7.3. Рекультивация земель, загрязненных тяжелыми металлами

Загрязнение почв тяжелыми металлами приводит к образованию кислой или щелочной реакции почвенной среды, снижению обменной емкости катионов, потери питательных веществ, к изменению плотности, пористости, отражательной способности, к развитию эрозии, дефляции, к сокращению видового состава растительности, ее угнетению или к полной гибели.

Прежде, чем начать рекультивацию таких земель необходимо установить источник и причины загрязнения, провести мероприятия по снижению выбросов, локализации или ликвидации источника загрязнения. Только при таких условиях может быть достигнута высокая эффективность рекультивационных работ.

Ориентиром для разработки состава работ по рекультивации земель в первую очередь служит приоритетное вещество, вызывающее ухудшение экологического состояния почв и качество сельскохозяйственной продукции, а ожидаемая подвижность других опасных веществ должна регулируется специальными или комплексными мероприятиями.

Рекультивация земель, загрязненных тяжелыми металлами, осуществляется с использованием следующих способов:

1) Культивирование устойчивых к загрязнению культурных и дикорастущих растений. На загрязненных землях сельскохозяйственного назначения проводится реорганизация и переориентация сельскохозяйственного производства за счет введения новой структуры растениеводства, обеспечивающей получение качественной продукции. В зонах с чрезвычайной экологической ситуацией, имеющих многоэлементный набор загрязнителей, целесообразно переходить с производства овощей на зерно-кормовые севообороты и развитие животноводства с особым режимом содержания животных, например, со стойловым и кормлением разбавленными кормами или с выгоном на загрязненные и чистые луга.
Переход на другие сельскохозяйственные культуры определяется различной их отзывчивостью на уровень содержания металлов в почве, причем эта отзывчивость у растений проявляется как в зависимости от вида, сорта, так и по распределению металлов в вегетативных и регенеративных органах. Различное накопление тяжелых металлов в растениях вызвано существованием биологических барьеров в системе: почва - корень – стебель (листья) – регенеративный орган. Обычно наибольшее накопление тяжелых металлов наблюдается в вегетативных органах, наименьшее – в регенеративных, например, при содержании в почве 800мг/кг свинца в соломе ржи обнаружено 9 мг/кг, а в зерне – 0,9мг/кг. Отзывчивость растений на отдельные металлы можно проследить на примере кадмия, наиболее чувствительными к избытку кадмия являются соя, салат, шпинат, а устойчивыми - рис, томат, капуста.
С учетом конкретных условий на почвах, загрязненных тяжелыми  металлами, можно  выращивать  следующие  устойчивыекультуры: зерновые колосовые, злаковые травы, картофель, капусту, томаты, хлопчатник, сахарную свеклу.

2) Рекультивация почв с помощью растений (фиторекультивация), способных накапливать тяжелые металлы в вегетативных органах. Установлено, что дерево за вегетационный период вдоль автомобильной дороги способно накапливать в себе количество свинца, равное его содержанию в 130 кг бензина, поэтому в населенных пунктах с загрязненными районами листовой опад целесообразно собирать и утилизировать. Для очистки почв от цинка, свинца и кадмия необходимо выращивать большой горец, от свинца и хрома – горчицу, от никеля - гречиху и т.д. (табл. 5), при загрязнение радиоактивными изотопами можно использовать вику, горох, люцерну, махорку.

3) Регулирование подвижности тяжелых металлов в почве. Поглощение тяжелых металлов растениями зависит от содержания их подвижных форм в почве. Существование подвижных форм определяется свойствами и плодородием почв, биогеохимическими процессами, интенсивностью и объемами поступления тяжелых металлов в почву, выносом растениями. Поведение тяжелых металлов в почве и способы управления их содержанием вытекают из теории геохимических барьеров, а рекультивация загрязненных почв сводится к созданию дополнительных барьеров, управлению существующими барьерами или к ослаблению некоторых из них.
Почвы, тяжелые по механическому составу и имеющие высокое плодородие, содержат меньше подвижных форм тяжелых металлов, чем почвы легкие и малопродуктивные. Многие из металлов, относящиеся к первому классу опасности, в нейтральной почвенной среде образуют трудно растворимые соединения, а в кислой – легко растворимые. Кадмий наиболее подвижен в кислой среде и слабо подвижен в нейтральной и щелочной среде. К подвижным в кислой среде относятся химическим соединениям, содержащие катионы Zn,Сu, Pb, Cd, Sr, Mn, Ni, Coи др. К подвижным в нейтральной и щелочной среде – Mo, Cr, As, V, Se.
В равных условиях  наименьшей  растворимостью  обладают фосфаты и сульфиды тяжелых металлов, из карбонатных соединений меньшую растворимость имеют соединенияртути, свинца и кадмия. Гидроксиды тяжелых металлов образуют трудно растворимые формы в слабокислых и нейтральных средах, исключением являются гидроксид Fe(рН = 2,5) и Al(рН = 4,1).
На подвижность оказывают влияние органические вещества с малой молекулярной массой, фульвокислоты и гуминовые кислоты, так количество подвижной меди изменяется от 4,5 мг/кг до 2,0 мг/кг при изменении содержания гумуса в почве от 0,6 до 6,5%. Адсорбция свинца почвой при изменении содержания в ней гумуса от 2,5% до 7,0% возрастает с 5 мкг/кг до 20 мкг/кг.
Внесение в почву жидкого навоза и слабо разложившихся органических веществ повышает подвижность тяжелых металлов за счет образования низкомолекулярных водорастворимых комплексов. Поступление тяжелых металлов в растения по степени их подвижности: кадмий – свинец – цинк - медь.
Для регулирования подвижности соединений тяжелых металлов в почве используют известкование, гипсование, внесение органических и минеральных удобрений, землевание (внесение глины или песка).
При рекультивации земель, загрязненных тяжелыми металлами, значительное внимание уделяется поддержанию и образованию в почве труднорастворимых соединений. Для этого в дополнение к приведенным способам используют искусственные и природные адсорбенты. К природным относятся торф, мох, черноземные почвы, сапропель, бентонитовые и бентонитоподобные глины, глауконитовые пески, клиноптилолиты, опоки, трепелы, диатомиты. Искусственные адсорбенты создаются в результате активации или смешения природных адсорбентов, например, активированный уголь, алюмосиликатные и железо-алюмосиликатные адсорбенты, углеалюмогели, адсорбент «СОРБЭКС», ионообменные смолы, полистирол.
Избирательная способность адсорбентов может быть ориентирована на определенные металлы, например, при использование адсорбента  «МЕРКАПТО-8-ТРИАЗИН»  кадмий,  свинец, ртуть и никель переходят в недоступные для растений соединения (опыт Японии, Франции, Германии и других стран), применение клиноптололита значительно снижает поступление свинца, хрома, кадмия, меди, цинка в растения и т.д..

