Загрязнение почв и земель

Загрязнение почв и земель – вид антропогенной деградации, при которой содержание химических веществ в почвах, подверженных антропогенному воздействию, превышает природный региональный фоновый уровень. Превышение содержания определенных химических веществ в окружающей человека среде (по сравнению с природными уровнями) за счет их поступления из антропогенных источников представляет экологическую опасность.
Использование человеком химических веществ в хозяйственной деятельности и вовлечение их в цикл антропогенных превращений в окружающей среде постоянно растет. Характеристикой интенсивности извлечения и использования химических элементов является технофильность – отношение ежегодной добычи или производства элемента в тоннах к его кларку в литосфере (А.И. Перельман, 1999). Высокая технофильность характерна для элементов, наиболее активно используемых человеком, особенно для тех, естественный уровень которых в литосфере невысок. Высокие уровни технофильности характерны для таких металлов, как Bi, Hg, Sb, Pb, Cu, Se, Ag, As, Mo, Sn, Cr, Zn, потребность в которых различных видов производств велика. При низком содержании этих элементов в породах (10 -2–10-6 %) добыча их значительна. Это ведет к извлечению из недр земли колоссальных количеств руд, содержащих эти элементы, и к последующему глобальному рассеиванию их в окружающей среде.
Особо опасный вид загрязнения земель – это загрязнение металлами. Уже сегодня такой вид загрязнения занимает второе место по степени опасности, уступая пестицидам и значительно опережая такие широко известные загрязнители, как двуокись углерода и серы. В перспективе они могут стать более опасными, чем отходы атомных электростанций и твердые отходы. Загрязнение металлами связано с их широким использованием в промышленном производстве. В связи с несовершенными системами очистки металлы попадают в окружающую среду, в том числе и в почву, загрязняя и отравляя ее. Металлы относятся к особым загрязняющим веществам, наблюдения за которыми обязательны во всех средах.
Почва является основной средой, в которую попадают ТМ, в том числе из атмосферы и водной среды. Она же служит источником вторичного за- грязнения приземного воздуха и вод, попадающих из нее в Мировой океан. Из почвы металлы усваиваются растениями, которые затем попадают в пищу.
Поэтому особенно важно исследовать данный вид загрязнения земель, определить степень опасности, выявить пути рекультивации почв, пути предотвращения загрязнения земель цветными металлами.
Объект исследования – рекультивация территорий, объектом изучения выступает процесс рекультивации территорий, загрязненных цветными металлами.
В соответствии с актуальной на сегодняшний день темы в работе поставлены следующая цель: Изучить процесс рекультивации земель, загрязненных цветными металлами.
В соответствии с целью поставлены следующие задачи:
Изучить процесс загрязнения земель тяжелыми и цветными металлами, такими как ртуть, кадмий, выявить последствия этого загрязнения;
Дать характеристику вредных веществ, подлежащих очистке;
Описать процесс очистки и рекультивации почв, подверженных такому загрязнению, привести примеры.
Источниками для работы послужили научные статьи и публикации открытого доступа из русскоязычных и англоязычных источников.

1.Загрязнение земель металламиНа рубеже ХХ и ХХI веков человечество столкнулось с рядом глобальных экологических проблем, среди которых антропогенные изменения биосферы, истощение природных ресурсов, демографический взрыв, загрязнение окружающей среды.
Один из распространенных видов загрязнения - поступление в различные среды тяжелых металлов (ТМ) - большой группы химических элементов с атомным весом более 50 (Hg, Pb, W, Sn, Cd, Mo, Cu, Co, Mn, Cr и др.). Тяжелые металлы, загрязняющие почву, могут поглощаться растениями и по пищевой цепи попадать в организмы животных и человека.
Основные источники выбросов ТМ сконцентрированы в крупных промышленных городах. Деятельность только одной ТЭЦ, потребляющей в сутки 5000 т угля, сопряжена с ежегодным выбросом в атмосферу 21 т свинца и соизмеримого количества других вредных элементов. Суммарное поступление свинца в атмосферу от автотранспорта на территории России оценивается величиной 4 тыс. т в год. Причем около 10 % всего автопарка сосредоточено в Москве.
