ROCZNIKI GLEBOZNAWCZE TOM LIX NR 2 WARSZAWA 2008: 7-11 STANISŁAW BARAN, ANNA WÓJCIKOWSKA-KAPUSTA, GRAŻYNA ŻUKOWSKA

Transkrypt

1 ROCZNIKI GLEBOZNAWCZE TOM LI NR 2 WARSZAWA 2008: 7-11 STANISŁAW BARAN, ANNA WÓJCIKOWSKA-KAPUSTA, GRAŻYNA ŻUKOWSKA MOŻLIWOŚCI WYKORZYSTANIA WEŁNY MINERALNEJ GRODAN DO KSZTAŁTOWANIA WŁAŚCIWOŚCI SORPCYJNYCH GLEB ZDEWASTOWANYCH W PROCESIE W YDOBYCIA SIARKI METODĄ FRASHA* POSSIBILITIES OF APPLICATION OF MINERAL WOOL GRODAN TO FORME SORPTION PROPERTIES OF DEVASTATED SOILS IN THE PROCESS OF SULPHUR UPTAKE WITH FRASH METHOD Pracownia Rekultywacji Gleb i Gospodarki Odpadami, Instytut Gleboznawstwa i Kształtowania Środowiska, Uniwersytet Przyrodniczy w Lublinie A b stra ct: In the work analyzed w as the influence o f different reclam ation m ethods o f soil-less formations with the use o f sew age sludge and over used mineral w ool Grodan on sorption properties. It was claim ed that in comparison to mineral fertilization, beneficial influence o f the addition o f investigated wastes on formation o f sorption capacity and exchange cations o f reclaim ed soil-less formation. In investigated period it was claimed the decrease o f exchange cations content particularly magnesium and sodiumand, on the contrary the increase o f hydrogen content. Słow a k lu czo w e: utw ory bezgleb ow e, rekultywacja, w ełna m ineralna, osady ściek ow e, w łaściw ości sorpcyjne gleb. K ey w ords: soil-less formation, reclamation, mineral wool, sewage sludge, sorption properties o f soil. WSTĘP Długotrwałe zanieczyszczanie gleb siarką przyczynia się do pogorszenia ich właściwości sorpcyjnych wskutek ubytku wymiennego wapnia i magnezu. Dzieje się tak za sprawą nadmiernej koncentracji jonów H+. Powstający w warunkach zasiarczenia kwas siarkowy osłabia ochronne działanie kompleksu sorpcyjnego przed wymywaniem składników mineralnych, co jest podstawą degradacji chemicznej gleb zanieczyszczonych siarką. *Praca naukowa finansow ana ze środków na naukę w latach jako projekt badaw cz\ rozw ojow y Nr R

2 8 S. Baran, Л. Wójcikowska-Kapusta, G. Żukowska Rekultywacja terenów poeksploatacyjnych w górnictwie wydobywczym (otworowym i odkrywkowym) siarki jest zagadnieniem złożonym i trudnym, bowiem ten rodzaj działalności górniczej wywołuje szereg przekształceń środowiska przyrodniczego o bardzo szerokim zakresie [Baran 2006; Gołda 2000; Jońca 2000; Warzybok 2000]. Celem niniejszej pracy jest ocena możliwości zastosowania poużytkowej (z upraw pod osłonami) wełny mineralnej Grodan do rekultywacji i kształtowania właściwości sorpcyjnych gleb zdewastowanych w procesie wydobycia siarki metodą Frasha. MATERIAŁ I METODY BADAŃ Doświadczenie poletkowe (poletka o powierzchni 5 arów każde) realizowano na zdewastowanym terenie w obszarze wpływu Kopalni Siarki Jeziorko. Do odkwaszenia zdewastowanej gleby (piasek słabogliniasty) zastosowano wapno poflotacyjne (100 t/ ha), a do użyźnienia wełnę mineralną (Grodan) w różnych dawkach na tle melioracyjnej (100 ton s.m./ha) dawki osadu ściekowego z komunalnej oczyszczalni ze Stalowej Woli. Schemat doświadczenia przedstawiono w pracy Baran i in. [2006]. Integrację zastosowanych substancji oraz nawozów mineralnych z rekultywowaną glebą wykonano przy wykorzystaniu brony talerzowej i glebogryzarki. Obiekt kontrolny stanowił utwór bezglebowy odkwaszony wapnem poflotacyjnym i nawożony corocznie NPK w dawkach (kg/ha): 80;40;60. Na tak przygotowane poletka wysiano mieszankę rekultywacyjną traw. Próbki gleby do badań laboratoryjnych pobrano z warstwy powierzchniowej (0-20 cm) na początku