Ранжированный перечень наилучших доступных технологий по очистке загрязненных территорий и ликвидации накопленного экологического ущерба

Проект

 Ранжированный перечень наилучших доступных технологий по очистке загрязненных территорий и ликвидации накопленного экологического ущерба

 Москва

2013

   Данный перечень содержит справочную информацию по известным технологиям очистки загрязненных территорий и ликвидации накопленного экологического ущерба.  Справочник может быть использован при выборе и оценке необходимой технологии очистки загрязненных установок и участков в качестве вспомогательного пособия для руководителей проектов по очистке при выборе альтернативных восстановительных мероприятий. 

В отношении из каждого наиболее часто встречающихся типов загрязненных участков справочник  позволит:

• выбрать приемлемые технологии очистки; 
• оценить разницу между новыми и уже используемыми технологиями; 
• определить степень вероятности успеха, исходя из имеющихся показателей результативности, опыта применения технологии на практике и инженерной оценки.

 

Структура (классификация) перечня технологий

1.  Биологическая insitu очистка почвы, осадочных отложений, подпочвы и шлама

1.1 Биоудаление

1.2 Усиленная биоремедиация

Аэробный метод

Анаэробный метод

Бело-красная плесень

1.3 Фиторемедиация

Ускоренная биодеградация в ризосфере

Фитоаккумуляция

Фитодеградация

Фитостабилизация

2  Химико-физическая insitu обработка почвы, осадочных отложений, подпочвы и шлама

2. 4  Химическое окисление

Добавление озона (озонация)

Пероксид водорода

Перманганат калия

2.5 Электрокинетическое разделение

2.6 Разрыв

Разрыв грунта взрывом 

Процесс LasagnaTM

Пневматический разрыв

2.7 Промывка почв

2.8 Технология почвенной паровой экстракции

2.9 Метод отверждения/стабилизации

3. Термическая insitu обработка почвы, осадочных отложений, подпочвы и шлама

3.10 Термическая обработка

Нагрев электрическим сопротивлением

Нагревание токами высокой частоты/Электромагнитное нагревание

Нагнетание горячего воздуха или пара

4. Биологическая exsitu очистка почвы, осадочных отложений, подпочвы и шлама

4.11 Технология формирования штабелей

4.12. Компостирование

4.13.  Запахивание отходов

4.14 Жидкофазный процесс биологической очистки

5.  Химико-физическая обработка почвы, осадочных отложений, подпочвы и шлама «ex situ»

5.15 Химическая экстракция

Кислотная экстракция

Эстракция с помощью растворителя

5.16. Химическое  окисление /восстановление

5.17. Дегалогенизация

Катализируемое основанием разложение (КОР)

Процесс получения полиэтиленгликоля с применением гликолятов / щелочных катализаторов (APEG)

5.18. Сепарация

Гравитационная сепарация

Магнитная сепарация

Физическая сепарация /сепарация просеиванием

5.19.  Промывка земли

5.20. Метод отверждения/стабилизации

Битуминизация

Эмульгированный асфальт

Модифицированный серный цемент

Экструзия полиэтилена

Пуццолановый/ портландский цемент

Отверждение радиоактивных отходов

Стабилизация шлама

Растворимые фосфаты

Витрификация/ стекломасса

6.  Термическая обработка почвы, осадочных отложений, подпочвы и шлама ex situ 

6.21. Дезактивация горячим газом

6.22.  Сжигание

Камера сгорания с кипящим слоем

Псевдоожиженный слой

Вращающаяся обжиговая печь

6.23. Открытое сжигание/открытая детонация

6.24. Пиролиз

Вращающаяся обжиговая печь

Печь с кипящим слоем

Разрушение с помощью расплавленной соли

6.25. Термальная десорбция

Высокотемпературная термодесорбция

Низкотемпертурная термодесорбция

7. Загрязнение почвы, осадочных отложений, подпочвы и шлама

7.26. Покрытия полигонов для отходов

Асфальтовое/бетонное покрытие

Альтернативное покрытие в соответствии с RCRA Subtitle C

Покрытие в соответствии с RCRA Subtitle D

7.27.  Укрепление покрытий полигонов для отходов

Сбор сточных вод

Растительный покров

8. Другие технологии очистки почвы, осадочных отложений, почвенного горизонта и шлама

8.28 Экскавация, извлечение и вывоз

9.  Биологическая очистка грунтовых вод, поверхностных вод и продуктов выщелачивания insitu

9.29.  Усовершенствование процесса биоремедиации

Обогащение кислородом путем барботирования

Обогащение кислородом с применением перекиси водорода

Обогащение нитратами

9. 30 Контролируемый естественный процесс ослабления последствий загрязнения

9.31 Фиторемедиация

 Интенсивная ризофильтрация

Фитодеградация

Фитоволатилизация

10.  Химико-физическая обработка грунтовых, поверхностных и свалочных сточных вод  in situ

10.32 Воздушный барботаж

10.33 Биологическая откачка

10.34 Химическое окисление

Пероксид

Добавление озона (озонация)

Перманганат

10.35.  Наклонные скважины

10.36.  Двухфазная экстракция

10.37.  Термическая обработка

10.38.  Гидроразрыв

10.39.  Внутрискважинная отгонка воздухом

10.40.  Ограждения для пассивной/реакционной очистки

Воронки и шлюзы

Железные ограждения для очистки

11. Биологическая очистка грунтовых, поверхностных и свалочных сточных водex situ (при откачке)

11.41. Биореакторы

11.42.  Сконструированные экосистемы переувлажненных земель

12.  Физическая/ химическая очистка грунтовых, поверхностных и свалочных сточных водex situ

12.43. Адсорбция/ абсорбция

Активированный глинозем

Губка Forager

Лигниновый адсорбент/ сорбционная глина

Синтетическая смола

12.44.  Усовершенствованные процессы окисления

12.45.  Отгонка воздухом

12.46. Адсорбция гранулированным активированным углем/ Адсорбция углем в жидкой среде

12.47.  Откачивание грунтовых вод/Откачка и обработка

Повышенное извлечение с применением поверхностно-активных веществ (ПАВ)

Перепад давления (депрессия) в результате откачки

12.48. Ионный обмен

12.49. Осаждение/ коагуляция/ флокуляция

12.50.  Сепарация

Дистилляция

Фильтрация / ультрафильтрация / микрофильтрация

 Кристаллизация вымораживанием

Первапорация мембраны

Обратный осмос

12.51. Орошение дождеванием

13.  Локализация загрязненных грунтовых, поверхностных и свалочных сточных вод

13.52. Технические ограждения

13.53.  Закачка в глубокие скважины

14. Очистка выбросов загрязняющих веществ и отработанных газов в атмосферу

14.54. Биофильтрация

14.55. Уничтожение загрязнителей высокой энергией

Коронарное уничтожение загрязнителей высокой энергией

Плазменный реактор с комбинированной структурой потока и возможностью настройки

14.56. Отделение примесей при помощи мембран

14.57. Окисление

Каталитическое окисление

Окисление в двигателе внутреннего сгорания

Термическое окисление

Окисление под воздействием ультрафиолетового излучения

14.58. Газоочистители

Жидкие газоочистители

Сухие газоочистители

14.59.  Адсорбция углем в фазе парообразования

1.  Биологическая insitu очистка почвы, осадочных отложений, подпочвы и шлама

1.1 Биоудаление

Биоудаление  (биовентинг) - это новая перспективная технология, с помощью которой достигается естественное in situ биохимическое разложение любых компонентов почвы, разрушающихся в аэробных условиях, за счет нагнетания кислорода для развития микроорганизмов.  В отличие от технологии почвенной паровой экстракции с применением вакуумного компрессора в технологии биоудаления используется слабый воздушный поток, подающий кислород только для поддержания жизнедеятельности микроорганизмов. Кислород, как правило, подается под давлением непосредственно в загрязненную почву (инъекция кислорода).  Помимо разложения остатков топлива дополнительно происходит биоразложение  летучих соединений по мере постепенного передвижения паров в биологически активной почве. 

С точки зрения длительности осуществления метод биоудаления относится к долгосрочным технологиям.  Процесс очищения длится от нескольких месяцев до нескольких лет.

Технология биоудаления успешно применяется для очищения грунта от нефтяных углеводородов, хлорированных растворителей, некоторых видов пестицидов, консервантов для древесины и других органических веществ. 

Несмотря на то, что метод биовосстановления не распространяется на загрязнения неорганического происхождения, с его помощью можно изменить валентное состояние неорганических веществ и привести к их поглощению, аккумуляции и концентрации в микро- или макроорганизмах.  И хотя подобные технологии, в основном, применяются на экспериментальном уровне, они обещают быть очень эффективными для стабилизации или удаления неорганических загрязнений из грунта.  Ограничивающие факторы:

Факторы, которые могут ограничить применение и эффективность процесса, включают: 

•          Уровень грунтовых вод на глубине более 1 метра от поверхности, линза насыщенных водой грунтов или грунт с низкой проницаемостью приводят к снижению эффективности технологии биоудаления; 

•          Пары могут собираться в резервуарах в радиусе воздействия скважин для инъекции воздуха. Эта проблема может быть частично решена за счет откачки воздуха вблизи проблемной структуры; 

•          Крайне низкая влажность почвы может ограничивать применение метода биохимического разложения и снизить эффективность технологии биоудаления;

•          Может возникнуть необходимость в мониторинге отходящих газов на поверхности грунта;

•          Аэробное биохимическое разложение многих хлористых соединений может оказаться неэффективным при отсутствии ко-метаболита или цикла анаэробного типа; 

•          Процесс рекультивации может проходить медленно в условиях низких температур, даже если восстановление проходило успешно в зонах экстремально низких температур. 

Технология биоудаления становится все более и более популярной. При этом уже имеется основное оборудование для ее внедрения. Данная технология все больше обсуждается специалистами в области рекультивации земель, особенно возможность ее использования совместно с технологией почвенной паровой экстракции. ВВС финансируют демонстрационное применение технологии биоудаления на 135 объектах.  Так же как и во всех других биотехнологиях, время, необходимое на восстановление почвы с применением биоудаления, во многом зависит от особенностей грунта и химических свойств загрязненной среды.  

Описание технологии биоудаления приводится на сайте https://www.afcee.brooks.af.mil/er/ert/bioventing.htm. 

1.2 Усиленная биоремедиация

Усиленная биоремедиация - это процесс разрушения (метаболизма) местными или насаженными микроорганизмами (например, грибками, бактериями и другими микробами) органических загрязнителей в почве и(или) грунтовых водах и их превращение в безвредные конечные продукты.  Для усиления биоремедиации и десорбции глубинных загрязнений могут использоваться нутриенты, кислород или другие улучшители.

 Аэробный метод

При наличии достаточного количества кислорода (аэробная среда) и прочих питательных элементов микроорганизмы, в конце концов, начинают перерабатывать многие органические загрязнители в углекислый газ, воду и клеточную массу микроорганизмов.

Усиленная биоремедиация почвы, как правило, обеспечивается за счет инфильтрации или инъекции грунтовых или незараженных вод с примесью нутриентов и насыщением жидким кислородом.  Иногда также добавляются акклимированные микроорганизмы (биоприрост, биоаугментация)  и(или) другой источник кислорода, такой как пероксид водорода.  Для обработки неглубоких загрязненных почв обычно используется фильтрационная галерея или орошение, а для более глубоких слоев - инъекционные скважины.

Несмотря на то, что in situ биоремедиация проводилась успешно в условиях холодного климата, отмечено, что процесс восстановления проходит медленнее при низких температурах.  Для загрязненных участков с низкой температурой почвы можно использовать согревающее покрытие, которое позволит повысить температуру почвы на поверхности и увеличить эффективность процесса расщепления.

Усиленную биоремедиацию можно отнести к длительным процессам, так как на очистку одного шлейфа может потребоваться несколько лет.

 Анаэробный метод

В условиях отсутствия кислорода (анаэробная среда) органические загрязнения, в конечном итоге, будут переработаны в метан, ограниченное количество углекислого газа и незначительное количество газообразного водорода.  В условиях снижения содержания сульфатов сульфаты превращаются в сульфиды или свободную серу, а в условиях снижения содержания нитратов вырабатывается газообразный молекулярный азот.

Иногда загрязняющие вещества могут быть расщеплены до промежуточных или конечных продуктов, которые могут быть менее, равнозначно или более опасны, по сравнению с самими загрязняющими веществами. Например, трихлорэтилен в анаэробных условиях разлагается на устойчивый и более токсичный винилхлорид. Во избежание подобных последствий почти все проекты биоремедиации проводятся сначала в условиях in situ.  Винилхлорид может легко быть далее расщеплен при наличии анаэробных условий.

 Бело-красная плесень

Стало известно, что бело-красная плесень способна разлагать большой спектр органических загрязнителей благодаря своим энзимам, расщепляющим лигнины  или разрушающим древесину.  Были протестированы две различные конфигурации очистки с применением бело-красной плесени - in situ  и с применением биореактора.  В биоректоре для достижения биохимического разложения в аэробной среде использовался увлаженный воздух и древесная стружка.  Реактор использовался в лабораторных условиях.  В полупромышленных условиях (экспериментальный проект) для получения стружки в открытой системе использовался регулируемый стружечный станок. Открытая система аналогична системе компостирования, в которой стружка помещается на ровную или твердую ограниченную поверхность и затем покрывается.  В таких системах температура не контролируется.  Оптимальная температура процесса биохимического разложения с применением расщепляющей лигнины плесени составляет 30-38⁰С (86-100° F). Тепло, выделяемое в результате реакции биохимического разложения, позволит поддерживать температуру процесса на уровне, близком к оптимальному уровню. 

Технологии биоремедиации успешно применяются для очищения почвы, шлама и грунтовых вод от нефтяных углеводородов, растворителей, пестицидов, консервантов для древесины и других органических химикатов. Лабораторные и экспериментально-промышленные исследования показали эффективность анаэробного процесса разложения с помощью микроорганизмов нитротолуолов, содержащихся в почве, загрязненной военными отходами. Биоремедиация особенно эффективна при восстановлении глубинных слоев в сочетании с удалением источника загрязнения.

К группам загрязняющих веществ, в отношении которых чаще всего ведутся очистительные работы, относятся полициклические ароматические углеводороды (ПАУ), негалогенированные полулетучие органические углероды (за исключением ПАУ), а также бензол, толуол, этилбензол и диметилбензол (BTEX).  Объекты Суперфонда, на которых обычно проводилась чистка с применением технологии биоремедиации, подвергались загрязнению в результате осуществления процессов или образования отходов, связанных с консервированием древесины, а также переработкой нефти и повторным использованием продуктов переработки.  При консервации древесины часто используется креозот с высокой концентрацией ПАУ и других негалогенированных полулетучих органических углеродов.    Аналогично для переработки нефти и повторного применения продуктов переработки часто используются BTEX. 

Поскольку полулетучие органические углероды (ПАУ и другие негалогенированные полулетучие органические углероды) составляют две группы загрязняющих веществ, в отношении которых чаще всего применяется технология биоремедиации, могут возникнуть затруднения в применении к ним технологий, основанных на волатильности (таких как технология почвенной паровой экстракции).  Кроме того, очистка методами биоремедиации не всегда требует подогрева, не требует больших вложений (например, нутриенты – недорогой компонент), и, как правило, технология не приводит к образованию отходов, требующих дополнительной их очистки или расщепления.  Так же при проведении процесса в условиях in situ не требуется извлечения компонентов (проводников) загрязняющей среды.   По сравнению с другими технологиями, такими как термальная десорбция и сжигание (которые требуют проведения извлечения и нагрева), восстановление с воздействием тепла (требующее высоких температур), химическая обработка (которая может потребовать приобретения достаточно дорогих химических реагентов), а также in situ промывка (в результате которой может возникнуть необходимости в дальнейшей обработке промывочных вод) биоремедиация может оказаться менее затратной при очистке от негалогенированных  полулетучих органических углеродов. 

Несмотря на то, что методы биоремедиации (и никакие другие технологии рекультивации) не распространяются на загрязнения неорганического происхождения, с их помощью можно изменить валентное состояние неорганических веществ и привести к их поглощению, приостановке внедрения в частицы почвы, выделению, аккумуляции и концентрации в микро- или макроорганизмах. И хотя подобные технологии, в основном, применяются на экспериментальном уровне, они обещают быть очень эффективными для стабилизации или удаления неорганических загрязнений из грунта.

Ограничивающие факторы:

• Факторы, которые могут ограничить применение и эффективность процесса, включают:
• Цели очистки могут быть не достигнуты, если почвенная матрица не позволяет установить взаимодействие между загрязняющим веществом и микроорганизмами. 
• В результате циркуляции водных растворов в грунте загрязняющие вещества могут стать более мобильными, и может возникнуть необходимость в дальнейшей очистке грунтовых вод.
• Из-за возможной селективной колонизации инъекционных скважин микроорганизмами могут возникнуть препятствия для перемещения нутриентов и воды.
• Наличие селективных путей проникновения может значительно сократить взаимодействие между инъекционными жидкостями и загрязняющими веществами в масштабах всей зоны загрязнения.  Данная система не должна применяться для глинистого, многослойного или неоднородного подповерхностного грунта из-за ограниченной возможности для распространения кислорода (или другого  акцептора электронов). 
• Высокая концентрация тяжелых металлов, высокохлорированных органических соединений, углеводородов длинной цепи или минеральных солей может стать токсичной для микроорганизмов. 
• Скорость процесса биоремедиации снижается при низких температурах.  
• Концентрация перекиси водорода в грунтовых водах выше 100-200 мг/м3 сдерживает жизнедеятельность микроорганизмов. 
• Возможно, необходимо будет применение таких систем обработки верхних слоев почвы, как воздушное осушение или адсорбация углем для очистки извлекаемых грунтовых вод до их дальнейшей инъекции или удаления.

Многие из указанных выше факторов можно контролировать, уделяя особое внимание обеспечению надлежащей инженерно-технической практики.  Время, необходимое для проведения очистки, может варьироваться от 6 месяцев до 5 лет в зависимости от многих факторов, характерных для того или иного участка.

Основное преимущество процесса in situ заключается в том, что почва может быть обработана без необходимости ее извлечения и транспортировки, что не отражается на функционировании объекта. Если усиленная очистка может быть успешно проведена в соответствующий приемлемый срок, то это позволяет значительно сократить затраты, которые возникли бы при применении методов, требующих извлечения грунта и его транспортировки.  Кроме того, можно одновременно провести очистку как почвы, так и грунтовых вод, что позволит дополнительно сократить затраты.   Однако процесс in situ в целом требует больше времени. К тому же мы имеем меньшую степень уверенности в том, что процесс будет протекать по стандартному сценарию из-за неоднородности почвы, особых характеристик водоносного горизонта и сложности отслеживания самого процесса. 

Процесс восстановления, как правило, занимает годы главным образом в зависимости от степени расщепления определенных загрязняющих веществ, характеристик участка и климатических условий.  Для очистки от некоторых загрязнителей может потребоваться меньше года, однако для очистки от соединений с высоким молекулярным весом требуется больше времени. 

Существует риск повышения мобильности загрязняющих веществ и их проникновения в грунтовые воды.  Как правило, регулирующие органы не разрешают внедрять нутриенты или насаждать микроорганизмы в загрязненный грунт.   При выборе методов осуществления восстановительных мероприятий и действий при ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций на объектах Суперфонда (Фонда борьбы с химическим загрязнением окружающей среды) все чаще рассматриваются методы усиленной биоремедиации.  Как правило, в отношении нефтяных углеводородов можно легко применить методы биоремедиации путем стимуляции местных микроорганизмов нутриентами (при этом затраты будут относительно низкими). 

 

1.3 Фиторемедиация

Фиторемедиация - это процесс устранения, перемещения, стабилизации и разрушения загрязняющих веществ в почве и отложениях с использованием растений.  При этом загрязнители могут быть как органического, так и неорганического происхождения.

Механизмы фиторемедиации включают ускоренную биодеградацию в ризосфере, фитоэкстракцию (известную как фитоаккумуляция), фитодеградацию и фитостабилизацию.

Ускоренная биодеградация в ризосфере

Ускоренная биодеградация в ризосфере - это деградация в слое грунта, непосредственно окружающего корни растения. Натуральные вещества, выделяемые корнями растений, содержат нутриенты для микроорганизмов, стимулирующие их биологическую активность.  Корни растений также разрыхляют почву и затем отмирают, оставляя после себя пути для перемещения воды и воздуха.  В результате такого процесса вода поднимается к поверхности грунта, а нижние слои осушаются.

Для фиторемедиации, как правило, используются такие растения, как тополь, так как тополь растет достаточно быстро и приживается в различных климатических условиях.  Кроме того, тополь может поглощать большое количество влаги (по сравнению с другими видами растений) из почвы или непосредственно из ее водоносных слоев.  В результате из загрязненной среды может быть поглощено больше растворенных загрязнителей, сокращается объем воды, которая может пройти через почву или ее водоносный слой, и  количество загрязняющих веществ, поступающих в почву или ее водоносный слой или выделяющихся из них.

Фитоаккумуляция

Фитоаккумуляция заключается в удалении элемента-загрязнителя из почвы через корневую систему растений и перенос или накопление (фитоэкстракция) загрязняющих веществ в надземную часть растений - побеги и листья.

 Фитодеградация

Фитодеградация - это процесс метаболизма загрязняющих веществ в растительных тканях.   Растения вырабатывают энзимы, такие как дегалогеназа и оксигеназа, которые позволяют ускорить процесс деградации.  Проводятся исследования, выясняющие, могут ли ароматические и хлорированные алифатические соединения подвергаться воздействию фитодеградации.

Фитостабилизация

Фитостабилизация - это явление выделения растениями химических соединений для перевода загрязняющих веществ в менее подвижную форму на стыке корней растений и грунта.

Фитостабилизация может применяться для очищения грунта от металлов, пестицидов, растворителей, взрывчатых веществ, нефти-сырца, ПАУ и фильтрата свалок. 

Некоторые виды растений могут аккумулировать металлы в своих корнях.  Их можно высаживать для очищения сточных вод от металлов. Растения можно убирать по мере накопления металлов в корнях. 

Растения, которые являются гипераккумуляторы тяжелых металлов, способны извлекать и аккумулировать большое количество металлических загрязняющих примесей.

В настоящее время изучается способность деревьев удалять загрязняющие органические вещества из грунтовых вод, переносить, транспирировать и, возможно, превращать их в СО2 или в растительную ткань.

 Ограничивающие факторы:

• Глубина восстанавливаемого грунта определяется в соответствии с растениями, используемыми для фиторемедиации.  Данный метод применяется только в неглубоких почвах. 
• Высокая концентрация опасных материалов может быть токсичной для растений. 
• Ограниченные возможности по переносу вещества, характерные для других методов биоочистки, так же типичны и для этого метода.  
• Использование метода может носить сезонный характер в зависимости от региона. 
• Загрязняющие вещества могут переноситься из одного носителя в другой, например, из почвы в воздух. 
• Метод неэффективен в отношении глубоко  (например, ПХБ) и слабо сорбированных загрязнителей. 
• Не всегда имеются сведения об уровне токсичности и биодоступности продуктов биодеградации. 
• Продукты могут быть сконцентрированы в грунтовых водах или аккумулированы животными. 
• Метод до сих пор используется для демонстрационных целей. 
• Регулирующие органы мало знакомы с этим методом. 

Более подробную информацию можно найти на сайте https://www.afcee.brooks.af.mil/er/ert/phytorem.htm.

 

2  Химико-физическая insitu обработка почвы, осадочных отложений, подпочвы и шлама

2. 4  Химическое окисление

В результате химической реакции окисления опасные загрязняющие вещества превращаются в неопасные или менее токсичные соединения, которые являются более устойчивыми, менее мобильными и (или) инертными.

К наиболее часто используемым сегодня химическим окислителям относятся пероксиды, озон и перманганат.  Эти окислители могут обеспечить быструю и полную химическую деструкцию многих токсичных органических химических веществ. Другие органические вещества подвергаются частичной деградации для последующей биоремедиации.  В целом, окислители демонстрировали высокие результаты обработки (например, > 90%) в отношении непредельных алифатических углеводородов (таких как трихлорэтилен) и ароматических соединений (таких как бензол) при высокой скорости реакции (90% превращения за несколько минут).  Применение данного метода в реальных условиях однозначно показало, что залогом успешного достижения целей очистки является точное соответствие окислителя и in situ системы подачи конкретным загрязнителям, в отношении которых ведется работа по очищению, а также условия на самой площадке. 

