Среда и способ обработки отходов при горных разработках

Среда и способ обработки отходов при горных разработках

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к среде и способу, предназначенным для обработки отходов, образующихся при горных разработках.

Уровень техники

В результате деятельности человека, например, при горных разработках образуется большое количество отходов, которые создают экономические проблемы и проблемы защиты окружающей среды. Это происходит из-за необходимости использования больших площадей земли для размещения отходов, что приводит не только к значительным затратам, но также к загрязнению почвы, грунтовых вод и воздуха. В частности, при добыче платины, золота и других минералов происходит существенное воздействие на окружающую среду из-за образования значительных хвостовых отвалов. Хвостовые отвалы образуются из потоков шлама - отходов флотации, образующихся при обработке минералов, и представляют собой, по существу, биологически стерильную среду с ограниченной способностью удержания воды и с высоким процентным значением основной насыщенности. Отвалы также имеют, помимо прочего, высокие концентрации потенциально токсичных для окружающей среды тяжелых металлов, которые могут попадать в грунтовые воды.

Исследования, проведенные автором Walmsley (1987 г.), показали, что, хотя отвалы не засолены, они содержат большое количество марганца, железа и серы, которые могут быть фитотоксичными при высоких концентрациях. Отвалы при добыче платины, например, в основном состоят из песка (75%) и наносов (20%), при этом остальные 5% частиц представляют глину и незначительную органическую фракцию. Вышеуказанные факторы, по этой причине, затрудняют восстановление растительного покрова на отвалах до потенциального уровня, который имела эта земля до начала горных разработок, что приводит к загрязнению окружающей среды в данном районе. Кроме неорганических отходов, в результате добычи платины также образуются большие количества органических отходов, а именно, древесной щепы из древесины Saligna eucalyptus, а также отстой сточных вод. Хвостовые отвалы образуют целый диапазон факторов угрозы окружающей среде, включая загрязнение воздуха, образование пыли и загрязнение грунтовых вод, из-за физических и химических свойств отвалов, в то время как отходы в виде древесной щепы представляют опасность возникновения пожаров в жаркие и засушливые летние месяцы.

Древесная щепа образуется при добыче платины в результате проведения подземных взрывных работ, когда в шахте оставляют деревянные контрфорсы. В результате древесную щепу и руду совместно обрабатывают в ходе первоначального перемола и фаз (стадий) экстракции при обработке минерала. Фракцию древесной щепы отделяют как побочный продукт, используя способ просеивания, перед экстракцией платины. В результате взрывов древесная щепа имеет (приобретает) высокую концентрацию нитратов, которая достаточно высока, чтобы создавать проблемы для здоровья людей, приводя к метгемоглобинемии, в случае их выщелачивания в грунтовые воды (DWAF, 1996). В настоящее время древесную щепу выжигают, что приводит к существенному повышению эксплуатационных расходов.

Таким образом, образование шлама, древесной щепы и сточных вод представляет проблему, связанную с необходимостью предпринимать специальные меры по защите окружающей среды.

Основная задача проектов восстановления отвалов состоит в возврате загрязненного участка в условия, в которых он находился до загрязнения, что часто включает восстановление растительности для стабилизации обрабатываемой почвы. Этот процесс является одновременно трудоемким и дорогостоящим ввиду недостатка потенциально плодородного верхнего слоя почвы, а также ввиду дефицита органического вещества, дисбаланса элементов и отсутствия достаточного количества питательных веществ в хвостовых отвалах. При попытке решить эти проблемы, верхний слой почвы ввозят из других районов (в которых затем требуется проводить восстановление почвы) или периодически обрабатывают неорганическими удобрениями, которые одновременно являются дорогостоящими и не обеспечивают устойчивое экологическое воздействие. Большую часть хвостовых отвалов в настоящее время восстанавливают путем выращивания на отвалах травы. Развитие жизнеспособного и устойчивого растительного покрова, однако, представляет проблему из-за бесплодия и фитотоксичности среды роста растительности.

