Способ подготовки нарушенных и опустыненных земель к биологической рекультивации и/или утилизации отходов животноводства - RU2773889C1

Описание

Изобретение относится к области рекультивации нарушенных и опустыненных земель и может быть использовано в сельском хозяйстве, экологии и горной промышленности при организации рекультивации и/или утилизации жидких органических отходов животноводческих предприятий.

Животноводческие комплексы в процессе работы создают большие объемы жидких отходов, нередко обладающих высокой фитотоксичностью. При этом стоки животноводческих комплексов содержат большое количество элементов питания растений.

Стоки животноводческих комплексов состоят из жидкой части (вода с растворенными в ней веществами) и твердой части (частиц различного размера, в том числе мелких, медленно фильтрующихся).

Известен способ обезвреживания и утилизации стоков животноводческих предприятий в «лагунах».

Лагуны представляют собой пруды в естественных экосистемах с не обезвреженными стоками, не изолированные ни от почвы, ни от воздуха. В лагуны сливают опасный для природы и человека жидкий субстрат, содержащий опасные концентрации вредных веществ и болезнетворных микроорганизмов, создающий реальную экологическую угрозу для расположенных рядом экосистем, биологических видов, и даже для проживающих на расстоянии нескольких километров людей.

Лагуны являются источником вредных испарений, средой для размножения патогенных микроорганизмов и вредных членистоногих, в том числе переносчиков болезней человека и животных.

Обезвоживание органического вещества в этих лагунах идет медленно и не эффективно, так как они постоянно пополняются водой, выпадающей с осадками. При этом в зоне лагун постоянно существует реальная угроза биологического и химического загрязнения подземных вод.

Способ утилизации отходов в лагунах в настоящее время осуществляется на практике, но, по нашему мнению, является экологически опасным и должен быть запрещен.

Почва как хранилище биогенных элементов содержит колоссальное количество углерода, но за последние несколько столетий она потеряла в среднем 150 тонн органического вещества на 1 га. Учитывая, что все пригодные для сельскохозяйственного использования земли распаханы, потери органического углерода огромны. Это ведет, во-первых, к изменению климата из-за повышения концентрации в атмосфере парниковых газов СО₂ и СН₄. Во-вторых, лишает почву ее основного свойства - плодородия.

В субстрате нарушенных земель снижено содержание органического вещества - гумуса, вследствие чего субстрат утрачивает основные свойства почвы - плодородие, способность удерживать влагу и противостоять воздушной эрозии - дефляции. Кроме этого, в нем нарушено характерное для плодородных почв соотношение живых организмов: микро- и мезо- фауны, микрофлоры и других компонентов биопедоценоза. Нередко горные породы нарушенных земель обладают фитотоксичностью.

Наиболее близким к предлагаемому является «Способ подготовки отвала к биологической рекультивации и/или к утилизации органических отходов» (RU 2663763 С1, 09.08.2018, E21C 41/32).

Ближайший прототип «характеризуется тем, что на склонах отвала формируют ярусную структуру из ложных террас и проездов между ними, для чего между проездами по периметру склона на каждом ярусе устанавливают вертикально ориентированные барьеры с образованием полостей между склоном и барьером, которые заполняют органическими отходами».

Недостатком ближайшего прототипа является ограниченная сфера применения: он может быть применен исключительно на отвалах, но не может быть использован для рекультивации нарушенных и/или опустыненных земель на местности с равнинным рельефом.

Заявленный способ может быть применен на нарушенных и опустыненных землях на местности с равнинным рельефом, каким являются: поля сельскохозяйственного использования с содержанием гумуса менее 2,4% и сильно выраженной плужной подошвой, хвостохранилища горной промышленности, старые заброшенные поля фильтрации и т.п. Опустыненные земли занимают треть современной поверхности суши. Предложенный способ позволяет рекультивировать опустыненные и нарушенные земли.

Предлагаемый способ включает утилизационный подход.

