Применение отходов АО "Ковдорский ГОК" для мелиорации загрязненного почвенного слоя

загрязнения окружающей среды является хранилище хвостов обогащения рудника «Железный», в котором складируются отходы повторной глубокой переработки после доизвлечения ценных компонентов. Накопленные за годы деятельности предприятия вскрышные породы и отходы обогащения к настоящему времени, по данным МГРЭ, составляют 120 млн. тонн [2]. На расстоянии около 100 км от данного хвостохранилища находится медно-никелевый комбинат АО «Кольская ГМК» и прилегающая к нему Мончегорская техногенная пустошь.

Почвенный слой на данной территории сильно эродирован, закислен и загрязнен тяжелыми металлами (ТМ). Растительный покров практически полностью отсутствует, лимитирующими факторами его восстановления являются неблагоприятные почвенные условия: дефицит элементов питания, высокая концентрация и токсичность ТМ, практически полное отсутствие органического вещества, низкая влаго-емкость, а также ограниченный банк семян в почве, отсутствие подземных органов возобновления [3-5]. Наиболее загрязнен верхний горизонт почвы, причем содержание никеля, меди и кобальта в нем неравномерно и резко убывает с глубиной, а наибольшее накопление поллютантов отмечено в верхних 2-3 см [6]. Подвижность и биологическая доступность ТМ регулируется различными химическими процессами, в том числе, такими как адсорбция-десорбция на активной поверхности твердых фаз почвы, осаждение и растворение малорастворимых соединений, комплексообразование и катионный обмен; протекание этих процессов в почве контролируется сочетанием факторов температуры, влажности, кислотности и окислительно-восстановительными условиями [7]. Корректировка части этих показателей возможна путем внесения в техногенный грунт мелиоративных добавок, которые способны непосредственно стабилизировать загрязняющие вещества путем перевода в менее подвижные или менее токсичные формы [7-9]. Продолжающееся и в настоящее время аэротех-ногенное воздействие медно-никелевого комбината затрудняет процессы восстановления почв и растительности. Эксперименты по ремедиации загрязненных почв методом известкования, проводимые разными исследователями на данной территории, показали, что данный способ не является эффективным для мелиорации, а также что мелиорант должен обладать гранулометрическим составом, включающим не только пылеватые частицы, но и более крупные песчаные и гравийные фракции для снижения потерь при эрозии [7, 10].

В связи с ограниченным банком семян в почве на вносимом мелиоранте необходимо сформировать растительный покров (обычно состоящий из различных семян злаковых растений), способный выполнять функцию фитостабилизации поллютантов и являться первичным сообществом на начальном этапе восстановления экосистемы [11, 12]. Таким образом, иммобилизация металлов в грунте техногенной пустоши должна проходить с помощью двух взаимодополняющих процессов: во-первых, сорбции и осаждения на мелиорантах, а во-вторых - путем аккумуляции их в ризосфере в ходе роста и транспирации растений [12]. Такой способ связывания ТМ носит название хемофитостабилизация.

Цель работы: возможность применения отходов вторичного обогащения комплексных руд АО «Ковдорский ГОК» карбонатитового состава в качестве мелиоранта, являющегося субстратом для формирования растительного покрова

Объекты и методы исследования. Отходы вторичного обогащения комплексных руд рудника «Железный» послужили объектом исследования в качестве мелиоранта почвенного слоя, деградированного вследствие воздействия воздушных выбросов и кислотных дождей на территории Мончегорской площадки АО «Кольская ГМК». Для изучения минерального состава рыхлых отложений хвостохранилища рудника «Железный» использовали методику, разработанную в Геологическом институте Кольского научного центра Российской академии наук (ГИ КНЦ РАН) [13], а для оценки инженерногеологических показателей этих грунтов - методику Отдела технологии строительных материалов Института химии и технологии редких элементов им. И.В. Тананаева Кольского научного центра РАН (ИХТРЭМС КНЦ РАН) [14].

Экспериментальные натурные исследования приживаемости травяных ковриков на загрязненной почве, покрытой слоем карбонатитового мелиоранта, осуществляли сотрудники Полярно альпийского ботанического сада-института Кольского научного центра РАН (ПАБ-СИ КНЦ РАН) совместно со специалистами ИХ-ТРЭМС КНЦ РАН [15]. Для формирования растительного покрова использовали смесь семян злаковых растений Festuca rubra L., Bromus inermis Leyss., Festulolium smaragdinum F. Aschers. et Graebn ., Festuca pratensis Huds., взятых в соотношении 4:3:1:1 по массе и вермикулитовый субстрат марки Випон-1, полученный из вермикулита Ковдорского месторождения (Мурманская область).