Тяжелые и цветные металлы, как особая группа элементов, в химии почв выделяются из-за токсического действия, оказываемого на растения при высокой их концентрации. Однозначного определения тяжелых металлов нет. В Толковом словаре по почвоведению (1975) и в более позднем издании Словника по общей и почвенной экологии, географии и классификации почв статей, посвященных этому важнейшему экологическому понятию, нет.
Загрязнение почв цветными и 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.
2.Характеристика вредных веществ, подлежащих очистке, пути поступления тяжелых металлов в окружающую среду.Термин «тяжелые металлы», характеризующий широкую группу за- грязняющих веществ, получил в последнее время значительное распространение. В различных научных и прикладных работах авторы по-разному трактуют значение этого понятия. В связи с этим количество элементов, относимых к группе тяжелых металлов, изменяется в широких пределах. В качестве критериев принадлежности используются многочисленные характеристики: атомная масса, плотность, токсичность, распространенность в природной среде, степень вовлеченности в природные и техногенные циклы.
В работах, посвященных проблемам загрязнения окружающей природ- ной среды и экологического мониторинга, на сегодняшний день к тяжелым металлам относят более 40 элементов периодической системы Д.И. Менде- леева с атомной массой свыше 40 атомных единиц: V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Mo, Cd, Sn, Hg, Pb, Bi и др. По классификации Н. Реймерса (1990), тяжелыми следует считать металлы с плотностью более 8 г/см . При этом немаловажную роль в категорировании тяжелых металлов играют следующие условия: их высокая токсичность для живых организмов в относительно низких концентрациях, а также способность к биоаккумуляции и биомагнификации. Практически все металлы, попадающие под это определение (за исключением свинца, ртути, кадмия и висмута, биологическая роль которых на настоящий момент не ясна), активно участвуют в биологических процессах, входят в состав многих ферментов.
Список металлов, относящихся к классу особо токсичных, включает в себя As, Cd, Hg, Pb, Se, Zn. Известно, что в результате различных превращений данные химические элементы могут распределяться в атмосфере, гидросфере, литосфере Земли. Почва является одним из основных концентраторов ТМ в биосфере. В настоящее время на первое место выходит сознательное управление биосферными функциями почвенного покрова. Почвенный покров - незаменимый компонент биосферы - совместно с растениями определяет ее устойчивое функционирование.
Прогнозированию поведения тяжелых металлов в биосфере уделяется пристальное внимание. Установлены основные закономерности распределения металлов по поверхности, роль гумуса почвы как фиксатора ртути, свинца и других элементов.
Тяжелые металлы, как правило, концентрируются в приповерхностном слое почвы 0-10 (20) см, где они присутствуют в форме обменных ионов и в необменной, прочно фиксированной почвенным поглощающим комплексом форме. Доля водорастворимой формы обычно невелика, однако при сильном загрязнении абсолютное количество водорастворимых ТМ становится самостоятельным экологически опасным фактором. В дальнейшем ТМ могут мигрировать в растения, поступать в реки и озера в результате смыва и далее, по трофическим цепям, - в живые организмы.
Содержание и формы миграции тяжелых металлов в поверхностных природных водах и почвах таежных экосистем в известной мере зависят от сопутствующих негативных явлений, характерных для современного техногенеза: аэральных выпадений, кислотных дождей, выбросов пыли и дыма и т.д. В наземных экосистемах тяжелые металлы включаются в трофические цепи и в таком компоненте, как почвы, активно воздействуют на мезофауну и микрофлору. В данных условиях существенно возрастает численность почвенных грибов, продуцирующих токсины, низкомолекулярные органические кислоты и другие органические вещества. Это является одним из адаптационных механизмов, противостоящих токсическому действию ТМ.