 Добавление озона (озонация)

Газообразный озон может окислять загрязнители прямым воздействием или путем образования гидроксильных радикалов.  Аналогично пероксиду водорода, реакции с участием озона проходят наиболее эффективно в системах с кислым ph-фактором.  Реакция окисления происходит очень быстро и соответствует псевдо-реакции первого порядка.  Из-за высокой реакционной способности и нестабильности озона О3 производится на месте. При этом необходимо, чтобы места подачи располагались близко друг к другу (например, рекомендуется применение скважины для воздушного барботирования).  Расщепление озоном in situ может обеспечить более успешное окисление и биостимуляцию.

Пероксид водорода

В результате процесса окисления с применением жидкого пероксида водорода (H2O2) в присутствии природного или дополнительно введенного двухвалентного железа (Fe+2) происходит реакция Фентона, и образуются свободные гидроксильные радикалы (OH-). Сильные, неспецифические окислители могут быстро разрушать ряд органических соединений.  Окисление по реакции Фентона происходит наиболее эффективно в очень кислой среде (рН составляет от 2 до 4) и дает слабый эффект при среднем или высоком уровне содержания щелочи.  Реакции происходят очень быстро и являются реакциями второго порядка. 

Перманганат калия

Стехиометрия реакции с применением перманганата калия (обычно жидкого или твердого KMnO4, а также содержащегося в солях Na, Ca, или Mg) в естественных системах является сложной.  В силу своей многовалентности и наличия различных минеральных форм Mn может участвовать во многих реакциях.  Такие реакции протекают медленнее, по сравнению с указанными выше двумя типами реакций, в соответствии с кинетическими характеристиками реакций второго порядка.  В зависимости от уровня рН в процессе реакции может происходить разрушение в результате прямого переноса электрона или усиленного окисления и образования свободных радикалов. Реакции с применением перманганата калия проходят наиболее эффективно при рН, равном 3,5-12.

Скорость и степень разрушения целевого загрязнителя, в отношении которого ведется работа по очищению, зависят от свойств самого химического вещества и его чувствительности к окислению. Важную роль играют также условия матрицы, особенно такие как уровень рН, температура, концентрация окислителя и концентрация прочих веществ, потребляющих окислитель, таких как природные органические вещества и восстанавливаемые минералы, а также карбонаты и другие ловушки свободных радикалов.  Учитывая сравнительно беспорядочный и быстрый характер реакции окислителей с восстанавливаемыми веществами, важно правильно выбрать метод подачи и распространения вещества по грунтовым слоям.   Для подачи окислителей часто используются вертикальные или горизонтальные инъекционные скважины и барботаж в сочетании с усиленной адвекцией для быстрой подачи окислителя в грунт. 

Перманганат калия сравнительно более стабилен и устойчив в грунте и поэтому может переноситься в результате диффузионных процессов.  Важно также учитывать степень воздействия процесса окисления на систему.  Все указанные три типа окисления могут привести к снижению уровня рН при отсутствии эффективного буфера.  К другим потенциальным последствиям процесса окисления относятся: коллоидные образования, ведущие к снижению уровня проницаемости; мобилизация адсорбированных, взаимозаменяемых и редокс-чувствительных металлов; возможное формирование токсичных побочных продуктов; выделение тепла и газа; и биологические нарушения.

Ограничивающие факторы:

• Необходимость работать с большим объемом опасных окислителей из-за того, что процесс получения конечных органических химических веществ требует применения окислителей, а окислители поглощаются неэффективно. 
• Некоторые загрязняющие вещества, в отношении которых ведутся очистные работы, устойчивы к окислению. 
• Существует вероятность негативного воздействия в результате процесса. Продолжаются исследования и разработки, направленные на научное и техническое развитие процесса окисления in situ, а также повышение эффективности затрат процесса в целом. 

Процесс окисления in situ является технологией восстановления, которая может успешно применяться для проведения массовой очистки очагов загрязнения или шлейфа загрязняющих веществ.  К потенциальным преимуществам in situ  окисления относится быстрое и разнообразное реакционное взаимодействие с различными целевыми загрязнителями. При этом такие реакции могут использоваться в отношении многих биологически стойких органических веществ и при разных характеристиках грунта.   Кроме того процесс in situ  окисления может быть адаптирован к местным условиям и проводиться при наличии относительно простого, легкодоступного оборудования. Существуют и некоторые ограничивающие факторы, включая необходимость работы с большим объемом опасных окислителей и неэффективное поглощение окислителей; некоторые виды целевых загрязнителей устойчивы к окислению; и существует вероятность негативного воздействия процесса. Продолжаются исследования и разработки, направленные на научное и техническое развитие процесса окисления in situ, а также повышение эффективности затрат процесса в целом.

2.5 Электрокинетическое разделение

Процесс электрокинетического разделения (ЭР) позволяет удалять металлы и загрязняющие вещества органического происхождения из грунта с низкой проницаемостью, участков почвы с большим скоплением грязи, шлама, а также донных отложений. ЭР производится с применением электрохимических и электрокинетических процессов для десорбции и дальнейшего удаления металлов и полярных органических веществ.  Данная технология обработки почвы in situ главным образом является методом отделения и удаления загрязняющих веществ из грунта.

Принцип действия технологии ЭР заключается в использовании слабого постоянного тока, пропускаемого через грунт между керамическими электродами, разделенными на катодный и анодный ряды.  В результате заряженные частицы мобилизуются, и ионы вместе с водой начинают двигаться по направлению к электродам. Ионы металлов, ионы аммония и положительно заряженные органические соединения движутся к катоду. Такие анионы, как хлорид, фторид, нитрат и отрицательно заряженные органические соединения движутся к аноду.  В результате процесса у анода образуется кислая среда, а у катода - основная.  Создание такой кислой среды in situ позволяет мобилизовать абсорбированные металлы для их перемещения в систему сбора на катоде.

Перемещение загрязнителей через грунт к одному или другому электроду производится с помощью двух основных механизмов: электромиграции и электроосмоса.  В процессе электромиграции заряженные частицы перемещаются через субстрат.  А в процессе электроосмоса, напротив, жидкость с ионами направляется к поверхности с покоящимся зарядом.  Из данных двух процессов электромиграция является основным механизмом электрокинетического разделения. Направление и скорость движения ионных частиц будет зависеть от заряда (как в отношении амплитуды, так и в отношении полярности), а также от величины скорости потока, вызванного процессом электроосмоса.  Неионные частицы (органические и неорганические) будут также перемещены потоком воды, вызванным процессом электроосмоса.

При электрокинетической очистке грунта используются следующие два подхода:  «усиленное удаление» и «очистка без удаления».

При «усиленном удалении» в результате электрокинетического процесса загрязняющие вещества перемещаются к поляризованным электродам для их сбора и дальнейшего удаления в условиях ex-situ. Загрязнители могут быть удалены с электрода одними из следующих способов: гальванопокрытие; осаждение или совместное осаждение на электродах; подача воды к электродам под давлением; или с применением ионообменных смол. Метод усиленного удаления широко применяется при восстановлении грунтов, загрязненных металлами.

При «очистке без удаления» в результате электроосмотического процесса загрязняющие вещества перемещаются через зоны обработки, расположенные между электродами.  Полярность электродов периодически чередуется, что меняет направление движения загрязняющих частиц в пределах зон обработки.  Частота смены полярности электродов определяется скоростью перемещения загрязняющих веществ через слои почвы.  Такой подход можно использовать при in situ очистке почв, загрязненных органическими веществами.

Электрокинетические методы очистки применяются к тяжелым металлам, анионам и полярным органическим веществам, содержащимся в почве, на участках с большим скоплением грязи, шлама, а также при очистке донных отложений.  Концентрация веществ, подлежащих обработке, может варьироваться от нескольких частиц на миллион (ч/млн) до десяток тысяч ч/млн.  Электрокинетический процесс чаще всего используется при реабилитации грунтов с низкой проницаемостью. К таким грунтам, как правило, относятся насыщенная и частично насыщенная глина, а также смеси ила и глины, которые с трудом поддаются осушению.

Ограничивающие факторы:

• Эффективность метода резко сокращается в отношении отходов с уровнем влажности менее 10%.  Максимальная эффективность достигается при влажности 14-18%. 
• Присутствие в почве металлов или изоляционных материалов приводит к изменению электропроводности почвы. Поэтому рекомендуется определять природную, геологическую, пространственную изменчивость почвы.   Кроме того, данная технология будет неэффективной на участках с залежами высокой электропроводности (например, залежи руды). 
• Необходимо применение инертных электродов (таких как углерод, графит или платина), чтобы предотвратить проникновение остатков в обработанные грунтовые массы.  Металлические электроды могут раствориться в результате процесса электролиза, и в почву могут поступить агрессивные продукты. 
• Электрокинетика наиболее эффективна на глинистых участках благодаря отрицательному поверхностному заряду глинистых частиц.    Однако поверхностный заряд глины изменяется под влиянием заряда рН порового флюида и в результате адсорбции загрязняющих веществ.  Экстремальные рН-показатели на электродах и окислительно-восстановительные изменения, вызванные реакциями на электродах, могут снизить эффективность процесса, в то время, как кислая среда (низкий рН) может способствовать удалению металлов. 
• В результате окислительно-восстановительных реакций могут образовываться нежелательные продукты (например, газообразный хлор). 

2.6 Разрыв

Разрыв - передовая технология, разработанная для повышения эффективности других in situ технологий, применяемых в сложных грунтовых условиях.  За счет разрыва достигается расширение и увеличение уже имеющихся щелей, а также образуются новые изломы в основном в горизонтальном направлении.  По завершении процесса разрыва пласт подвергается паровой экстракции. Почвенная паровая экстракция проводится или путем применения вакуума на всех скважинах, или путем экстракции только на определенных скважинах, в то время как другие скважины остаются закрытыми или используются для пассивного подвода или нагнетания воздуха.  Технологии, обычно применяемые для разрыва грунта, включают пневматический разрыв (ПР), разрыв грунта взрывом и процесс LasagnaTM.

Разрыв грунта взрывом 

Разрыв грунта взрывом - это процесс, используемый на участках с трещиноватыми скальными формированиями.  В результате детонации взрывчатых веществ в буровых скважинах образуются зоны с большим процентом разрушения. Это приводит к повышению производительности скважин, гидропроводности и формированию зон захвата. 

 Процесс LasagnaTM

LasagnaTM - это интегрированная in situ технология восстановления, основанная на совместном использовании процесса электроосмоса и зон обработки, внедренных непосредственно в загрязненный грунт.  При осуществлении процесса LasagnaTM используется метод гидроразрыва для создания зон сорбции/разрушения в подповерхностных слоях грунта.

Пневматический разрыв (ПР)

Процесс пневматического разрыва осуществляется путем бурения специальных скважин в загрязненной вадозной зоне. Такие скважины остаются открытыми (необсаженными) почти по всей их глубине.  Используется пакерная система для изоляции небольших интервалов (0,6-1 м) для того, чтобы можно было проводить в интервале короткие взрывные удары (примерно 20 сек) сжатого воздуха (менее 10,300 мм рт.ст.) для разрушения пласта.  Процесс повторяется на каждом интервале по всей глубине загрязненного участка.  

Метод разрыва применяется ко всем группам загрязняющих веществ в целом, без выделения определенной целевой группы.  Данная технология используется для разрушения почв, состоящих из ила, глины, сланца и подпочвы.

 Ограничивающие факторы:

• Технологию не следует применять в зонах повышенной сейсмической активности. 
• В неглинистых почвах трещины закрываются.  
• Требуется проведение дополнительных работ, чтобы выяснить, не находятся ли под землей коммунальные сети, какие-либо объекты или скрытый свободный (обезвоженный) углеводородный продукт. 
• Существует вероятность образования новых путей для нежелательного распространения загрязняющих веществ (например, плотных жидкостей, находящихся не в водной фазе). 

2.7 Промывка почв

In situ промывка почв - это метод выделения загрязняющих веществ из почвы с помощью воды или другого соответствующего водного раствора.  Промывка почв осуществляется путем подачи промывочной жидкости в почву in situ методом инъекции или фильтрации.  Промывочную жидкость необходимо извлечь из водоносного слоя и по возможности использовать повторно.

Применение совместных растворителей

Промывка почв совместным растворителем производится за счет инъекции смеси растворителя (например, смеси воды и совместимого органического растворителя, такого как спирт) в вадозную зону или в зону насыщения (или и в ту, и в другую) для выделения органического загрязнителя.  Данный метод может применяться в почвах для растворения источника загрязнения или распространяющегося от него шлейфа загрязняющих веществ.  Смесь растворителей обычно вводится сверху-вниз по глубине грунта, а растворитель с растворенными загрязняющими веществами выводится на поверхность, где подвергается очистке. 

Может потребоваться дополнительная обработка извлеченных подземных вод и промывочной жидкости, содержащей выделенные загрязняющие вещества, для соответствия стандартам качества для отводимых сточных вод. Такую обработку следует проводить до повторного применения жидкости или ее поступления в местное государственное предприятие по очистке сточных вод или водоприемник.  Извлеченные жидкости следует максимально повторно использовать в процессе промывки.  Отделение ПАВ от извлеченной промывочной жидкости (для ее дальнейшего повторного использования) является основным фактором затрат процесса промывки почвы.  В результате обработки извлеченной жидкости выделяются шлам и твердые остатки, такие как отработавший уголь и отработавшая ионообменная смола, которые следует должным образом обработать перед их дальнейшей реализацией.  Летучие загрязняющие вещества, поступающие  в воздух из извлеченной промывочной жидкости, необходимо должным образом собирать и обрабатывать для соблюдения требований соответствующих стандартов.  Остаточные примеси в почве могут стать причинами проблем, поэтому их следует рассматривать отдельно по каждому участку. 

По продолжительности процесс промывки относится в основном к краткосрочным и среднесрочным процессам.

Целевую группу загрязняющих веществ метода промывки почв составляют неорганические вещества, включая радиоактивные загрязнители. Данная технология может использоваться для очистки от летучих органических соединений, полулетучих органических соединений, топлива и пестицидов. Однако в отношении таких групп загрязнителей данная технология будет менее эффективна с точки зрения затрат, по сравнению с другими альтернативными методами.  Для повышения эффективной растворимости некоторых органических соединений можно дополнительно использовать экологически безопасные ПАВ. Тем не менее промывочный раствор может привести к изменению физических или химических свойств почвенной системы.   Данная технология открывает возможности для очищения грунта от металлов и позволяет мобилизовать большой спектр органических и неорганических загрязнителей в крупнозернистой почве.

Ограничивающие факторы:

• Грунт с низкой проницаемостью или неоднородный грунт сложно поддается обработке. 
• ПАВ могут налипнуть на элементы почвы и снизить эффективную пористость почвы.  
• Реакции между промывочной жидкостью и почвой могут снизить мобильность загрязнителя. 
• Регулирующие органы обеспокоены возможностью промывки за пределами зон захвата, а также применением ПАВ в подпочвенном слое.  Данную технологию следует применять только в тех случаях, когда удаленные в результате промывки загрязнители и промывочная жидкость могут быть удержаны и захвачены. 
• Факторами затрат данного метода может стать процесс надземной сепарации и обработки. 

2.8 Технология почвенной паровой экстракции

Технология почвенной паровой экстракции (ППЭ) - это технология восстановления почв ненасыщенной (вадозной) зоны путем введения вакуума в почву для создания контролируемого потока воздуха и удаления из почвы летучих и полулетучих загрязняющих веществ. Выделяющийся из почвы газ можно обрабатывать, чтобы извлечь или разрушить загрязняющие вещества в зависимости от требований региональных или национальных норм сброса. Вертикальные вытяжные отверстия обычно используются на глубине 1,5 м или больше. Но они успешно используются и на глубине до 91 м.  Горизонтальные вытяжные отверстия (в местах траншей или горизонтальных скважин) могут использоваться с учетом геометрии зоны загрязнения, доступа буровой установки или других особых факторов, характерных для участка.

На поверхности грунта часто устанавливается геомембрана для предотвращения короткого замыкания и увеличения радиуса влияния скважин.

С помощью депрессионного насоса можно сократить подъем грунтовых вод в результате нагнетания вакуума или увеличить глубину вадозной зоны.  Инъекция воздуха эффективна при устранении глубинных загрязнений, загрязнений в грунте с низкой проницаемостью, а также загрязнений в насыщенной зоне (см. п. 4.32 Описания технологии чистки «Воздушный барботаж»).

С точки зрения срока осуществления и обслуживания технология почвенной паровой экстракции (ППЭ) in situ относится к среднесрочным и долгосрочным технологиям.

Метод ППЭ in situ можно применять в отношении летучих органических соединений и некоторых видов топлива.  Данная технология обычно применяется только в отношении летучих соединений при константе Генри выше 0,01 или давлении паров выше 0,5 мм рт.ст.  На эффективность ППЭ in situ будут также влиять и другие факторы, такие как содержание влаги, содержание органических веществ, а также воздухопроницаемость почвы.  Технология ППЭ in situ не позволяет удалять тяжелые масла, металлы, ПХБ или диоксины.  Поскольку процесс подразумевает прохождение непрерывного потока воздуха через почву, в результате процесса может также происходить in situ биохимическое разложение присутствующих органических соединений с низким содержанием летучих веществ.

Требуется проведение опытных исследований в реальных условиях для подтверждения целесообразности применения данного метода и получения необходимой информации для разработки и формирования соответствующей системы.  В производственных условиях in situ технологию ППЭ можно осуществлять с перерывами (в импульсном режиме) после того, как показатель интенсивности удаления извлеченной массы достигнет асимптотического уровня.  Импульсный режим работы может повысить эффективность системы с точки зрения затрат за счет повышения концентрации выделяемых загрязняющих веществ.  После удаления загрязняющих веществ методом in situ ППЭ можно изучить возможность применения других восстановительных мер (таких как биохимическое разложение), если цели мероприятий по рекультивации не были достигнуты.  Средний срок выполнения проектов по технологии in situ ППЭ - 1-3 года.

Ограничивающие факторы:

• Почвы с комками и высокой  степенью насыщения требуют применения вакуума в большем объеме (что ведет к повышению затрат)  и(или) затрудняют применение технологии in situ ППЭ. 
• Для почв с крайне изменчивым показателем проницаемости или слоистости контролируемые интервалы работы добывающих скважин должны быть большими. В противном случае газ из загрязненных участков может поставляться неравномерно.  
• Почвы с высоким содержанием органических веществ или чрезвычайно сухие почвы имеют высокую способность сорбировать летучие органическое вещества, что снижает интенсивность удаления загрязняющих веществ. 
• Воздух, выпускаемый в процессе работы системы in situ ППЭ, может потребовать дополнительной обработки, чтобы он стал безопасным для населения и окружающей среды.  
• После обработки отходящих газов может потребоваться обработка (удаление) остаточных жидкостей. Однозначно потребуется восстановление или удаление использованного активированного угля. 
• Метод ППЭ неэффективен в насыщенной зоне. Однако при снижении уровня горизонта грунтовых вод метод ППЭ может найти более широкое применение (такой подход может разрешить проблему, связанную с легкой неводной жидкостью).

 

2.9 Метод отверждения/стабилизации

 

Метод отверждения/стабилизации (О/С) снижает мобильность опасных и загрязняющих веществ в окружающей среде с помощью физических  химических процессов.  В отличие от других технологий рекультивации метод О/С направлен на то, чтобы ограничить или прекратить движение загрязняющих веществ в среде их распространения (например, в почве, песчаной почве и(или) строительных материалах, в которых они содержатся), а не на их удаление за счет химических или физических процессов.  Оценка подвижности загрязняющих веществ обычно производится с помощью тестирования растворимости грунта.  Методы О/С могут использоваться отдельно или в сочетании с другими методами очистки или удаления загрязняющих веществ для получения продукта или материала, пригодного для утилизации или (в ряде случаев) для дальнейшего использования.  Данные методы используются как конечные или промежуточные восстановительные мероприятия.

Методы О/С осуществляются с применением бурового снаряда (или системы кейсона) и распылительных устройств.  С помощью данных систем в почву добавляются специальные отвердители (стабилизаторы) для ограничения или прекращения движения загрязняющих веществ. 

Нижний барьер представляет собой горизонтальный барьер в подпочвенном слое, предотвращающий вертикальную миграцию загрязнителей за счет создания слоя непроницаемого материала под слоем отходов.  Для создания нижнего барьера с закачкой цементного раствора производится наклонно-направленное бурение с усиленным нагнетанием цементного раствора.  Применение данной технологии во многом зависит от физических свойств почвы.

In situ витрификация является еще одним процессом О/С, в котором используется электрический ток для расплава грунта или грунтовых материалов при очень высокой температуре (1 600 — 2 000 °C), и таким образом достигается иммобилизация почти всех неорганических веществ и разрушение органических загрязняющих веществ за счет процесса пиролиза.  Загрязняющие вещества неорганического происхождения превращаются в стеклообразную и кристаллическую массу.   Водяной пар и органические продукты пиролизного горения собираются в камере, через которую загрязняющие вещества поступают в систему обработки отходящих газов, где твердые частицы и другие загрязнители удаляются из газа.  Продукт витрификации представляет собой химически устойчивый, устойчивый к выщелачиванию, стеклообразный или кристаллический материал, аналогичный вулканическому стеклу или базальтовой породе.  В результате данного процесса происходит разрушение и(или) удаление органических материалов.  Радионуклиды и тяжелые металлы остаются в расплавленном грунте. 

По продолжительности осуществления процесса технология О/С относится к краткосрочному и среднесрочному процессу, в то время как in situ витрификация считается краткосрочным методом.

In situ О/С метод в основном проводится в отношении органических веществ (в том числе радионуклидов).  Применение бурового снаряда (или системы кейсона) и распылительных устройств снижает эффективность метода в отношении полулетучих органических соединений и пестицидов и делает его совершенно неэффективным в отношении летучих органических соединений. Но в настоящее время ведутся работы по проектированию и испытанию более эффективных систем для обработки органических веществ.

Процесс in situ витрификации может привести к разрушению или удалению органических веществ и к неподвижности многих неорганических веществ в загрязненной почве, шламе или других грунтовых материалах.  Процесс был протестирован на разных летучих и полулетучих органических веществах, других группах органических веществ, включая диоксины и ПХБ, и почти на всех основных загрязняющих металлах и радионуклидах.

Есть несколько случаев применения метода in situ витрификации на коммерческих условиях.  Процесс in situ витрификации использовался при проведении испытаний и для демонстрационных целей в рамках пилотных и полноценных проектов на следующих объектах: (1) полигон компании Geosafe Corporation, (2) Hanford Nuclear Reservation при Министерстве энергетики, (3) государственная лаборатория  Oak Ridge National Laboratory при Министерстве энергетики и (4) Государственная техническая лаборатория штата Айдахо (Idaho National Engineering Laboratory) при Министерстве энергетики. Было проведено более 170 испытаний разного масштаба в отношении разных групп отходов в почве и шламе.  Демонстрация процесса будет проводиться на базе объектов Parsons/ETM в городе Гранд Ледж (штат Мичиган), где в настоящее время ведется эксплуатация данного процесса.

В относительно однородных почвах глубина процесса достигала 6 м.  Глубина процесса сокращается в неоднородном грунте. 

Ограничивающие факторы:

• Глубина залегания загрязняющих веществ может ограничивать применение некоторых методов очистки.
• Выбор материалов и дальнейшая возможность поддерживать обездвиженное состояние загрязняющих веществ зависят от дальнейшего применения участка. 
• Некоторые процессы приводят к значительному увеличению объема (в ряде случаев объем может увеличиться в два раза).
• Некоторые виды отходов несовместимы с данным методом.  Как правило, требуется предварительное изучение возможности очистки. 
• Процесс подачи реагентов и их эффективное комбинирование происходит сложнее, чем в методах ex situ. 
• Как и во всех остальных процессах in situ, подтверждающий отбор проб производится сложнее, чем в методах ex situ.
• Затвердевшие материалы могут затруднить дальнейшее использование участка. 
• Для проведения очистки на уровне, ниже  уровня горизонта грунтовых вод, может потребоваться проведение осушки.

 

3. Термическая insitu обработка почвы, осадочных отложений, подпочвы и шлама

3.10 Термическая обработка

Процесс ППЭ с воздействием тепла является полновесной технологией, которая применяет различные методы нагревания для усиления испарения полулетучих соединений и ускорения процесса выделения. К таким методам нагревания относятся электрическое сопротивление, электромагнитное нагревание, нагрев оптического волокна, нагревание токами высокой частоты, нагревание горячим воздухом или паром.  В остальном процесс идентичен стандартному процессу ППЭ, но требует применения термостойких добывающих скважин.

По продолжительности осуществления технология ППЭ с воздействием тепла, как правило, относится к краткосрочным и среднесрочным методам.