Таблица 1. Минеральный состав отходов обогащения руд, добываемых на руднике «Железный», мас.%

Статистические пока-затели1	Кальцит, доломит2	Апатит, штафе-ллит3	Слюды, гидро-слюды4	Диопсид, оливин5	Магнетит, гетит6	Баде-ллиит	Нефе-лин7	Мелил-лит, амфи-бол8	Пирит
среднее	40,8	21,2	13,1	10,4	9,5	3,2	1,4	0,7	0,2
доверит. интервал	35,5-45,3	16,4-26,0	9,7-16,5	6,6-14,2	5,4-13,6	2,2-4,2	0,8-2,0	0,2-1,2	0,00,4
Кв ар .	0,24	0,45	0,51	0,72	0.86	0,65	0,99	1,53	2,4

Примечание: ¹ – выборка 15 проб, доверительный интервал среднего значения с надежностью Р=0,95; ² – карбонаты (мас.%): кальцит (39,9), доломит (0,8), сидерит (0,1); ³ – фосфаты (мас.%): апатит (20,3), штафеллит (0,9); ⁴ – слюды (мас.%): флогопит (12,3), вермикулит (0,8); ⁵ – кальций-магниевые силикаты (мас.%): диопсид и форстерит (8,3), оливин (2,1); ⁶ – оксиды и оксигидроксиды железа (мас.%): магнетит (9,3), гетит (0,1); лимонит (0,1); ⁷ – нефелин и натролит (мас.%): нефелин (1,2), натролит (0,2); ⁸ – амфиболы (мас.%): мелиллит (0,6), актинолит (0,1).

Результаты и обсуждение.Минеральный и химический состав карбонатитовых отходов. Выполнен количественно-минералогический анализ отходов вторичного обогащения комплексных руд АО «Ковдорский ГОК». Установлено, что это на две трети апатит-кальцитовая порода, содержащая 10-15 мас.% второстепенных слюдистых, кальций-магниевых минералов класса силикатов, железосодержащих оксидов и оксигидроксидов. Минералами-примесями являются нефелин, амфиболы и пирит, среднее содержание которых не превышает 1,4 мас.%, а коэффициент вариации превышает значение 1,00 (табл. 1). Полученные результаты по определению содержания карбонатов и апатита весьма близки к таковым, полученным исследователями Горного Института Кольского научного центра РАН (ГоИ КНЦ РАН) при запуске и отработке технологической линии по вторичному обогащению лежалых хвостов 1960-80 годов [16].

Анализ минерального состава показывает, что желательно наполовину сократить содержание железосодержащих минералов в отходах вторичного обогащения руд (КО – карбонатитовые отходы). В целом, с геохимической точки зрения карбонатный компонент будет способствовать нейтрализации кислой среды, загряз-нен-ной ТМ, фосфатный компонент – обогащать почву фосфором, слюдистые минералы – адсорбировать, иммобилизировать токсичные ТМ, а также улучшать дренирующие свойства субстрата КО.

Содержание биодоступных компонентов в почвенных субстратах согласуется с минеральным составом КО (табл. 2). Содержание доступного кальция составляет величину порядка 12%, что является благоприятным фактором для использования КО в условиях высокой степени закисления и загрязнения соединениями ТМ. Помимо кальция в субстрате в небольших количествах содержатся элементы питания (калий и фосфор), микрокомпоненты (марганец, железо), а также медь и никель на уровне регионального фона. По сравнению с окультуренным грунтом (проба отобрана на экспериментальном участке Полярной опытной станции Всесоюзного института растениеводства (ПОСВИР, г. Апатиты Мурманской обл.)), в КО содержание кальция выше в 100 раз, магния – в 6 раз, марганца – в 5 раз, в несколько раз – железа, меди и никеля. При этом содержание калия и фосфора в КО меньше, чем в контрольной почве, что обусловлено регулярным внесением в нее минеральных удобрений.

