМА / Жукова Л.А., Глаголев Р.В. К вопросу о комплексном использовании вскрышных пород КМА II Вопросы современного земледелия в центральном Черноземье: Материалы научно-практической конференции (г.Курск, 4-7 марта 2002г.), - Курск: Изд-во Курской госсельхоз академии, 2003. - С.34-36.

3. Жукова, Л.А. Химическая характеристика вскрышных пород карьера Михайловского железорудного месторождения / Л.А.Жукова, Р.В. Глаголев И Материалы научно-практической конференции профессорско-преподавательского состава и аспирантов по итогам научно-исследовательской работы за 2002 год., - Курск: Изд-во Курской госсельхоз академии, 2003. - СДЗ-17.

4. Жукова, Л.А. Возможность применения глин в процессах очистки сточных вод / Л „А .Жукова, Т.И.Глаголева, Р.В. Глаголев // Материалы научно-

#20216

практической конференции профессорско-преподавательского состава и аспирантов по итогам научно-исследовательской работы за 2002 год., — Курск: Изд-во Курской госсельхоз академии, 2003. - С Л 7-20.

5. Глаголев, Р.В. Возможность использования вскрышных пород Михайловского железорудного месторождения, в качестве вмещающих пород при захоронение осколочных радиоактивных отходов на примере 5г, Сз / Р.В. Глаголев // Материалы научно-практической конференции профессорско-преподавательского состава и аспирантов по итогам научно-исследовательской работы за 2002 год, - Курск: Изд-во Курской госсельхоз академии, 2003. - С.20-22.

6. Стифеев, А.И. Загрязнение почв тяжелыми металлами, в промышленной зоне горнодобывающего производства, на примере Михайловского железорудного месторождения I А .И .Стифеев, Р.В. Глаголев // Материалы на-учно-прак-тической конференции профессорско-преподавательского состава и аспирантов по итогам научно-исследовательской работы за 2002 год., — Курск; Изд-во Курской госсельхоз академии, 2003, - С.22-25.

7. Жукова, Л.А. Сорбционные свойства вскрыши Михайловского ГОКа / Л.А. Жукова, И.В. Глебова, РЗ. Глаголев // Вестник ЕГТУ II: Международная научно практическая конференция. Экология: образование, наука, промышленность и здоровье. - Белгород: Изд-во Белгородский государственный технический у нив ере итет,2004. - КаЗ. — Ч.У. — С.50-51.

Сдано в набор 22.09,2004. Подписано в печать 23.09,2004 . Формат 60*84 Ш6, Гарнитура Times. Бумага офсетная. Печать офсетная. Объем 1,1 уеллечл. Тираж 100 экз. Заказ № 139,

Оригинал макет подготовлен и тиражирован Курский институт социального образования (филиал) РГСУ. 305014, г. Курск, ул, Кирпичная 21,