В отличие от других поллютантов, способных разлагаться под действием физико-химических и биологических факторов или выводиться из почвы, тяжелые металлы сохраняются в ней длительное время даже после устранения источника загрязнения: период полуудаления ТМ из почв в условиях лизиметров (специальных приборов, изучающих внутрипочвенный сток) варьирует в зависимости от вида металлов: для Zn от 70 до 510 лет, Cd - от 13 до 1100 лет, Cu - от 310 до 1500 лет, Pb - от 740 до 5900 лет.
Детоксикация почв, загрязненных ТМ, имеет определенные трудности.
Накопление тяжелых металлов в почве нарушает физико-химическое равновесие природной системы и дает толчок ряду процессов, действующих на почвенные свойства.
Изменяется величина рН, разрушается почвенный поглощающий комплекс, нарушаются микробиологические процессы, в результате разрушения структуры ухудшается водно-воздушный режим, деградирует почвенный гумус, и в конечном итоге почва теряет плодородие.
Комплексообразующая способность многих металлов приводит к возникновению устойчивых металлоорганических комплексов хелатного типа, что, в свою очередь, обусловливает изменение концентрации необходимых для жизнедеятельности организмов субстратов в почве.
Количество, при котором химические ингредиенты становятся действительно опасными для окружающей среды, зависит не только от степени загрязнения ими сред обитания, но также от химических особенностей этих ингредиентов и от деталей их биогеохимического цикла. Для сравнения степени токсикологического воздействя химических ингредиентов на различные организмы пользуются понятием молярной токсичности, на которой основан ряд токсичности, отражающий увеличение молярного количества металла, необходимого для проявления эффекта токсичности при минимальной молярной величине, относящейся к металлу с наибольшей токсичностью (рис.1).
Рис. 1. Молярная токсичность металлов
Следует отметить, что ТМ могут являться причиной заболеваний человека. Среди них сердечно-сосудистые расстройства, тяжелые формы аллергии. Тяжелые металлы обладают эмбриотропным и канцерогенным свойствами. Они являются генетическими ядами, поскольку аккумулируются в организме с отдаленным эффектом действия.
Самыми мощными поставщиками отходов, обогащенных металлами, являются предприятия по выплавке цветных металлов (алюминиевые, глиноземные, медно-цинковые, свинцово-плавильные, никелевые, титано- магниевые, ртутные и др.), а также по переработке цветных металлов (радиотехнические, электротехнические, приборостроительные, гальванические и пр.).
В пыли металлургических производств, заводов по переработке руд концентрация Pb, Zn, Bi, Sn может быть повышена по сравнению с лито- сферой на несколько порядков (до 10–12), концентрация Cd, V, Sb – в десятки тысяч раз, Cd, Mo, Pb, Sn, Zn, Bi, Ag – в сотни раз. Отходы предприятий цветной металлургии, заводов лакокрасочной промышленности и же- лезобетонных конструкций обогащены ртутью. В пыли машиностроитель- ных заводов повышена концентрация W, Cd, Pb (табл. 1).
Таблица 1
Основные техногенные источники тяжелых металлов
Источники тяжелых металлов Элементы
Цветная металлургия Pb, Zn, Cu, Hg, Mn, Sb, W, Co, Cd
Черная металлургия Ni, Mn, Pb, Cu, Zn, W, Co
Энергетика As, Sb, SeНефтяная промышленность Pb, Cu, Ni, Zn, Mn
Сжигание угля Sb, As, Cd, Cr, Mo
Сжигание нефти As, Pb, Cd
Под влиянием обогащенных металлами выбросов формируются ареалы загрязнения ландшафта преимущественно на региональном и локальном уровнях. Влияние предприятий энергетики на загрязнение окружающей среды обусловлено не концентрацией металлов в отходах, а их огромным количеством. Масса отходов, например, в промышленных центрах, превы- шает их суммарное количество, поступающее от всех других источников загрязнения. С выхлопными газами автомобилей в окружающую среду вы- брасывается значительное количество Pb, которое превышает его поступле- ние с отходами металлургических предприятий.
Пахотные почвы загрязняются такими элементами как Hg, As, Pb, Cu, Sn, Bi, которые попадают в почву в составе ядохимикатов, биоцидов, сти- муляторов роста растений, структурообразователей. Нетрадиционные удоб- рения, изготовляемые из различных отходов, часто содержат большой на- бор загрязняющих веществ с высокими концентрациями. Из традиционных минеральных удобрений фосфорные удобрения содержат примеси Mn, Zn, Ni, Cr, Pb, Cu, Cd.