 Нагрев электрическим сопротивлением

При нагреве электрическим сопротивлением используется электрический ток для нагревания грунтов с низкой проницаемостью, таких как грунты с высоким содержанием глины и мелкозернистые осадки. В результате нагревания вода и загрязняющие вещества, находящиеся в такой относительно проводящей среде, испаряются, что позволяет проводить дальнейшую вакуумную экстракцию.  Электроды помещают непосредственно в матрицу низкопроницаемой почвы и затем приводят в действие. Таким образом, электрический ток проходит через грунт и создает сопротивление, благодаря которому происходит нагрев почвы.  В результате нагрева почва осушается, и образуются трещины.  Благодаря таким трещинам проницаемость почвы увеличивается, что позволяет далее использовать метод ППЭ для удаления загрязняющих веществ.  В результате нагрева почвы электрическим сопротивлением происходит испарение задержанных жидкостей. Пары таких жидкостей направляются в паровую зону для дальнейшей обработки методом ППЭ.  Шестифазное нагревание почвы является обычным методом нагревания электрическим сопротивлением с помощью низкочастотного электрического тока, поступающего на шесть электродов круговой решетки для нагревания почвы.  В ходе процесса повышается температура почвы и нагревающих веществ, что приводит к повышению давления паров загрязнителей и увеличению интенсивности удаления загрязняющих частиц.  Метод шестифазного нагревания также приводит к образованию пара в условиях in situ для извлечения загрязнителей из почвы.    На сегодняшний день, данный метод проводится только в демонстрационных целях, а в крупных in situ проектах используют метод трехфазного нагревания.

 Нагревание токами высокой частоты/Электромагнитное нагревание

Нагревание токами высокой частоты - это in situ метод нагревания почвы, при котором почва нагревается с помощью энергии электромагнитного поля, и усиливается процесс почвенной паровой экструкции.  С помощью данного метода почва нагревается в определенных местах за счет применения выстроенных в ряд вертикальных электродов, размещенных в непосредственно в грунте. Вокруг участков нагревания прокладывается два ряда заземляющих электродов, при этом электричество подается на третий ряд, расположенный между этими двумя рядами.  Данные три ряда вместе работают как подземный трехпластинчатый конденсатор. При подаче электричества на электродную матрицу нагревание начинается в верхней центральной части и распространяется вниз по вертикали и в сторону по грунту.  Применение данной технологии позволяет нагревать почву до температуры выше 300 °C. 

Метод нагревания токами высокой частоты позволяет повысить эффективность процесса ППЭ в следующих четырех направлениях:  (1) давление и температуропроводность паров загрязняющих веществ увеличивается при нагревании, (2) проницаемость почв повышается за счет ее осушения, (3) повышается летучесть загрязняющих веществ при in situ десорбции водяным паром, (4) снижается уровень вязкости, что приводит к повышению подвижности.   Технология является самоограничивающейся: по мере нагревания и осушки почвы подача электрического тока затрудняется.  Выделяющиеся испарения могут быть дополнительно обработаны разными известными методами, например, методом адсорбции гранулированным активированным углем или сжиганием.

Нагнетание горячего воздуха или пара

Горячий воздух или пар нагнетается на уровне, ниже зоны загрязнения, для того, чтобы нагреть почву.  При нагревании усиливается выделение загрязняющих веществ из матрицы почвы.  Некоторые летучие и полулетучие органические соединения выделяются из зоны загрязнения и переносятся на поверхность с помощью технологии почвенной паровой экстракции.

Высокая влажность является лимитирующим фактором стандартного процесса ППЭ, и дополнительное нагревание позволяет устранить данный фактор.  Нагревание (особенно нагревание токами высокой частоты и электрическим сопротивлением) может усилить движение воздуха во влажных почвах за счет испарения влаги.  Данная система разработана специально для полулетучих органических соединений, но также может применяться и в отношении летучих органических соединений. Технологии ППЭ с компонентом нагревания также эффективны и в отношении некоторых видов пестицидов и топлива в зависимости от температуры нагрева, достигаемой в системе.  В результате данного процесса поверхностные слои почвы становятся идеально подготовленными для биохимического разложения остаточных загрязняющих веществ.

Процессы ППЭ с применением нагревания значительно отличаются друг от друга, поэтому их следует изучать по отдельности для получения более подробной информации.  Поскольку ППЭ с компонентом нагревания является in situ технологией, а все загрязнители находятся в вакууме во время самого процесса, вероятность распространения загрязняющих веществ значительно снижается.

Так же как и для методов ППЭ, успех проектов восстановления грунта, основанных на ППЭ с применением нагревания, во многом зависит от индивидуальных химических свойств загрязненной среды и свойств грунта.   Для очистки стандартного участка с объемом загрязненной среды в 18 200 метрических тонн (20 000 тонн) потребуется приблизительно 9 месяцев.

Ограничивающие факторы:

• Обломочные породы и материалы или большие по размеру объекту, которые могут встретиться в слоях грунта в загрязненной среде могут осложнить проведение процесса.  
• Эффективность выделения некоторых загрязняющих веществ зависит от максимальной температуры, достигаемой при используемом методе. 
• Плотные или влажные почвы обладают низкой воздухопроницаемостью, что затрудняет применение ППЭ с компонентом нагревания и требует больше энергии для выработки вакуума и повышения температуры. 
• В почве с крайне изменчивым показателем проницаемости газ в загрязненные участки может поставляться неравномерно.
• Почвы с высоким содержанием органических веществ имеют высокую способность сорбировать летучие органическое вещества, что снижает интенсивность удаления загрязняющих веществ.
• Воздух, выпускаемый в процессе работы системы,  может потребовать дополнительной обработки, чтобы сделать его безопасным для населения и окружающей среды. Процесс очищения воздуха и соблюдение норм ведет к возникновению дополнительных затрат.
• Может потребоваться дополнительная обработка остаточных жидкостей и использованного активированного угля. 
• Метод ППЭ с применением нагревания неэффективен в насыщенной зоне. Однако при снижении уровня водоносного слоя метод ППЭ может найти более широкое применение (такой подход может разрешить проблему, связанную с легкой неводной жидкостью).
• Метод нагнетания горячего воздуха имеет ограничения в применении из-за низкой теплоемкости воздуха. 

 

4. Биологическая exsitu очистка почвы, осадочных отложений, подпочвы и шлама

4.11 Технология формирования штабелей

Очистка почвы путем формирования земляных штабелей (куч) является комплексной технологией. При осуществлении данного метода вынутый грунт смешивают с почвоулучшителем и укладывают в зоне очистки, которая оборудована системой сбора щелочных отходов и подачи воздуха.  Данный метод используется для снижения содержания нефтяных компонентов в вынутом грунте за счет процесса биологического разложения.  Процесс биодеградации может быть ускорен за счет регулирования уровня влажности, тепла, нутриентов, кислорода и рН.

Зона очистки отделяется непроницаемым слоем для максимального снижения риска проникновения загрязняющих веществ в незагрязненные участки почвы.  Полученные в результате дренажа испарения можно очистить в биореакторе перед тем, как выпустить их в окружающую среду. Были разработаны специальные составы нутриентов, добавок и соответствующие методы внедрения этих составов в почву для ускорения процесса биодеградации. Состав таких смесей, как правило, определяется для каждого участка отдельно в зависимости от его характеристик. 

Под земляными кучами, в грунте,  обычно устанавливается система распределения воздуха для нагнетания воздуха в грунт с помощью вакуума или принудительного давления. В таких случаях высота кучи может достигать максимум 2-3 м (не больше).  Сверху земляные кучи покрывают полиэтиленом для предотвращения обрушения и испарения, а также для эффективного использования естественного солнечного нагрева.  Если в почве могут быть летучие органические соединения, которые могут попасть в воздух вместе с парами, то такие пары можно также подвергнуть очистке, чтобы удалить или разрушить летучие органические соединения до того, как пары попадут в атмосферу.

Метод формирования земляных куч относится к краткосрочным технологиям.  Продолжительность его осуществления может составлять от нескольких недель до нескольких месяцев.  К альтернативным методам очистки относятся такие статические процессы, как формирование залежей, земляных камер и куч для биоочистки почвы, а также компостирование.

Метод формирования земляных куч используется для очистки грунта от негалогенированных летучих органических соединений и углеводородного топлива. Он также может применяться и в отношении галогенированных  летучих и полулетучих  органических соединений и пестицидов, но при этом может меняться степень эффективности процесса, и процесс может применяться только в отношении определенных соединений данной группы загрязняющих веществ.

 Ограничивающие факторы:

• Требуется извлечение грунта.
• Требуется проведение тестирования на предмет возможности очистки. Тестирование проводится, чтобы выяснить, будет ли метод эффективен в отношении определенных загрязнителей, а также определить соответствующий уровень окисления и нагрузки по питательным веществам. 
• Твердофазные процессы могут быть неэффективными в отношении галогенированныхсоединений и малоэффективными при разрушении продуктов трансформации взрывчатых веществ. 
• Для формирования отсеков одинакового размера требуется больше времени, чем для осуществления жидкофазных процессов. 
• В результате статического процесса почвенный слой может быть менее однородным по сравнению с процессами, требующими периодического смешивания. 

4.12. Компостирование

Компостирование - контролируемый биологический процесс превращения органических загрязняющих веществ (например, полициклических ароматических углеводородов) микроорганизмами (в аэробных и анаэробных условиях) в безвредные, стабильные побочные продукты.   Как правило, для обезвреживания почвы, загрязненной опасными веществами органического происхождения, методом компостирования требуется поддержания температуры на уровне 54-65 °C.  Высокий уровень температуры достигается за счет тепла, вырабатываемого микроорганизмами при разрушении органических отходов.  Обычно такой эффект достигается благодаря использованию местных микроорганизмов. Грунт извлекается и перемешивается с агентом-наполнителем и органическими материалами (такими как древесная стружка, навоз и растительные отходы), чтобы усилить воздухопроницаемость смеси.  Максимальный эффект разложения достигается при поддержании постоянного процесса окисления (например, при ежедневном перемешивании компоста), орошении в случае необходимости, а также постоянном отслеживании уровня влажности и температуры.

Существует три способа компостирования: вентилируемый статический компост в штабелях (формируются компостные штабели; вентиляция обеспечивается с помощью вентиляционных установок или вакуумных насосов); компостирование в закрытых реакторах с механическим помешиванием (компост помещается в реактор, где его соединяют с реагентами и периодически перемешивают); и компост в валах (компост укладывается в длинные валы, которые периодически перемешиваются с помощью специального оборудования). Компост в валах считается наиболее эффективным методом с точки зрения затрат.  В то же время, он отличается самым высоким показателем неконтролируемых выбросов загрязняющих веществ в атмосферу. Поэтому, если в почве присутствуют летучие и полулетучие органические соединения, то требуется установить контроль над выделяемыми испарениями.

Процесс компостирования применяется в отношении почв и лагунных отложений, загрязненных органическими веществами, подлежащими биологическому разложению.  Экспериментальные и полномасштабные проекты показали, что за счет применения аэробного и термофильного компостирования можно добиться снижения содержания взрывчатых веществ (ТНТ, гексогена и октогена), пикрата аммония и показателя токсичности до приемлемого уровня.  Аэробное, термофильное компостирование также применяется для обезвреживания почв от ПАУ.  Все материалы и оборудование, необходимые для процесса компостирования, находятся в свободной продаже.

 Компост в валах доказал свою эффективность в отношении очистки грунта от взрывчатых веществ.  Полевые испытания, проведенные Экологическим центром сухопутных войск США (USAEC) и на химическом объекте в Юматилла (UMDA), показали, что за 40 дней процесса уровень ТНТ снизился на 99,7%. При этом большая часть загрязняющего вещества была удалена в течение первых 20 дней.  Максимальные показатели удаления для гексогена и октогена составили 99,8% и 96,8% соответственно.  Метод компоста в валах считается наиболее привлекательным с точки зрения затрат и технического выполнения благодаря низким требованиям к оборудованию и своим высоким показателям очистки.

 Ограничивающие факторы:

• Метод компостирования требует использования больших площадей. 
• Требуется извлечение загрязненного грунта, что может привести к неконтролируемому выделению летучих органических веществ. 
• Компостирование приводит к увеличению массы в объеме из-за добавления органических материалов. 
• Данный метод не действует в отношении тяжелых металлов, хотя и может привести к снижению содержания металлов в грунте за счет разбавления.  Кроме того, многие тяжелые металлы могут оказаться токсичными для микроорганизмов. 

4.13.  Запахивание отходов

Запахивание отходов является полновесной технологией биоремедиации с применением искусственного покрытия и других методов контроля процесса выщелачивания загрязняющих веществ. Процесс включает извлечение грунта и насыпание загрязненной почвы, осадочных отложений или шлама.  Масса загрязненной среды помещается в канавы, которые затем покрываются специальным материалом. Периодически масса перемешивается или вспахивается, чтобы обеспечить подачу воздуха к отходам. 

Ведется постоянный контроль характеристик грунта, чтобы поддерживать оптимальный уровень разложения загрязняющих веществ.  К таким характеристикам относятся:

• Уровень влажности (поддерживается за счет орошения или опрыскивания). 
• Уровень насыщения воздухом (поддерживается за счет вспахивания почвы с определенной регулярностью, при этом грунт перемешивается и насыщается кислородом). 
• рН (поддерживается уровень, близкий к нейтральному, путем добавления известкового щебня или известкового удобрения).
• Другие показатели (например, уровень содержания наполнителя, нутриентов и т.д.).

Обработка загрязненной среды обычно производится на специальных участках высотой до 46 см.   По достижении желаемого уровня очистки, такой материал удаляется, и формируется новый участок для переработки.  В некоторых случаях ограничиваются удалением только верхнего слоя восстанавливаемого грунта. Затем к оставшемуся материалу добавляют новую массу загрязненной среды и все перемешивают.  Такой метод приводит к тому, что в новую партию материала проникают бактериальные культуры, разрушающие загрязняющие вещества. Это позволяет сократить время очистки. 

Вспахивание земли является полновесной технологией биоремедиации почвы, которая предусматривает вспахивание загрязненных участков почвы, осадочных отложений или шлама и позволяет усилить взаимодействие грунта с окружающей средой.  Загрязняющие вещества, грунт, климатические условия и биологические процессы динамично взаимодействуют друг с другом, образуя единую систему разрушения, трансформации и обездвиживания загрязняющих веществ. Вспахивание участка проводится регулярно для подачи воздуха в загрязненный грунт. 

Вспахивание участка должно проводиться правильно, чтобы предотвратить негативные процессы (как на самом участке, так и за его границами), которые могут привести к загрязнению грунтовых и поверхностных вод и воздуха или загрязнению звеньев в цепи питания. Требуется обеспечить соответствующий контроль и принятие мер по защите окружающей среды.

По срокам осуществления методы запахивания и вспахивания относятся к среднесрочным и долгосрочным технологиям.

Метод запахивания еx situ оказался более эффективным в отношении нефтяных углеводородов.  Поскольку более легкие и более летучие углеводороды (такие как газолин) легко обезвреживаются с помощью процессов, использующих их свойство летучести (технология почвенной паровой экстракции), то методы надземной биоремедиации, как правило, применяются только в отношении тяжелых углеводородов.  Как показывает практика, чем выше молекулярный вес (и чем выше число ароматических колец у полициклических ароматических углеводородов), тем ниже интенсивность процесса деградации. Кроме того, чем более хлорированной или нитрированной является смесь, тем сложнее будет проходить процесс разрушения (Примечание:  многие смешанные продукты или отходы имеют в своем составе летучие вещества, которые могут попасть в атмосферу еще до момента их разрушения).

К загрязняющим веществам, которые успешно обезвреживаются с помощью метода запахивания, относятся дизтопливо (№2 и №6), мазут, JP-5, нефтешлам, отходы консервантов древесины (ПХФ и креозот), отходы коксохимического производства и некоторые пестициды.

Были проведены многочисленные полномасштабные операции, особенно в отношении шлама, образованного в результате производственных процессов нефтяной отрасли.   Как и при других методах биологической очистки, в результате запахивания при определенных условиях загрязняющие вещества превращаются в безвредные.  Тем не менее эффективность очистки зависит от типа загрязнителя и его концентрации, типа почвы, уровня температуры, влажности, нагрузки загрязняющих веществ, частоты применения метода, интенсивности подачи воздуха, степени испарения и других факторов.

 Ограничивающие факторы:

• Требуется большой участок земли. 
• Условия, влияющие на процесс биологического разрушения загрязняющих веществ (температура воздуха, выпадение осадков), чаще всего невозможно контролировать, что увеличивает продолжительность процесса восстановления.
• Метод не действует в отношении неорганических загрязняющих веществ.
• Летучие загрязняющие вещества (такие как растворители) должны быть предварительно обработаны, так как они могут попасть в атмосферу и привести к загрязнению воздуха.
• Важным моментом является сбор пыли, особенно во время вспахивания и других важных процессов.
• Необходимо установить средства сбора утечки веществ и контролировать их работу.
• Для правильной разработки проекта участка необходимо изучить такие его характеристики, как топографические условия, уровень эрозии, климатические условия, уровень водопроницаемости и провести стратиграфический анализ почвы.
• Загрязняющие вещества могут входить в число загрязнителей, предусмотренных  нормативно-правовыми нормами, ограничивающими применение технологий очищения (Land Ban), и, таким образом, в отношении них метод запахивания не может быть применен (например, некоторые виды нефтешламов).

4.14 Жидкофазный процесс биологической очистки

Жидкофазный процесс биологической очистки представляет собой контролируемый процесс очистки извлеченного грунта в биореакторе.  Извлеченный грунт сначала превращается в отдельные камни и гравий.  Затем грунт смешивается с водой до определенной концентрации в зависимости от содержания загрязняющих веществ, глубины биодеградации и физических характеристик грунта.  В некоторых процессах сначала проводится промывка грунта для того, чтобы повысить концентрацию загрязняющих веществ. Чистый песок может быть удален, а на дальнейшую биообработку будут направлены загрязненные частицы и промывочная вода.  Как правило, твердые отходы составляют 10-30% общего веса жидкой смеси.

Твердые отходы направляются в реактор, где они смешиваются с нутриентами и кислородом.  В случае необходимости добавляется кислота или щелочь для регулирования уровня рН.  Могут быть добавлены микроорганизмы, если необходимая популяция отсутствует в грунте.  По завершении процесса биодеградации жидкая смесь грунта осушается. Осушение может быть произведено с помощью следующих устройств: отстойники, фильтры нагнетания, вакуумные фильтры, песочные площадки для сушки или центрифуги.

По продолжительности осуществления метод очистки с применением жидкофазного биореактора относится к краткосрочным и среднесрочным процессам.

Технологии биоремедиации успешно применяются для очищения почвы, шлама и осадочных отложений от взрывчатых веществ, нефтяных углеводородов, продуктов нефтехимии, растворителей, пестицидов, консервантов для древесины и других органических химикатов. Биореакторы успешно применяются в технологиях биологической очистки in situ для обработки неоднородных почв, почв с низкой проницаемостью, для осуществления процесса на таких участках, где сбор грунтовых вод затруднен, или в тех случаях, когда требуется провести процесс очистки в более сжатые сроки.

Жидкофазные биореакторы используются для обезвреживания негалогенированных  полулетучих и летучих органических углеродов, находящихся в извлеченных массах грунта или осадочных отложений. Метод применим также и в отношении пиротехнических веществ.

Жидкофазные биореакторы, работающие с применением кометаболитов и специально адаптированных микроорганизмов, используются как в отношении летучих, так и  полулетучих и органических углеродов, пестицидов и ПХБ, находящихся в извлеченных массах грунта или осадочных отложений.

Последовательно работающие анаэробные или аэробные жидкофазные биореакторы применяются для обезвреживания ПХБ, галогенированных полулетучих органических углеродов, пестицидов и пиротехнических веществ, находящихся в извлеченных массах грунта или осадочных отложений.

Ограничивающие факторы:

• Требуется проводить извлечение загрязненной среды (за исключением осуществления процесса в отстойнике).
• Процесс определения объемов материалов до их запуска в реактор может быть сложным и дорогостоящим. Могут возникнуть трудности с обработкой материалов, применяемых в отношении неоднородных и глинистых почв.  Требуется удаление загрязняющих веществ в свободной фазе.
• Процесс осушения частиц грунта после очистки может оказаться дорогостоящим. 
• Требуется подбор подходящего метода дальнейшего использования необработанных сточных вод.

5.  Химико-физическая обработка почвы, осадочных отложений, подпочвы и шлама «ex situ»

5.15 Химическая экстракция

Химическая экстракция не приводит к уничтожению отходов.  Данная технология  является средством для выделения опасных загрязнителей из почвы, шлама и осадочных отложений и сокращения таким образом объема опасных отходов, которые необходимо переработать.  В данной технологии для экстракции используются химический препарат, этим она отличается от технологии промывки почвы, в которой, как правило, используется вода или вода с добавками, повышающими эффективность промывки.  Применяются установки промышленного масштаба. Они отличаются применяемыми химическими препаратами, типами используемого оборудования и методами работы. 

Этапу химической экстракции часто предшествуют этапы физического разделения почвы на крупные и мелкие фракции, так как существует предположение, что мелкие фракции содержат больше  загрязняющих веществ.  Физическое разделение может также улучшить кинетику экстракции в результате выделения фракций тяжелых металлов, если они есть в почве. 

Кислотная экстракция

В качестве экстрагента (извлекателя) может использоваться и кислота. Для извлечения тяжелых металлов из почвы в кислотной экстракции используется соляная кислота. В данном процессе почва сначала просеивается для отделения крупных твердых фракций. Затем в почву с помощью устройства экстракции вносится серная кислота. Продолжительность нахождения в устройстве варьируется в зависимости от вида почвы, загрязняющих веществ, их концентрации, но обычно составляет от 10 до 40 минут. Смесь почвы и экстрагента постоянно выкачивается из смесительной емкости, а почва отделяется от экстрагента с помощью гидроциклонов. 

После завершения экстракции твердые фракции направляются в систему промывки. Твердые фракции промываются водой для удаления кислоты и металлов. Экстрактный раствор и промывная вода восстанавливаются с использованием коммерчески доступных осаждающих реактивов, таких как  гидроксид натрия, известь и другие химические соединения, вместе с  флокулянтом, удаляющим металлы и реформирующим кислоту. Тяжелые металлы сконцентрированы в форме, потенциально удобной для восстановления. На заключительном этапе из почвы удаляется вода, она смешивается с известью и удобрением для нейтрализации остатков кислоты.

Эстракция с помощью растворителя

Экстракция с помощью растворителя представляет собой широко распространенную форму химической экстракции с использованием органических растворителей в качестве экстрагента.  Она часто используется в комбинации с другими технологиями, такими как отверждение/стабилизация, сжигание и промывка почвы в зависимости от конкретных условий участка. В некоторых случаях экстракция с помощью растворителя может применяться как самостоятельная технология. Органически связанные металлы могут извлекаться вместе с целевыми органическими загрязнителями, создавая таким образом отходы, требующие специального обращения.  Следы растворителя могут оставаться в обработанной почвенной основе, поэтому токсичности растворителя следует уделять особое внимание. Прошедшие обработку вещества, как правило, возвращаются на участок, если они отвечают требованиям наилучшей имеющейся продемонстрированной технологии (BDAT) и других стандартов.

Продолжительность операций и обслуживания при химической экстракции является среднесрочной.

Экстракция с помощью растворителя доказала свою эффективность при обработке осадочных отложений, шлама и почвы, содержащих в основном органические загрязняющие вещества, такие как полихлорированные бифенилы (ПХБ), летучие органические соединения (ЛОС),  галогенированные  растворители и нефтяные отходы. Было доказано, что данный процесс применим к выделению органических загрязняющих веществ из лакокрасочных отходов, отходов производства синтетического каучука, отходов каменноугольной смолы, бурового раствора, отходов деревообработки, шлам от перегонки, пестицидных / инсектицидных отходов и нефтесодержащих отходов нефтеперерабатывающего производства.

Кислотная экстракция применима для обработки осадочных отложений, шлама и почвы, содержащих тяжелые металлы.

Ограничивающие факторы:

• Некоторые типы почвы и уровни содержания влаги будет отрицательно влиять на результаты процесса экстракции.
• Высокое содержание глины может снизить эффективность экстракции и увеличить время взаимодействия.
• Органически связанные металлы могут извлекаться вместе с целевыми органическими загрязнителями, что приводит к ограничениям в обращении с полученными отходами.
• Наличие детергентов и эмульгаторов может отрицательно влиять на результаты процесса экстракции.
• Следы растворителя могут оставаться в обработанных почвах, поэтому токсичности растворителя следует уделять особое внимание.
• Как правило, экстракция с помощью растворителя менее эффективна при обработке высокомолекулярных органических веществ и гидрофильных веществ.
  • После кислотной экстракции необходимо нейтрализовать любые кислотные остатки в обработанной почве. 
  • При обработке крупных участков капитальные затраты могут быть относительно высокими, технологии более экономными.
  • Обеспечение соблюдения очень строгих критериев по допустимому содержанию тяжелых металлов (например, процедура California WET)  может оказаться экономически невыгодным. 