doświadczenia, a następnie pod koniec wegetacji (), każdego z trzech lat badań. W pobranych próbkach gleb oznaczono: - odczyn potencjometrycznie w 1 mol dm"3 KCl, - kwasowość hydrolityczną (Hh) metodą Kappena, w 1 mol dm-3 CH3COONa, - kationy zasadowe (S) w wyciągu 0,5 mol drrr3 NH4C1 (ph 8,2). WYNIKI I DYSKUSJA Wełna mineralna po jednym, ewentualnie dwóch cyklach produkcyjnych pod osłonami staje się odpadem, praktycznie w całości gromadzonym na terenach zakładów ogrodniczych. Jej właściwości fizykochemiczne i chemiczne są korzystne (tab. 1), co preferuje wykorzystania tego odpadu do kształtowania właściwości gleb zdegradowanych [Baran i in. 2006]. Uzyskane wyniki badań wskazują na istotną, 3,5-9-krotną poprawę właściwości sorpcyjnych zdewastowanego utworu bezglebowego, co zależne było od sposobu przeprowadzonej rekultywacji (tab. 2). Udział niżej wymienionych komponentów, w porównaniu z nawożeniem mineralnym NPK (obiekt kontrolny -100% ) tworzy szereg: gleba zdegradowana + wapno + wełna + NPK (253%) > gleba zdegradowana + wapno + wełna (225%) > gleba zdegradowana + wapno + osad ściekowy + wełna (193%o) > gleba zdegradowana + wapno + osad ściekowy (143%) > gleba zdegradowana + wapno + NPK (100%). Również wysoce pozytywny wpływ na zwiększenie pojemności sorpcyjnej gleb zdegradowanych przez silne zakwaszenie stwierdzono po zastosowaniu kompostu z osadu ściekowego i trocin [Baran i in. 2004]. W okresie doświadczenia stwierdzono spadek pojemności sorpcyjnej pod wpływem nawożenia NPK oraz bardziej stabilne zmiany w pozostałych wariantach rekultywacji, co przekłada się na końcową wartość tej właściwości (tab. 2).

3 Wpływ wełny mineralnej Grodan na właściwości sorpcyjne gleb zdewastowanych 9 TABELA 1. W łaściw ości materiałów stosowanych do rekultywacji gleb w obszarze oddziaływania Kopalni Siarki "Jeziorko" TABLE 1. Properties o f materials used to soil reclamation in the area influenced by sulfur mine "Jeziorko" W łaściw ości Properties Jednostka Unit Wapno poflotacyjne Postflotation lime Wełna miner. Mineral wool Rekult. gleba Recult. soil Osad ściekow y Sewage sludge ph 1 mol KCl-dm 3 7,6 5,3 1,1 6,6 Hh cmol (+)-kg 1 0,6 3, ,24 S cmol (+)*kg 1 48,2 57,04 0,52 9,75 T cmol (+)*kg 1 48,8 60,86 0,51 0,925 С org. g -kg 1-28,5 0,8 0,020 P mg -kg 1 19,2 119,6 4,0 8,018 К mg -kg 1 20,5 200,0 12,0 5,0 Wartość pojemności sorpcyjnej rekultywowanej gleby pod wpływem badanych odpadów ocenić należy jako wysoką, odpowiadającą glebom dobrej jakości [Szymańska i in. 2007]. Oprócz istotnego wzrostu pojemności sorpcyjnej, poprawie uległo wysycenie kompleksu sorpcyjnego kationami. Dominującym kationem był wapń, którego udział odpowiada glebom dobrej jakości. Udział pozostałych kationów tworzy szereg: Mg2+ > Na+ > K+. Badane sposoby rekultywacji z wykorzystaniem wełny mineralnej i osadu ściekowego wywarły w porównaniu ze stosowaniem jedynie nawożenia mineralnego NPK korzystny wpływ na zawartość kationów wapnia, magnezu, potasu i wodoru, które ulegały pewnej modyfikacji w okresie badań (tab. 3). TABELA 2. Pojemność sorpcyjna [cmol(+) kg"1] rekultywowanej gleby (wartości średnie) TABLE 2. Cation exchange capacity [cmol(+) kg-1] o f reclaimed soil (mean values) Kombinacja nawozowa Fertilization treatment Pocz. badań Study begin Śred. Mean Gleba rekultywowana - Recultivated soil 5,11 Gleba rekult. + wapno + NPK Recult, soil + postflotation lime + NPK Gleba rekult. + wapno + osad ściekow y Recult, soil + postflotation lime + sewage sludge Gleba rekult.+ wapno + osad ściekow y + wełna Recuit, soil+postflotation lime+sewade sludge+wool Gleba rekult. + wapno + wełna Recult, soil + postflotation lime + wool 23,75 15,31 17,95 15,41 18,11 26,43 24,33. 26,52 26,36 25,91 36,66 30,13 38,85 34,20 34,96 40,94 42,43 42,53 37,29 40,80 Gleba rekult. + wapno + wełna + NPK Recult, soil + postflotation lime + wool + NPK 45,37 46,63 47,13 i 44,43 1 i 45,82

