Оценка эффективности и экологичности сорбент-ориентированного метода восстановления загрязненных тяжелыми металлами и металлоидами почв
Автор: Юрак В.В., Апакашев Р.А., Лебзин М.С., Малышев А.Н.
Журнал: Горные науки и технологии @gornye-nauki-tekhnologii
Рубрика: Технологическая безопасность в минерально-сырьевом комплексе и охрана окружающей среды
Статья в выпуске: 4 т.8, 2023 года.
Бесплатный доступ
Загрязнение природных экосистем тяжелыми металлами и металлоидами (HMM) - это главным образом результат антропогенной деятельности. Именно поэтому в настоящее время разрабатываются технологии, направленные на ограничение подвижности HMM и уменьшение сроков протекания химических реакций по переводу поллютантов из подвижной в неподвижную форму. Решение проблемы рекультивации всегда предполагает выбор наиболее перспективного и эффективного вида рекультивационных работ, а также обоснование приоритизации земель, подлежащих рекультивации. В части эффективности и перспективности популярность приобретает сорбент-ориентированный метод, основанный на принципе «зеленой» утилизации техногенных отходов в качестве сырья для создания композитных сорбентов нового типа в целях рекультивации нарушенных земель. Зарубежная практика в качестве обоснования необходимости и приоритизации рекультивационных работ использует различные методики оценки экологических рисков. Цель текущего исследования - апробировать имеющиеся распространенные методики оценки рисков причинения экологического ущерба и оценить эффективность и «экологичность» разрабатываемых авторских композитных сорбентов с позиции оценки и сравнения уровней возникновения потенциальных экологических рисков/рисков нанесения экологического ущерба после их (сорбентов) применения. Задачи: 1) рассмотреть теоретические аспекты HMM: сформулировать определение, рассмотреть генезис HMM, исследовать вопрос токсичности HMM и выявить наиболее распространенные методики оценки экологических рисков HMM; 2) апробировать имеющиеся методики оценки экологических рисков HMM; 3) оценить эффективность и «экологичность» разрабатываемых авторских композитных сорбентов с позиции оценки и сравнения уровней возникновения потенциальных экологических рисков/рисков нанесения экологического ущерба после их (сорбентов) применения. Объект исследования: горный отвод Левихинского рудника (зона экологического бедствия) как экосистема нарушенных земель, в составе которой присутствуют промышленные отвалы, содержащие HMM. Гипотеза исследования: доказать возможность «зеленой утилизации» техногенных отходов в качестве сырья для композитных сорбентов, используемых для рекультивации нарушенных земель, без увеличения рисков причинения экологического ущерба природной среде. В результате проведённых экспериментов наибольшую эффективность продемонстрировали сорбенты торф/осадки водоподготовки (пропорция при естественной влажности: 20/80, %), торф/диатомит/осадки водоподготовки (пропорция при естественной влажности: 5/15/80, %), где суммарная эффективность превышала 89 %. У сорбента торф/диатомит (пропорция при естественной влажности: 25/75, %) наблюдается суммарная эффективность 67,7 %. Оцениваемые риски ER и EH после применения авторских композитных сорбентов, в состав которых входят осадки водоподготовки, снижались в среднем на 89,5 и 88 % соответственно.
Сорбенты, рекультивация, нарушенные земли, экологические риски, методики, оценка, «зеленая» утилизация, тяжелые металлы и металлоиды, биота, токсичность, экологический ущерб
Короткий адрес: https://sciup.org/140303190
IDR: 140303190 | УДК: 502.3.7 | DOI: 10.17073/2500-0632-2023-07-129
Assessment of performance and environmental friendliness of a sorbent-based remediation method for heavy metal and metalloid contaminated soils
The contamination of natural ecosystems with heavy metals and metalloids (HMMs) primarily results from anthropogenic activities. Consequently, ongoing efforts are dedicated to the development of technologies aimed at restraining the mobility of HMMs and expediting chemical reactions that convert pollutants from mobile to immobile states. Addressing the reclamation issue always necessitates the selection of the most promising and effective type of reclamation work, as well as justification of land prioritization for reclamation purposes. In terms of performance and future potential, the sorbent-oriented approach, grounded in the concept of “green” utilization of man-made waste as a raw material for creating novel composite sorbents, is gaining traction for land reclamation in disturbed areas. In international practice, diverse environmental risk assessment methods are employed to substantiate the necessity for and prioritize reclamation efforts. The aim of the present study is to evaluate established conventional methods for assessing the risks associated with environmental harm. Additionally, this research aims to assess the efficacy and ecological compatibility of the composite sorbents developed by the author. This evaluation will be conducted by assessing and comparing the levels of potential environmental risks or risks of environmental damage subsequent to the application of these sorbents. The objectives of this study are as follows: 1) to explore the theoretical aspects of HMMs: including the formulation of a definition, investigation onto the origins of HMMs, examination of HMMs’ toxicity, and identification of prevalent methods for evaluating the environmental risks associated with HMMs; 2) to evaluate the effectiveness of established methods for assessing the environmental risks posed by HMMs; 3) to assess the efficacy and environmental sustainability of the composite sorbents developed by the author. This evaluation will involve an examination and comparison of the levels of potential environmental risks and the risks of environmental damage subsequent to the a pplication of these sorbents. The research subject: the mining allotment within the Levikhinskoye mine (classified as an environmental disaster site) is investigated as a disturbed land ecosystem, encompassing industrial waste dumps containing HMMs. The research hypothesis aims to establish the viability of “green” waste utilization from industrial sources as a raw material for composite sorbents used in land reclamation, without escalating the environmental damage. The conducted experiments revealed that sorbents composed of peat/water treatment sludge (at a ratio of 20/80 wt. % with natural moisture content) and peat/diatomite/water treatment sludge (at a ratio of 5/15/80 wt. % with natural moisture content) exhibited the highest level of performance, surpassing an overall efficiency of 89%. A sorbent composed of peat/diatomite (at a ratio of 25/75 wt. % with natural moisture content) demonstrated an overall efficiency of 67.7%. The estimated environmental risks (ER and ED) after the application of the proprietary composite sorbents, which include water treatment sludge, exhibited an average reduction of 89.5% and 88%, respectively.