На предприятиях железнодорожного транспорта источниками поступления тяжелых металлов в окружающую среду служат котельные, участки сварки и резки, химической и электрохимической обработки металлов, аккумуляторные, медницкие отделения. ТМ поступают также при потерях перевозимого сырья и руд, в составе сточных вод предприятий.
Особый интерес для экологических исследований представляют Cd, Pb и Hg, относящиеся к металлам первого класса опасности.
Содержание кадмия в почвах определяется химическим составом материнских
пород. Среднее содержание Cd в почвах лежит между 0,07 и 1,1 мг/кг. При этом фоновые уровни Cd в почвах не превосходят 0,5 мг/кг, и все более высокие значения свидетельствуют об антропогенном вкладе в содержание Cd в верхнем слое почв.
Ежегодно в атмосферу выбрасывается свыше 25 тыс. т кадмия. С атмосферными осадками и пылью на поверхность почвы в России ежегодно выпадает 1,9-5,4 г/га кадмия. Из-за несовершенства технологий производства минеральных удобрений выбросы ТМ в окружающую среду превышают проектные величины в 2-3 раза. В то же время при внесении органических удобрений в дозе 50 т/га в почву поступает: свинца – 38, кадмия – 2,3 и никеля – 75 г/га.
Свинец поступает в окружающую среду из антропогенных источников с выбросами промышленных предприятий и автомобильного транспорта, определенную долю вносят сельскохозяйственный сектор, а также природные источники (ветровая эрозия почвы, вулканическая деятельность, лесные пожары). По некоторым оценкам, в результате природной эмиссии в атмосферу поступает в среднем 27 тыс. т свинца в год, а в результате антропогенной деятельности - 425 тыс. т в год.
Загрязнение окружающей среды свинцом и его соединениями, как правило, связывают с автомобильным транспортом и деятельностью предприятий цветной металлургии.
Состав парка автомобилей по видам используемого топлива таков: количество автомобилей, использующих газ в качестве топлива, не превышает 2 %, доля грузовых автомобилей с дизельным двигателем составляет в среднем по России 28 %, а автобусов с дизелем - примерно 63 %. Остальные автомобили используют бензин в качестве топлива.
Размеры зоны влияния автотранспорта на экосистемы сильно варьируют. Ширина придорожных аномалий содержания свинца в почве может достигать от 10 м до 100-150 м. Это содержание асимметрично по отношению к поперечному профилю дороги, что находит свое отражение в растениях, лесные полосы вдоль дорог задерживают в своих кронах потоки свинца от автотранспорта. В условиях города размеры свинцовых аномалий определяются условиями застройки и структурой зеленых насаждений. В настоящее время на свалках находится до 1 млн. т свинца в отработанных аккумуляторах.
Соединения ртути встречаются в фунгицидах (до последнего времени ртутьсодержащие соединения использовались для протравливания семян), при производстве бумаги и синтезе пластмасс. Отдельные соединения различаются по своей токсичности и устойчивости.
Из всего количества ртути, которое человек получает с пищей, примерно половина приходится на продукты животного происхождения и одна треть - на растительную пищу. Всего в мире ежегодно производится 9000 тонн ртути, из них 5000 тонн впоследствии оказываются в океанах. В озере Вашингтон за последние 100 лет содержание ртути в донных осадках увеличилось в 100 раз. Проходя через пищевые цепи, соединения ртути могут менять свою токсичность. Так, было установлено, что в США в одном озере, в которое фабрика спускала сточные воды, содержавшие связанную в форме неорганических соединений (мало токсичную) ртуть, эти ртутные соединения поглощались растениями (например, камышом), восстанавливались и затем уходили в атмосферу в виде элементарной (очень ядовитой) ртути в газообразном состоянии.