5.16. Химическое  окисление /восстановление

Химические окислительно-восстановительные реакции (также редокс)  превращают опасные загрязняющие вещества в неопасные или менее токсичные соединения, которые являются более устойчивыми, менее мобильными и(или) инертными. Реакции редокс заключаются в передаче электронов от одного соединения к другому.  В частности, одно вещество окисляется (теряет электроны), а другое восстанавливается (получает электроны). В качестве окисляющих компонентов, наиболее часто используемых для обработки опасных загрязняющих веществ, применяются озон, перекись водорода, гипохлориты, хлор и диоксид хлора. Химические окислительно-восстановительные реакции относятся к среднесрочным технологиям.

Целевая группа загрязняющих веществ для применения химического редокса представлена неорганическими веществами. Технология может применяться (но, возможно, будет менее эффективной) и к негалогенированным летучим и полулетучим органическим соединениям, топливным углеводородам и пестицидам.

 Ограничивающие факторы:

• В зависимости от загрязняющих веществ и применяемых окисляющих компонентов возможно неполное окисление или формирование промежуточных загрязняющих соединений. 
• Для высокой концентрации загрязняющих веществ процесс не является экономически эффективным , так как требуются большие количества окисляющих компонентов. 
• Для повышения эффективности процесса необходимо минимизировать содержание нефти и жировых компонентов в обрабатываемом веществе. 

5.17. Дегалогенизация

Загрязненная почва просеивается, обрабатывается с помощью дробильного аппарата и глиномялки, а затем смешивается с реагентами. Полученная смесь нагревается в реакторе. Процесс дегалогенизации достигается либо за счет замещения молекул галогена, либо расщеплением и частичным испарением загрязняющих веществ.

Катализируемое основанием разложение (КОР)

Процесс катализируемого основанием разложения (КОР) был разработан Технической лабораторией по проблемам снижения риска (RREL) Агентства по охране окружающей среды США (EPA) совместно с Центром инженерных услуг ВМС (NFESC) для очистки почвы и осадочных отложений, загрязненных  хлор-содержащими органическими соединениями, в частности полихлорированными бифенилами, диоксинами и фуранами. Загрязненная почва просеивается, обрабатывается с помощью дробильного аппарата и глиномялки, а затем смешивается с бикарбонатом натрия. Полученная смесь нагревается в реакторе при температуре выше 330 °C (630°F) с целью частичного разложения и испарения загрязняющих веществ. Испаряемые загрязняющие вещества собираются, конденсируются и обрабатываются отдельно.

Процесс получения полиэтиленгликоля с применением гликолятов / щелочных катализаторов (APEG)

Получение гликолятов  - это комплексная технология, в которой применяется реагент  APEG. Наиболее часто в качестве реагента APEG применяется полиэтиленгликоль калия (KREG). Загрязненные почвы и реагент смешиваются и нагреваются в специальном контейнере. В ходе процесса APEG происходящая реакция заставляет полиэтиленгликоль замещать  молекулы галогена и делает соединения неопасными и менее токсичными. Реагент APEG дегалогенирует загрязняющие вещества и формирует гликольэфир и/или  гидроксилированное соединение и соли щелочных металлов, являющиеся водорастворимыми побочными продуктами. Дегалогенизация (APEG/KPEG) обычно считается самостоятельной технологией; тем не менее, она может применяться совместно с другими технологиями. Обработка сточных вод, образующихся в результате процесса дегалогенизации, может включать химическое оксидирование, биологическое разложение, адсорбцию активированным углем или образование осадка.

Дегалогенизация - это обычно краткосрочный или среднесрочный процесс. Загрязняющее вещество скорее частично разлагается, а не переносится на другой носитель.

Целевые группы загрязняющих веществ для дегалогенизации включают  галогенированные полулетучие органические соединения и пестициды.  Дегалогенизация APEG - один из немногих доступных процессов, помимо сжигания, который  успешно прошел тестирование на применение для обработки полихлорированных бифенилов.   Указанная технология может применяться с меньшей степенью эффективности против выборочных галогенированныхлетучих органических соединений. Технология хорошо себя показала при применении к загрязнениям небольшого масштаба.   Процесс КОР может также применяться для обработки галогенированных летучих органических соединений, но, как правило, он будет дороже других альтернативных технологий.

 Ограничивающие факторы:

• Высокое содержание глины и высокая влажность увеличивают стоимость обработки загрязнений.
• Технология (APEG/KPEG), как правило, не является экономически эффективной для больших объемов загрязнений.
• При концентрации хлор-содержащих органических соединений выше 5%  требуются большие объемы реагентов.
• При применении процесса КОР сбор и обработка отходов (сбор испаряемых загрязняющих веществ, пыли и других загрязнителей) могут вызывать затруднения, особенно если почва характеризуется высоким уровнем мелких фракций и влаги. 

5.18. Сепарация

Процессы сепарации применяются для удаления из почвы загрязняющих веществ и оставления на месте относительно незагрязненных фракций, которые могут рассматриваться как очищенная почва. Сепарация ex situ может выполняться многими способами. Гравитационная сепарация и физическая сепарация (сепарация просеиванием) - два сформировавшихся процесса, которые уже давно применяются как основные методы очистки муниципальных сточных вод. Магнитная сепарация, с другой стороны, представляет собой новый процесс, тестирование которого еще продолжается.

Гравитационная сепарация

Гравитационная сепарация - это процесс разделения твердых и жидких фаз, который основан на разности их плотностей. Размер оборудования и эффективность процесса гравитационной сепарации зависят от скорости осаждения твердых веществ, которая является функцией размера частиц, разности плотностей, вязкости жидкости и концентрации частиц (замедленное осаждение). Гравитационная сепарация также используется для удаления не смешивающихся жировых фаз и для классификации частиц разного размера. Часто этому процессу предшествуют коагуляция и флокуляция , увеличивающие размер частиц, что облегчает удаление более мелких частиц.

 Магнитная сепарация

Магнитная сепарация применяется для экстракции слабо магнитных радиоактивных частиц из исходных материалов, таких как вода, почва или воздух.   Все соединения урана и плутония являются слабо магнитными, в то время как большинство исходных материалов немагнитными.  Процесс заключается в прохождении загрязненной жидкости через намагниченный сосуд. Намагниченный сосуд содержит магнитный матричный материал, такой как стальная вата, который вытягивает слабо магнитные частицы загрязняющего вещества из проходящего по сосуду раствора.

Физическая сепарация /сепарация просеиванием

В процессах физической сепарации просеиванием применяются сита и решетки различных размеров для эффективного сбора загрязняющих веществ в более мелкие концентрированные объемы. Физическая сепарация основана на том, что большинство органических и неорганических загрязняющих веществ обычно связываются, химически или физически, с мелкими (например, глина и пыль) фракциями почвы.  В свою очередь, глинистые и пылеватые частица почвы связываются с частицами крупного песка и гравия в результате уплотнения и прилипания.  Таким образом, выделение мелких частиц глины и пыли из частиц крупного песка и гравия в почве позволит эффективно собрать загрязняющие вещества в более мелкие объемы почвы, которая затем может подвергаться дополнительной очистке или удалению.

Целевыми группами загрязняющих веществ при процессах сепарации ex situ  являются полулетучие органические соединения, топливные углеводороды и неорганика (включая радионуклиды).  Данные технологии могут выборочно применяться к летучим органическим соединениям и пестицидам. Магнитная сепарация применяется главным образом для очистки от тяжелых металлов, радионуклидов и магнитных радиоактивных частиц, таких как соединения урана и плутония.

Физическая сепарация часто предшествует химической экстракции, потому что считается, что большая часть загрязняющих веществ связана с более мелкими фракциями почвы, которые, возможно, необходимо будет очищать отдельно.  Сепарация также применяется в тех случаях, когда загрязнения тяжелыми металлами имеют форму частиц (например, в стрелковых тирах). Одно из преимуществ процессов физической сепарации заключается в том, что высокую производительность можно достигнуть на относительно небольшом оборудовании.

 Ограничивающие факторы:

• Высокое содержание глины и высокая влажность увеличивают стоимость очистки.
• Процессы гравитационной сепарации основаны на разности плотностей твердых и жидких фаз. Удельный вес частиц будет влиять на скорость осаждения и эффективность процесса. Кроме того скорость осаждения зависит от вязкости жидкости, содержащей взвешенные частицы, что необходимо знать для оценки эффективности процесса и определения размера оборудования.
• Возможно, необходимо будет решать проблемы запаха, которые возникают при септической обработке органического шлама.

 

5.19.  Промывка земли

Процессы сепарации почвы ex situ (часто называемые «промывкой почвы») в основном базируются на  процессах переработки минерального сырья и широко используются в Северной Европе и Америке для очистки почвы от загрязнений. Промывка почвы - это  ex situ процесс промывания почвы водой для удаления загрязняющих веществ. В ходе процесса загрязняющие вещества удаляются из почвы одним из следующих способов:

Растворением или взвешиванием в промывном растворе (процесс может поддерживаться в течение некоторого периода времени путем управления кислотностью (pH) раствора); 

Концентрацией вредных веществ в более мелких объемах почвы путем разделения частиц по размеру, гравитационной сепарации и очисткой фрикционным отсевом (аналогично технологиям, применяемым в операциях с песком и гравием). 

Системы промывки почвы, использующие большинство  методов удаления загрязняющих веществ, считаются наиболее эффективными для очистки почвы от разнообразных тяжелых металлов, радионуклидов и органических загрязнителей. Однако, коммерциализация процесса не получила широкого распространения.

Концепция сокращения загрязнения почвы путем разделения частиц по размеру базируется на открытии того, что большинство органических и неорганических загрязняющих веществ обычно связываются, химически или физически, с частицами глины, пыли и органики в почве. В свою очередь, глина и пыль физическими процессами, прежде всего уплотнением и прилипанием, связываются с частицами песка и гравия.  Процессы промывки, которые отделяют мелкие частицы глины и пыли из частиц крупного песка и гравия в почве, эффективно собирают загрязняющие вещества в более мелкие объемы почвы, которые затем могут подвергаться дополнительной очистке или удалению. Гравитационная сепарация эффективна для удаления частиц с высоким или низким удельным весом, таких как соединения, содержащие тяжелые металлы (свинец,  оксиды радия и т.д.). Очистка путем фракционного отсева удаляет вредную липкую пленку с более крупных частиц. Однако очистка путем фракции может привести к увеличению мелких фракций в очищаемой почве. Чистая крупная фракция может быть возвращена на участок для дальнейшего использования.

Сложная смесь загрязняющих веществ в почве (например, смесь металлов, нелетучих и полулетучих органических веществ) и неоднородный состав загрязняющих веществ  в этой смеси осложняют поиск одного промывочного раствора,  который бы мог последовательно и надежно удалять различные типы загрязнений. В таких случаях может потребоваться последовательное применение нескольких промывочных жидкостей разного состава и/ или изменение размера фракций в почве для очистки.

Промывка почвы обычно считается технологий перемещения вещества. Загрязненная вода, образующаяся после промывки почвы, очищается с помощью технологий, применяемых к содержащимся в ней загрязнителям.

По продолжительности процесс промывки относится в основном к краткосрочным и среднесрочным процессам.

Целевыми группами загрязняющих веществ для технологии промывки почвы будут полулетучие органические соединения, топливо, и тяжелые металлы. Данная технология может выборочно применяться к летучим органическим соединениям и пестицидам. Данная технология открывает возможности для очищения грунта от металлов и позволяет вывести большой спектр органических и неорганических загрязнителей из крупнозернистой почвы.

В настоящее время промывка почвы широко применяется в Европе и находит ограниченное применение в США. В период с 1986 по 1989 гг. данная технология была одной из отобранных мер по контролю над источниками загрязнения на восьми объектах Суперфонда.

 Ограничительные факторы:

• Сложный состав отходов (например, металлы и органические вещества) затрудняют разработку состава промывной жидкости.
• Высокое содержание перегноя в почве может потребовать проведение предварительной обработки. 
• На этапе демобилизации может потребоваться  очистка водного потока.
• Дополнительные шаги по очистке могут потребоваться для снижения опасных уровней промывочного раствора, остающегося в  обработанных отходах.     
• Могут возникнуть трудности с удалением органических веществ адсорбированных глинистыми частицами.

 5.20. Метод отверждения/стабилизации

В процессах отверждения /стабилизации in situ (S/S), ex situ S/S загрязняющие вещества физически связаны или включены в состав стабилизированной массы (отверждение), или между стабилизатором и загрязнителями происходят химические реакции для уменьшения их мобильности (стабилизация).  Тем не менее, при ex situ S/S процессах, как правило, требуется  удаление полученных в результате материалов. В соответствии с CERCLA материалы могут быть замещены прямо на месте.

Технология отверждения/стабилизации содержит много инноваций. Большая часть инноваций - это модификации зарекомендовавших себя процессов, направленных на  инкапсуляцию или иммобилизацию опасных компонентов и включающих очистку отходов или загрязненных почв. Девять отдельных инновационных процессов или групп процессов включают: (1) битуминизацию, (2) эмульгированный асфальт, (3) модифицированный серный цемент, (4) экструзию полиэтилена, (5) пуццолановый/ портландский цемент, (6) отверждение радиоактивных отходов, (7) стабилизацию шлама, (8) растворимые фосфаты и (9) витрификация/стекломасса.

Как правило, технологии  ex situ S/S считаются кратко- или среднесрочными.

Битуминизация

В процессе битуминизации отходы укладываются в жидкий битум и инкапсулируются по мере охлаждения битума. Процесс соединяет нагретый битум и концентрацию отходов (как правило, в форме жидкой массы) в нагреваемой форме для литья, содержащей винты для перемешивания битума и отходов. Вода из полученной смеси испаряется до тех пор, пока показатель влажности не достигнет около 0,5% . Финальный продукт представляет собой однородную смесь твердых фракций и битума. 

Эмульгированный асфальт

Асфальтовая эмульсия - это очень маленькие капельки асфальта, растворенные в соде, стабилизированные с помощью химических эмульгирующих веществ. Эмульсии могут быть катионными или анионными. Процесс эмульгирования асфальта заключается в добавлении эмульгированного асфальта соответствующей зарядки в гидрофильную жидкость или полужидкие отходы при соответствующей температуре. После смешивания эмульсия разрывается, вода в отходах высвобождается, и органическая фаза формирует матрицу гидрофильного асфальта вокруг твердых отходов.  В некоторых случаях может потребоваться применение дополнительных нейтрализующих средств, таких как известь или гипс. После достаточного для отвердевания периода времени получившийся в результате твердый  асфальт содержит равномерно распределенные в нем отходы и непроницаем для воды.

Модифицированный серный цемент

Модифицированный серный цемент представляет собой имеющийся в продаже термопластичный материал. Он легко плавится (127° - 149° C (260° - 300° F)) и затем смешивается с отходами для формирования однородной расплавленной смеси, которая распределяется по соответствующим контейнерам для охлаждения, хранения и реализации. В процессе могут использоваться различные известные смесительные устройства, такие как мешалки с лопастями и глиномялки. Применение относительно низких температур ограничивает выделение диоксида серы и сероводорода до допустимых пороговых значений.

Экструзия полиэтилена

Процесс экструзии полиэтилена заключается в смешивании полиэтиленовых связующих веществ и сухих отходных материалов в нагреваемом цилиндре, имеющем смесительный / транспортный шнек. Нагретая однородная смесь выходит из цилиндра через выпускное приспособление и попадает в форму, где она остывает и отвердевает. Благодаря характеристикам полиэтилена получается очень стабильный, твердый продукт. Процесс был протестирован на отходах солей азотной кислоты в заводском масштабе, по результатам которого была подтверждена его эффективность, также были проведены тесты на других отходах на стенде и в масштабе пилотных проектов. 

Пуццолановый/ портландский цемент

В процессе получения пуццоланового/ портландского цемента в основном участвуют силикаты из материалов, в основе которых лежит зольная пыль, таких как летучая зола, печная пыль, пемза или доменный шлак, и материалы на основе цемента, такие как портландский цемент. Эти материалы вступают в химическую реакцию с водой, образуя твердую цементную основу, что облегчает обслуживание отходов и улучшает их физические характеристики.  Они также повышают кислотность воды, что может помочь в выделении и иммобилизации загрязнений тяжелыми металлами. Связующие компоненты на основе зольной пыли и цемента обычно применяются для очистки от неорганических загрязняющих веществ.  Применение этого связующего компонента для органических загрязнителей не всегда эффективно.

Отверждение радиоактивных отходов

В процессе отверждения радиоактивных отходов  (цементирование/другое) отвердители применяются для формирования единообразной и стабильной матрицы, позволяющей капсулировать радиоактивные отходы. Комплексные установки включают насосы для жидкостей и жидкообразных масс, транспортеры для твердых фракций, шахты для хранения, дозаторы, трубопроводы, миксеры и устройства для удаления или хранения.

 Стабилизация шлама

Процесс стабилизации шлама заключается во введении в шлам реагента,  пористой лавы или цементирующих материалов,  который трансформирует его таким образом, что вредные компоненты принимают наименее токсичную или мобильную форму. Шлаки, содержащие тяжелые металлы или другие загрязнители, часто подвергаются стабилизации с целью иммобилизации вредных компонентов.

 Растворимые фосфаты

Процесс с растворимыми фосфатами заключается в добавлении различных форм фосфатов и щелочей с целью контроля кислотности, а также для формирования сложных металломолекул с низкой растворимостью для иммобилизации металлов в широком pH диапазоне. В отличие от других процессов стабилизации процесс с растворимыми фосфатами не превращает отходы в твердую монолитную массу. Одним из случаев, когда применяются растворимые фосфаты и известь, является процесс стабилизации летучей золы путем иммобилизации свинца и кадмия в пепле.  

Витрификация/ стекломасса

Процессы витрификации или получения стекломассы представляют собой способы отверждения, которые включают нагревание до 1200° C, при котором отходы плавятся и превращаются в стекло или другие стеклокристаллические продукты.  Высокая температура разрушает органические компоненты при формировании очень небольшого числа побочных продуктов.  Материалы, такие как тяжелые металлы и радионуклиды, фактически встроены в структуру стекла, что превращает его в относительно крепкий, прочный материал, устойчивый к  выщелачиванию. Отходы могут быть не только твердыми материалами, но и жидкостями, влажными и сухими осадочными отложениями, горючими материалами.   Боросиликат и натронная известь являются главными стеклообразователями и создают базовую матрицу стекловидного продукта.

Целевой группой загрязнителей для ex situ S/S  являются неорганические вещества, включая радионуклиды. Эффективность большинства технологий S/S носит ограниченный характер при применении к органическим загрязнителям или пестицидам, за исключением витрификации, которая разрушает большую часть  органических загрязнителей.

 Ограничивающие факторы:

• Природные условия могут влиять на долгосрочную иммобилизацию загрязняющих веществ.
• Некоторые процессы приводят к значительному увеличению объема (в ряде случаев объем может увеличиться в два раза).
• Некоторые виды отходов несовместимы с различными процессами. Как правило, требуется предварительное изучение возможности очистки.
• Органические вещества, как правило, не подвергаются иммобилизации.
• Долгосрочная эффективность не смогла быть продемонстрирована для многих сочетаний «загрязнитель - процесс».

6.  Термическая обработка почвы, осадочных отложений, подпочвы и шлама ex situ 

6.21. Дезактивация горячим газом

Процесс заключается в повышении температуры загрязненного оборудования или материала до 260 ° C (500 °F)  в течение определенного периода времени. Выделяемый из материала  газ обрабатывается в  форсажной системе для уничтожения всех летучих загрязняющих веществ. В результате применения данного метода уничтожаются накопленные нереализуемые отходы, которые необходимо уничтожить в качестве опасных веществ.  Данный метод разрешает повторное использование или уничтожение  отходов в качестве неопасных веществ.

Дезактивация горячим газом может также использоваться для дезактивации загрязненной взрывчатыми веществами каменной кладки и металлических конструкций. Это метод  предусматривает пломбирование и изоляцию конструкций, нагревание горячей струей газа до 260 °C (500 °F) в течение предписанного периода времени, выделение взрывчатых загрязняющих веществ и их разрушение в  форсажной системе. Операционные условия зависят от конкретных условий участка. Загрязняющие вещества полностью уничтожаются.

Данный метод применяется для обработки оборудования, требующего дезактивации для повторного использования.  Этот метод также применяется в отношении взрывных устройств, например, мин и снарядов, которые были обезврежены (после удаления взрывчатых веществ) или утильсырья, загрязненного взрывчатыми веществами.

Данный метод может также использоваться для очистки зданий и сооружений, относящихся к заводам боеприпасов, арсеналам и хранилищам, участвующим в производстве, переработке, погрузке и хранении пиротехнических изделий,  ракетного топлива и ВВ.

Ограничивающие факторы:

• Стоимость работ по данному методу выше стоимости работ при применении метода открытого горения.
• При проектировании испарительной камеры необходимо учитывать возможность взрывов неправильно обезвреженных мин и снарядов.
• Скорость дезактивации оборудования и материалов может быть ниже, чем при использовании метода открытого горения.

6.22.  Сжигание

Для выделения и сжигания (в присутствии кислорода) галогенированных и других органических соединений, не поддающихся биологическому распаду и содержащихся в опасных отходах, используются высокотемпературные режимы: от 870 °C до 1,200 °C (от 1,400 °F до 2,200 °F). Для инициирования и поддержания процесса сжигания часто используются вспомогательные горючие материалы. Эффективность измельчения и удаления отходов в эксплуатируемых соответствующим образом установках для сжигания отходов превышает требуемый уровень 99.99% в отношении опасных отходов; данные установки могут обеспечить операционную эффективность на требуемом уровне  99.9999% в отношении диоксинов и ПХБ. Как правило, отходящие газы и отходы горения требуют обработки.

Камера сгорания с кипящим слоем

В камере сгорания с кипящим слоем используется высокоскоростной поток воздуха для удержания циркулирующих частиц и создается высокотурбулентная зона сжигания, которая разрушает токсичные углеводороды. Камера сгорания с кипящим слоем работает при температуре ниже температуры в обычных установках для сжигания (от 1,450 °F до 1,600 °F). Высокая турбулентность в камере сгорания с кипящим слоем создает вокруг камеры сжигания одинаковую температуру и горячий циклон. Во время сжигания в ней также полностью смешиваются отходы.  Эффективный процесс смешивания и низкая температура горения уменьшают операционные затраты и потенциальные выбросы таких газов, как оксиды азота и окись углерода.

 Псевдоожиженный слой

В циркулирующем псевдоожиженном слое используется высокоскоростной поток воздуха для циркуляции и поддержания частиц отходов в подвешенном состоянии в змеевике сжигания при температуре 870 °F (1,600 °F). В другой экспериментальной установке, инфракрасной установке, используется технология нагрева с помощью электрического сопротивления или косвенно нагреваемого излучателя труб U-образной формы для нагревания материалов, поступающих через камеру на ленточный конвейер; температура процесса составляет до  870 °F (1,600 °F).

 Инфракрасное сжигание

Технология инфракрасного сжигания - это мобильная система термообработки, которая использует карбидокремниевые электроды с электрическим приводом  для нагревания органических отходов до температуры горения. Отходы подаются в основную камеру и подвергаются инфракрасному облучению (до 1,850 °F) с помощью карбидокремниевых электродов, расположенных над ленточным конвейером. Воздуходувка поставляет воздух в выбранные области вдоль ленточного конвейера для контроля над скоростью окисления отходов. Оставшиеся горючие вещества сжигаются в печи дожига.

Вращающаяся обжиговая печь

Промышленная установка для сжигания отходов представляет собой вращающуюся обжиговую печь, оборудованную камерой дожига, теплоотводом в стенку камеры сгорания и системой контроля над загрязнением воздушной среды. Вращающаяся обжиговая печь - это вращающийся, слегка наклонный цилиндр с огнеупорной футеровкой, который используется в качестве камеры сгорания и эксплуатируется  при температуре до 980 °F (1,800 °F).

Отходящие газы требуют очистки с помощью системы контроля над загрязнением воздушной среды для удаления твердых частиц,  нейтрализации и удаления высокосернистых газов (хлористоводородная кислота, оксиды азота и  сернокислые оксиды). Пылеуловители с рукавными фильтрами, скрубберы Вентури и влажные электрофильтры удаляют твердые частицы; насадочные скрубберы и распылительные сушилки удаляют высокосернистые газы.