Список литературы Оценка эффективности и экологичности сорбент-ориентированного метода восстановления загрязненных тяжелыми металлами и металлоидами почв
- Чаплыгин Н. Н., Галченко Ю. П., Папичев В. И. и др. Экологические проблемы геотехнологий: новые идеи, методы и решения. М.: ООО Издательство «Научтехлитиздат». 2009. 320 с.
- Наумов И. В. Исследование пространственных диспропорций в процессах нарушения и рекультивации земельных ресурсов в России. Известия УГГУ. 2019;(4):142–151. https://doi.org/10.21440/2307-2091-2019-4-143-152
- Chiampo F., Zacchini M. Environmental restoration of metal-contaminated soils. Applied Sciences. 2021;11(22):10805. https://doi.org/10.3390/app112210805
- Ворончихина Е. А. Рекультивация нарушенных ландшафтов: теория, технологии, региональные аспекты: монография. Пермь; 2010. 165 с.
- Zhu J., Wang P., Lei M.-J., Zhang W.-L. Polyhydroxyl-aluminum pillaring improved adsorption capacities of Pb2+ and Cd2+ onto diatomite. Journal of Central South University. 2014;21:2359–2365. https://doi.org/10.1007/s11771-014-2188-9
- Юрак В. В., Усманов А. И. Подходы к восстановлению нарушенных горно-металлургическим комплексом земель. Устойчивое развитие горных территорий. 2023. В печати.
- Mishra M., Mohan D. Bioremediation of contaminated soils: an overview. In: Rakshit A., Abhilash P., Singh H., Ghosh S. (eds) Adaptive Soil Management: From Theory to Practices. Springer, Singapore; 2017. https://doi.org/10.1007/978-981-10-3638-5_16
- Singh A., Prasad S. M. Remediation of heavy metal contaminated ecosystem: an overview on technology advancement. International Journal of Environmental Science and Technology. 2015;12:353–366. https://doi.org/10.1007/s13762-014-0542-y
- Ignatyeva M., Yurak V., Pustokhina N. Recultivation of post-mining disturbed land: review of content and comparative law and feasibility study. Resources. 2020;9(6):73. https://doi.org/10.3390/resources9060073
- Ермаков А. С., Ермакова А. Я. Восстановление нарушенного почвенного покрова отрицательного воздействия от промышленных предприятий. Научный вестник МГГУ. 2014;(1):24 –29.
- Marques J. P., Rodrigues V. G. S., Raimondi I. M., Lima J. Z. Increase in Pb and Cd Adsorption by the application of peat in a tropical soil. Water, Air, & Soil Pollution. 2020;231:136. https://doi.org/10.1007/s11270-020-04507-z
- Яконовская Т. Б., Жигульская А. И. Особенности оценки экономической безопасности предприятий торфодобывающей отрасли тверского региона России (обзор отрасли). Горные науки и технологии. 2021;6(1):5–15. https://doi.org/10.17073/2500-0632-2021-1-5-15
- Игнатьева М. Н., Юрак В. В., Душин А. В., Стровский В. Е. Техногенные минеральные образования: проблемы перехода к циркулярной экономике. Горные науки и технологии. 2021; 6(2):73–89. https://doi.org/10.17073/2500-0632-2021-2-73-89
- Апакашев Р. А., Малышев А. Н., Лебзин М. С. Исследование физико-химических свойств осадков водоподготовки для «зеленой» почвенной утилизации. Известия Уральского государственного горного университета. 2022;(3):117–124.
- Букин А. В., Моторин А. С., Игловиков А. В. Cоздание рекультивационной смеси на основе осадка водоподготовки няганьской грэс и торфа. Агропродовольственная политика России. 2016;(12):70–75.