3.Рекультивация земель, подверженных загрязнению металламиОсновой благополучия человечества является сохранение почвы, ее плодородия. Интенсивная хозяйственная деятельность человека приводит к уничтожению растительности, изменению гидрологического режима и рельефа местности, разрушению и загрязнению почвенного покрова. В результате этих процессов образуются так называемые нарушенные земли.
Основные причины возникновения нарушенных земель: Добыча полезных ископаемых, особенно открытым способом.
В результате этого в странах бывшего Советского Союза выведено из сельхозоборота более 2 млн. га, в США - 1. 3 млн. га, в Великобритании - 100 тыс. га. Структура нарушенных площадей в РФ и странах бывшего СССР выглядит следующим образом (в тыс. га): в результате добычи торфа - 900, цветных металлов - 520, нерудного сырья - 280, бурого и каменного угля - 110 (200), химического сырья - 60, железной и марганцевой руды - 60.
Погребение земель под отвалами из пустой породы; отходов ТЭЦ, металлургических заводов и обогатительных фабрик; промышленного и бытового мусора (человек в год "производит" примерно 1 т мусора). В настоящее время общий объем отвалов в мире составляет 1600 млрд. куб. м. В странах бывшего Советского Союза они занимают площадь в 240 тыс. га.
Негативное влияние отвалов на прилегающие территории в результате их самовозгорания, пыления, загрязнения дождевыми стоками с отвалов, содержащих вредные вещества.
При этом площадь земель, подвергающаяся вредному воздействию отвалов, часто в 10-12 раз больше площади отвалов.
Строительство линейных сооружений: линий электропередач, автострад, магистральных нефте- и газотрубопроводов, оросительных и осушительных каналов.
Рост площади нарушенных земель ведет к сокращению площади пашни, приходящейся на душу населения. Например, в Российской Федерации и странах бывшего Советского Союза площадь пашни на одного жителя сокращалась следующим образом: в 1958 г. 1.06 га, в 1965 г.- 0.97 га, в 1975 г.- 0.89 га, в 1988 г.- 0.80 га.
В результате сокращения пашни обостряется проблема дефицита продовольствия, которая очень остро стоит во всем мире. Эта проблема постоянно обостряется в связи с ростом народонаселения. (Объем мирового производства продуктов питания не является достаточным для удовлетворения биологических потребностей населения. По данным ФАО 200 млн. людей на планете голодают. Бывают годы (например, 1982), в которые от голода умирает более 20 млн. человек (из них 15 млн. детей). Это сравнимо с населением таких стран как Канада (24 млн.) или Дания, Швеция, Норвегия и Финляндия вместе взятых (22 млн.).) Решить проблему дефицита продовольствия можно только путем восстановления нарушенных земель, так как все земли, пригодные для сельскохозяйственного использования, уже используются человечеством.
Таким образом, огромная актуальность рекультивации земель обусловлена следующими причинами:
Все возрастающими размерами площадей нарушенных земель.
Исчерпанностью запасов потенциально пригодных для земледелия земель;
Возрастающим дефицитом продовольствия;
Процесс искусственного восстановления нарушенных земель называется рекультивацией. В соответствии с ГОСТ 17.5.1-78 под рекультивацией земель понимают комплекс мероприятий, направленных на восстановление продуктивности нарушенных земель, а также на улучшение условий окружающей среды. На действующих предприятиях, связанных с нарушением земель, рекультивация земель должна быть обязательной частью технологических процессов.
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.
В развитых странах мира проблеме очистке загрязненных территорий (прежде всего, почв и почвогрунтов) уделяется пристальное внимание. С этой целью проводятся исследования по выявлению и инвентаризации зон загрязнения, большое внимание уделяется развитию технологий их очистки, проводятся работы по ремедиации (remediation – восстановление, «излечивание») загрязненных почв, утверждены нормативы содержания поллютантов (в том числе ртути) в почвах, при которых необходимо обязательное проведение работ по восстановлению территорий. Во многих странах создана целая индустрия по ремедиации территорий; существуют фирмы, специализирующие на очистке почв, переработке загрязненных материалов и разработке технологий, есть профессиональные объединения организаций, занимающихся ремедиацией; функционируют предприятия по производству необходимого оборудования; издаются журналы и проводятся конференции, посвященные проблемам ремедиации. Особое значение отводится научным основам организации работ по выявлению и оценке загрязненных участков, включающих идентификацию сценария загрязнения, изучение свойств почв, оценку поллютанта с точки зрения его поведения в абиотической среде, переноса по трофическим цепям и геохимической подвижности.