4 10 S. Baran, A. Wójcikowska-Kapusta, G. Żukowska TABELA 3. W łaściw ości sorpcyjne [cmol(+) kg-1] rekultywowanej gleby na początku (P) i na końcu (K ) doświadczenia (wartości średnic) TABLE 3. Sorption properties [cm ol(+) k g '1] o f researched reclamation variants on the beginning (P) and the end (K ) o f experiment (mean values) Kombinacja naw ozow a Fertilization treatment Termin Term C a2+ M g2+ K + N a 4 S H+ Gleba rekult. + wapno + N PK P 22,0 0,2 6 0,0 7 0,45 2 2,8 5 0,9 0 Recult, soil + postflotation lime + NPK К 11,33 0,23 0,10 0,05 11,81 3,60 Gleba rekult. + wapno + osad ściekow y P 24,30 0,63 0,10 0,50 25,53 0,90 Recult, soil + postflotation lime + sew age sludge К 24,43 0,29 0,09 0,05 24,8 6 1,50 Gleba rekult.+wapno+osad ściekow y+w ełna p 34,20 0,59 0,16 0,65 35,61 1,05 Recult.soil+postflotation lim e+sewage sludge+w ool к 32,09 0,38 0,12 0,04 32,63 1,50 Gleba rekult. + wapno + wełna p 38,90 0,55 0,11 0,60 4 0,2 2 0,72 Recult, soil + postflotation lime + w ool к 35,76 0,40 0,17 0,06 36,39 0,90 Gleba rekult. + wapno + wełna + NPK p 42,70 0,78 0,22 0,63 4 4,4 0 0,97 Recult, soil + postflotation lime + w ool + NPK к 42,91 0,52 0,17 0,06 43,65 1,45 Wyraźny spadek zawartości Ca2+ stwierdzono tylko w kontroli nawożonej NPK. W pozostałych kombinacjach różnice w zawartości tego kationu pomiędzy początkiem i końcem badań były niewielkie. W badanym okresie stwierdzono wyraźny spadek zawartości Mg2* w rekultywowanej glebie w każdej kombinacji. Największe różnice w ilości wymiennego magnezu stwierdzono w kombinacji nawozowej z osadem ściekowym (-54%), a najmniejsze - z nawożeniem NPK (-11,5%). Zmiany w zawartości wymiennego potasu po 3 latach rekultywacji były niewielkie i niejednoznaczne. Zawartość jonów sodu w kompleksie sorpcyjnym rekultywowanej gleby pod wpływem zastosowania badanych dodatków wzrastała w porównaniu z kontrolą (nawożenie NPK) w w następujący sposób: gleba zdegradowana + wapno + osad ściekowy + wełna (1 4 4,4 % ) > gleba zdegradowana + wapno + wełna + NPK (1 4 0 % ) > gleba zdegradowana + wapno + wełna (1 3 3,3 % ) > gleba zdegradowana + wapno + osad ściekowy (1 1 1 % ) > gleba zdegradowana + wapno + NPK (1 0 0 % ). Na koniec badań stwierdzono istotny spadek zawartości jonów sodu we wszystkich kombinacjach nawozowych. Rekultywacja gleby zdegradowanej przy wykorzystaniu wełny mineralnej i osadu ściekowego spowodowała w porównaniu z nawożeniem NPK spadek zawartości jonów H+. Na zakończenie badań stwierdzono wzrost ich zawartości w kompleksie sorpcyjnym (potencjalne zakwaszenie) z intensywnością zależną od sposobu rekultywacji: gleba zdegradowana + wapno + NPK (253%) > gleba zdegradowana + wapno + osad ściekowy (83%) =gleba zdegradowana + wapno + NPK (83%) > gleba zdegradowana + wapno + osad ściekowy (68%) > gleba zdegradowana + wapno + wełna (33%)). Wysokość dawki (m3-ha_1) wełny mineralnej miała duży wpływ na zmiany pojemności sorpcyjnej (%) w badanym okresie w rekultywowanej glebie (rys. 1). W porównaniu z nawożeniem mineralnym NPK były one wysokie i wynosiły: 195,5-285,2% w wariantach z samą wełną i 217,0-303,0% w wypadku dodatkowego nawożenia NPK. Wzrost pojemności sorpcyjnej był wprost proporcjonalny do zastosowanej dawki wełny mineralnej.