Технология сжигания, в основном за пределами участка производства, выбирается и используется  в качестве корректирующей меры на более чем 150 объектах Суперфонда.  Технологии  сжигания регулируются  рядом технологических нормативно-правовых актов, включая следующие федеральные требования: Закон о контроле над загрязнением воздуха (выбросы в атмосферу), Закон о контроле над токсическими веществами (ПХД очистка и удаление), Закон об охране и восстановлении ресурсов (производство опасных отходов, очистка, хранение и удаление), нормативы Национальной системы предотвращения сброса загрязняющих веществ (сброс в открытые водоемы) и НКА (шумы). Процесс сжигания может быть краткосрочным  и долгосрочным.

Сжигание используется для очистки почв, загрязненных  взрывчатыми веществами и опасными отходами, в основном хлорированными углеводородами, ПХБ и диоксинами.

 Ограничивающие факторы:

• Для сжигания ПХБ и диоксинов разрешается использовать только одну внешнюю установку для сжигания отходов. 
• Существуют специфические требования в отношении начальной крупности и технических условий обработки материалов,  которые могут оказать влияние на целесообразность применения данного метода и стоимость работ  на определенных участках.
• Тяжелые металлы  могут  привести к возникновению топочной золы, которая требует стабилизации.
• При сжигании быстро испаряющихся тяжелых металлов, включая свинец, кадмий,  ртуть и мышьяк,  выделяются газообразные продукты сгорания, поэтому камера сгорания должна быть оборудована системой газоочистки. 
• Металлы могут вступать в реакцию с другими элементами, находящимися в подаваемом потоке (например, хлорин или сера), образуя более летучие и  токсичные соединения, чем первоначальные соединения. Такие компоненты являются недолговечными промежуточными продуктами реакции и могут быть уничтожены с помощью щелочного раствора.
• Двууглекислый натрий и калий образуют котельный шлак, который характеризуется  низкой температурой плавления, может воздействовать на кирпичную кладку и образовывать вязкие частицы,  которые загрязняют газоотводные каналы.

6.23. Открытое сжигание/открытая детонация

Открытое сжигание/открытая детонация применяются для уничтожения избыточных, устаревших или непригодных для использования боеприпасов и энергетических материалов. При открытом сжигании  боеприпасы и энергетических материалов уничтожаются при самоподдерживающемся процессе сжигания, который  производится при использовании открытого пламени, высоких температур или взрывной волны. В этом случае, можно использовать также дополнительное топливо для розжига и поддержания процесса сжигания материалов. При технологии открытой детонации взрывчатые вещества и боеприпасы уничтожаются с помощью детонации, которая, как правило, инициируется с помощью энергетического заряда.

В прошлом открытое сжигание/открытая детонация в основном проводились на поверхности или в шахтах. В последнее время для контроля и сдерживания процесса уничтожения энергетических материалов и возникающих загрязняющих веществ/вредных выбросов, используются поддоны для сжигания и воздушные камеры. В процессе детонации воздушные камеры могут находиться под землей и могут быть покрыты почвенным слоем для  дальнейшей минимизации вредных выбросов.

С помощью технологий открытого сжигания/открытой детонации можно уничтожить многие виды ВВ и пиротехнических составов.   Области открытого сжигания должны выдерживать случайную детонацию одного или всех уничтожаемых энергетических материалов,  если только специалисты в области открытого сжигания не придут к заключению, что технические характеристики материалов для сжигания свидетельствуют о том, что их сжигание возможно без детонации.  До применения технологии открытого сжигания необходимо проконсультироваться со специалистами,  обладающими такими знаниями, особенно если материалы содержат инициирующие взрывчатые вещества в любом количестве.

Открытое сжигание/открытая детонация могут быть инициированы с помощью электрического заряда, заряда зажигательного материала или энергетической системы розжига. Электрические установки предпочтительнее для использования, так как они обеспечивают лучший контроль над моментом воспламенения. В электрической установке электрический ток нагревает мостик электровоспламенителя, который поджигает инициирующее взрывчатое или пиротехническое вещество, которое в свою очередь поджигает или вызывает детонацию материала, предназначенного для сжигания или детонации. При необходимости, для инициации сжигания или детонации используются огнепроводные шнуры, которые состоят из пиротехнических составов, обернутых пластиковой герметизирующей прокладкой. В качестве воспламенительного заряда могут также использоваться отходы энергетических материалов или сухой активированный уголь после очистки в розовой или красно-бурой воде.

Открытое сжигание/открытая детонация могут применяться для разрушения избыточных, устаревших или вышедших из эксплуатации боеприпасов, компонентов, энергетических материалов, а также для очистки среды, зараженной энергетическими материалами.

 Ограничивающие факторы:

• Для открытых процессов необходимо соблюдать минимальные требования по расстоянию, которые заключаются в наличии больших площадей для обеспечения безопасности.
• Сбор вредных выбросов от операций по открытому сжиганию/открытой детонации в полном объеме для последующей очистки затруднен. Проведение таких операций  не разрешается в районах с ограничениями выбросов, однако подземные процессы могут минимизировать выбросы загрязняющих веществ.
• При открытых операциях по открытому сжиганию/открытой детонации ветер должен относить искры, пламя, дым и токсичные  газы от расположенных рядом сооружений. Операции по открытому сжиганию/открытой детонации не проводятся во время сильных песчаных бурь, снегопада или грозы, приводящих к возникновению статического электричества, которое может вызвать непредвиденную детонацию.
• Для проведения открытого сжигания/открытой детонации требуются  разрешения в соответствии с пп. 10  закона «О сохранении и возобновлении ресурсов».
• Кроме того,  при росте ограничений на проведение открытого сжигания/открытой детонации возможности для министерства обороны проводить очистку энергетических материалов уменьшаются, и их уничтожение с помощью открытого сжигания/открытой детонации может быть запрещено.

6.24. Пиролиз

Пиролиз - это химическое разложение органических соединений под действием повышения температуры и при отсутствии кислорода. Получить полностью бескислородную среду практически невозможно; существующие установки пиролиза  работают  при наличии кислорода, количество которого меньше стехиометрического соотношения. В связи с тем, что в любой установке пиролиза присутствует некоторое количество кислорода, в ходе процесса будет происходить небольшое окисление. Если отходы содержат летучие или полулетучие материалы,  будет происходить термодесорбция.

В процессе пиролиза происходит трансформация опасных органических материалов в газообразные компоненты, небольшое количество жидкости и твердые остатки (уголь), содержащие твёрдый углерод и золу. При пиролизе органических материалов выделяются горючие газы, включая угарный газ, водород, метан и другие углеводородные соединения. При охлаждении отходящих газов происходит конденсация жидкости, в результате которой образуются нефтяные остатки/асфальтовый пек и загрязненная вода. Как правило, пиролиз происходит под давлением и при температуре процесса выше 430 °C (800 °F). Пирогаз требует дальнейшей обработки. Отходящие газы могут быть обработаны во вторичной камере сгорания,  подвергнуты сжиганию в факеле и частично конденсированы. Для удаления твердых частиц  также требуется такое оборудование, как тканевые фильтры или влажные скрубберы.

Для пиролиза отходов используются традиционные методы термообработки, такие как вращающаяся обжиговая печь, печь с вращающимся подом или печь с кипящим слоем. Печи и топки, используемые для пиролиза, аналогичны оборудованию, описанному в разделе 4.23 «Сжигание». Однако они работают при более низких температурах и требуют меньшего количества сжатого воздуха по сравнению с процессом обжига. Для пиролиза отходов может также использоваться расплавленная соль. Эти процессы описаны ниже:

Вращающаяся обжиговая печь

Вращающаяся обжиговая печь представляет собой вращающийся,  наклонный цилиндр с огнеупорной футеровкой, который служит камерой разогрева.

Печь с кипящим слоем

В циркулирующем псевдоожиженном слое используется высокоскоростной поток воздуха для циркуляции и поддержания частиц отходов в подвешенном состоянии в контуре обогрева при температуре до 430 °C (800 °F).

Разрушение с помощью расплавленной соли

Разрушение с помощью расплавленной соли -  это один из видов пиролиза. При разрушении с помощью расплавленной соли в инсинераторе, действующем  на основе расплавленной соли,   в качестве проводника тепла и среды реакции/ очистки для уничтожения опасных веществ используется расплавленный, вихревой слой, например, углекислый натрий. Измельченные твердые отходы загружаются с помощью нагнетания воздуха под слой расплавленной соли. Горячий газ, состоящий в основном из углекислого газа, фракции и не вступивших в реакцию компонентов, поднимается через слой расплавленной соли, проходит через зону вторичной реакции и систему очистки отходящих газов до выброса в атмосферу. Другой побочный продукт пиролиза  реагирует со щелочным солевым расплавом, в результате чего образуется неорганический продукт, который остается в расплаве.  Использованная расплавленная соль, содержащаяся золу, удаляется из реактора, охлаждается и помещается на полигон захоронения промышленных отходов.

Пиролиз - это инновационная технология. Несмотря на то, что основные концепции и операции, связанные с этим процессом, были проверены, оценка эксплуатационных данных по инновационным технологиям в соответствии с методами, утвержденными Агентством по охране окружающей среды и отвечающими стандартам по проверке/контролю качества Агентства охраны окружающей среды, не была проведена. В настоящее время эксплуатационные данные доступны только поставщикам услуг. Кроме того, существующие данные ограничены по объему и количеству/качеству и зачастую  защищены правами собственности.

Целевые группы загрязняющих веществ для пиролиза включают  полулетучие органические соединения и пестициды. Данный процесс применяется для выделения органических веществ из отходов нефтеперерабатывающего производства, отходов каменноугольной смолы, отходов деревообработки, загрязненных креозотом почв, загрязненных углеводородами  почв, смешанных отходов (радиоактивных и опасных),  отходов производства синтетического каучука, лакокрасочных отходов.

Системы пиролиза могут применяться к органическим материалам, которые расщепляются или подвергаются химическому разложению в присутствии тепла. Пиролиз доказал свою эффективность при обработке загрязняющих веществ органического происхождения  в почве и нефтяном шламе. Химические загрязняющие вещества, в отношении которых имеются данные по очистке, включают ПХБ, диоксины, полициклические ароматические углеводороды и другие органические вещества. Пиролиз не является эффективным методом для разрушения или физического выделения неорганических веществ из загрязненной среды. Летучие металлы могут быть удалены в результате повышения температуры при пиролизе, но обычно они не разрушаются.

 Ограничивающие факторы:

• Существуют специфические требования в отношении начальной крупности и технических условий обработки материалов,  которые могут оказать влияние на целесообразность применения данного метода и стоимость работ  на определенных участках.
• Данная технология требует проведения осушки почвы для достижения низкого уровня влажности почвы  (< 1%).
• Исходные материалы с высокой абразивной способностью  могут повредить процессорный модуль.
• Высокий уровень влажности увеличивает затраты на очистку.
• Для очищенной среды, содержащей тяжелые металлы,  может потребоваться стабилизация.

 

6.25. Термальная десорбция

Термальная десорбция - это процесс физического разделения на фракции, который не предназначен для разрушения органических соединений. Отходы нагреваются для выпаривания воды и органических загрязняющих веществ. Выделяющиеся из отходов вода и органические вещества поступают в систему очистки газа через систему подачи газа или вакуумную систему. Температура фильтрующего слоя и продолжительность нахождения в устройстве способствуют испарению выбранных загрязняющих фракций, но обычно не окисляют их.

Две установки, которые обычно используются для термальной десорбции - это барабанная сушилка и термальный винтовой компрессор. Барабанная сушилка - это горизонтальный цилиндр, нагреваемый косвенно или имеющий прямой огневой подогрев.  Сушилка обычно имеет угол наклона и вращающуюся конструкцию. Термальный винтовой компрессор имеет винтовой транспортер и змеевик, которые  используются для транспортировки отходов через закрытый желоб. Горячее масло или пар проходят через змеевик и косвенно подогревают отходы.  Все системы термальной десорбции требуют очистки отходящих газов для удаления твердых частиц и загрязняющих веществ.  Твердые частицы удаляются с помощью обычного оборудования, предназначенного для удаления твердых частиц (например, влажные скрубберы или тканевые фильтры). Загрязняющие вещества удаляются в процессе конденсации и последующей адсорбции активированным углем или разрушаются во вторичной камере сжигания или каталитической установке окисления.  Большинство этих установок являются мобильными. Существует три типа термальной десорбции. Ниже представлено их краткое описание:

Прямой огневой подогрев: огонь подается напрямую на поверхность загрязненной среды. Главная цель этого процесса заключается в извлечении загрязняющих веществ из почвы, хотя некоторые виды загрязняющих веществ могут быть подвержены термальному окислению.

Косвенный подогрев: вращающаяся сушилка с прямым огневым подогревом нагревает воздушный поток, который при прямом контакте десорбирует воду и органические загрязняющие вещества из почвы.  Низкотемпературная термоаэрация, разработанная корпорацией  Canonie Environmental Services Corporation, - это наглядный пример системы с косвенным подогревом, которая успешно использовалась для удаления  веществ типа ДДТ из почвы.

Наружный подогрев: во вращающейся сушилке  с наружным подогревом происходит выпаривание воды и органических веществ из загрязненной среды, которые поступают в  газовый поток в инертном газо-носителе. Затем происходит очистка газа-носителя для удаления или извлечения загрязняющих веществ. Системы термальной десорбции XTRAX™ - это процесс, использующий десорбцию с нагревом плитами и последующей очисткой газа высокоэффективными скрубберами.  При использовании этой технологии было успешно удалено  >99% ПХБ из загрязненной почвы.

В зависимости от температурного режима десорбции процесс термодесорбции  можно разделить на две группы: высокотемпературная термодесорбция и низкотемпертурная термодесорбция.

Высокотемпературная термодесорбция

Высокотемпературная термодесорбция  - это комплексная технология, при которой отходы нагревают до температуры от 320 до 560 °C (от 600 до 1,000 °F). Высокотемпературная термодесорбция часто используется в комбинации со сжиганием, кристаллизацией/стабилизацией и дехлорированием в зависимости от условий конкретного участка. Данная технология успешно доказала, что в результате ее использования можно получить уровень концентрации загрязняющих веществ ниже 5 мг/кг для целевой группы загрязняющих веществ.

 Низкотемпертурная термодесорбция

При низкотемпертурной термодесорбции отходы нагреваются до температуры 90 и 320 °C (от 200 до 600 °F). Низкотемпертурная термодесорбция - это комплексная технология, которая оказалась эффективной для очистки всех видов почв от нефтяных углеводородов. Эффективность разрушения загрязняющих веществ в камерах дожига составляет более 95%. Аналогичное оборудование с незначительными модификациями (при необходимости) возможно будет соответствовать  более строгим требованиям.  Обеззараженная почва сохраняет свои физико-химические свойства. Если не использовать температуру выше температуры установленного уровня при низкотемпертурной термодесорбции, органические компоненты в почве не разрушаются. Это позволяет очищенной почве сохранять возможность  биологической активности в будущие периоды.

Системы термальной десорбции имеют различные степени эффективности в отношении различных видов органических загрязнений.  Целевые типы загрязняющих веществ для системы низкотемпертурной термодесорбции включают негалогенированные летучие органические соединения  и некоторые виды топлива. Данная технология может применяться для обработки полулетучих органических соединений, однако ее эффективность в этом случае снижается.

Целевые типы загрязняющих веществ для системы высокотемпертурной термодесорбции включают полулетучие органические соединения, полициклические ароматические углеводороды, ПХБ и пестициды. Однако данная технология может применяться в отношении летучих органических соединений и некоторых видов топлива, но процесс очистки будет более затратным.  С помощью системы высокотемпературной термодесорбции  можно удалять летучие металлы. Присутствие хлорина может оказать влияние на испарение некоторых видов металлов, например, свинца. Данный процесс применяется для выделения органических веществ из отходов нефтеперерабатывающего производства, отходов каменноугольной смолы, отходов деревообработки, загрязненных креозотом почв, загрязненных углеводородами  почв, смешанных отходов (радиоактивных и опасных),  отходов производства синтетического каучука, лакокрасочных отходов.

 Ограничивающие факторы:

• Существуют специфические требования в отношении начальной крупности и технических условий обработки материалов,  которые могут оказать влияние на целесообразность применения данного метода и стоимость работ  на определенных участках.
• Для достижения приемлемого уровня влажности почвы может потребоваться  проведение ее осушки.
• Исходные материалы с высокой абразивной способностью  могут повредить процессорный модуль. 
• Тяжелые металлы, содержащиеся в  материале, могут привести к возникновению очищенных твердых остатков, которые потребуют стабилизации.
• Глинистая и илистая почва, а также почвы с высоким содержанием гумуса увеличивают время реакции в результате связывания загрязняющих веществ. 

 

7. Загрязнение почвы, осадочных отложений, подпочвы и шлама

7.26. Покрытия полигонов для отходов

Покрытия полигонов для отходов могут использоваться:

• для минимизации влияния на поверхность установки для утилизации отходов;
• для предотвращения вертикального просачивания воды в отходы, что может привести к возникновению продуктов выщелачивания;
• хранения отходов во время очистки;
• контроля над выбросами газа из отходов;
• создания почвенного слоя, который может поддерживать растительный покров и/или использоваться для других целей.

Покрытие полигона для отходов - это  наиболее распространенная форма восстановления, так как она менее затратная, чем другие технологии и позволяет эффективно управлять человеческими ресурсами и экологическими рисками, связанными с  восстановлением участка.

Конструкция покрытий полигонов для отходов зависит от конкретного участка и целевого предназначения системы. Покрытия полигонов для отходов включают различные конструкции: от однослойной системы растительного покрова до сложной многослойной системы, состоящей из почвенного слоя и геосинтетических материалов. Как правило, менее сложные системы требуются в районах с сухим климатом; более сложные системы требуются в районах с влажным климатом. Материалы, используемые для строительства покрытий, включают  малопроницаемые и высокопроницаемые почвы и  малопроницаемые  геосинтетические материалы. Малопроницаемые  материалы отводят воду и предотвращают ее попадание в отходы. Высокопроницаемые материалы  отводят воду, которая просачивается в покрытие.  Для повышения устойчивости склонов могут использоваться другие материалы.

Важнейшими компонентами покрытий полигонов для отходов является приповерхностный слой и дренирующий слой. Приповерхностный слой представляет собой грунт (глину) с низкой проницаемостью и/или геосинтетический бентонитный изоляционный ковер. Мягкое дренажное покрытие из геоткани помещается на приповерхностный слой.  Дренажное покрытие из геоткани обычно поставляется в больших рулонах; толщина варьируется от 20 до 140 мм, ширина от 15до 100 фт и длина - от 180 до 840 фт). Список используемых полимеров очень большой и включает поливинилхлорид,  полиолефины с различной плотностью, армированный сульфохлорированный полиэтилен,  полипропилен,  смесь этиленов и сополимеров и новые материалы. Как правило, грунт, используемый в качестве изолирующего материала, представлен глиной, которая компактируется до уровня гидравлической проводимости не более  1 x 10-6 см/сек. Уплотненный грунт, используемый в качестве  изолирующего материала, обычно устанавливается на высоте 6 дюймов, как минимум, для достижения толщины в размере 2 фт или более. При изготовлении сложного изолирующего материала используются грунт и дренажное покрытие из геоткани с учетом преимуществ каждого материала. Дренажное покрытие из геоткани является водонепроницаемым, однако если возникает протечка, компоненты грунта защищают нижележащие отходы от попадания в них большого количества воды.

Установки, расположенные на загнивающих отходах, должны быть сконструированы таким образом, чтобы улавливать и контролировать уровень метана и углекислого газа, потенциальных парниковых газов.

 Асфальтовое/бетонное покрытие

Самые эффективные однослойные покрытия состоят из бетона/битумного асфальта. Они используются для формирования поверхностного барьера между полигоном отходов и окружающей средой.  Асфальтобетонное  покрытие уменьшает попадание воды, содержащей выщелоченные вещества, с полигона отходов в соседний водоносный слой.

 Альтернативное покрытие в соответствии с RCRA Subtitle C

Многослойное покрытие в соответствии с RCRA  C  - это основной вид покрытий, предлагаемый для использования в соответствии с RCRA. Это покрытие в основном состоит из верхнего растительного слоя (растительный грунт), дренажного слоя, малопроницаемого слоя, который состоит из синтетического покрытия, расположенного на 2 фт выше уплотненной глины. Обделка из уплотненной глины является эффективной, если она удерживает некоторое количество жидкости. Однако она подвержена растрескиванию, если глинистая порода  высыхает. Поэтому  для засушливых регионов рассматриваются  альтернативные варианты покрытий.

Покрытие в соответствии с RCRA Subtitle D

Требования RCRA Subtitle D относятся к полигонам для неопасных отходов. Покрытие полигона для отходов  в соответствии с RCRA Subtitle D - это система выстила нижнего слоя или естественное грунтовое основание. Покрытие должно отвечать следующим техническим характеристикам:

- проницаемость материала не должна превышать 1 x 10-5 см/с или быть эквивалентной наименьшему из проницаемости нижнего слоя или естественного грунта;

- фильтрационный слой должен содержать не менее 45 см грунтового материала;

- слой управления эрозией должен содержать не менее 15 см грунтового материала, способного поддерживать естественный рост растений.

Можно рассмотреть альтернативный дизайн, но аналогичный по своей функциональности в соответствии с вышеуказанными техническими характеристиками. Все покрытия должны быть сконструированы таким образом, чтобы предотвращать эффект «ванны». Эффект «ванны» возникает тогда, когда более проницаемое покрытие  размещается над менее проницаемым нижним слоем или естественным грунтовым основанием. Затем полигон заполняется как ванна.

Покрытия на полигонах для отходов могут быть временными или постоянными. Временные покрытия могут быть установлены до окончательного закрытия для минимизации образования продуктов выщелачивания до выбора лучшего метода.  Они обычно используются для минимизации инфильтрации, когда нижележащая масса отходов подвергается укладке. Таким образом, обеспечивается более стабильная основа для окончательного покрытия, снижая тем самым стоимость техобслуживания после закрытия. Покрытия для полигонов отходов могут применяться для уничтожения крупных объемов отходов, для которых другие методы очистки являются практически нецелесообразными. Например, в местах расположения шахт покрытия могут использоваться для минимизации инфильтрации воды в загрязненные отвалы хвостов обогащения  и обеспечения удобной базы для создания растительного покрова. При наличии водоотводов и структур задержания воды покрытия могут быть сконструированы таким образом, что поверхностный поток воды будет направляться в противоположную от отходов сторону, уменьшая эрозию почвы.

Ограничивающие факторы:

Покрытия для полигонов отходов не могут уменьшить токсичность, мобильность и объемы вредных отходов, но могут снизить их миграцию. Покрытия для полигонов отходов являются наиболее эффективными, если большая часть отходов находится выше уровня грунтовой воды. Покрытия не могут предотвратить прохождение горизонтального потока подземных вод через отходы; они могут предотвратить вертикальное просачивание воды в отходы. Во многих случаях покрытия используются вместе с вертикальными ограждениями для минимизации горизонтальных потоков и миграции. Срок службы компонентов полигонов (включая покрытия) может быть продлен с помощью постоянных проверок и технического обслуживания. Растительность, которая отличается глубоким проникновением корней в почву, должна удаляться в местах расположения покрытий. Кроме того, необходимо предпринимать меры предосторожности с тем, чтобы  деятельность по землепользованию не нарушила целостность покрытий.

 

7.27.  Укрепление покрытий полигонов для отходов

Целью укрепления покрытий полигонов для отходов является сокращение или предотвращение передвижения загрязняющих веществ (например, просачивания). Сбор поверхностного стока и покрытие полигонов растительным слоем - два основных метода, используемых в этих целях. Для сбора сточных вод используется водосток, позволяющий контролировать водный баланс на полигоне. Растительный покров снижает уровень увлажненности почвы за счет поглощения воды растениями и суммарного испарения.

Уровень осадков на полигоне балансируется за счет сочетания эффектов следующих явлений: сток воды, накапливание в почве, суммарное испарение и просачивание воды в почву. Для минимизации или предотвращения просачивания воды в почву с учетом определенного объема осадков необходимо повысить эффект от стока воды и/или суммарного испарения.

 Сбор сточных вод

Для сбора сточных вод используется водосток, позволяющий контролировать водный баланс на полигоне. Данная мера может быть реализована просто путем установки на поверхности металлического ливнеотводного лотка параллельно склону. Процентная доля водостока повышается при увеличении площади покрытия ливнеотводного лотка. Однако чрезмерное покрытие (> 40%) практически не приводит к повышению эффективности водостока.

Растительный покров

Растительный покров снижает уровень увлажненности почвы за счет поглощения воды растениями и суммарного испарения. Кроме того он ограничивает эрозию почвы. Растительный покров более стабилен, поскольку для его создания используются в основном природные материалы и структуры, что подразумевает его долговечность.