Таблица 2. Характеристика минеральных и почвенных субстратов

Субстраты	рН	Содержание биодоступных компонентов, мг/кг											Мт
		Cu	Ni	Ca	Mg	Fe	Mn	Si	Al	K	Р	S
КО исход.	8,3	5	6	123000	1820	530	150	-	-	18	90	-	0,0001
окультуренный мелкозем	7,5	1	1	1520	290	230	35	320	560	130	125	-	0,0008
техногенный мелкозем	6,8	165	4	150	25	170	8	-	1950	35	15	290	0,56
техногенный торф	4,01	3600	315	700	210	2100	40	30	370	40	100	3015	2,36
агроторф	6,31	2	20	25000	1900	70	60	-	1	2010	670	110	0,0005

Испытание карбонатитовых отходов для реабилитации техногенного грунта. Укрупненный полевой эксперимент по использованию КО с целью реабилитации загрязненного грунта проведен в импактной зоне АО «Кольская ГМК», площадка Мончегорск (Мурманская обл.). Субстрат КО наносили на поверхность техногенного грунта слоем 5 см и использовали в качестве основы для выращивания травяной дернины [17]. Слой вермикулитового субстрата марки Випон-1 толщиной 1 см насыпали поверх КО для поддержания высоких темпов прорастания семян и дальнейшего процесса развития растений. Работы проводили на двух участках, причем на участке №1 грунт представлен техногенным мелкоземом (маркировка опыта КО-10, заложен в 2010 г.), на участке №2 – торфом (маркировка опыта КО-11, заложен в 2011 г.). На втором участке в качестве контрольного варианта заложен опыт с карьерным песком (маркировка опыта П-11). На экспериментальных участках полностью отсутствует растительность, техногенный грунт характеризуется высоким содержанием ТМ и выраженным дефицитом кальция и магния (табл. 2).

Следует отметить, что полевой эксперимент проходил в условиях продолжающегося аэротехногенного загрязнения и под воздействием жестких климатических факторов зоны Субарктики. На протяжении 6 (участок №2) и 7 лет (участок №1) на опытных делянках формировались искусственные фитоценозы, состояние которых можно оценить как удовлетворительное. Растительные сообщества в настоящее время распространяются вегетативным и генеративным путем, обладают большим количеством биомассы, подземных органов и опада, служат кормовой базой или местообитанием для насекомых, млекопитающих и других животных организмов, а также активно осваиваются аборигенными видами растений. За это время произошел переход от искусственно созданной пионерной группировки из 4-х видов злаковых растений к промежуточной луговой экосистеме [11].

Варианты полевого эксперимента имеют отличия по ряду показателей. Так, величина проективного покрытия на всех площадках с КО составляет 100%, в то время как на песке данный показатель не превышает 70%. В сентябре 2016 года биомасса в опыте П-11 составила 0,23 кг/м2, в вариантах КО-10 и КО-11 0,74 и 0,72, т.е. варианты с КО по данному показателю практически не отличаются, а на песке биомасса значительно меньше. Средняя высота растений составила 41 см (П-11), 58 см (КО-11) и 41 см (КО-10), плотность травяного покрова 1730 экз/м2 (П11) и 1550 экз/м2 (КО-11). Судя по биометрическим показателям, увеличение биомассы на КО связано с более высокой степенью развития отдельных экземпляров, что обусловлено, вероятно, отличием эдафических условий субстратов, тем более что большая часть корнеобитаемого слоя растительного покрова приходится на мелиоранты.

На рис. 1 приведены данные о содержании компонентов в доступной для растений форме в подложках из песка и КО, пробы отобраны на участке № 2 через 6 лет после закладки опытов в начале вегетационного сезона (15 июня 2016 г.). По содержанию главных компонентов аэротех-ногенных выбросов, к которым относятся медь, никель и сера, субстраты отличаются незначительно. Достоверное превышение в песке по отношению к КО содержания биодоступного алюминия вряд ли может оказать существенное влияние на фитоценозы. Наиболее вероятным благоприятным фактором, оказывающим влияние на рост растений, являются значительно более высокие концентрации магния и, в большей степени, кальция, которые превышают показатели для песка на 1-2 порядка.

