Миграция элементов из отходов переработки медеплавильных шлаков в систему торф–растения

Объект исследований. Отходы переработки шлаков Среднеуральского медеплавильного завода (“технический песок СУМЗ”) представляют собой тонкодисперсный (размер частиц менее 0.05 мм) материал, механоактивированный при дроблении литого шлака; по фазовому составу преобладают фаялит и железистое стекло, содержащие повышенную концентрацию меди, цинка и других халькофильных элементов.
Материалы и методы. Для изучения миграции элементов из отходов в почвенно-растительную систему проводили натурный эксперимент на территории Института геологии и геохимии УрО РАН (юго-западная часть Екатеринбурга, Свердловская область). Почвенный субстрат готовили из нейтрализованного известью верхового торфа (рН 6.6) с добалением “технического песка” по 5, 10 и 20 мас. %. На пробных площадках (1 м2) выращивали смесь газонных трав. После вегетационного периода отбирали методом “конверта” образцы газонной травы (без разделения по видам) вместе с корневой частью и торфогрунтом, высушивали при комнатной температуре до постоянной массы и измельчали. Химический анализ образцов проведен в ЦКП “Геоаналитик” ИГГ УрО РАН методом массспектрометрии с индуктивно связанной плазмой (ICP-MS) на квадрупольном масс-спектрометре NexION-300S.
Результаты. В ходе эксперимента исследована мобилизация элементов из “технического песка СУМЗ” в верховой торф за летний период, показано распределение элементов в подземной и надземной частях газонных трав, рассчитаны коэффициенты накопления. К осени во всех почвенных субстратах с отходами в 2–3 раза снижается содержание большинства элементов – Zn, Cu, Co, S, As, Pb, Mo. Надземная часть газонных трав имеет более низкую концентрацию рассмотренных элементов по сравнению с корнями, наибольшая разница отмечена для Co, Cd, Cu, W. Для газонных трав, выращенных на субстратах с разным соотношением “технического песка СУМЗ”, выявлены более низкие коэффициенты накопления тяжелых металлов по сравнению с растениями на исходном торфе. С увеличением доли отходов снижаются коэффициенты Na, Ba, Mo, As, Cd, Pb, увеличиваются – Li и Rb.
Заключение. Результаты исследований вносят вклад в изучение миграции элементов из отходов цветной металлургии в почвенно-растительные системы.

1. Бортникова С.Б., Гаськова О.Л., Бессонова Е.П. (2006) Геохимия техногенных систем. Новосибирск: Гео, 169 с.

2. Власенко В.Э., Завьялова Н.С., Рябинин В.Ф. (1996) Ипользование отходов медеплавильного производства СУМЗа при выращивании некоторых сельскохозяйственных растений. Биологическая рекультивация нарушенных земель. Екатеринбург: УрО РАН, 17-19.

3. Водяницкий Ю.Н. (2009) Тяжелые и сверхтяжелые металлы и металлоиды в загрязненных почвах. М.: ГНУ Почвенный институт им. В.В. Докучаева Россельхозакадемии, 95 с.

4. Государственный доклад о состоянии окружающей среды и влиянии факторов среды обитания на здоровье населения Свердловской области. (1996) Екатеринбург: Аэрокосмоэкология, 218 с.

5. Григорьев Н.А. (2009) Распределение химических элементов в верхней части континентальной коры. Екатеринбург: УрО РАН, 382 с.

6. Грудинский П.И., Дюбанов В.Г. (2018) Исследование процесса сульфатизирующего обжига цинксодержащих хвостов производства меди с использованием сульфатов железа. Междунар. науч.-исслед. журн., 12(78), 83-87. DOI: 10.23670/IRJ.2018.78.12.014

7. Гуман О.М., Долинина И.А., Макаров А.Б., Рудой А.Г. (2010) Использование отходов переработки отвальных шлаков для рекультивации земель горнодобывающего комплекса. Изв. вузов. Горн. журнал, (4), 43-49.

8. Золотова Е.С., Рябинин В.Ф. (2020) Экологическая геохимия старого отвала медеплавильного шлака на Среднем Урале. Изв. УГГУ, 2(58), 103-109. DOI: 10.21440/2307-2091-2020-2-103-109

9. Золотова Е.С., Рябинин В.Ф., Котельникова А.Л., Иванова Н.С. (2020) Оценка мобильности элементов из отходов переработки медеплавильных шлаков в лесные почвы. Литосфера, 20(5), 717-726. DOI: 10.24930/1681-9004-2020-20-5-717-726

10. Ильин В.Б., Сысо А.И. (2001) Микроэлементы и тяжелые металлы в почвах и растениях Новосибирской области. Новосибирск: СО РАН, 229 с.

11. Ковалева Г.В., Старожилов В.Т., Дербенцева А.М., Майорова Л.П., Матвеенко Т.И., Семаль В.А., Морозова Г.Ю. (2012) Почвы и техногенные поверхностные образования в городских ландшафтах. Владивосток: Дальнаука, 159 с.

12. Котельникова А.Л. (2011) Оценка шлаков медеплавильных производств как потенциальных источников тяжелых металлов (на примере медеплавильного шлака Среднеуральского медеплавильного завода). Леса России и хозяйство в них, 1(38), 36-38.

13. Котельникова А.Л. (2012) О подвижных формах тяжелых металлов медеплавильных шлаков. Тр. ИГГ УрО РАН. Вып. 159, 96-98.