Целями заявленного изобретения являются:

- создание условий для микробиологической трансформации сложных биоорганических веществ, содержащихся в стоках животноводческих комплексов, в простые экологически безопасные вещества, которые являются структурной и энергетической основой формирования биопедоценоза;

- устранение фитотоксичности стоков животноводческих комплексов и субстратов нарушенных территорий, которое в конечном итоге позволит выращивать растения на рекультивированных землях;

- повышение влагоемкости рекультивированной почвы;

- увеличение мощности гумусового слоя рекультивированной почвы и содержания в нем органического вещества;

- разрушение плужной подошвы;

- противостояние водной и ветровой эрозии,

- извлечение из глубоких слоев почвы и включение в биологический круговорот органических веществ и элементов питания, недоступных растениям из-за плужной подошвы;

- связывание и накопление углерода в органическом веществе почвы, тем самым препятствуя изменению климата в глобальном масштабе, связанный в почве углерод не поступает в атмосферу в виде парниковых газов.

Предлагаемый способ включает два цикла, каждый из которых состоит из прокладки траншей, глубиной до границы подпочвы и материнской породы; заполнение траншей жидкими отходами животноводства; мульчирование; формирование надтраншейных гряд; уплотнение и разравнивание. Прокладывание траншей и все последующие операции выполняются последовательно до полного покрытия всей площади рекультивируемого участка, после чего проводят второй цикл тех же операций, при котором траншеи прокладывают в направлении перпендикулярном по отношению к траншеям первого цикла.

Для осуществления способа при помощи траншеекопателя прорывают параллельные траншеи на глубину мощности почвы - слоев А и В до почвенного слоя С - границы подпочвы и материнской породы, в среднем от 0,5 до 1,5 м.

Ширина траншеи зависит от марки траншеекопателя. Например, при использовании для выработки траншеи баровой грунторезной машины (БГМ) на базе гусеничного трактора с цепями аллигаторного типа ширина траншеи составит 0,4 м. При использовании других траншеекопателей ширина траншеи может быть более широкой.

Между траншеями оставляют проезды для техники. При работе БГМ (и другие траншеекопатели) разрыхляет и перемешивает извлекаемый из траншеи грунт, что при осуществлении заявленного способа является необходимым условием, так как обеспечивает тщательное смешивание грунта со стоками и в конечном итоге - качественную утилизацию и переработку отходов.

Закачка (слив) жидких стоков в траншею завершается мульчированием. Закачав очередную партию стоков, траншею сразу же присыпают субстратом (почва и подпочва), извлеченным траншеекопателем и находящимся на краях траншеи.

Мульчирование выполняет ряд важных функций: поглощает часть влаги из субстрата стоков, способствует оседанию твердой фазы стоков, препятствуют испарению вредных веществ и загрязнению атмосферы газообразными неприятно пахнущими веществами, препятствует заселению траншеи со стоками насекомыми - переносчиками инфекций.

Траншею полностью заполняют жидкими стоками и мульчей, состоящей из почвы и подпочвы. Мульча поглощает основную часть влаги, содержащейся в стоках. Часть влаги уходит через стенки траншеи в соседние слои почвы и подпочвы, но количество влаги из-за мульчирования уже уменьшается до величин, не представляющих опасности для грунтовых вод.

После присыпки траншеи при помощи трактора над ней формируют гряду. Формирование гряды над заполненной траншеей, во-первых, исключает вредные испарения, во-вторых, препятствует заселению стоков вредными насекомыми - переносчиками инфекций, в-третьих, уменьшает потери питательных элементов и органического вещества при окислении их кислородом воздуха.

После оседания гряды поверхность почвы над ней уплотняют и разравнивают трактором, что позволяет вновь осуществлять проезд по этому участку траншеекопателю, прорывающему новую траншею рядом с предыдущей. После заполнения второй, переходят к заполнению третьей и т.д. Последовательно заполнив все траншеи, сформировав на них гряды и уплотнив их, начинают второй цикл прокладки и заполнения траншей.