□ П йКО

Рис. 1. Содержание биодоступных компонентов в исследуемых субстратах

Для оценки токсичности сильно загрязненных подзолистых почв Мончегорской техногенной пустоши предложен «физико-химический»

критерий [18], который нами был модифицирован: в качестве характеристики свойств почвы использовано соотношение мольного содержания доступных для растений форм никеля и меди к кальцию и магнию, обозначенное как «модуль токсичности» ( Мт ):

_ r N(Cu)-N(Ni) Мт = ———— N(Ca>N(Mg) , где N - количество молей компонента на единицу массы грунта.

Для Мт не установлен порог фитотоксичности, его применяли для оценки свойств грунта в качестве интегрального показателя, включающего четыре основных компонента, оказывающих наибольшее влияние на характеристики почвенных субстратов данной территории: чем меньше значение Мт, тем ниже токсичность. Модуль токсичности для окультуренных мелкозема и торфа составляют 0,0008 и 0,0005 соответственно. Поскольку КО отличается высоким содержанием биодоступного кальция, значение Мт для исходного субстрата меньше, чем для окультуренного мелкозема и составляет величину 0,0001; через 6 лет полевого эксперимента Мт увеличивается до 0,0003-0,001, прежде всего вследствие выщелачивания кальция и магния, а также в результате накопления ТМ (данные табл. 1 и рис. 1). Модуль токсичности песка на несколько порядков выше Мт для КО и составляет величину 0,10-0,17. Это на порядок ниже, чем Мт техногенного грунта, где растительность полностью отсутствует. Таким образом, результаты по-ле-вого эксперимента показали, что при таком уровне токсичности растения хотя и могут про-из-растать, но при этом фитоценозы находятся в угнетенном состоянии.

Кальций из слоя КО мигрирует в нижележащий грунт, снижая его токсичность. Результатом данного процесса является проникновение корней растений в техногенный грунт. Содержание биодоступных компонентов в грунте непосредственно под субстратами представлено на рис. 2. По кремнию, алюминию, калию и фосфору различные варианты экспериментов прак-ти-чески не отличаются, в то время как кальция под песком почти на 3 порядка меньше, чем под КО. Содержание магния, железа и магния под песком в несколько раз меньше, чем под КО. Модуль токсичности грунта под субстратами зависит как от исходного состояния грунта, так и от вида субстрата и изменяется в ряду КО-10 (0,04) < КО-11 (0,19) < П-11 (0,27).

Таким образом, результаты многолетних полевых экспериментов показывают эффективность применения карбонатитовых отходов в качестве субстратов-мелиорантов, что обусловлено, в первую очередь, более высоким содержанием биодоступных компонентов, таких как магний и кальций, что позволяет снизить токсичность техногенного грунта, а также создать условия, в большей степени подходящие для произрастания растительных сообществ.

Рис. 2. Содержание биодоступных компонентов в грунте непосредственно под субстратами

Таким образом, результаты многолетних полевых экспериментов показывают эффективность применения карбонатитовых отходов в качестве субстратов-мелиорантов, что обуславливается, в первую очередь, более высоким содержанием биодоступных компонентов, таких как магний и кальций, что позволяет снизить токсичность техногенного грунта, а также создать условия, в большей степени подходящие для произрастания растительных сообществ.

Выводы: натурные экспериментальные ис-следования приживаемости травяных ковриков, защищенных от токсичного грунта слоем карбонатитовых отходов толщиной 5 см, показали хорошую их приживаемость к загрязненной ТМ деградированной почве, которая располагается на территории Мончегорской площадки АО «Кольская ГМК». Установлено, что использование мелиоранта на основе карбонатитовых отходов на территории техногенной пустоши с продолжающимся аэротехногенным воздействием способствует оптимизации значений pH грунта и снижению подвижности ТМ, обладает пролонгированным действием на питательный режим формирующегося почвоподобного субстрата из-за исходно высокого пула Ca, Mg, P. Состояние созданного растительного покрова на участках с применением мелиоранта существенно отличается от контрольного и может быть признано удовлетворительным для начального этапа процессов его восстановления. Применение карбо-на-титовых отходов в качестве мелиорантов для рекультивации техногенного грунта способствует решению проблемы рационального использования минерального сырья и снижению отрицательного влияния складированных отходов на окружающую среду.

Работа выполнена при поддержке РФФИ, грант мол_а_дк_16-35-60022\16, и Президиума РАН, программа «Поисковые фундаментальные научные исследования в интересах развития Арктической зоны Российской Федерации».