Розробка технології фіторекультивації відвалів відходів вуглевидобування

Abstract

Дисертаційна робота присвячена розробленню технологічних рішень фіторекультивації відвалів відходів вуглевидобування зі зменшенням антропогенного впливу на довкілля. Виконано аналіз техногенного впливу на екосистему під час процесів вуглевидобування. Проведений теоретичний аналіз сучасних технологій фіторекультивації вугільних відвалів в Україні та в світі. Виконанні польові роботи на відвалах відходів вуглевидобування, які вже пройшли етап фіторекультивації, для аналізу рослинного покриву на даній території. Досліджено процеси фітостабілізації та фітоекстракції на субстратах шахтної породи. Для реалізації експериментальних досліджень виконано фізико-хімічний аналіз субстратів шахтної породи відібраних з відвалів вуглевидобування шахти «Павлоградська» та шахти «ім. Героїв Космосу» ПрАТ «ДТЕК “Павлоградвугілля”». Були виміряні такі показники як: pH, питома електропровідність субстрату (EC), кількість поживних речовин та концентрації рухливих форм. Отримані результати свідчать про те, що досліджувані субстрати шахтної породи мають низький вміст поживних речовин. Концентрація таких елементів, як Co, As, Cu, Pb, Mn та Zn перевищують норми ГДК. Вміст рідкоземельних елементів у субстраті шахтної породи відібраної з шахти «ім. Героїв Космосу» ПрАТ «ДТЕК Павлоградвугілля» визначений методом ІЗП-МС. Мас-спектральний аналіз рідкоземельних елементів в пробах, відібраних з вугільного відвалу, дозволив встановити, що ці елементи присутні в породі.

Аналіз на водорозчинні рідкоземельні сполуки при двох різних розчинах (рН = 7 та рН = 5) дозволив встановити, що дані елементи потрапляють у навколишнє середовище із водними розчинами, що в свою чергу полегшує доступ рослин до даних елементів. Згідно з отриманими результатами при підвищеному рН розчину концентрація рідкоземельних елементів відповідно збільшується. Виконана низка експериментів щодо біовилуговування важких металів в культуральних середовищах з бактеріями A. ferrooxidans, що імітує процес кислотного дренажу в гірських породах відвалів вуглевидобування. Встановлено, що внаслідок бактеріальної активності спостерігається поступове зниження pH в культуральних середовищах через ріст бактерій, внаслідок чого важкі метали вилуговуються в розчин. Обґрунтовано вибір рослин для фіторекультивації відвалів відходів вуглевидобування, з урахуванням ефекту фітостабілізації та фітоекстракції на підставі вивчення та аналізу фізико-хімічних показників досліджуваного субстрату шахтної породи. Запропоновано використовувати для фіторекультивації відвалів відходів вуглевидобування наступні рослини: Т. aestivum L., H. murinum L., B. japonicas, B. inermis holub, A. fatua L., Dactylis L., B. ramosa, P. sativum L., T. pratense L., S. alba L., Capsella bursa-pastoris L. Досліджувані рослини показали свою стресостійкість до специфічних умов степової зони України і також виявилися стійкими до впливу солей важких металів на свої біометричні показники. Досліджено вплив фізичних та хімічних факторів навколишнього середовища на фізико-хімічні показники досліджуваного субстрату шахтної породи та вплив цих факторів на ростові показники рослин-фіторемедіантів. Зафіксовано, що біочар в концентраціях 10%, 15% і 20% від субстрату не мав особливого впливу на такі показники як рН та ЕС. Ростовий тест показав, що досліджуванні рослини A. fatua L. та B. Leyss показали кращі вегетаційні результати при концентрації 15% біочару до субстрату, що дає змогу розглядати біочар як допоміжний елемент для проведення процесу фіторекультивації. Проаналізовано вплив підкислення субстрату на міграцію хімічних елементів у