Укрепление покрытия полигонов применимо к традиционным местам захоронения отходов, хранилищам жидких стоков, отвалам грунта, шламам и некоторым шахтным отходам. Этот способ может оказаться менее дорогостоящим, чем установка традиционных барьеров, за счет простой структуры и использования местных ресурсов. Этот способ несложно проектировать, установка на существующем покрытии полигона не требует больших усилий, так же как и ликвидация, в случае если будет принято решение об использовании данного участка в других целях.

 Ограничивающие факторы:

• Требуется провести надлежащую оценку участка.
• Растительный покров имеет сезонные ограничения.
• Чрезмерное покрытие (> 40%) практически не приводит к повышению эффективности водостока.

 

8. Другие технологии очистки почвы, осадочных отложений, почвенного горизонта и шлама

8.28 Экскавация, извлечение и вывоз

Загрязнители вывозятся за пределы участка на разрешенные объекты по очистке и/или ликвидации. Как правило, требуется определенная предварительная очистка загрязненной среды для соблюдения ограничений, связанных с захоронением отходов в землю.

Изолированные сооружения для ликвидации отходов представляют собой инженерные конструкции, огороженные защитными дамбами для сдерживания вынутого грунта. Такое сооружение может иметь одну большую камеру для ликвидации материала и прилегающие камеры для удержания и декантации мутной надосадочной жидкости. Для предотвращения утечек через стены дамбы используются различные материалы. Наиболее эффективными из них являются глиняный шликер и цементно-бентонитовая смесь. Кроме того используется песчаное, грунтовое и осадочное покрытие.

При строительстве изолированных сооружений для ликвидации отходов необходимо рассмотреть два основных фактора - расположение и конструкция. При выборе расположения для строительства таких сооружений нужно оценить физические аспекты (размер, близость судоходных водных путей), особенности конструкции (геологические/гидрологические характеристики), а также экологические факторы (текущие цели использования участка, ценность и последствия для окружающей среды). Основной целью при проектировании таких сооружений является минимизация утечек загрязняющих веществ. Для этой цели наиболее эффективными являются заглушки, но также важно выбрать подходящий облицовочный материал. Кроме того, при использовании таких сооружений требуется постоянный мониторинг герметичности их конструкции.

Срок эксплуатации и технического обслуживания таких сооружений равен сроку их полезного использования.

Экскавация и ликвидация за пределами участка применяются ко всем группам загрязняющих веществ без определенных предпочтений. Экскавация и ликвидация загрязняющих веществ за пределами участка на другом (предположительно, более безопасном) участке.

 Ограничивающие факторы:

• Утечки загрязняющих веществ могут вызвать проблемы в ходе работ.
• Транспортировка загрязняющих веществ от загрязненного участка до ближайшего сооружения для ликвидации и получение всех необходимых разрешений приведет к дополнительным затратам.
• Необходимо оценить глубину и состав среды, в которой требуется экскавация.
• Транспортировка грунта через населенные пункты может встретить сопротивление местных жителей.
• Способы ликвидации некоторых отходов (например, смешанных или трансурановых отходов) могут быть ограничены. В США в настоящий момент действует всего одно лицензированное сооружение для ликвидации радиоактивных и смешанных отходов.
• Загрязняющие вещества могут просачиваться за пределы сооружений для ликвидации несколькими путями, включая сброс сточных вод в водоемы, поверхностный сток, просачивание в грунтовые воды, испарение в атмосферу и просачивание через дамбу.
• Без тщательно проработанного проекта и надлежащего технического обслуживания работа изолированных сооружений по ликвидации отходов может привести к возникновению неприятного запаха, а также распространению комаров и других насекомых.

 

9.  Биологическая очистка грунтовых вод, поверхностных вод и продуктов выщелачивания insitu

9.29.  Усовершенствование процесса биоремедиации

Биоремедиация - это разрушение (переработка) органических загрязнений в почвах и/или грунтовых водах возникающими естественным образом или внедренными микроорганизмами (т.е. грибами, бактериями и прочими микробами).

Биоремедиация нацелена на ускорение естественной биодеградации путем добавления биогенных веществ, акцепторов электронов и эффективных микроорганизмов, которые в противном случае могут ограничивать быстрое преобразование органических загрязнений в нетоксичный конечный продукт.

Обогащение кислородом может достигаться путем барботирования грунтовых вод воздухом или добавления перекиси водорода (H2O2) в загрязненную зону грунтовых вод. В анаэробных условиях нитраты циркулируют в загрязненной зоне грунтовых вод для усиления биоремедиации. Кроме того, пероксиды в твердой фазе (например, соединения, выделяющие кислород) могут также использоваться для обогащения кислородом и повышения уровня биодеградации.

Обогащение кислородом путем барботирования

Барботирование грунтовых вод воздухом повышает концентрацию кислорода и уровень биодеградации органических загрязнений с помощью микробов, возникающих естественным образом. (Информация об отгонке летучих органических соединений воздухом параллельно с барботированием содержится в разделе 4.34 «Описание технологии»). Барботирование воздухом также усиливает смешивание в зоне насыщения, что повышает контакт между грунтовыми водами и почвой. Простота и экономичность установки точек нагнетания воздуха малого диаметра позволяет существенно повысить оперативность разработки и создания системы восстановительных мер. Обогащение кислородом путем барботирования как правило проводится параллельно с обработкой почвы паровой экстракцией или биоудалением для повышения эффективности устранения соответствующих летучих компонентов.

 Обогащение кислородом с применением перекиси водорода

При обогащении кислородом с применением перекиси водорода слабый раствор перекиси водорода вводится через загрязненную зону грунтовых вод для повышения содержания кислорода в грунтовых водах и уровня аэробной биодеградации органических загрязнений микробами, возникающими естественным образом.

 Обогащение нитратами

Сольюбилизированный нитрат вводится в загрязненную зону грунтовых вод и служит альтернативным акцептором электронов для биологических процессов, повышая уровень биодеградации органических загрязнений. Развитие технологии обогащения нитратами по-прежнему находится на пилотной стадии. Такая технология повышает уровень анаэробной биодеградации за счет добавления нитратов.

Топливо быстро разлагается в аэробных условиях, но успешный результат часто ограничивается отсутствием возможности обеспечить достаточный уровень кислорода в загрязненных зонах в связи с низкой растворимостью кислорода в воде и быстрым поглощением кислорода аэробными организмами. Нитрат также может служить акцептором электронов и обладает более высокой растворимостью в воде, чем кислород. Добавление нитрата в водоносный горизонт приводит к анаэробной биодеградации толуола, этилбензола и диметилбензола. Было установлено, что бензиновый компонент топлива разлагается медленнее в строго анаэробных условиях. Добавление смеси кислорода/нитрата является преимущественным способом, поскольку добавленный нитрат восполнит недостающий кислород, а не заменит его, что обеспечит биодеградацию бензола в микроаэрофильных условиях.

Эти технологии могут считаться долгосрочными, поскольку для достижения их максимальной эффективности может потребоваться несколько лет.

Загрязнения, к которым применяется интенсивная биодеградация, включают негалогенированные летучие органические соединения, негалогинированные полулетучие органические соединения и различные виды топлива. Пестициды также должны поддаваться некоторой очистке. Обогащение нитратами изначально использовалось для очищения грунтовых вод, загрязненных бензолом, толуолом, этилбензолом и диметилбензолом.

 

 Ограничивающие факторы:

• Когда нижний горизонт имеет разнородную структуру, очень сложно доставить раствор нитрата или перекиси водорода в каждую секцию загрязненной зоны. Зоны с высокой проницаемостью будут очищены намного быстрее из-за более интенсивного потока грунтовых вод.
• При использовании перекиси водорода необходимо соблюдать меры безопасности.
• Концентрации перекиси водорода в грунтовых водах свыше 100-200 мг/куб. м замедляют деятельность микроорганизмов.
• Действие микробных энзимов и высокое содержание железа в глубинных материалах может привести к быстрому сокращению концентраций перекиси водорода и сужению зон влияния.
• Система циркуляции грунтовых вод должна быть создана таким образом, чтобы загрязняющие вещества оставались в зонах активной биодеградации.
• Поскольку барботирование воздухом повышает давление в зоне верхних грунтовых вод, пары могут скапливаться в основаниях зданий, которые, как правило, являются зонами низкого давления.
• Многие государства запрещают впрыскивание нитратов в грунтовые воды, поскольку уровень нитратов регулируется стандартами качества питьевой воды.
• Для очистки извлеченных грунтовых вод до их повторного введения в почву или утилизации требуется система поверхностной очистки, например отгонка воздухом или адсорбция углем.

9. 30 Контролируемый естественный процесс ослабления последствий загрязнения

Для сокращения концентраций загрязнений до допустимого уровня разрешается применение естественных подземных процессов, таких как разжижение, испарение, биодеградация, адсорбция и химические реакции с подземными материалами. Естественное ослабление последствий загрязнения не является «технологией» как таковой, и технические специалисты ведут серьезные споры о его приемлемости в зонах с опасными отходами. Изучение этого варианта требует моделирования и оценки темпов и способов деградации загрязнителей, а также составления  прогнозов относительно концентрации загрязнителей в зонах нисходящего градиента, особенно когда шлейф загрязнения продолжает расширяться/перемещаться. Основная цель моделирования участка - демонстрация того, что процессы деградации загрязнений сократят концентрации до уровня ниже установленных стандартов или уровня, установленного с учетом имеющихся рисков, до завершения реализации возможных способов воздействия. Кроме того, в ходе всего процесса необходимо провести долгосрочный мониторинг для подтверждения того, что деградация проходит темпами, соответствующими целям восстановительных работ.

Естественное ослабление последствий загрязнения не эквивалентно бездействию, хотя его часто считают таковым. CERCLA требует оценки альтернатив бездействию, но не требует оценки естественного ослабления последствий загрязнения. Естественное ослабление последствий загрязнения рассматривается в рамках программы «Суперфонд» на индивидуальной основе, и инструкции в отношении этого процесса по-прежнему находятся на этапе разработки. 

По сравнению с другими технологиями  в области рекультивации, этот процесс имеет следующие преимущества:

Обеспечивает более низкий уровень производимых или переносимых отходов;

Предполагает минимальное вмешательство, поскольку не требует установки большого числа наземных объектов;

Может применяться ко всему участку или к его определенным зонам, в зависимости от состояния участка и целей восстановительных работ;

Может использоваться в сочетании с прочими (активными) мерами или в дополнение к ним;

Общие затраты, вероятнее всего, будут ниже чем затраты на проведение активных восстановительных работ.

К загрязнениям, при устранении которых эффективно естественное ослабление последствий загрязнения, относятся летучие и полулетучие органические соединения, а также топливные углеводороды. Топливные и галогенированныелетучие органические соединения часто оцениваются с точки зрения применимости к ним данного способа. Естественное ослабление последствий загрязнения также наблюдается и в ситуации, когда загрязняющим веществом являются пестициды, но этот процесс может быть менее эффективным и может применяться только к некоторым соединениям группы. Кроме того, естественное ослабление последствий загрязнения может применяться к некоторым металлам. В этом случае меняется валентное состояние металла (например, хрома), что приводит к его нейтрализации.

  Ограничивающие факторы:

• Необходимо собрать данные для использования в качестве исходных параметров при моделировании.
• Продукты промежуточного распада могут быть более мобильны и токсичны, чем само исходное загрязняющее вещество.
• Естественное ослабление последствий загрязнения неэффективно при наличии неизбежных локальных рисков.
• Загрязняющие вещества могут мигрировать до их распада.
• Могут потребоваться ведомственные средства контроля, и участок может быть непригоден для повторного использования до сокращения уровня загрязняющих веществ.
• При наличии свободного вещества может возникнуть необходимость в его устранении.
• Некоторые неорганические соединения могут быть нейтрализованы (например, ртуть), но это не приведет к их распаду.
• Долгосрочный мониторинг и связанные с ним затраты.
• Для достижения поставленных целей по восстановлению участка может потребоваться больше времени, чем при активном восстановлении.
• Гидрологические и геохимические условия, в которых происходит естественное ослабление последствий загрязнения, по всей вероятности, будут меняться со временем, что может возобновить мобильность ранее стабилизированных загрязняющих веществ и отрицательно сказаться на эффективности восстановительных мер;
• Для получения общественного одобрения на применение естественного затухания могут потребоваться более широкомасштабные меры.

 

9.31 Фиторемедиация

Фиторемедиация представляет собой ряд процессов, в рамках которых для очистки грунтовых и поверхностных вод используются растения. Очистка от металлов и прочих неорганических соединений подробно рассматривается в Разделе 4.6 («Фиторемедиация грунта»). Растения для целей фиторемедиации могут быть использованы несколькими способами. К этим механизмам относится интенсивная ризофильтрация, гидравлическое управление, фитодеградация и фитоволатилизация.

Интенсивная ризофильтрация

Интенсивная ризофильтрация происходит в почве в зонах расположения корней растений. Природные вещества, выделяемые корнями растений, поставляют питательные вещества микроорганизмам, усиливая их способность к биодеградации органических загрязнителей. Корни растений также разрыхляют почву и затем отмирают, открывая пути для транспортировки воды и воздуха. В результате этого процесса вода выходит в поверхностные слои, а нижние зоны насыщения осушаются.

Гидравлическое управление

В зависимости от типа деревьев, климата и сезона деревья могут выступать в качестве природных насосов - их корни достигают уровня грунтовых вод и формируют плотную корневую систему, забирающую большие объемы воды.

 Фитодеградация

Фитодеградация представляет собой метаболизм загрязняющих веществ в тканях растений. Растения вырабатывают энзимы, например дегалогеназу и оксигеназу, которые помогают ускорить деградацию. В настоящее время ведутся исследования для определения эффективности фитодеградации в отношении ароматических и хлорированных алифатических соединений.

 Фитоволатилизация

При фитоволатилизации растения поглощают воду, содержащую органические загрязнители, и испаряют их в атмосферу через листья. Растения также могут расщеплять органические загрязнители и выделять продукты распада в атмосферу через листья.

Фиторемедиация может применяться для очистки органических загрязнителей в поверхностных водах, грунтовых водах, продуктах выщелачивания, а также бытовых и промышленных сточных водах.

Растения также вырабатывают энзимы (например, дегалогеназу и оксигеназу), которые помогают ускорить деградацию.

 Ограничивающие факторы:

• Данный метод может применяться только в отношении неглубоких почв, водотоков и грунтовых вод.
• Высокие концентрации опасных веществ могут быть токсичны для растений.
• При применении этого метода, как и других методов биологической очистки, масса переносимых веществ ограничена.
• Климатические или сезонные условия могут препятствовать или сдерживать рост растений, тем самым замедляя действие восстановительных мер или увеличивая период очистки.
• В результате применения этого метода загрязнения могут переноситься из одной среды в другую (например, из почвы в атмосферу).
• Данный метод неэффективен в отношении чрезмерно сорбированных (многохлористые бифенилы) и недостаточно сорбированных загрязнителей.
• Для применения фиторемедиации, по всей вероятности, потребуется участок большой площади.
• Уровень токсичности и биологической доступности продуктов биодеградации не всегда известен. Продукты могут попадать в грунтовые воды или накапливаться в организме животных. Необходимо проводить дальнейшие исследования, чтобы определить судьбу различных соединений в цикле метаболизма растений и избежать попадания токсичных или вредных веществ из продуктов жизнедеятельности растений и продуктов, вырабатываемых растениями, в пищевую цепь и повышения риска для населения.

 

10.  Химико-физическая обработка грунтовых, поверхностных и свалочных сточных вод  in situ

 

10.32 Воздушный барботаж

Воздушный барботаж - это технология in situ, в которой воздух продувается через загрязненный водоносный слой.  Закаченный воздух проходит горизонтально и вертикально по каналам через толщу грунта, создавая подземное очистительное устройство, которое выводит загрязняющие вещества методом испарения. Закаченный воздух помогает выбрасывать (пузырьками) загрязняющие вещества вверх в ненасыщенную зону, где обычно установлена система удаления паров вместе с воздушным барботажем для удаления выделяемых загрязнений в  парообразной фазе. Данная технология предназначена для работы на больших скоростях потока для поддержания увеличенного контакта между грунтовой водой и грунтом и для очистки больших объемов грунтовых вод методом барботажа.  

Добавление кислорода в загрязненные грунтовые воды и в зону распространения вадозных вод также может усиливать процесс биологического разложения загрязняющих веществ над и под горизонтом грунтовых вод.

Процесс воздушного барботажа входит в число средне- и долгосрочных процессов, которые обычно могут длиться до нескольких лет.

Целевой группой загрязняющих веществ для метода воздушного барботажа являются летучие органические соединения и некоторые виды топлива. Информация о процессе носит ограниченный характер.  В качестве добавки к барботажному воздуху, которая усиливает ко-метаболизм хлорорганики, можно использовать метан.

 Ограничивающие факторы:

• Воздушный поток через зону насыщения может быть неоднородным, это означает, что может появляться неконтролируемое движения потенциально опасных паров. 
• Необходимо учитывать степень загрязнения и конкретные геологические характеристики площадки.
• Воздухонагнетательные скважины должны проектироваться с учетом конкретных условий площадки, где они будут применяться.
• Неоднородность почвы может привести к тому, что некоторые участки  могут оказаться незадействованными.

 

10.33 Биооткачка

Биооткачка представляет собой адаптацию вакуумных дренажных технологий и их применение для очистки площадей, загрязненных углеводородными веществами. В биооткачке применяются как элементы биоудаления, так и элементы выделения свободного продукта для обработки двух самостоятельных носителей загрязнений. В биооткачке применяются элементы обоих технологий для одновременного выделения свободного продукта  и биоочистки зоны распространения вадозных вод. Биооткачка позволяет повысить эффективность выделения свободного продукта без извлечения больших объемов грунтовых вод. В процессе биооткачки вакуумные насосы позволяют удалить LNAPL из горизонта грунтовых вод и высвободить капиллярную зону. Это минимизирует изменение высоты грунтовых вод над уровнем моря, что, в свою очередь, сводит к минимуму создание зоны разрушения грунта.  Биоудаление в зоне распространения вадозных вод достигается за счет втягивания воздуха в почву в результате отсасывания почвенного газа через отсасывающий колодец. Система спланирована таким образом, чтобы минимизировать выбросы в окружающую среду  грунтовой воды и почвенного газа. После завершения процесса выделения свободного продукта, система биооткачки без труда преобразуется в обычную систему биоудаления для завершения очистки. 

Продолжительность работы и технического обслуживания процесса биооткачки варьируется от нескольких месяцев до нескольких лет в зависимости от конкретных условий участка.

Биооткачка может успешно применяться для очистки почв, загрязненных нефтяными углеводородами. Биооткачка - это экономически эффективная технология очистки in situ, которая одновременно удаляет LNAPL и очищает грунт в зоне распространения вадозных вод.  Биооткачка также применяется на участках с глубоким залеганием грунтовых вод (>30 футов)

 Ограничивающие факторы:

• Биооткачка менее эффективна в плотных (с низкой проницаемостью) грунтах. 
• Низкая влажность почвы может ограничивать биохимическое разложение и эффективность биоудаления, которое, как правило, высушивает почву. 
• Аэробное биохимическое разложение многих хлористых соединений может оказаться неэффективным при отсутствии ко-метаболита. 
• Низкие температуры замедляют процесс очистки.
• Часто, газовые отходы, образующиеся в результате работы системы биооткачки необходимо очистить, прежде чем выпускать в окружающую среду.   Тем не менее, очистка газовых отходов может потребоваться только на короткий период после начала работы системы, так как показатели содержания топлива будут уменьшаться.
  • На некоторых участках, в зависимости от концентрации загрязняющих веществ в технической воде, в процессе биооткачки могут извлекаться большие объемы воды, которые, возможно, нуждаются в очистке, прежде чем они могут быть возвращены в окружающую среду.
  • Так как топливо, вода и воздух  удаляются из подземных пластов одним потоком, возникает смешение фаз. Для таких смесей, возможно, потребуется специальный сепаратор масел и воды, а также очистка, прежде чем техническая вода будет возвращена в окружающую среду.

 

10.34  Химическое окисление

 

К наиболее часто используемым сегодня химическим окислителям относятся пероксиды, озон и перманганат. Эти окислители могут обеспечить быструю и полную химическую деструкцию многих токсичных органических химических веществ. Другие органические вещества подвергаются частичной деградации для последующей биоремедиации. В целом, окислители демонстрировали высокие результаты обработки (например, > 90%) в отношении непредельных алифатических углеводородов (таких как трихлорэтилен) и ароматических соединений (таких как бензол) при высокой скорости реакции (90% деструкция за несколько минут). Применение данного метода в реальных условиях однозначно показало, что залогом успешного достижения целей очистки является соответствие окислителя и in situ системы подачи конкретным загрязнителям, в отношении которых ведется работа по очищению, а также условиям на самой площадке.

Пероксид

В результате процесса окисления с применением жидкого пероксида водорода (H2O2) в присутствии природного или дополнительно введенного двухвалентного железа (Fe+2) происходит реакция Фентона и образуются свободные гидроксильные радикалы (OH-). Эти сильные, неспецифические окислители могут быстро разрушать ряд органических соединений. Окисление по реакции Фентона происходит наиболее эффективно в очень кислой среде (рН составляет от 2 до 4) и дает слабый эффект при среднем или высоком уровне содержания щелочи. Реакции происходят очень быстро и являются кинетикой второго порядка.

Добавление озона (озонация)

Газообразный озон может окислять загрязнители прямым воздействием или путем образования гидроксильных радикалов. Аналогично пероксиду водорода, реакции с участием озона проходят наиболее эффективно в системах с кислым ph-фактором. Реакция окисления происходит очень быстро и соответствует псевдо-реакции первого порядка. Из-за высокой реакционной способности и нестабильности озона, О3 производится на месте. При этом необходимо, чтобы места подачи располагались близко друг к другу (например,  скважины для воздушного барботирования). Расщепление озона in situ может обеспечить более успешное окисление и биостимуляцию.

 Перманганат

Стехиометрия реакции с применением перманганата (обычно жидкого или твердого KMnO4, а также содержащегося в солях Na, Ca, or Mg) в естественных системах является сложной. В силу своей многовалентности и наличия различных минеральных форм Mn может участвовать во многих реакциях. Такие реакции протекают медленнее, по сравнению с указанными выше двумя типами реакций, в соответствии с кинетикой второго порядка. В зависимости от уровня рН в процессе реакции может происходить разрушение в результате прямого переноса электрона или усиленного окисления и образования свободных радикалов. Реакции с применением перманганата калия проходят наиболее эффективно при рН, равном 3,5-12.

Скорость и степень разрушения целевого загрязнителя, в отношении которого ведется работа по очищению, зависят от свойств самого химического вещества и его чувствительности к окислению. Важную роль играют также условия матрицы, особенно такие как уровень рН, температура, концентрация окислителя и концентрация прочих веществ, потребляющих окислитель, таких как природные органические вещества и восстанавливаемые минералы, а также карбонаты и другие ловушки свободных радикалов. Учитывая сравнительно беспорядочный и быстрый характер реакции окислителей с восстанавливаемыми веществами, важно правильно выбрать метод подачи и распространения вещества по грунтовым слоям. Для подачи окислителей часто используются вертикальные или горизонтальные инъекционные скважины и барботаж в сочетании с усиленной адвекцией для быстрой подачи окислителя в грунт.

Перманганат сравнительно более стабилен и устойчив в грунте и поэтому может переноситься в результате диффузионных процессов. Важно также учитывать степень воздействия процесса окисления на систему. Все указанные три типа окисления могут привести к снижению уровня рН при отсутствии эффективного буфера. К другим потенциальным последствиям процесса окисления относятся: коллоидные образования, ведущие к снижению уровня проницаемости; мобилизация адсорбированных, взаимозаменяемых и редокс-чувствительных металлов; возможное формирование токсичных побочных продуктов; выделение тепла и газа; и биологические нарушения.

Ограничивающие факторы:

• Требования к работе с большими объемами опасных окисляющих химических веществ в связи с  применением окислителей к целевым органическим химическим веществам и непродуктивность окислителя по отношению к конкретной геологической формации.
• Некоторые загрязняющие вещества, в отношении которых ведутся очистные работы, устойчивы к окислению.
• Существует вероятность негативного воздействия в результате процесса. Продолжаются исследования и разработки, направленные на научное и техническое развитие процесса окисления in situ, а также повышение эффективности затрат процесса в целом.

 

10.35.  Наклонные скважины

Применяются технологии бурения, позволяющие расположить скважины горизонтально или под углом, чтобы достичь загрязняющих веществ, которые невозможно достичь при прямом вертикальном бурении. Направленное бурение может применяться для повышения эффективности других in-situ или внутрискважинных технологий, таких как откачка грунтовых вод, биоудаление, ППЭ, промывка почв и  отгонка воздухом внутри скважины.