В американском патенте №6004069 описан способ образования субаэрального неорганического композитного покрытия на поверхности отвалов, материал которых содержит сульфиды и отходы горных разработок, содержащих сульфиды, включающий следующие этапы:

i) образование отвала из материала в виде твердых сульфидных частиц, включающего, по меньшей мере, один из группы, отвалы, содержащие сульфидный минерал, пустые породы, содержащие сульфиды, и материалы отходов горных разработок, содержащие сульфиды, причем указанный материал в виде твердых сульфидных частиц обладает низкой гидравлической проводимостью, указанный отвал содержит вершину и склон под углом больше 0,5 градусов по отношению к горизонтали;

ii) нанесение первого слоя частиц поверх указанного отвала материала из твердых сульфидных частиц, причем указанный первый слой частиц содержит инертное мелко перемолотое вещество со средним размером частиц от 10 мкм и 200 мкм и гидравлическую проводимость больше чем 10^-7 см/с, значение всасывания матрицы больше 4 см воды, причем указанный первый слой частиц наносят так, чтобы получить указанный первый слой частиц, расположенный на поверхности указанного отвала сульфидного материала по глубине, превышающей 4 см;

iii) нанесение второго слоя частиц поверх указанного отвала материала сульфидных частиц, причем указанный второй слой частиц содержит инертное вещество в виде мелких гранул со средним размером частиц от 200 мкм до 5000 мкм, гидравлическую проводимость от 10^-3 до 1 см/с, причем гидравлическая проводимость указанного второго слоя частиц, по меньшей мере, на порядок выше значения гидравлической проводимости указанного первого слоя частиц, и что касается значения всасывания матрицы, отношение значения всасывания матрицы указанного второго слоя частиц к значению всасывания матрицы указанного первого слоя частиц составляет меньше, чем 1:2, указанный второй слой частиц наносят так, что он располагается поверх указанного первого слоя частиц и имеет глубину, по меньшей мере, в 1,5 раза большую, чем значение всасывания матрицы, измеряемое в сантиметрах слоя воды, указанного второго слоя частиц; и

iv) нанесение третьего слоя частиц поверх указанного отвала материала сульфидных частиц, причем указанный третий слой частиц содержит инертное вещество с крупными гранулами, средний размер которых больше 3 мм, и имеющее значение гидравлической проводимости, превышающее 1 см/с, причем указанный третий слой частиц наносят поверх указанного второго слоя частиц с глубиной, превышающей 6 см.

Инертное, мелко перемолотое вещество, из которого состоит указанный первый слой частиц, выбирают из группы, состоящей из отходов окислительных установок, отходов перерабатывающих установок с низким содержанием сульфидов, десульфурированных отходов перерабатывающих установок, нейтрализованных отходов перерабатывающих установок, лесса, мелкого песка, песчаной глины, песчанистого суглинка, зольной пыли, осадочных пород, ледниковой валунной глины, мелко перемолотых материалов наносного происхождения и их смесей.

Инертное вещество в виде мелких гранул, из которого состоит указанный второй слой частиц, выбирают из группы, состоящей из гранулированного шлака, гранулированного десульфурированного шлака, десульфурированной пустой породы, мелкого гравия, мелко перемолотой пустой породы, песка и их смеси.

Инертное вещество в виде крупных гранул, из которого состоит указанный третий слой частиц, выбирают из группы, состоящей из дробленой пустой породы, щебня, дробленного известняка, гальки и грубых материалов естественного происхождения, дробленных материалов, получаемых в результате взрывных работ, и их смеси.

Некоторые из недостатков описанного выше способа состоят в том, что в верхние слои не добавляют органическое вещество, и в том, что этот способ представляет собой относительно сложный и дорогостоящий процесс, включающий использование множества различных веществ и этапов. Таким образом, данный способ является коммерчески неприемлемым.

Раскрытие изобретения

Таким образом, настоящее изобретение направлено на среду и способ, предназначенные для обработки отходов, с помощью которых могут быть устранены или, по меньшей мере, уменьшены, указанные выше проблемы и недостатки.

В соответствии с первым аспектом настоящего изобретения предложен способ обработки массы отвала, получаемого в результате горных разработок, включающий этап внесения древесных частиц в массу отвала.

Древесные частицы можно использовать в виде древесной щепы, получаемой из отходов древесины, которые могут представлять собой побочный продукт при проведении горных разработок, более конкретно, отходов древесины в форме деревянных подпорок, используемых при горных разработках, разрушенных при проведении взрывных работ.

Древесная щепа может быть предварительно обработана кислотой. В качестве кислоты можно, например, использовать азотную кислоту (HNO₃).

Щепа может быть нанесена на поверхность массы отвала, например, в виде покрытия.