14. Котельникова А.Л., Рябинин В.Ф. (2018) Особенности вещественного состава и перспективы использования отхода вторичной переработки отвальных медеплавильных шлаков. Литосфера, 18(1), 133-139. DOI: 10.24930/1681-9004-2018-18-1-133-139

15. Леонтьев М.С., Рябинин В.Ф. (2005) Экогеохимическая характеристика распределения халькофильных металлов в дерново-подзолистых и серых лесных почвах Урала. Тр. ИГГ УрО РАН. Вып. 152, 366-377.

16. Леонтьев М.С., Рябинин В.Ф. (2007) Влияние техногенного вещества на геохимию халькофильных металлов в дерново-подзолистых почвах. Проблемы минералогии, петрографии и металлогении. Научные чтения памяти П.Н. Чирвинского, 10, 326-331.

17. Макаров А.Б., Гуман О.М., Долинина И.А. (2010) Минеральный состав отходов переработки отвальных шлаков Среднеуральского медеплавильного завода и оценка их потенциальной экологической опасности. Вестн. Урал. отд. Российского минералогического общества, 7, 80-86.

18. Марков В.Ф., Фомазюк Н.И., Маскаева Л.Н., Макурин Ю.Н., Степановских Е.И. (2006) Извлечение меди (II) из промывных вод композиционным сорбентом Dowex marathon C – гидроксид железа. Конденсированные среды и межфазные границы, 8(1), 29-35.

19. СУМЗ переработал четверть шлаков медеплавильного производства (2018) [Электронный ресурс]. Металлоснабжение и сбыт. https://www.metalinfo.ru/ru/news/101265 (дата обращения: 02.04.2021)

20. Петров И.М. (2020) Экспортные позиции России на мировом рынке цветных металлов. Минеральные ресурсы России. Экономика и управление, 3, 73-75.

21. Реутов Д.С., Котельникова А.Л., Халезов Б.Д., Кориневская Г.Г. (2014) Технология извлечения цинка, меди и утилизации песков из твердых отходов, полученных после флотации медеплавильных шлаков. Проблемы недропользования, 1, 121-126.

22. Удачин В.Н., Вильямсон Б.Д., Аминов П.Г. (2009) Геохимия окружающей среды геотехнических систем Южного Урала. Естеств. и технич. науки, 6, 298-306.

23. Челищев Н.Ф. (1973) Ионнообменные свойства минералов. М.: Наука, 203 с.

24. Шпирук С.Е., Ходяков Е.А., Копыл В.Д., Торба В.Д. (2020) Современные тенденции и проблемы развития горно-металлургического комплекса. Modern Economy Success, 4, 263-268.

25. Agnello A.C., Potysz A., Fourdrin C., Huguenot D., Chauhan P.S. (2018) Impact of pyrometallurgical slags on sunflower growth, metal accumulation and rhizosphere microbial communities. Chemosphere, 208, 626-639. DOI: 10.1016/j.chemosphere.2018.06.038

26. Chibuike G.U., Obiora S.C. (2014) Heavy Metal Polluted Soils: Effect on Plants and Bioremediation Methods. Appl. Environ. Soil Sci., Article ID 752708, 12 p. DOI: 10.1155/2014/752708

27. Clarkson D.T., Luttge U. (1989) Mineral nutrition: divalent cations, transport and compartmentation. Progr. Botany, 51, 93-112.

28. Fijalkowski K., Kacprzak M., Grobelak A., Placek A. (2012) The influence of selected soil parameters on the mobility of heavy metals in soils. Inżynieria i Ochrona Środowiska, 15(1), 81-92.

29. Lair G.J., Gerzabek M.H., Haberhauer G. (2007) Sorption of heavy metals on organic and inorganic soil constituents. Environ. Chem. Lett., 5, 23-27. DOI: 10.1007/s10311-006-0059-9

30. Magnuson M.L., Kelty C.A., Kelty K.C. (2001) Trace metal loading on water-borne soil and dust particles characterized through the use of Split-flow thin-cell fractionation. Analyt. Chem., 73(14), 3492-3496.

31. Mikoda B., Kucha H., Potysz A., Kmiecik E. (2018) Metallurgical slags from Cu production and Pb recovery in Poland – Their environmental stability and resource potential. Appl. Geochem., 98, 459-472. DOI: 10.1016/j.apgeochem.2018.09.009

32. Onuaguluchi O., Eren O. (2012) Cement Mixtures Containing Copper Tailings as an Additive: Durability Properties. Materials Res., 15(6), 1029-1036. DOI: 10.1590/S1516-14392012005000129

33. Potysz A., Grybos M., Kierczak J., Guibaud G., Fondaneche P., Lens P.N.L., Hullebusch E.D. (2017) Metal mobilization from metallurgical wastes by soil organic acids. Chemosphere, 178, 197-211. DOI: 10.1016/j.chemosphere.2017.03.015

34. Singh J., Singh S.P. (2019) Geopolymerization of solid waste of non-ferrous metallurgy. A review. J. Environ. Manag., 251, 109571. DOI: 10.1016/j.jenvman.2019.109571

35. Soriano-Disla J.M., Gómez I., Navarro-Pedreño J., Jordan M.M. (2014) The transfer of heavy metals to barley plants from soils amended with sewage sludge with different heavy metal burdens. J. Soils Sed., 14, 687-696. DOI: 10.1007/s11368-013-0773-4

36. Wang A.S., Angle J.S., Chaney R.L., Delorme T.A., Reeves R.D. (2006) Soil pH Effects on Uptake of Cd and Zn by Thlaspi caerulescens. Plant Soil, 281(1-2), 325-337. DOI: 10.1007/s11104-005-4642-9

37. Yetang Hong L.Y., Wang D., Zhu Y. (2007) Determination of free heavy metal ion concentrations in soils around a cadmium rich zinc deposit. Geochem. J., 41(4), 235-240. DOI: 10.2343/geochemj.41.235