субстраті, фільтраті та у рослинах. Зафіксовано, що при значенні pH понад 4 спостерігається підвищена мобілізація таких елементів як Co, As, Cu, Pb, Mn, Zn і Cr, що може загрожувати навколишньому середовищу. Досліджувані рослини H. murinum L., і B. japonicus, показали ефективні показники проростання. У прямому порівнянні H. murinum L., характеризувався кращими ростовими властивостями порівняно з B. japonicus, особливо в сильно кислих умовах. Одночасно H. murinum L., переважно накопичував досліджувані хімічні елементи в коренях, тоді як B. japanicus демонстрував значно більші їх концентрації в пагонах. З огляду на тривале окислення сульфідів і підкислення субстрату, результати свідчать про те, що H. murinum L., можна використовувати для фіторекультивації забруднювачів, що характеризуються низьким транслокаційним фактором, тоді як B. japanicus є більш придатним для фітоекстракції токсичних елементів у районах видобутку корисних копалин на Західному Донбасі. Досліджені ростові показники композитних рослинних сетів з подальшим розвитком технології фіторекультивації. Запропоновано використовувати рослинний сет з таким складом: H. murinum L., T. pratense L., S. alba L., для більш ефективного проводження фіторекультивації вугільних відвалів. Розроблена технологія фіторекультивації відвалів відходів вуглевидобування, в основі якої покладено метод нанесення композитних біогумусових брикетів з сумішшю насіння досліджуваних рослин на поверхню відвалів гірських порід. Суміш брикетів виготовляють з природного суглинку, біогумусу, агар-агару та домінантних трав’янистих дикорослих видів рослин сімейства Злакових (Poaceae), Бобових (Fabaceae) та Хрестоцвітних (Brassicaceae) з подальшим розміщенням брикетів в умовно шаховому порядку на укосах та терасах відвалів відходів вугледобування, що створює умови для росту рослин та розвитку рослинних угруповань, які адаптовані до степової зони України. Запропонована технологія фіторекультивації відвалів відходів вуглевидобування дозволяє створити первинний рослинний покрив з розрахунком на подальше створення сприятливих умов для рослин вищих класів,

зменшує техногенний вплив відвалу на навколишнє середовище за рахунок зменшення вітрової та водної ерозії. Обґрунтовані параметри фіторекультивації відвалу шахти для зменшення викидів вуглепородного пилу в атмосферу. В результаті проведених досліджень, було встановлено, що відвал відходів вуглевидобування шахти «Західно- Донбаська» ПрАТ «ДТЕК "Павлоградвугілля"» є джерелом забруднення атмосферного повітря пиловими частинками в обсязі 227,8 т/рік. Виконаний розрахунок фіторекультивації даного відвалу і встановлено, необхідність фіторекультивації поверхні відвалу вуглевидобування для зменшення пиловидалення з даного вугільного відвалу. Згідно з виконаними розрахунками, загальні витрати на проведення фіторекультивації ділянки відвалу площею 1700 м 2 на один вегетаційний сезон становлять 265 606 грн на 1700 м 2 і 156,2 грн/м 2 . Експериментальні дослідження були виконані на кафедрі екології та технологій захисту навколишнього середовища НТУ «Дніпровська політехніка», а також в Технічному університеті «Фрайберзька гірнича академія» (Німеччина) в рамках освітнього проекту «Eco-mining: Development of Integrated Ph.D. Program for Sustainable Mining & Environmental Activities».

An analysis of technogenic impact on the ecosystem during coal mining processes was performed. A theoretical analysis of modern technologies of phytoremediation of coal dumps in Ukraine and in the world was conducted. Carrying out field work on the dumping of carbon sequestration waste, which has already passed the stage of phytorecultivation, for the analysis of the vegetation cover in the given territory. Phytostabilization and phytoextraction processes on the mine rock substrate were investigated. For the implementation of experimental research, a physico-chemical analysis of the studied substrates selected from coal mining waste dumps from the Mine Pavlogradska and Mine the Heroes of the Cosmos was carried out. Such indicators as: pH, specific electrical conductivity of the substrate (EC), amount of nutrients and concentration of mobile forms were measured. The obtained results indicate that the studied substrates have low pH, EC and low nutrient content. The concentration of such elements as: Co, As, Cu, Pb, Mn and Zn exceed the TLV norms. The content of rare earth elements in the substrate of mine rock selected from the Mine the Heroes of the Cosmos. ICP-MS analysis of rare earth elements in samples taken from a coal dump allowed to establish that these elements are present in the rock. The analysis of water- soluble rare earth elements at two different solutions (pH = 7 and pH = 5) made it possible to establish that these elements enter the environment with aqueous solutions, which in turn facilitates the access of plants to these elements. According to the obtained results, the concentration of rare-earth elements increases accordingly when the pH of the solution is increased.