В одной предпочтительной форме выполнения способа, щепу вносят в массу отвала, например, закапывая ее механически и/или вручную в массу отвала.

Щепу, предпочтительно, вносят в массу отвала до глубины приблизительно 30 см ниже внешней поверхности отвала.

Щепа может быть внесена в существующую массу отвала, уложенного в виде хвостового отвала, для восстановления растительного покрова на его поверхности.

Однако в одной из предпочтительных форм выполнения способа щепу вносят с промежутками в массу хвостового отвала во время его обработки.

Древесную щепу предпочтительно используют в пропорции 60-90 тонн на гектар поверхности хвостового отвала.

Кроме того, в соответствии с настоящим изобретением, способ содержит дополнительный этап компостирования древесной щепы перед выполнением этапа внесения древесной щепы в массу отвала.

Кроме того, в соответствии с настоящим изобретением, этап компостирования древесной щепы включает этап компостирования древесной щепы с использованием земляных червей.

Этап компостирования древесной щепы может включать дополнительный этап смешивания древесной щепы с другим источником органического материала.

Другой источник органического материала может содержать сточные воды.

Древесную щепу и сточные воды можно смешивать и оставлять их для формирования компоста, после чего в компост могут быть добавлены земляные черви и затем его выдерживают для формирования среды, компостированной с использованием земляных червей.

С этой целью можно использовать червей вида Eisenia fetida.

Древесную щепу и сточные воды можно смешивать в соотношении 3:1 или 3:2, если количество последних не ограничено.

В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения предложен хвостовой отвал, обработанный с использованием вышеуказанного способа в соответствии с настоящим изобретением.

В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения предложена среда, предназначенная для обработки хвостовых отвалов, образующихся в результате горных разработок, содержащая компостированную смесь древесных частиц и другого источника органического материала.

Древесные частицы могут представлять собой древесную щепу, полученную из отходов древесины, представляющих собой побочный продукт при горных работах.

Древесная щепа может быть получена из деревянных шахтных подпорок, разрушенных при проведении взрывных работ.

В качестве другого источника органического материала можно использовать сточные воды.

Эту смесь можно дополнительно обработать путем компостирования с использованием земляных червей.

Среда может дополнительно включать определенным образом отобранные микроорганизмы.

Осуществление изобретения

Настоящее изобретение будет описано ниже с использованием множества примеров, со ссылкой на прилагаемые чертежи и таблицы. Для упрощения понимания, в каждом примере приведено описание набора чертежей.

ПРИМЕР 1

Этот пример поясняется следующими чертежами, на которых:

на фигуре 1.1 изображена схема последовательности выполнения операций способа в соответствии с настоящим изобретением; и

на фигуре 1.2 показан вид с торца хвостового отвала, представляющий траву, растущую на его склонах при восстановлении растительности на поверхности хвостового отвала.

Способ горных разработок, включающий способ обработки или восстановления растительности на хвостовом отвале шахты, в соответствии с настоящим изобретением, в общем, представлен в виде блок-схемы, изображающей последовательность выполнения операции, показанной на фигуре 1.1.

Шахта может представлять собой, например, шахту 10 для добычи платины (Pt). Добытый продукт и отходы, включая частицы древесины в виде древесной щепы или кусочков древесины, представлены в блоке 12. Кусочки древесины, как хорошо известно, образуются в результате разрушения деревянных шахтных подпорок при выполнении взрывных работ в шахте. Эту смесь подают на стадии 14 флотационного разделения, где менее плотные древесные отходы отделяют известным способом от более плотных платины и шлама.

Смесь платины и шлама на выходе 16 разделяют в блоке 20 с применением также хорошо известного способа. Платину восстанавливают в блоке 22, и оставшийся шлам перекачивают в блоке 24 в удаленное место для образования хвостового отвала 26 также, как хорошо известно в данной области техники.

Древесные отходы на выходе 18 этапа 14 флотационного разделения подвергают дроблению и прокатке в блоке 28, в результате чего получают древесную щепу 30.

Было определено, что известные хвостовые отвалы содержат неприемлемо высокую концентрацию труднообрабатываемых водой элементов, которые выщелачиваются под действием дождевой воды и попадают в подземные водные ресурсы, создавая загрязнения этих водных ресурсов. В таблице 1.1 представлены элементарные фракции в образце древесной щепы и образце хвостового отвала, соответственно, которые являются водорастворимыми и могут вымываться, как описано выше, и содержание которых было определено с использованием известной процедуры экстракции.