Оборудование, применяемое при наклонном бурении включает платформу для бурения со съемным керноприемником, гидравлические силовые установки, электрический конусный пенетрометр, устройство управления и отслеживания, систему акустического бурения и систему нажимного кернового бурения.  Гидравлическое ударное оборудование, способное производить удар силой более 40 тон, применяется для проталкивания бурильной головки направленного действия в землю. Направление бурения контролируется правильным размещением лицевой стороны несимметричной буровой головки.  Медленное вращение буровой головки будет разрезать и уплотнять геологический материал в стенку ствола буровой скважины. Вколачивание буровой головки, не вращая ее, приведет к изменению направления бурения. Оборудование способно инициировать бурение скважины, управлять ее вертикальным бурением до заданной глубины, продолжать бурение на этой глубине, а затем управлять обратным бурением до поверхности с выходом на поверхность в определенном направлении от места начала бурения.

Технология направленного бурения применима к целому ряду групп загрязняющих веществ без выделения какой-либо целевой группы. Оно особенно полезно, когда существующие структуры горных пород мешают размещению вертикальных скважин.

  Ограничивающие факторы:

• Риск обрушения скважины.
• Необходимость наличия специального оборудования.
• Скважины трудно пробурить достаточно точно.
• Бурение горизонтальных скважин, как правило, дорогостояще.
• В настоящее время технология ограничена глубиной до 50 футов.

 

10.36.  Двухфазная экстракция

Двухфазная экстракция (ДФЭ), также известная как многофазная экстракция, усиленная вакуумная экстракция, а иногда и как биооткачка, представляет собой технологию, в которой высоко вакуумная система применяется для удаления различных загрязняющих веществ из грунтовых вод, нефтепродуктов отдельных фаз и паров углеводородов из подпочвенных пластов. Извлеченные жидкости и пар очищаются и собираются для утилизации или закачки в подземный пласт (где это разрешено в соответствии с применимым законодательством).

В системах ДФЭ для очистки жидкости/пара высоковакуумная система применяется для удаления жидкости и газа из формаций с низкой проницаемостью или неоднородных формаций.   Скважина вакуумной экстракции имеет барьерную секцию в зоне загрязненных грунтовых вод или грунта.  Она удаляет загрязнители  выше и ниже уровня грунтовых вод. Система понижает уровень грунтовых вод вокруг скважины, дополнительно обнажая формацию.  В результате загрязнители во вновь обнаженной зоне распространения вадозных вод становятся доступными для паровой экстракции. После поднятия на поверхность извлеченные пары или органические вещества в жидкой фазе и грунтовые воды разделяются и очищаются. Системы ДФЭ для очистки жидкости/пара обычно  работают совместно с биоремедиацией, воздушным барботажем или биоудалением  в тех случаях, когда целевые загрязнители содержат углеводороды длинной цепи.  Применение двухфазной экстракции с указанными технологиями может сократить время очистки на участке. Она также может применяться с технологиями «выкачивания и очистки» для регенерации грунтовых вод в более высокопродуктивных водоносных слоях.

Целевой группой загрязняющих веществ для метода двухфазной экстракции являются летучие органические соединения и некоторые виды топлива (например, LNAPL). Двухфазная экстракции является более эффективной технологией, чем ППЭ для очистки неоднородных глин и мелкозернистого песка. Тем не менее, данный метод не рекомендуется для формаций с низкой проницаемостью из-за возможности пропустить отдельные линзы с нерастворенным продуктом .

 Ограничивающие факторы:

• Геология участка и характеристики распространения загрязнения.
• Возможно потребуется применять совместно с дополнительными технологиями (например технологиями «выкачивания и очистки») для очистки грунтовых вод в более высокопродуктивных водоносных слоях.
• Технология двухфазной экстракции требует очистки и воды и пара.

 

10.37.  Термическая обработка

Через нагнетательные скважины  пар нагнетается в  водоносный слой для выпаривания летучих и полулетучих загрязняющих веществ. Испаряющиеся компоненты поднимаются в ненасыщенную (вадозную) зону, где они подвергаются процессу выделения с помощью вакуумной экстракции и затем очистке.  Технологии, основанные на нагнетании горячей воды или пара, включают ограниченную регенерацию нефтяных отходов,  нагнетание пара, вакуумную экстракцию,  экстрагирование паром in situ и процесс регенерации с помощью пара. Промывка/отгонка горячей водой или водяным паром  является экспериментальной технологией. Биологическая  очистка ex situ может применяться  после  применения метода вытеснения смешивающимся агентом и продолжаться до тех пор, пока концентрация загрязняющих веществ в грунтовых водах не будет соответствовать нормативным требованиям.

Данный процесс может использоваться для удаления большого количества накопленных нефтяных отходов  и замедления нисходящей и латеральной миграции органических загрязняющих веществ. Он применяется для обработки неглубоких и глубоких загрязненных почвенных слоев. Для этого может применяться существующее передвижное оборудование.

Процесс нагнетания горячей воды/водяного пара относится к краткосрочным и среднесрочным технологиям. Его продолжительность может составлять от нескольких недель до нескольких месяцев.

Целевые группы загрязняющих веществ для применения промывки/отгонки горячей водой или водяным паром включают  полулетучие органические соединения и некоторые виды топлива. Данная технология может также применяться в отношении летучих органических соединений, хотя существуют и более эффективные с точки зрения затрат процессы для участков, зараженных летучими органическими соединениями.   Данная технология может  применяться на местах с установками для производства искусственного газа, на участках деревообработки,  нефтеперерабатывающих установках и на других участках, на которых почва содержит легкие и плотные органические жидкости, такие как каменноугольная смола, растворы ПХФ, креозот и побочные продукты нефтепереработки.

 Ограничивающие факторы:

• Тип почвы, характеристики  и концентрация загрязняющих веществ, геология и гидрогеология, которые будут оказывать существенное влияние на эффективность процесса.

10.38.  Гидроразрыв

Гидроразрыв - это экспериментальная технология, при которой вода под давлением нагнетается для увеличения проницаемости уплотненного материала или относительно непроницаемого неуплотненного материала. Щели, возникшие во время процесса, заполняются пористой средой, которая может ускорить биовосстановление и/или повысить эффективность  экстракции. Трещины способствуют более  равномерной доставке жидкости для обработки приствольной зоны и ускоренного выделения подвижных загрязняющих веществ. Обычно применяется в рамках технологии почвенной паровой экстракции, биоремедиации in situ и  системы закачки и  очистки.

Процесс гидроразрыва начинается с закачки воды  в закрытый ствол скважины до тех пор, пока давление воды не превысит пластовое давление и не возникнет разрыв. Затем закачивается смесь, состоящая из крупнозернистого песка и гуарового геля  или аналогичного заместителя, для увеличения разрыва. После закачки крупнозернистый песок помогает сохранять трещины в раскрытом состоянии, а энзимные добавки уменьшают  вязкость жидкости. Из трещины выкачивается разбавленная жидкость, образуя тем самым проницаемый подповерхностный канал, удобный для доставки или извлечения пара или жидкости.

Процесс гидроразрыва может использоваться совместно с технологией почвенной паровой экстракции для повышения отдачи пласта. Трещины, искусственно образованные с помощью гидроразрыва,  используются для доставки жидкости, субстратов и нутриентов при применении технологии биоремедиации  in situ.

Метод гидроразрыва применяется к различным группам загрязняющих веществ в целом, без выделения определенной целевой группы.

  Ограничивающие факторы:

• Данную технологию не следует применять в зонах повышенной сейсмической активности.
• Требуется проведение дополнительных работ для выяснения того, находятся ли под землей коммунальные сети, какие-либо объекты или скрытый свободный (обезвоженный) углеводородный продукт.
• Существует вероятность образования новых путей для нежелательного распространения загрязняющих веществ (например, плотных жидкостей неводной фазы).
• После использования данной технологии могут оставаться области  с низкой проницаемостью.
• Отсутствует возможность контролировать расположение или размер  создаваемых трещин.
• В связи с избыточным давлением трещины могут разрушиться.

 

10.39.  Внутрискважинная отгонка воздухом

При использовании технологии внутрискважинной отгонки  воздухом воздух нагнетается в вертикальную скважину, которая имеет фильтры на двух уровнях глубины. Нижний фильтр установлен в зоне, насыщенной грунтовыми водами; верхний фильтр установлен в ненасыщенной зоне, которая часто называется «вадозной зоной». Сжатый воздух нагнетается в скважину ниже горизонта грунтовых вод,  насыщая воду воздухом. Аэрированная вода поднимается в скважине и вытекает из системы в верхний фильтр. Загрязненные грунтовые воды поступают в систему через нижний фильтр. Летучие органические соединения переходят в газообразное состояние в скважине в верхней части горизонта грунтовых вод, при этом воздух выходит из воды. Пары удаляются с помощью системы почвенной паровой экстракции. Частично очищенные грунтовые воды никогда не выходят на поверхность; они направляется в ненасыщенную зону и процесс осуществляется повторно, так как грунтовые воды подвергаются  режиму гидроциркуляции, что обеспечивает их непрерывную циркуляцию. По мере поступления грунтовых вод через систему очистки in situ, концентрация загрязняющих веществ постепенно уменьшается. Внутрискважинная отгонка воздухом  - это экспериментальная технология.

Модификация основного процесса внутрискважинной отгонки воздухом может заключаться в нагнетании добавок в малодебитную скважину для повышения биодеградации (например, питательных веществ, акцепторов электронов). Кроме того, прилегающий к скважине участок, на который циркуляция оказала влияние  (радиус влияния скважины), может быть модифицирован с помощью добавления определенных химических реагентов, которые позволят  провести in situ стабилизацию металлов, изначально растворенных в грунтовых водах.

В зависимости от концентрации загрязняющих веществ,  константы загрязняющих веществ по закону Генри, радиуса влияния скважины и гидрогеологических условий участка процесс внутрискважинной отгонки воздухом может быть краткосрочным или долгосрочным.

 Циркулирующие скважины

Циркулирующие скважины относятся к технологии восстановления нижних горизонтов почвы с помощью трехмерного режима циркуляции грунтовых вод. Грунтовые воды поступают в скважину через зону с первым фильтром и прокачиваются в зону со вторым фильтром, откуда они возвращаются в водоносный горизонт. Поток воды  может быть направлен вверх или вниз в зависимости от  конкретных условий участка. Так как грунтовые воды не подаются на поверхность, затраты на закачку подачу воды сокращаются, и проблемы с получением разрешений отсутствуют. Кроме того, не возникают проблемы, связанные с хранением и сбросом. Помимо очистки грунтовых вод системы циркулирующих скважин позволяют провести  одновременную очистку  зоны вадозных вод с помощью биоудаления или почвенной паровой экстракции.

Системы циркулирующих скважин позволяют провести очистку внутри скважины, в водоносном горизонте или в обоих случаях. Для проведения эффективной внутрискважинной очистки загрязняющие вещества должны быть  растворимыми и мобильными, что позволяет перемещать их с помощью  циркулирующих грунтовых вод. Так как системы циркулирующих скважин предоставляют разнообразные варианты очистки, обеспечивается некоторая степень гибкости в отношении деятельности по очистке.

Целевые группы загрязняющих веществ для вакуумной паровой экстракции включают  галогенированные  летучие органические соединения,  полулетучие органические соединения и некоторые виды топлива. Разновидности данной технологии могут также быть эффективными в отношении очистки от некоторых видов негалогенированных летучих органических соединений, нелетучих органических соединений,  пестицидов и неорганических веществ. Обычно системы циркулирующих скважин являются экономически эффективным методом очистки грунтовых вод, загрязненных летучими органическими соединениями на участках с глубоким залеганием грунтовых вод, так как необходимость в выводе воды на поверхность отсутствует.

Системы внутрискважинной отгонки воздухом наиболее эффективны для очистки участков, загрязненных летучими органическими соединениями с относительно высокой  степенью растворимости в воде и высокой вероятностью биодеградации, например, галогенированные и негалогенированные летучие органические соединения. Эффективность систем циркулирующих скважин выше, если  горизонтальная проводимость составляет более 10-3см/сек., а  соотношение горизонтальной и вертикальной проводимости варьируется между 3 и 10. Соотношение меньше 3 указывает на короткий период циркуляции и небольшой радиус влияния скважины. Если соотношение больше 10, период циркуляции может быть продолжительным, что не является приемлемым.

 Ограничивающие факторы:

• Системы УФВ-типа очищают воду только в  малодебитной скважине.
• Как правило, внутрискважинная отгонка воздухом  более эффективна на участках с высоким содержанием растворенных загрязняющих веществ при высокой константе загрязняющих веществ по закону Генри.
• Загрязнение системы может произойти при проникновении осадков, содержащих оксидированные элементы.
• Неглубоко залегающие грунтовые воды могут снижать эффективность процесса.
• Эффективные циркулирующие скважины требуют наличия четко определенного шлейфа загрязняющих веществ для предотвращения их распространения или размывания. Они не применяются для участков, содержащих жидкости неводной фазы, для предотвращения возможности размывания загрязняющих веществ.
• Циркулирующие скважины применяются только на участках с горизонтальной гидравлической проводимостью более 10-5 см/сек. и не должны использоваться на участках с залежами низкой проводимости. 
• Внутрискважинная отгонка воздухом  может быть неэффективна на участках с сильным естественным фонтанированием.

 

10.40.  Ограждения для пассивной/реакционной очистки

Проницаемые ограждения для очистки устанавливаются по контуру загрязнения и обеспечивают пассивное прохождение водной составляющей загрязнителя. Эти ограждения пропускают воду и в то же время задерживают загрязняющие вещества, используя такие добавки, как металлы нулевой валентности, хелаторы (лиганды, отобранные в зависимости от их исключительного взаимодействия с определенными металлами), сорбенты, микробы и пр.

Загрязняющие вещества будут распадаться или удерживаться в концентрированном виде под воздействием материала ограждения. Ограждение может служить постоянным хранилищем для относительно безопасных остаточных продуктов или задерживать более токсичные загрязнители в уменьшенном объеме для последующей обработки.

 Воронки и шлюзы

Изменить структуру базовых ограждений для пассивной очистки можно путем внедрения системы воронок и шлюзов либо установки железных ограждений для очистки. Система воронок и шлюзов для обработки участков загрязнения на месте включает шпунтовые ограждения с низким коэффициентом проницаемости (например, 1E-6 см/с) (воронка) со шлюзом, содержащим активные зоны. Грунтовые воды главным образом проходят через отверстия с высоким коэффициентом проницаемости (шлюзы). Главным образом в текущей практике используются такие шпунтовые ограждения, как глиняные барьеры или металлические шпунты. Кроме того, в рамках использования ограждений с воронками рассматриваются возможности применения инновационных методов, в частности глубокого грунтосмешения и струйной цементации.

Железные ограждения для очистки

Железное ограждение для очистки состоит из гранул железа или других железосодержащих минералов для очистки хлористых загрязнителей, таких как трихлорэтилен, дихлорэтилен и винилхлорид. В результате окисления железа атом хлора удаляется из соединения с помощью одного или более механизмов дехлорирования, в рамках которых используются электроны, возникающие в результате окисления железа. В процессе гранулы железа растворяются, но металл исчезает так медленно, что ограждения могут быть эффективны в течение многих лет, а, возможно, и десятилетий.

Тестирование ограждений и мониторинг после проведения очистных мероприятий проводится ВВС США, ВМС США и Министерством энергетики США на демонстрационных участках. Технологии тестирования и мониторинга разрабатываются для существующих загрязненных участков. Для повышения эффективности ограждений используется большое количество различных материалов. При первичной разработке данной программы было два основных типа ограждений - проницаемые реактивные ограждения и локальные биореакторы.

Ограждения для пассивной очистки обычно используются в рамках долгосрочных проектов для контроля над движением загрязняющих веществ в грунтовых водах.

Целевыми группами загрязняющих веществ, к которым применима такая технология, являются летучие и полулетучие органические соединения, а также неорганические соединения. Данная технология может использоваться при обработке некоторых топливных углеводородов, но при этом она будет менее эффективной.

  Ограничивающие факторы:

• Ограничения для пассивной очистки могут потерять свои реакционные способности, что потребует замещения реагирующего элемента.
• Проницаемость таких ограждений может понизиться в связи с отложением солей металлов.
• Глубина и ширина барьера.
• Ограничения, связанные с составом пород нижнего горизонта с постоянным проницаемым водоупором на глубине, которая является максимальной для используемого траншейного оборудования.
• Затраты на материалы для очистки.
• Биологическая активность или химическое осаждение могут ограничить проницаемость ограждения для пассивной очистки.

 

 

11. Биологическая очистка ex situ (при откачке)

11.41. Биореакторы

Биореакторы обеспечивают разложение загрязняющих веществ в воде с микроорганизмами за счет биологических систем с суспензионными культурами или организмами-обрастателями. В случае систем с суспензионными культурами (например, реактор с активированным илом, псевдоожиженным слоем или последовательно-циклический реактор) загрязненные грунтовые воды циркулируют в аэрационном бассейне, где микробная популяция аэробно разлагает органическое вещество и вырабатывает CO2, H2O и новые клетки. Клетки образуют ил, который оседает в отстойнике и направляется на переработку в аэрационный бассейн или удаляется. В случае систем с организмами-обрастателями (например, биореакторы с фиксированной пленкой и восходящим потоком, вращающиеся биореакторы и капельные биологические фильтры) микроорганизмы закрепляются на матрице инертной подложки для аэробного разложения загрязняющих веществ в воде.

Одна из перспективных методик предусматривает использование активных опор (например, активированный уголь, который поглощает загрязнители и медленно выпускает их микроорганизмам для разложения). Микробную популяцию можно получить из источника загрязнений или из инокулята организмов, характерных для загрязнителя. К другим видам применения относятся экосистемы влажных земель и колонные реакторы.

В биореакторы зачастую добавляются питательные вещества для поддержки роста микроорганизмов.

Биореакторы – это долгосрочная технология. Продолжительность процесса может составлять несколько лет.

 Капельный биологический фильтр

Другим методом очистки сточных вод посредством аэрирования является капельный биологический фильтр. Капельный фильтр состоит из слоя высокопроницаемой среды, водораспределителя и дренажной системы. Сточная вода распределяется по верху фильтрующего слоя, сквозь который сточная вода просачивается. Органические загразнения в сточной воде разлагаются микроорганизмами-обрастателями, прикрепленными к фильтрующей среде. Фильтрационным материалом может служить горная порода, пластик или древесина. Фильтрующий слой, как правило, круглый. Его глубина варьирует от 3 до 8 футов (0,9-0,5 м). Средняя глубина – 6 футов (1,8 м). Так как сточная вода течет по фильтрующему материалу, она насыщается кислородом, при этом загрязняющие вещества разлагаются под действием закрепленных микроорганизмов на поверхности фильтрующего слоя. Дренажная система используется для сбора очищенной воды и биомассы, открепившейся от фильтрующего слоя. Дренажная система также играет важную роль, так как ее пористая структура способствует циркуляции воздуха.

Продолжительность работы и поддержания орошения дождеванием зависит от количества времени, необходимого на получение и обработку загрязненных стоков; мониторинга очищенной воды; и мониторинга возможных накоплений металла.

Биореакторы используются главным образом для обработки полулетучих органических соединений, топливных углеводородов и биоразлагаемых органических материалов. Эффективность процесса в отношении некоторых пестицидов может быть ниже. Экспериментальные полевые исследования дали успешные результаты в отношении некоторых галогенсодержащих соединений, таких как изомеры PCP, хлорбензола и дихлорбензола. Биореакторы с кометаболитами используются для обработки полихлорированных бифенилов, галогенированных летучих органических соединений и полулетучих органических соединений в вытяжке грунтовых вод.

 Ограничивающие факторы:

• Загрязненные грунтовые воды имеют разжиженную структуру, поэтому зачастую они не обеспечивают достаточную плотность микробной популяции. Это особенно касается реакторов с суспензионными культурами. Может понадобиться использование дополнительных питательных веществ.
• Очень высокая концентрация загрязняющих веществ может быть токсичной для микроорганизмов. В этом случае необходимы специальные конструкции.
• Может потребоваться применение механизмов контроля загрязнения воздуха в случае улетучивания, вызванного процессами в активированном иле.
• Низкая температура окружающей среды существенно сокращает скорость биоразложения, что приводит к увеличению продолжительности очистки и росту затрат на нагрев.
• В биореакторах могут поселиться вредные микроорганизмы, что приводит к снижению эффективности.
• Остаточные продукты иловых процессов подлежат переработке или удалению.
• Возможно регулирование сброса очищенных стоков.

 

11.42.  Сконструированные экосистемы переувлажненных земель

Данная технология объединяет в себе основные компоненты экосистемы переувлажненных земель; включая органические грунты, микробные грунты, водоросли и сосудистые растения; в основе восстановления лежит деятельность микробов.

Поступающая вода с высокой концентрацией металлов и низким показателем ph протекает через аэробные и анаэробные зоны экосистемы переувлажненных земель. Металлы удаляются за счет ионного обмена, адсорбции, абсорбции и осаждения при геохимическом и микробном окислении и восстановлении. Ионный обмен происходит при контакте металлов в воде с гумусом или другими органическими веществами в переувлажненной земле. В переувлажненных землях, сконструированных для этих целей, зачастую мало или совсем нет почвы, но есть солома, навоз или компост. Реакции окисления и восстановления, где катализатором выступают бактерии, встречающиеся в аэробных и анаэробных зонах, соответственно, играют основную роль в осаждении металлов как гидроксидов и сульфидов. Осажденные и поглощенные металлы оседают в успокоительных бассейнах или отфильтровываются по мере просачивания воды через среду или растения.

Поступающая вода со следами взрывчатых веществ или другими загрязняющими веществами протекает через гравийную поверхность или под гравийной поверхностью переувлажненных земель, основанных на гравии. Мокрые земли с полупогруженными растениями представляют собой комбинированную аэробно-анаэробную систему. В анаэробной ячейке используются растения вместе с натуральными микробами для разложения загрязняющего вещества. В аэробной ячейке (ячейке возвратно-поступательного движения) качество воды улучшается за счет постоянного воздействия растений и движения воды между камерами ячейки.

Технология очистки с использованием переувлажненных земельрассчитана на долгосрочную перспективу и непрерывное функционирование в течение нескольких лет.

Сконструированные переувлажненные земли широко использовались для очистки сточных вод с целью контроля органического вещества; питательных веществ, например азота и фосфора; и взвешенных наносов. Процессы с использованием переувлажненных земель также подходят для контроля следов металла и других токсичных материалов. Кроме того, такая технология очистки использовалась для обработки  отвода кислых шахтных вод, образованных в ходе добычи угля или металлических руд.  Такие стоки, как правило, характеризуются высокой концентрацией металла и кислотностью. Данный процесс можно адаптировать для обработки нейтральных и базовых отходов.

 Ограничивающие факторы:

• Состав следов металлов и климат в регионах разработки месторождений металлических руд на западе США.
• Факторы, которые могут ограничить применение и эффективность процесса:
• Долгосрочная эффективность сконструированных экосистем переувлажненных земель не известна. «Старение» переувлажненных земель может представлять собой проблему, т.к. с течением времени это может привести к снижению показателей удаления загрязнений.
• Стоимость создания искусственных переувлажненных земель существенно различается в зависимости от проекта. Во многих местах создание такой системы может быть экономически нецелесообразным.
• Температура и колебания потока воды могут сказаться на функционировании переувлажненных земель и привести к нарушению стабильности показателей удаления загрязняющих веществ. 
• Низкая температура приводит к замедлению процесса разрушения загрязняющих веществ в переувлажненных землях. 
• Сильный поток поступающей воды может привести к перегрузке механизмов удаления в переувлажненных землях, а засуха может привести к гибели растений и серьезно ограничить функционирование переувлажненных земель.

 

12.  Физическая/ химическая очистка ex situ

 

12.43. Адсорбция/ абсорбция

Механизмы адсорбции, как правило, можно разделить на несколько категорий: физическая адсорбция, химическая адсорбция и электростатическая адсорбция. Незначительные молекулярные силы, например Ван-дер-Ваальсовы силы, инициируют физическую адсорбцию, а в результате химической реакции формируется химическая связь между соединением и поверхностью тела в хемосорбции. Электростатическая адсорбция представляет собой адсорбцию ионов за счет силы кулоновского взаимодействия. Как правило, этот процесс называют ионным обменом. Более подробная информация приведена отдельно в модулях об ионном обмене. В жидкости взаимодействие между растворенным веществом и растворителем также играет важную роль в определении степени адсорбции.

Наиболее широко распространенный адсорбент – гранулированный активированный уголь («Характеристика технологии» № 4.46). К числу других природных и синтетических адсорбентов относятся: активированный глинозем, губка Forager, лигнин, сорбционная глина и синтетическая смола

 Активированный глинозем

Активированный глинозем – фильтровальная среда, образованная при обработке алюминиевой руды таким образом, чтобы руда стала пористой и обладала высокой адсорбцией. Активированный глинозем удаляет различные загрязняющие вещества, включая избыточные фтористые соединения, мышьяк и селен. Для поддержания эффективности данную среду необходимо периодически чистить соответствующим регенерирующим агентом, например  алюминиевыми квасцами или кислотой.