В настоящее время известны два основных подхода к ремедиации почв. Первый из них основан на удалении поллютантов из почв тем или иным способом, вернее, на снижении их концентраций до безопасного с эколого-гигиенической точки зрения уровня содержания (ремедиация в прямом смысле). Второй предполагает проведение мероприятий, направленных на стабилизацию зоны загрязнения и на снижение подвижности и биоактивности поллютантов (иммобилизация поллютантов и детоксикация почв), включая механические и инженерно-геологические способы изоляции загрязненных мест. Технологии ремедиации почв рассматривают с позиций их места (способа) применения: 1) обработка вне загрязненного участка, которая связана с извлечением, как правило, больших объемов загрязненного грунта и переработкой его на стационарных установках, расположенных за пределами рекультивируемой территории; 2) обработка in situ (на месте) с инжектированием в загрязненный участок соответствующих химических агентов и последующей утилизацией выделяющихся парогазообразных фракций поллютантов; 3) обработка извлеченной почвы (как правило, небольших ее объемов) вблизи загрязненного участка с последующим возвращением очищенного материала на место его прежнего залегания; 4) локализация поллютантов в пределах участка посредством проведения физико-химической стабилизации. К настоящему времени разработаны и внедрены в практику физические (механические, гидродинамические, аэродинамические, термические, электрические, магнитные, электромагнитные), физико-химические (коагуляционные, ионообменные, сорбционные), химические (осаждения, окисления-восстановления, замещения, комплексообразования), биологические (микробиодеградации, биопоглощения) методы ремедиации (см. табл.2).Таблица 2.
Наиболее распространенные способы обработки почвогрунтовТехнология Область применения
почвы загрязняющие вещества
изъятого почвогрунтаТепловая обработка Все типы Органика, ртуть
Экстракция / влажное разделение (промывка почв) Песчаные Все типы
Биологическая обработка:    
Размещение на свалках Песчаные Способные к микробиодеградацииКучная система Песчаные Способные к микробиодеградацииШламовый реактор Все типы Способные к микробиодеградацииin situ (на месте)
Экстракция растворами Песчаные Водорастворимые
Паровакуумная экстракция Песчаные Летучие
Продувка воздухом Песчаные Летучие
БиовосстановлениеПесчаные Способные к микробиодеградацииЭлектромелиорацияВсе типы Тяжелые металлы
Отверждение (солидификация) / стаблизацияВсе типы Неорганические (органические)
Геогидрологическая изоляция Все типы Все типы
Механическая / физическая изоляция Все типы Все типы
Далее рассмотрим пример практического использования процессов очистки земель, загрязненных ртутью.
Для ремедиации загрязненных ртутью почв и грунтов чаще всего используются физические, термические (тепловые), химические (экстракционные), паровакуумные, электрокинетические, гидрометаллургические способы, а также различные их сочетания, в некоторых случаях – витрификация. При этом загрязненные почвогрунты могут обрабатываться после их предварительного механического изъятия или непосредственно на месте загрязнения (т. е. без изъятия). Некоторые технологии реализуются как на небольших (мобильных, передвижных) заводах, так и на достаточно крупных предприятиях с производительностью более 100 т загрязненного материала в час. Для переработки небольших объемов загрязненных ртутью почвогрунтов и подобных материалов может быть рекомендована установка УРЛ-2м.
Для России проблема ремедиации земель, загрязненных тяжелыми металлами и другими поллютантами, является очень актуальной. В стране насчитывается около 100 тыс. опасных производств и объектов, из них 3 тыс. химических. Около 10% городов страны имеют высокий уровень техногенного загрязнения среды обитания. Наиболее острыми экологическими проблемами город