В таблице 1.2 представлены элементарные фракции, соответствующие фракциям, представленным в таблице 1.1, для смеси, в которой древесную щепу 30 добавляют в хвостовые отвалы 26, как показано на этапе 32 по фигуре 1.1.

В результате проведенного анализа древесной щепы и хвостового отвала по отдельности, очевидно, что концентрации макроэлементов хвостовых отвалов содержат высокую концентрацию кальция (Са), магния (Mg), натрия (Na), сульфатов (SO₄) и хлора (Cl). Высокое содержание SO₄ в хвостовых отвалах свидетельствует о высокой вероятности образования кислоты с течением времени. Это подтверждается низкими концентрациями бикарбонатов (НСО₃), остающихся в образце, что указывает на практически полное истощение буферной способности в образце хвостового отвала. Необходимость увеличения впитывающей способности также была определена, как по высоким значениям основной насыщенности 21,48%, так и по высокой электропроводности (ЕС), составляющей 2,09 мСм см^-1, при этом, если предположить, что эти элементы в данный момент не входят в какие-либо соединения, они будут вынесены дождями из хвостового отвала в грунтовые воды. Из микроэлементов концентрации цинка (Zn) и марганца (Mn) превышают рекомендуемые нормативные значения, кроме того, потенциально токсичные тяжелые металлы (Al), никель (Ni), кобальт (Со) и мышьяк (As) также содержатся в высоких концентрациях в хвостовом отвале. В отличие от этого древесная щепа, хотя и имеет высокую концентрацию Al, представляет собой средство поглощения некоторых избыточных концентраций элементов.

Известно, что отрицательные поверхностные заряды, образующиеся на древесной щепе, притягивают и связывают определенные элементы, и результаты, представленные в таблице 1.2, очевидно указывают на тенденцию снижения концентраций Са, Mg, K, Na, SO₄, Cl, Mn, Cu, Zn, Ni и Со при повышении пропорции вносимой древесной щепы. Снижение концентраций вышеуказанных элементов во фракциях, экстрагируемых водой, также очевидно отражается снижением электропроводности (ЕС) при внесении повышенных объемов древесной щепы. Вследствие этого, концентрация элементов, потенциально выщелачиваемых и выносимых в грунтовые воды, последовательно снижается, по мере увеличения пропорции вносимой древесной щепы.

Было определено, что предварительная обработка древесной щепы 0,01% раствором азотной кислоты (HNO₃) позволяет снизить пропорцию вносимой древесной щепы при сохранении эффективности снижения концентрации потенциально токсичных элементов.

Кроме того, как более подробно описано в Примере 5, приведенном ниже, предварительное компостирование древесной щепы с использованием земляных червей (с добавкой отстоя сточных вод или без нее) повышает объемную плотность материала, вносимого в хвостовые отвалы, и уменьшает период компостирования.

Кроме того, было определено, что пропорция вносимой древесной щепы от 60 тонн до 90 тонн на гектар поверхности хвостового отвала позволяет получить хорошие результаты.

Как показано на фигуре 1, 2, на которой представлен хвостовой отвал 26, древесная щепа, предварительно обработанная кислотой, должна быть внесена в хвостовой отвал 26 до уровня 34, который находится на глубине приблизительно 30 см ниже внешней поверхности 36 отвала. Древесную щепу, предпочтительно, вносят с промежутком на поверхности установившихся сторон отвала, по мере роста отвала с течением времени.

Предполагается, что отрицательные поверхностные заряды на частицах древесной щепы существенно увеличивают способность катионного обмена (СКО (СЕС)), что снижает вынос потенциально токсичных элементов в грунтовые воды.

Растительный покров на хвостовых отвалах может быть дополнительно восстановлен, благодаря засеву семенами травы поверхности вышеуказанных сторон. Предусматривается, что при уровне нитратов, присутствующих на поверхности сторон 38 хвостового отвала, включая древесную щепу, для улучшения роста травы 40 потребуется меньшее количество неорганических удобрений или не потребуется вносить неорганические удобрения вообще.