A number of experiments were performed on bioabsorption and bioleaching of heavy metals in culture media with A. ferrooxidans bacteria. It was established that as a result of bacterial activity there is a gradual decrease in pH in culture media due to bacterial growth, as a result of which heavy metals are leached into the solution. The choice of plants for phytorecultivation of coal mining waste dumps is substantiated, taking into account the effect of phytostabilization and phytoextraction, based on the study and analysis of the physico-chemical parameters of the substrate under study. It is proposed to use the following plants for the phytorecultivation of coal mining waste dumps: Triticum aestivum L., H.murinum L., B.japonicas, B.inermis holub, Avena fatua L., Dactylis glomerata L., B.ramosa, P. sativum L., T. pratense L., S. alba L., Capsella bursa-pastoris L. The studied plants showed their stress resistance to the specific climatic conditions of the steppe zone of Ukraine and were also resistant to the influence of heavy metal salts on their biometric indicators. The influence of physical and chemical factors of the environment on the physico-chemical parameters of the studied substrate and the influence of these factors on the growth indicators of phytoremediant plants were investigated. It was recorded that biochar in concentrations of 10%, 15% and 20% of the substrate did not have a particular effect on such parameters as pH and EC. The growth test showed that the research plants Avena fatua L., and B.Leyss showed better vegetative results at a concentration of 15% biochar to the substrate, which allows considering biochar as an auxiliary element for the biological reclamation process. The effect of acidification of the substrate on the migration of chemical elements in the substrate, filtrate and in plants was analyzed. It has been recorded that at a pH value of more than 4, there is an increased mobilization of such elements as: Co, As, Cu, Pb, Mn, Zn and Cr, which may threaten the environment. The studied plants H. murinum L., and B. japonicus showed good germination rates. In a direct comparison, H.murinum L., was characterized by better growth characteristics (longer roots and shoots) compared to B.japonicus, especially in highly acidic conditions. At the same time, H. murinum L., mainly accumulated the studied elements in the roots, while B. japanicus demonstrated a

significantly greater root-shoot transfer. Given the ongoing sulfide oxidation and substrate acidification, the results suggest that H. murinum L., can be used for the phytostabilization of pollutants characterized by low translocation factor, while B. japanicus is a significant candidate for the phytoextraction of toxic elements in the mining areas of Western Donbas . Research growth indicators of composite plant sets with further development of phytorecultivation technology. It is proposed to use a plant set with the following composition: H. murinum L., T. pratense L., S. alba L. for a more effective implementation of biological reclamation of coal dumps. The technology of the phytorecultivation of coal mining waste dumps has been developed. The basis of the method of phytorecultivation of coal mining waste dumps is the method of applying a mixture with seeds in the form of composite briquettes to the surface of rock dumps. The mixture is preliminarily made into loam-biohumus briquettes from a mixture of natural loam, biohumus, Agar Agar and dominant herbaceous wild plant species of the Poaceae, Fabaceae and Brassicaceae families, followed by the placement of the briquettes in a conditionally checkerboard pattern on slopes and terraces of coal mining waste dumps, which creates conditions for plant growth and the development of plant communities that are adapted to the Pavlograd district, which belongs to the steppe zone of Ukraine. The proposed technology of phytorecultivation of coal mining waste dumps makes it possible to effectively carry out the process of phytoremediation in conditions of characteristic climatic conditions, allows to create a primary vegetation cover, with the expectation of further creation of favorable conditions for plants of higher classes, reduces the man-made impact of the dump on the environment, due to the reduction of wind and of water erosion. The substantiation of the parameters of the phytorecultivation of the mine tailings to reduce the emissions of carbon dust into the atmosphere. As a result of the conducted research, it was established that the coal mining waste dump of Zahidno- Donbaska Coal Mine dusts the air with dust particles of 289.8 tons/year. Phytoremediation of this dump was calculated, and the need for phytorecultivation of

the coal mining dump surface to reduce dust removal from this coal dump was established. According to the calculations, the total costs for phytorecultivation for one growing season are: UAH 265 606 per 1700 m 2 and UAH 156,2 per m 2 . The studied experiments were conducted at the Department of Ecology and Technologies of Environmental Protection of the Dnipro University of Technology. Also within the framework of the joint educational project "Ecomining: Development of Integrated Ph.D. Program for Sustainable Mining & Environmental Activities" during research on the technology of biological reclamation of coal dumps at the Technical University "Bergakademie Freiberg" (Germany).