5 Wpływ wełny mineralnej Grodan na właściwości sorpcyjne gleb zdewastowanych 11 RYSUNEK 1. W pływ dawki (200; 400; 800 m 3-ha_I) w e łn y m ineralnej na względne (w stosunku do NPK) zmiany (%) pojem ności sorpcyjnej rekultywowanej gleby (wartości średnie): W - gleba zdegradowana+wapno+wełna; W+NPK - gleba zdegradowana + wapno + wełna + NPK FIGURE 1. Influence o f mineral wool (200, 400, 800 m3-ha_l) on relative changes (%) of sorption capacity reclaimed soil-less formation (mean values): W - reclaimed soilless formation+postflotation lime+wool; W +N PK -reclaim ed soil-less formation + postflotation lime +wool + NPK WNIOSKI 1. Sposób rekultywacji gleby zdegradowanej do utworu bezglebowego z wykorzystaniem wełny mineralnej i osadu ściekowego na tle wapna poflotacyjnego i nawożenia NPK w znaczący sposób wpłynął na zmiany jej właściwości sorpcyjnych. 2. W okresie badań stwierdzono zmniejszenie zawartości kationów zasadowych, najwyraźniejsze dla sodu i magnezu, natomiast wzrastała zawartość wodoru. 3. Zwiększenie pojemności sorpcyjnej rekultywowanego utworu bezglebowego było ściśle zależne od dawki wełny mineralnej. LITERATURA BARAN S. 2006: Ability to use o f mineral wool in postmining reclamation. Developm ent in Production and Use o f N ew Agrochemicals. Chemistry for Agriculture, (Eds. H. Górecki, Z. Dobrzański, P. Kafarski), Chech-Pol Trade, Prague-Brussels: 7: BARAN S., WÓJCIKOWSKA-KAPUSTA A., ŻUKOW SKA G., OLESZCZUK P 2004: Wykorzystanie kompostów do odtwarzania gleb na gruntach zdewastowanych przez intensywne zakwaszenie. Rocz. Glebozn. 55, 2: BARAN S., W ÓJCIKOW SKA-KAPUSTA A., ŻUKOW SKA G. 2006: Ocena przydatności osadu ściekowego i wełny mineralnej Grodan do rekultywacji gruntu bezglebowego na podstawie zawartości przyswajalnych form fosforu, potasu i magnezu. Rocz. Glehozn. 57, 1/2: GOŁDA T. 2000: Podstawowe uwarunkowania rekultywacji terenów pogóm iczych Kopalni Siarki Jeziorko. Inżyn. Ekol. 1: JOŃCA M. 2000: Zastosowanie osadów ściekowych w rekultywacji gruntów Kopalni Siarki Jeziorko. Inżyn. Ekol. 1: SZYM AŃSKA M., ŁABĘTOWICZ J., KORC M. 2007: Procentowy udział kationów wysycających kompleks sorpcyjny jako wskaźnik do oceny jakości gleb. Zesz. Probl. Post. Nauk Roln. 520: WARZYBOK W. 2000: Rekultywacja terenów górniczych Kopalni Siarki Jeziorko. Inżyn. Ekol 1: P rof. d r hab. S ta n isła w B a ra n In stytu t G le b o zn a w stw a i K sz ta łto w a n ia Ś ro d o w isk a U P L eszc zyń sk ie g o 7, L ublin e-m a il: b a r s t@ o 2.p l