ПРИМЕР 2

В этом примере делается ссылка на следующие прилагаемые чертежи, на которых:

на фигуре 2.1 показана схема обработки и воспроизводства растительного покрова при выполнении способа в соответствии с настоящим изобретением на платиновом шламе; и

на фигуре 2.2 представлен график RDA (анализа избыточности), представляющий взаимозависимость между внесением древесной щепы (0, 5, 15 и 30 тонн га^-1) и питательной способностью среды роста. Корреляция по отношению к окружающей среде видов растений для первой оси составляет 0,749.

Оборудование участка для проведения эксперимента

Место для проведения эксперимента оборудовали на платиновых хвостовых отвалах, и оно состояло из участков размером 24×4 м², на которых проводили мониторинг в течение полутора лет.

Соответствующие схемы для различных групп обработки приведены на фигуре 2.1. Эксперимент включал проведение шести обработок с использованием трех участков восстановления растительности и четырех контрольных участков.

Обработки 1-3

В первых трех обработках используют комбинацию существующей практики восстановления растительности на шахтах и внесения удобрений в соответствии с принятыми стандартами, но с повышенным внесением древесной щепы (обработка 1:5 тонн га^-1; обработка 2:15 тонн га^-1; обработка 3:30 тонн га^-1). Смесь древесной щепы, обработанной цантатом, и необработанной древесной щепы используют в соотношении 1:1. При первых трех обработках вносят следующие удобрения:

a) Суперфосфат	1200 кг га-1
b) NH4SO4	350 кг га-1
c) KCl	400 кг га-1

При первых трех обработках растительный покров восстанавливают с использованием смеси поземных побегов и корневищ Cynodon dactylon и Cynodon nlemfuensis, собранных в непосредственной близости к хвостовому отвалу. Cynodon dactylon и Cynodon nlemfuensis насаживают в равных пропорциях по шесть рядов на участок.

Обработка 4

Четвертая обработка состоит в окультуривании почвы с внесением 30 тонн га^-1 древесной щепы и удобрений, как и при первых трех обработках. Растительный покров восстанавливают на участках с использованием смеси семян, включающей Cenchrus ciliaris (Molopo) в количестве 10 кг га^-1, Chloris gayana в количестве 10 кг га^-1, Eragrostis curvula (PUK E436) в количестве 5 кг га^-1 и Eragrostis lehmanniana в количестве 5 кг га^-1.

Обработка 5

Обработка 5 состоит в окультуривании почвы с внесением 30 тонн га^-1 древесной щепы и удобрений, как и при предыдущей обработке. Смесь семян включает смесь из 5 разных видов трав первого засева, 5 разных видов многолетних трав и 3 видов потенциально ползучих трав (Таблица 2.1).

Обработка 6

Обработка 6 состоит в окультуривании почвы с внесением 30 тонн га^-1 древесной щепы. Химический анализ хвостовых отвалов (Таблица 2.5) используют для определения степени насыщенности удобрениями для обеспечения условий оптимального роста. Для улучшения питательного состояния среды роста вносят удобрение - моноаммонийфосфат (МАФ) в количестве 800 кг га^-1. Растительность на участках восстанавливают с использованием смеси семян, аналогичной смеси, применяющейся при обработке 5 (Таблица 2.1).

Материалы и способы

Ботанические исследования

Мониторинг развития растительного покрова на участке часто отслеживают с использованием устройства мостовых точек, установленного на раме размером 1 м². При этом определяют частоту встречаемости видов и основное покрытие видами, с использованием 125 точек м^-2. В результате определяют биомассу травы на корню. Биомассу травы на корню, укоренившейся на квадрате размером 1 м², срезают с использованием стригальных ножниц и сортируют по видам. Биомассу сушат при температуре 60°С в течение 48 часов и взвешивают.

Отбор образцов почвы и анализ

Образцы почвы (приблизительно 500 г) отбирают с помощью почвенного бура. Части образца весом пятьдесят грамм используют для проведения количественного анализа для определения распределения размеров частиц, в соответствии с процедурами, одобренными Американским обществом по испытаниям и материалам (American Society for Testing and Materials, 1961 г.). Химический анализ образцов почвы проводят с использованием процедуры экстракции 1:2 (объем/объем), как описано в публикации Black (1965), для определения водорастворимой основной катионной фракции (Са, Mg, K и Na) и микроэлементов (Fe, Mn, Cu и Zn), а также тяжелых металлов (As, Se, Al, Cr, Co, Ni, Pb и Cd).