4) Регулирование соотношений химических элементов в почве. В основе этого способа лежит антагонизм и синергизм химических элементов, т.е. когда один элемент препятствует или способствует поступлению другого в растение, например, цинк препятствует поступлению ртути, а избыток фосфора приводит к снижению токсичности цинка, кадмия, свинца и меди, присутствие кальция может создать для одних металлов антагонистические, а для других синергические условия, в плодородной почве цинк и кадмий противостоят закреплению меди и свинца, а в малоплодородной почве процесс может развиваться в обратном направлении.

5) Создание рекультивационного слоя, замена или разбавление загрязненного слоя почвы может проводиться по многослойной схеме, а также путем нанесения одного слоя почвы на предварительно экранированную или неэкранированную загрязненную поверхность. Разбавление загрязненного слоя проводится землеванием чистой почвы с последующим смешением, разбавление может также проводится с помощью глубокой вспашки, когда верхний загрязненный слой перемешивается с чистым нижним слоем. Применяют снятие загрязненного слоя и его переработку, или снятие загрязненной почвы с последующей очисткой и возвращением обратно, но обычно такие операции проводят на небольших участках, они являются дорогостоящим способом рекультивации.

Для рекультивации больших территорий, включающих селитебные и рекреационные зоны населенных пунктов, сельскохозяйственные угодий, испытывающие длительное загрязнение, можно применить следующую комплексную схему:

- существенное сокращение выбросов предприятиями (технологический барьер);

- строгое дозирование химических средств защиты растений, оптимальное регулирование питательного и кислотного режимов почвы (технологический барьер);

- управление водными миграционными потоками за счет организации поверхностного стока, создания ливневой канализации, дренажных с последующей очисткой стоков (механический барьер).

- усиление сорбционного барьера почвенного слоя, необходимого для существенного уменьшения количества подвижных соединений тяжелых металлов, которые поступают в растения и загрязняют продукцию, в тоже время общее количество металлов в почве может не только не уменьшается, но даже расти за счет уменьшения подвижности.

- дополнительно к этому - минимизация инфильтрационной составляющей водного режима почвенного слоя в условиях полива зеленых насаждений, газонов, огородных, сельскохозяйственных и других культур, т.е. выполнение мероприятий, направленных, с одной стороны, на некоторое ослабление гидрофизического барьера, но с другой - необходимых для закрепления эффекта от усиления сорбционного барьера.

Уменьшение количества подвижных соединений при внесении сорбента фактически ослабляет перераспределение общего содержания металлов по почвенному профилю под действием нисходящих токов влаги и приводит к избыточной аккумуляции металлов в самом верхнем слое. Ослабление гидрофизического барьера путем регулируемой инфильтрации способствует перераспределению металлов, так как происходит разбавление почвенного раствора и одновременное уменьшение трудно растворимых соединений за счет десорбции.

Такое мероприятие можно считать возможным, поскольку при значительном загрязнении почв и грунтовых вод токсичными веществами необходимо создавать инженерно-экологическую постоянно действующую систему управления потоками вещества в компонентах: почва - грунтовые воды. Подобная система обеспечивает рекультивацию загрязненных почв и грунтовых вод, а также служит барьером для поступления техногенных продуктов в реки и другие места разгрузки подземных стоков. Для количественного обоснования этих мероприятий используются математические модели передвижения влаги, а также тяжелых металлов с учетом их сорбции и отбора корнями растений. Эти модели описаны в п.2.3 и 2.8.