Траншеи второго цикла прокладываются перпендикулярно первым. Перпендикулярное расположение траншей второго цикла, а также использование траншеекопателя с цепями аллигаторного типа способствуют тщательному перемешиванию грунта с твердым веществом утилизируемых стоков. Это в совокупности обеспечивает качественную утилизацию и переработку стоков.

В ходе второго цикла на рекультивируемой территории повторяют все те же технологические операции с той лишь разницей, что траншеи прокапывают в направлении, перпендикулярном предыдущим.

Утилизируемое органическое вещество, внесенное на глубину до границы почвенных слоев В и С и перемешанное с материнской породой, эффективно удерживает воду в почве, связывает почвенные частицы, противостоит ветровой и водной эрозии, способствует формированию педоценоза, обеспечивает почвенное плодородие.

Влагоемкость почвы зависит от количества органического вещества и величины гумусового слоя. Предложенный способ направлен на повышение мощности гумусового слоя и существенного повышения его влагоемкости. Достижение поставленной цели обеспечит почвенное плодородие на участке рекультивации.

Стоки хорошо смешиваются с почвой и подпочвой при перемешивании. Из такой смеси вода постепенно удаляется, а органические вещества претерпевают микробиологическую трансформацию, утрачивая изначальные фитотоксичность и инвазионность вследствие эффекта фунгистазиса (самоочищения почвы при помощи микроорганизмов). Органическое вещество удерживает воду, повышает влагоемкость биопедоценоза, увеличивает связность почвы и препятствует подъему растворимых солей из глубоких слоев грунта на поверхность, защищая этим почву от засоления.

При отсутствии стоков гидросмыва животноводческих комплексов для подготовки к рекультивации могут быть использованы донные осадки, выкачиваемые земснарядами при расчистке пресноводных водоемов (реки, озера, водохранилища и др.) Сапропели, составляющие входящие в состав донных отложений, содержат органическое вещество и обладают существенно более высокой влагоемкостью, чем неорганические вещества материнской породы почв. Сапропели, смешанные с субстратом нарушенных почв в процессе осуществления предлагаемого способа подготовки к рекультивации, являются основой для восстановления биопедоценоза и плодородия почвы.

Технический результат состоит в активизации процессов почвообразования, образования и накопления гумуса, увеличения влагоемкости, связности и плодородия почвы на рекультивируемой площади, создание мощного почвенного слоя, в котором происходит связывание и консервация углерода, что косвенно способствует снижение концентрации парниковых газов в атмосфере и препятствует их негативному влиянию на климат.

Реферат

Изобретение относится к области рекультивации нарушенных и опустыненных земель с равнинным рельефом и может быть использовано в сельском хозяйстве, экологии и горной промышленности при организации рекультивации и/или утилизации жидких органических отходов животноводческих предприятий. А именно: на полях сельскохозяйственного использования с содержанием гумуса менее 2,4% и сильно выраженной плужной подошвой, хвостохранилищах горной промышленности, старых заброшенных полях фильтрации. Способ включает два цикла, каждый из которых состоит из прокладки траншей глубиной до границы подпочвы и материнской породы, заполнения траншей жидкими отходами животноводства, мульчирования, формирования надтраншейных гряд, уплотнения и разравнивания. Прокладывание траншей и все последующие операции выполняются последовательно до полного покрытия всей площади рекультивируемого участка, после чего проводят второй цикл тех же операций, при котором траншеи прокладывают в направлении, перпендикулярном по отношению к траншеям первого цикла. Для осуществления способа при помощи траншеекопателя прорывают параллельные траншеи на глубину мощности почвы до почвенного слоя - границы подпочвы и материнской породы, в среднем от 0,5 до 1,5 м. Изобретение позволяет рекультивировать опустыненные и нарушенные земли.

Формула