Содержание водорастворимых основных катионов (Са, Mg, K и Na), микроэлементов (Fe, Mn, Cu, Zn) и тяжелых металлов (As, Se, Al, Cr, Со, Ni, Pb и Cd) определяют с использованием количественного анализа, проводимого способом атомарной абсорбционной спектрофотометрии с помощью устройства Spectr. АА-250 (Varian, Австралия). Содержание анионов (F, Cl, NO₃, PO₄ и SO₄) определяют с помощью количественно анализа с использованием ионного хроматографа (Metrohm 761, Швейцария). Для анализа используют 75 мл экстракта 1:2 почвы. Концентрацию аммония (NH₄) определяют с помощью количественного анализа способом аммоний-селективного электрода, в соответствии с описанием Banwart и др. (1972). Содержание бикарбонатов (НСО₃) в почве определяют с помощью потенциометрического титрования с конечной точкой рН 4,5, с использованием стандартного раствора HCl 0,005М (Skougstd и др., 1979). Концентрацию бора (В) определяют колориметрическим способом и использованием азометин-Н, как описано Barrett (1978), и спектрофотометра VEGA 400 при поглощении 420 нм.

Значение рН и электропроводности (ЕС) почвы определяют в экстракте 1:2 с использованием измерителя проводимости WTW LF92 при температуре 25°С.

Данные о растительности, содержании воды и химическом составе почвы анализируют с использованием компьютерной программы STATISTICA версия 6 (StatSoft, Inc. 2001). Влияние обработок и концентрации древесной щепы исследуют с использованием анализа избыточности - ReDundancy Analysis (RDA) RDA представляет способ константной линейной зависимости, а также прямого градиентного регрессионного анализа (Ter Braak, 1994). Преимущество использования этого способа в качестве инструмента анализа состоит в том, что он обеспечивает графическое представление результата взаимозависимости между переменными и соответствующими (релевантными) факторами окружающей среды. В качестве руководства по токсикологии используют эталонные тесты, в соответствии с рекомендациями Департамента энергии США (Efroymson и др. 1997).

Результаты

Состав растительного покрова

В Таблицах 2.2, 2.3 и 2.4 сведены значения частоты встречаемости разных видов растений, основного покрытия и биомассы, измеренные при шести обработках и на контрольных участках. В течение периода исследования были обнаружены четырнадцать видов травы. Наибольшее количество видов травы было определено после 5 и 6 обработки, при которых производили посев с использованием видовой смеси трав, представленных в Таблице 2.2. Смесь семян, используемая при обработке 4, позволила получить самое высокое суммарное основное покрытие (5,2%). Все другие обработки, включая контрольные участки, имели очень близкие значения основного покрытия (±3%). Суммарное количество биомассы на разных участках не существенно отличалось из-за высокой вариации корневой биомассы. Суммарное количество биомассы было наибольшим на участках, на которых проводили 6-ую обработку. Этот результат в основном был получен, благодаря жизнеспособности травы Cenchrus ciliaris.

По частоте встречаемости, величине основного покрытия и биомассе, трава Cenchrus ciliaris разновидности Molopo оказалась самым успешным видом, произрастающим из семян. Удовлетворительные результаты также показали Cenchrus ciliaris разновидность Gayndah (обработка 6), Eragrostis lehmanniana (обработки 4-5) и Eragrostis curvula (обработка 4). Неожиданно Digitaria eriantha, которая обычно очень хорошо произрастает на участках восстановления растительного покрова (Mentis 2000), не проросла на экспериментальных участках. Вероятной причиной неудачного засева травы Digitaria eriantha были засушливые условия в начале эксперимента.

Химические свойства почвы

Из отвалов были взяты три образца для количественного анализа химического состава и для определения уровня внесения удобрений для обработки 6 (Таблица 2.5). Образцы два и три имели очень близкий химический состав, но концентрации питательных веществ в образце один были существенно выше, чем в двух предыдущих образцах. Это указывает на высокую изменчивость химического состава образцов. Экстракция водой 1:2 (Таблица 2.5) дополнительно показала, что фитотоксичность из-за присутствия тяжелых металлов может быть серьезной проблемой в необработанных отвалах. На рост растительности может влиять повышенная концентрация растворов Pb, Cr, Со, Se и в особенности As в почве (Efroymson, 1997).