- Hàkanson L. An ecological risk index for aquatic pollution control. A sedimentological approach. Water Research. 1980;14(8):975–1001. https://doi.org/10.1016/0043-1354(80)90143-8
- Baran A., Wieczorek J., Mazurek R. et al. Potential ecological risk assessment and predicting zinc accumulation in soils. Environmental Geochemistry and Health. 2018;40:435–450. https://doi.org/10.1007/s10653-017-9924-7
- Wu Q., Leung J. Y. S., Geng X. et al. Heavy metal contamination of soil and water in the vicinity of an abandoned e-waste recycling site: Implications for dissemination of heavy metals. Science of the Total Environment. 2015;506–507:217–225. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2014.10.121
- Pan X.-D., Wu P.-G., Jiang X.-G. Levels and potential health risk of heavy metals in marketed vegetables in Zhejiang, China. Scientific Reports. 2016;6:20317. https://doi.org/10.1038/srep20317
- Старицына И. А., Беличев А. А. Анализ использования нарушенных земель Свердловской области. Аграрный вестник Урала. 2018;4:31–36.
- Ali H., Khan E. What are heavy metals? Long-standing controversy over the scientific use of the term ‘heavy metals’ – Proposal of a comprehensive definition. Toxicological & Environmental Chemistry. 2018;100:6–19. https://doi.org/10.1080/02772248.2017.1413652
- Селезнев А. А., Климшин А. В. Тяжелые металлы в грунтах на территории г. Екатеринбурга. Известия Уральского государственного горного университета. 2020;(1):96–104. https://doi.org/10.21440/2307-2091-2020-1-96-104
- Семенов А. И., Кокшаров А. В., Погодин Ю. И. Содержание тяжелых металлов в почве г. Челябинска. Медицина труда и экология человека. 2015;(3):184–191.
- Писарева А. В., Белопухов С. Л., Савич В. И. и др. Миграция тяжелых металлов от очага загрязнения в зависимости от взаимосвязей в ландшафте. Вестник технологического университета. 2017;20(6):160–163.
- Bou Kheir R., Greve M., Greve M. et al. Comparative GIS tree–pollution analysis between arsenic, chromium, mercury, and uranium contents in soils of urban and industrial regions in Qatar. Euro-Mediterranean Journal for Environmental Integration. 2019;4:10. https://doi.org/10.1007/s41207-019-0099-8
- Mikkonen H. G., Dasika G., Drake J. A. et al. Evaluation of environmental and anthropogenic influences on ambient background metal and metalloid concentration in soil. Science of the Total Environment. 2018;624:599–610. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2017.12.131
- Ali H., Khan E., Ilahi I. Environmental chemistry and ecotoxicology of hazardous heavy metals: environmental persistence, toxicity, and bioaccumulation. Journal of Chemistry. 2019;2019:6730305 https://doi.org/10.1155/2019/6730305
- Raffa C. M., Chiampo F., Shanthakumar S. Remediation of metal/metalloid-polluted soils: a short review. Applied Sciences. 2021;11:4134. https://doi.org/10.3390/app11094134
- Wuana R. A., Okieimen F E. Heavy metals in contaminated soils: a review of sources, chemistry, risks and best available strategies for remediation. International Scholarly Research Network. 2011;2011:402647. https://doi.org/10.5402/2011/402647
- Dutta S., Mitra M., Agarwal P. et al. Oxidative and genotoxic damages in plants in response to heavy metal stress and maintenance of genome stability. Plant Signaling & Behavior. 2018;13(8):e1460048 https://doi.org/10.1080/15592324.2018.1460048
- Kinuthia G. K., Ngure V., Beti D. et al. Levels of heavy metals in wastewater and soil samples from open drainage channels in Nairobi, Kenya: Community health implication. Scientific Reports. 2020;10:8434. https://doi.org/10.1038/s41598-020-65359-5
- Carlon C. (Ed.) Derivation methods of soil screening values in Europe. A review and evaluation of national procedures towards harmonization. Ispra: European Commission, Joint Research Centre; 2007. 306 p.
- He Z., Shentu J., Yang X. et al. Heavy Metal Contamination of Soil: Sources, Indicators, and Assessment. Journal of Environmental Indicators. 2015;9:17–18.
- Касьяненко А. А. Контроль качества окружающей среды. М.: Российский университет дружбы народов; 1992. 136 с.
- Апакашев Р. А., Лебзин М. С., Юрак В. В., Малышев А. Н. Гибридные сорбенты – мелиоранты для рекультивации загрязненных мышьяком почв. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2022;(11–1):18–28. https://doi.org/10.25018/0236_1493_2022_111_0_18
- Fedorov S., Zavyalov S., Yurak V. Ore minerals in technogenic wastes of the levikhinsky mine (Middle Urals) In: IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. International Science and Technology Conference “Earth Science”, ISTC EarthScience 2022. 2022;988(2):032088. https://doi.org/10.1088/1755-1315/988/3/032088