Результаты процедуры экстракции водой 1:2 представлены в таблице 2.6, в виде концентрации элементов в растворе почвы, доступной для поглощения растениями в течение февраля 2002 года. В общем, концентрации макроэлементов (Са, Mg и K) были несколько ниже, чем предпочтительные концентрации для эффективного роста. Доступное количество фосфатов и нитратов в растворе почвы также было пониженным в результате усвоения растениями. Концентрация NO₃ и PO₄ была ограничивающим фактором для роста растений.

За исключением Cu, на данном уровне рН микроэлементы - питательные вещества потенциально не могут оказаться токсичными. Концентрация меди - Cu проявлялась до уровня 0,827 ммоль/дм³ (потенциальный уровень фитотоксичности в соответствии с публикацией Efroymson (1997) составляет 0,94 (ммоль/дм³).

рН среды роста оставался на щелочном уровне (среднее значение рН для всех обработок: 7,8±0,025). Низкое значение ЕС также подтверждает низкий питательный статус среды роста и дополнительно указывает, что засоленность не является проблемой. Скорость поглощения натрия СПН (SAR) также была ниже, чем рекомендуемое значение 1, что указывает на потенциальное отсутствие избытка соды в почве.

При сравнении Таблицы 2.5 с Таблицей 2.6 можно определить изменения в химических свойствах отвалов за время роста растительности и внесения древесной щепы. Концентрация всех макроэлементов в отвалах существенно снизилась. Концентрация сульфатов осталась относительно на том же уровне или незначительно уменьшилась на контрольных участках и на участках с низкой концентрацией древесной щепы. Концентрация сульфатов в растворе среды роста также существенно уменьшилась при обработке 6, что было нетипично по сравнению с другими обработками, в которых также использовали 30 тонн га^-1 древесной щепы. Концентрация микроэлементов Fe, Mn и Cu увеличилась, что указывает на повышение растворимости этих элементов. Однако концентрации цинка и бора снизились. Значение рН раствора почвы осталось относительно на том же уровне 7,8. Электропроводность также существенно снизилась от среднего значения 2,267 мСм/см (необработанные отвалы) до 0,296 мСм/см в конце периода исследования.

Для пояснения влияния вносимого количества древесной щепы на химический состав отвалов выполняли анализ избыточности - RDA, его результаты графически представлены на двумерном графике видов растений (химические переменные) в зависимости от количества внесения древесной щепы в качестве показателя (Фигура 2.2). Поскольку в ходе испытаний отслеживали только одну переменную, каноническая ось и ось классификации видов представлены на первой оси классификации. Химические переменные по видам коррелировали на 74,9% с уровнем внесения древесной щепы, в качестве параметра окружающей среды. Как показано на фигуре 2.2, из химических переменных лучше всего ассоциировались с градиентом внесения древесной щепы В, Р и Cu (положительная корреляция), а также рН (отрицательная корреляция). рН среды смещался в сторону кислот при увеличении пропорции вносимой древесной щепы, при этом концентрация В и в особенности Cu увеличивалась. Поскольку значения концентрации макроэлементов - питательных веществ (Са, Mn, K, Na, SO₄) и электропроводность (ЕС) слабо ассоциировали с первой осью классификации, на эти переменные в меньшей степени влияло повышение количества вносимой древесной щепы. На Таблице 2.7 представлена матрица корреляции между химическими переменными характеристиками почвы. Засоленность среды роста, в основном, образовывалась, в частности, из-за сульфатов кальция, калия и магния. Кальций, магний и калий также сильно коррелировали. Натрий, однако, был лучше ассоциирован с хлоридом. Железо, марганец и медь коррелируют друг с другом. Единственная существенная отрицательная корреляция наблюдалась между железом и аммонием.

Выводы и рекомендации

По результатам восстановления растительного покрова большое количество видов, используемых, в частности, в самых разнообразных смесях, не проросли. Результаты доказали достаточность применения смеси семян трав Cenchrus ciliaris, Eragrostis lehmanniana, Panicum maximum и Eragrostis curvula. Трава Eleusine coracana оказалась наиболее успешным видом для первого высева. Возможное объяснение плохого произрастания дикорастущих видов травы состоит в малом уровне засева 1-2 кг/га. Семена (видов с большим уровнем засева) следует высевать в количестве не меньше 5 кг/га, для обеспечения успешного заселения. Ростки и побеги Cynodon dactylon и Cynodon nlemfuensis также можно высаживать через интервалы для контроля над эрозией. Использование Cynodon dactylon вместо Cynodon nlemfuensis является предпочтительным, поскольку этот вид является аборигенным в данном регионе и он более устойчив к засушливым условиям и более эффективно формирует покрытие. Результаты также показали, что смесь семян при обработке 4 была более успешной, чем смесь семян при обработках 5 и 6. При обработке 4 использовали меньшее количество видов, но были получены те же результаты, что и при использовании смеси семян при обработках 5 и 6. Обе смеси семян обеспечивали одинаковую величину покрытия, и основное покрытие при обработке 4 было более плотным, чем при обработках 5 и 6. В соответствии с результатами различные смеси семян также не влияют на производство биомассы. На биомассу в большей степени влияло представительство определенных видов (в данном случае Cenchrus ciliaris), чем общий состав смеси семян.

Химические условия роста на отвалах существенно улучшились в ходе эксперимента. Наибольшая проблема в отношении питательного статуса почвы на основе обработанного материала отстоя состояла в ее низком плодородии и возможной токсичности микроэлементов и тяжелых металлов, в особенности меди, хрома, селена и мышьяка. Несмотря на возможную фитотоксичность, энергия и жизнеспособность травы оказались удовлетворительными. После сравнения химического состава до обработки и после обработки отвалов оказалось, что отвалы легко поддаются выщелачиванию. Вероятно, с этим связана существенная проблема возможного загрязнения грунтовых вод.

В результате высокого исходного значения концентрации нитратов, как в отвалах, так и в древесной щепе, предполагалось, что участки после обработки будут иметь повышенную концентрацию NO₃, чего, однако, не произошло. Вероятное объяснение этого факта состоит в высокой мобильности NO₃, которая приводит к выщелачиванию значительного количества NO₃ и высокой скорости поглощения при вегетации, что объясняет энергичность вегетации (Mengel & Kirby, 1987). Дополнительное пояснение состоит в иммобилизации азота вследствие высокого значения отношения C/N, в результате чего некоторое количество неорганического азота фиксируется в форме органического азота находящимися в почве микроорганизмами (Tainton 2000).

ПРИМЕР 3

В этом примере делаются ссылки на следующие прилагаемые чертежи, на которых:

На фигуре 3.1 представлен график профилей температуры (°С) систем компостирования и компостирования с использованием земляных червей в течение первых 28 дней. Здесь: SS, отстой сточных вод; WC, древесная щепа; ЕМ, засев микроорганизмами; e/w, земляные черви;

На фигуре 3.2 представлен график профилей СО₂ (%) систем компостирования и компостирования с использованием земляных червей в течение первых 28 дней. Здесь: SS, отстой сточных вод; WC, древесная щепа; ЕМ, засев микроорганизмами; e/w, земляные черви; и

На фигуре 3.3 представлен график профилей О₂ (%) систем компостирования и компостирования с использованием земляных червей в течение первых 28 дней. Здесь: SS, отстой сточных вод; WC, древесная щепа; ЕМ, засев микроорганизмами; e/w, земляные черви.

Материалы и способы

Органические отходы, добавка земляных червей и засев микроорганизмами

С платиновых шахт получают высушенные на воздухе образцы древесной щепы (WC) и отстоя сточных вод (SS). Используют следующие виды земляных червей (e/w) Eisenia fetida ("тигровый червь"), который является наземным червем и представляет вид, который потенциально можно использовать для компостирования отходов (Edwards и Bohlen, 1996). Питомник для размножения Е.Fetida, используемый в данном исследовании, содержат на навозе крупного рогатого скота при температуре ±25°С. Для целей настоящего исследования используют только половозрелых репродуктивноспособных червей. В экспериментах по засеву бактериями используют коммерчески поставляемый препарат микроорганизмов (ЕМ™), который состоит, преимущественно, из видов Pseudomonas, Lactobacillus и Saccharomyces spp.

Эксперименты по компостированию и компостированию с использованием земляных червей

Используют смесь WC и SS в отношении 3:1 (сухой вес кг^-1). Сухие ингредиенты смешивают и увлажняют дистиллированной водой до 70% (мас.) содержания влаги. Исследуют пять групп обработки с тремя повторами в каждой, обработки включают использование смесей W