Губка Forager

Губка Forager – это открытоячеистая целлюлозная губка, в составе которой есть аминсодержащий хелатный полимер, который выборочно абсорбирует растворенные тяжелые металлы. Полимер имеет тесную связь с целлюлозой, что обеспечивает минимальное физическое отделение от опорной матрицы. Функциональные группы в полимере (например, аминогруппы или карбоксильная группа) обеспечивают выборочное сродство к тяжелыми металлами в катионных и анионных состояниях, преимущественно формируя комплексы с тяжелыми металлами переходной группы.

 Лигниновый адсорбент/ сорбционная глина

Лигниновый адсорбент/ сорбционная глина используются для очистки сточных вод, содержащих органические, неорганические загрязнения и тяжелые металлы. Сточные воды очищаются за счет молекулярного сцепления загрязнителя и адсорбционной поверхности.

 Синтетическая смола

Синтетические смолы гораздо дороже гранулированного активированного угля, однако по сравнению с активированным углем они могут быть разработаны таким образом, чтобы обеспечить более высокую степень избирательности и адсорбирующей способности в отношении определенных соединений. Смолы, как правило, регенерируются с использованием кислот, щелочей или органических растворителей, а не термическим способом. Таким образом, они больше подходят для термически нестабильных соединений, таких как взрывчатые вещества. Смолы устойчивы к деактивации в связи с адсорбцией растворенных веществ. Кроме того, смолы обычно проявляют более высокую устойчивость к истиранию, чем активированный уголь, что способствует более длительному сроку службы смол.

Целевые группы загрязняющих веществ для адсорбции/ абсорбции главным образом представлены большинством органических загрязнителей и отдельными неорганическими загрязняющими веществами из жидких и газообразных потоков. Активированный глинозем  может удалять фтористые соединения и тяжелые металлы. Губка Forager используется непосредственно для удаления тяжелых металлов. Лигниновый адсорбент/ сорбционная глина используются для удаления органических, неорганических загрязнений и тяжелых металлов из сточных вод. Синтетические смолы лучше, чем гранулированный активированный уголь, подходят для термически нестабильных соединений, таких как взрывчатые вещества. Это связано с нетермической регенерацией смол.

 Ограничивающие факторы:

• Плохая адсорбция водорастворимых соединений и малых молекул.
• Высокая стоимость при использовании в качестве основного метода очистки воды с высоким уровнем концентрации загрязняющих веществ.
• Не применимо на площадках с высоким уровнем содержания маслянистых веществ. 
• Нецелесообразно применять в случае высокого содержания абсорбируемых опасных веществ, в результате чего приходится очень часто заменять абсорбирующий блок.
• Если загрязненную среду нельзя регенерировать, то зачастую ее необходимо обработать/ утилизировать как опасные отходы.

 

12.44.  Усовершенствованные процессы окисления

Окисление под воздействием ультрафиолетового излучения – это процесс разрушения, в ходе которого в сточной воде под воздействием сильных окислителей и ультрафиолетового света окисляются органические и взрывчатые элементы.  Окисление целевых загрязнителей происходит в результате прямого взаимодействия с окислителями, ультрафиолетовой фотодиссоциации и в результате синергетического воздействия  ультрафиолетового света в сочетании с озоном (O3) и (или) перекиси водорода (H2O2). В результате полной минерализации появляются конечные продукты: двуокись углерода, вода и соли. Основным преимуществом окисления под воздействием ультрафиолетового излучения является то, что это процесс разрушения в отличие от воздушного осушения или адсорбции активированным углем. Для этих процессов загрязнители извлекаются и на отдельной фазе концентрируются. В зависимости от рассматриваемой пропускной способности, процессы окисления под воздействием ультрафиолетового излучения можно осуществлять либо партией, либо в виде непрерывного процесса.

Обычно окисление под воздействием ультрафиолетового излучения осуществляется с помощью ламп низкого давления мощностью 65 Ватт на свежем воздухе или с помощью ламп от 15кВт до 60кВт в среде перекиси водорода.

УФ-фотолиз – это процесс, с помощью которого под воздействием ультрафиолетового излучения в загрязнителях нарушаются химические связи. В зависимости от матрицы, в рамках которой происходит данный процесс, продукты распада с помощью светового воздействия бывают разными. Однако полностью преобразовать органический загрязнитель в CO2, H2O и т.п. не представляется возможным.

В зависимости от загрязненности проточной воды, загрязнителя и концентрации металлов, наличия ловушек свободных радикалов и необходимых интервалов для технического обслуживания УФ-реакторов и кварцевых резонаторов, процесс окисления под воздействием ультрафиолетового излучения может иметь различную продолжительность.

Практически можно обрабатывать любой органический загрязнитель, если он вступает в реакцию с гидроксильным радикалом. Подвергаются разрушению под воздействием ультрафиолетового излучения и окисления очень разные органические и взрывоопасные загрязнители. К их числу относятся нефтяные углеводороды, хлорированные углеводороды, используемые в качестве промышленных растворителей и очистителей, а также пиротехнические вещества, такие как ТНТ, гексоген и октоген. Во многих случаях ультрафиолетовым излучением и окислением можно эффективно воздействовать на хлорированные углеводороды, которые не поддаются биологическому разложению. Быстро разрушаются в результате окисления и воздействия ультрафиолетового излучения обычно оксидированные органические соединения, такие, в частности, у которых имеются двойные связи (например, ТХЭ, перхлорэтилен и виниловые хлориды), а также простые ароматические соединения (например, толуол, бензин, ксилон и фенол).

 Ограничивающие факторы:

• Обрабатываемый водный поток должен хорошо проводить ультрафиолетовый свет, ибо высокое замутнение вызывает интерференцию. Этот фактор может иметь большее значение для среды УФ/H2O2, чем для  УФ/O3 (т.к. замутненность напрямую не влияет на химическое оксидирование загрязнителя с помощью H2O2 или O3).
• Ловушки для свободных радикалов способны эффективно задерживать разрушение загрязнителя. Ловушкой могут служить избыточные дозы химических реактивов.
• Чтобы свести к минимуму опасность загрязнения кварцевых резонаторов, водный поток, обрабатываемый ультрафиолетовым излучением или подвергающийся оксидированию, должен быть относительно свободен от ионов тяжелых металлов (менее 10 мг/л),  нерастворимых масел и смазочных веществ.
• Если обработке УФ/O3 подвергаются летучие органические составы (ЛОС), такие как ТХУ, загрязняющие вещества могут улетучиться (десорбироваться), а не разрушиться. Тогда с помощью активированного угля или каталитического оксидирования их нужно будет удалять из отходящих газов.
• По потреблению энергоносителей данный процесс может быть более затратным, чем конкурирующие технологии.
• Для минимизации постоянной очистки, технического обслуживания и ремонта УФ-реактора и кварцевых резонаторов может потребоваться предварительная обработка водного потока.
• При работе с окислителями и их хранении требуются повышенные меры безопасности.

 

12.45.  Отгонка воздухом

Отгонка воздухом является комплексной технологией, которая путем многократного увеличения площади загрязненной воды, подвергающейся воздействию воздуха, отделять от подпочвенных вод летучие органические соединения (ЛОС). В число методов и приспособлений для аэрации входят насадочные башни, рассеивающее выветривание, многоступенчатая поддоная аэрация и аэрация разбрызгиванием.

Отгонка воздухом предполагает массовое перемещение летучих загрязняющих соединений из воды в воздух. Для очистки подпочвенных вод в рамках данной технологии обычно используются насадочные башни или аэрационные емкости. В конструкцию типичной насадочной башни для отгонки воздухом входит распыляющая форсунка, которая крепится к верхней части башни и распределяет загрязненную воду по башенной насадке внутри колонны. В конструкцию также входит вентилятор, нагнетающий воздух в направлении, противоположном потоку воды, а также водоприемный колодец, который находится в донной части башни и предназначен для сбора загрязненной воды. Имеется также и дополнительное оборудование, которым можно оснастить такой воздухоотделитель. Например, нагреватель воздуха, который повышает эффективность отделения частиц; автоматизированные контрольные системы с выключателями на уровне водоприемного колодца и приспособлениями безопасности, такими как мониторы дифференциального давления и выключатели для высокого уровня заполнения водоприемного колодца, а также взрывобезопасные элементы. Кроме этого, можно установить также системы контроля и обработки выбросов в атмосферу, например, установка для очистки активированным углем, каталитическая установка окисления и тепловой окислитель. Насадочные башни в качестве воздушных осушителей монтируются либо как постоянные сооружения на бетонном основании, либо на платформе или на трейлере.

В аэрационной емкости летучие соединения отделяются барботажным воздухом и направляются в емкость, через которую течет загрязненная вода.  В конструкции имеется нагнетатель воздуха и распределительная система. Они обеспечивают взаимодействие воздуха с водой без всяких уплотнителей. Регуляторы течений и множество приспособлений обеспечивают достаточное время пребывания и удерживания для возникновения эффекта отгона. Аэрационные емкости обычно продаются вместе с платформой, на которой они установлены, и предназначены для постоянной эксплуатации. Габариты аэрационных емкостей (высота менее 2 метров, или 6 футов) значительно меньше, чем габариты насадочных башен (высота от 5 до 12 метров, или 15-40 футов). А высота в данном случае является важным параметром, как и способность менять производительность или приспосабливаться к меняющемуся составу поступающей жидкости, когда ставят или снимают поддоны или приемные камеры. Воздух, выпускаемый из аэрационных емкостей можно обрабатывать с использованием тех же технологий, которые применяются при обработке воздуха, выпускаемого из насадочных башен.

Возможность изменять конфигурацию насадочных башен существенно повышает эффективность отвода. Недавно некоторые промышленные производители стали предлагать на рынке так называемые низкопрофильные воздухоотделители. В таком воздухоотделителе имеется несколько поддонов, которые для минимизации контакта воздуха и воды, а также для экономии площади смонтированы в очень небольшой по размеру камере. С учетом существенной экономии вертикального и горизонтального пространства эти установки все чаще и чаше используются для обработки подпочвенной воды.

Воздухоотделители можно эксплуатировать непрерывно или в пакетном режиме, когда поступления в воздухоочиститель из сборных резервуаров происходят с промежутками. Пакетный режим эксплуатации обеспечивает воздухоочистителю более надежную работу и энергоэффективность выше, чем при непрерывной эксплуатации агрегатов, т.к. смешение в резервуарах для хранения обеспечивает устранение любой неоднородности в составе подаваемой для обработки воды.

Фактически процедура полной очистки с помощью воздухоочистительной системы может занять не один десяток лет, т.к. все зависит от способности уловить весь шлейф из подпочвенных вод.

Технология отгонки воздухом используется для отделения летучих органических соединений от воды. Для неорганических загрязняющих веществ эта технология не эффективна. Для определения степени эффективности отгонки воздухом применяется константа закона Генри. Обычно, для отгонки воздухом подходят такие органические вещества, у которых константа выше 0,001 атмосфер-м3/моль. Есть целый ряд веществ, которые успешно отделяются от воды с помощью технологии отгонки воздухом. К ним относятся бензин, толуол, этиленбензол, ксилон, хлорэтан, ТХЭ, перхлорэтилен и др.

 Ограничивающие факторы:

• Существует опасность неорганического и биологического загрязнения оборудования. Оно требует предварительной обработки или периодической очистки колонны. Неорганическое загрязнение возможно, если содержание железа в веществе будет превышать 5 мг/м3, а твердость 800 мг/м3.
• Технология эффективна только очистки воды, загрязненной летучими органическими соединениями или полулетучими органическими соединениями с бесконечно малой величиной константы закона Генри с параметром более 0,01.
• Нужно также учитывать тип и количество уплотнителя в башне.
• Следует отметить, что это энергоемкая и, поэтому, затратная технология.
• Если у вещества при температуре окружающей среды низкая степень летучести, то подпочвенная вода может потребовать предварительного подогрева.
• В зависимости от интенсивности массового выброса отходящие газы могут потребовать обработки.

 

12.46. Адсорбция гранулированным активированным углем/ Адсорбция углем в жидкой среде

Адсорбция углем в жидкой среде представляет собой комплексный процесс, в котором грунтовая вода подается насосами в резервуары с активированным углем, который адсорбирует растворенные в воде органические загрязняющие вещества. Когда концентрация загрязняющих веществ в сточных водах из фильтрующего слоя достигает определенного уровня, уголь можно полностью регенерировать; либо удалить и регенерировать за пределами сооружений; а также удалить и утилизировать. Уголь, используемый для очистки грунтовых вод с участков, загрязненных отходами металлов или взрывчатыми веществами, нельзя регенерировать и поэтому его следует удалить и надлежащим образом утилизировать. Адсорбция активированным углем уже давно используется для очистки муниципальных, промышленных и токсичные стоков.

Два наиболее распространенных варианта ректоров для систем очистки воды адсорбцией активированным углем – неподвижный фильтрующий слой (см. рисунок) и движущийся фильтрующий слой. Неподвижный фильтрующий слой наиболее часто используется для адсорбции в жидкой среде. При проектировании следует серьезно рассмотреть возможность предварительной очистки для удаления взвешенных твердых веществ. Если они не будут предварительно удалены, то взвешенные твердые вещества из протекающей жидкости могут аккумулироваться в колонне, что приведет к большей потере напора. При слишком большой потере напора, аккумулированные твердые вещества необходимо удалять, например, путем промывки обратным потоком. Процесс удаления твердых веществ требует простоя абсорберов и может привести к потере угля, а также к сбоям в зоне массообмена.

Модифицированный гранулированный активированный уголь, как например, уголь, импрегнированный кремнийорганической (силиконовой) смолой, может повысить эффективность удаления и продлить срок эксплуатации. Кроме того, он может быть безопаснее при регенерации.

Как правило, гранулированный активированный уголь имеет короткий срок действия; однако, при достаточно низких концентрациях, срок действия может быть долгим. Срок эксплуатации и регулярность технического обслуживания зависит от типа загрязняющего вещества, его концентрации и объемов;  нормативно-правовых требований к очистке; а также концентрации металла.

Целевые типы загрязняющих веществ для адсорбции углем – углеводороды, среднелетучие органические соединения и взрывчатые вещества. Эффективность адсорбции будет ограничена в отношении галогенированных летучих органических соединений и пестицидов. Адсорбция углем в жидкой среде эффективна при очистке воды с низкой концентрацией загрязняющих веществ (менее 10 мг/л) почти при любом расходе потока, а также при очистке воды с более высокой концентрацией загрязняющих веществ при низком расходе потока (как правило, 2-4 литра в минуту или 0,5-1 гал/мин). Адсорбция углем особенно эффективна при доочистке сточных вод с других водоочистных установок с тем, чтобы добиться соблюдения нормативных требований. Системы очистки воды адсорбцией активированным углем могут быть оперативно введены в действие, при этом эффективность удаления загрязняющих веществ будет высокой. При этом следует учитывать возможность возникновения логистических и экономических затруднений в связи с необходимостью транспортировки и обеззараживания отработанного угля.

 Ограничивающие факторы:

• Наличие нескольких загрязняющих веществ может сказаться на эффективности процесса очистки. Изотерма адсорбции для одного компонента может быть не эффективна для смесей. Для оценки расхода угля при очистке смесей следует провести лабораторные испытания.
• Водотоки с высокой концентрацией взвешенных твердых веществ (> 50 мг/л) и содержанием масел и примесей (> 10 мг/л) могут привести к загрязнению угля и будут требовать частых обработок. В таких случаях требуется предварительная очистка.
• Высокая стоимость при использовании в качестве основного метода очистки воды с высоким уровнем концентрации загрязняющих веществ.
• Тип, размер пор и качество угля, а также рабочая температура будут влиять на эффективность процесса очистки. Для выбора подходящего угля следует проконсультироваться с экспертами поставщика.
• Уголь, используемый для очистки грунтовых вод с участков, загрязненных отходами металлов или взрывчатыми веществами, нельзя регенерировать.
• Плохая адсорбция высоко водорастворимых соединений и малых молекул.
• Весь отработанный уголь должен быть правильно утилизирован.

 

12.47.  Откачивание грунтовых вод/Откачка и обработка

Возможные задачи по откачке грунтовых вод включают в себя удаление растворенных загрязняющих веществ из почвы и локализацию загрязненной воды с целью недопущения ее миграции.

На первом этапе любого проекта по рекультивации определяются задачи корректирующих мероприятий, которые необходимо выполнить на объекте. В рамках этого этапа осуществляется сбор справочной информации о площадке и полевые данные, объем которых должен быть достаточен для оценки требований к ликвидации последствий и возможных степеней очистки. В первую очередь определяется, какое мероприятие является наиболее целесообразным – очистка или локализация. Если выбор сделан в пользу очистки, то необходимо определить ее степень. Если выбрана локализация, используется откачка грунтовых вод в качестве гидравлического барьера с целью недопущения миграции шлейфа загрязнения за пределы площадки.

Следующий элемент работ – проектирование и реализация системы откачивания грунтовых вод с учетом анализа данных при постановке целей и задач. Критерии для конструкции скважины, насосной системы и обработки зависят от физических характеристик площадки и вида загрязняющего вещества. Фактическая обработка может включать разработку целого ряда процессов (таких как гравитационное расслоение, воздушные осушители, угольные системы),  предназначенных для удаления конкретных загрязняющих веществ.

Следующим компонентом любой системы водозабора грунтовых вод является программа их мониторинга, цель которой – проверить эффективность работы системы. Мониторинг восстановительного мероприятия по скважине с использованием пьезометрических датчиков позволяет оператору вносить итерационные коррективы в систему, реагируя на изменения в подпочвенных условиях в результате восстановления.

Заключительным элементом является определение требований к завершению работ. Требования к завершению работ устанавливаются с учетом задач по очистке, определенных на начальном этапе процесса восстановления. Критерии завершения работ также зависят от специфических аспектов площадки, выявленных в ходе восстановительных работ.

Повышенное извлечение с применением поверхностно-активных веществ (ПАВ)

В результате воздействия на грунтовые воды мицеллами или паром ПАВ повышается мобильность и растворимость загрязняющих веществ, сорбированных в почвенной основе, что способствует процессу забора грунтовых вод. ПАВ также содействуют уносу гидрофобных загрязняющих веществ, что облегчает их удаление, и обеспечивают эффективное удаление загрязняющих веществ в многофазном потоке. Таким образом, ПАВ позволяют увеличить показатель удаления массы загрязняющих на объем порового пространства грунтовых вод, текущих через загрязненную зону.

Для реализации повышенного извлечения с применением ПАВ требуется закачать ПАВ в водоносный горизонт (аквифер). В стандартных системах на некотором расстоянии от места нагнетания используется насос, который откачивает грунтовые воды. Извлеченные грунтовые воды обрабатываются на площадке с целью сепарации  закачанных ПАВ от загрязняющих веществ и грунтовых вод. Чтобы обеспечить экономическую эффективность процесса, крайне важно разработать правильную систему повышенного извлечения с применением ПАВ. После выделения ПАВ из грунтовых вод их можно снова закачать в подземный пласт. Загрязняющие вещества должны быть выделены из грунтовых вод и обработаны до сброса извлеченных грунтовых вод.

 Перепад давления (депрессия) в результате откачки

Системы регенерации неводных растворов с использованием депрессии предназначены для откачки неводных растворов, и грунтовых вод из эксплуатационных скважин или траншей. В процессе откачки удаляется вода и снижается уровень грунтовых вод рядом с зоной экстракции, в результате чего создается воронка депрессии. Воронка депрессии рядом с откачной скважиной создает  гравитационный напор, в результате чего поток неводных растворов продвигается к скважине и увеличивается толщина слоя этой жидкости в скважине. Каждый фунт депрессии грунтовых вод создает напор, эквивалентный перепаду давления 0,45 фунтов на квадратный дюйм. В большинстве случаев создание воронки депрессии позволяет увеличить скорость извлечения неводных растворов.

Откачка может осуществляться 1-2 насосами. При использовании однонасосной системы вода и неводный раствор извлекаются одним насосом. В двухнасосной системе один насос расположен ниже уровня грунтовых вод и используется для удаления воды, а второй насос расположен в слое неводного раствора, и используется для его извлечения. Однонасосная система требует меньше капитальных и операционных затрат, а также позволяет использовать более простые системы контроля и операционные процессы. Однако при ее использовании образуется поток смеси, состоящей из воды и неводного раствора, которые необходимо отделить друг от друга в дальнейшем.

Процесс двухфазного извлечения нерастворимых жидкофазных органических веществ (также называется выделением свободных продуктов) используется, главным образом, в тех случаях, когда топливный углеводородный сгусток толщиной более 20 см (8 дюймов) плавает на водоносном горизонте. Для всасывания свободного продукта к поверхностному слою обычно используется насосная система. После извлечения этот продукт может быть удален, повторно использован непосредственно в операционном процессе, где не требуется применение  особо чистых материалов, или подвергнут очистке перед повторным использованием. Системы можно спроектировать для целей извлечения только продукта, смеси продукта и воды или отдельных потоков продукта и воды. Двухфазное извлечение представляет собой полномасштабную технологию.

Чтобы определить целесообразность использования откачки грунтовых вод в качестве технологии восстановления, в первую очередь необходимо провести анализ характеристик площадки. От характеристик площадки (таких как гидропроводность) будет зависеть количество возможных вариантов восстановления. Необходимо определить химические свойства площадки и шлейфа, чтобы охарактеризовать перенос загрязняющего вещества и оценить реализуемость откачки грунтовых вод. Чтобы определить целесообразность использования откачки грунтовых вод для площадки, необходимо знать историю загрязнения, свойства подземного пласта, а также биологические и химические характеристики загрязняющего вещества. При разработке эффективной стратегии откачки грунтовых вод необходимо выполнить следующие работы: определить химические и физические характеристики площадки, определить расположение шлейфа загрязняющего вещества грунтовых в трехмерном измерении и определить свойства водоносного горизонта (аквифера) и грунта.

Повышенное извлечение с использованием ПАВ чаще всего применяется на площадках, загрязненных густыми неводными растворами.

Откачка с созданием перепада давления является эффективным методом для извлечения неводных растворов, когда водоносный слой (аквифер) имеет умеренную или высокую гидравлическую проводимость и толстый слой неводных растворов с низкой вязкостью. Водоносный слой с высокой гидравлической проводимостью оказывает меньшее сопротивление потоку неводных растворов, который поступает в скважину. Толстый слой неводных растворов позволяет насосной системе собирать высокую долю этих растворов относительно количества грунтовых вод. Для оптимального операционного процесса необходимо, чтобы толщина слоя неводных растворов была достаточной и полностью закрывала всасывающее отверстие насоса.

Откачка с созданием перепада давления – коммерчески доступная технология, которую можно легко внедрить, установив в скважинах или траншеях обычные насосы. Затраты на установку системы небольшие, однако значения показателя затрат в расчете на количество извлеченных неводных растворов сильно варьируются.

Ограничивающие факторы:

Ниже перечислены факторы, которые могут ограничивать применимость и эффективность откачки грунтовых вод в рамках процесса восстановления.

• Для достижения цели восстановления может потребоваться много времени.
• Конструкции системы  не справятся с прогнозной локализацией загрязняющего вещества, в результате чего шлейф будет мигрировать, и насосное оборудование выйдет из строя.
• Остаточное насыщение загрязняющего вещества в почвенных порах нельзя удалить с помощью откачивания грунтовых вод. Загрязняющие вещества имеют тенденцию абсорбироваться в почвенной основе. Откачивание грунтовых вод нельзя применить к загрязняющим веществам с высоким остаточным насыщением, загрязняющим веществам с высокими сорбционными характеристиками и к однородным водоносным слоям с гидравлической проводимостью менее 10-5 см/сек.
• Затраты на получение разрешений на закупку и эксплуатацию очистных системы высоки. Возможны дополнительные затраты в связи с удалением использованного угля и других остаточных продуктов и отходов, образовавшихся в ходе очистки.
• Типичной проблемой является биологическое загрязнение добывающих (откачных) скважин и связанный с этим очистной поток, что может сильно повлиять на работу системы. Поэтому перед установкой системы необходимо определить степень этой проблемы.

Ниже перечислены факторы, которые могут ограничить применение и эффективность повышенного извлечения с использованием ПАВ:

• В связи с неоднородностью подземных пластов возникают трудности на пути успешного внедрения технологии повышенного извлечения с использованием ПАВ (как и с большинством технологий по восстановлению грунтовых вод).
• Возможно токсическое воздействие остаточных ПАВ в подземном слое
• Миграция загрязняющих веществ за границы площадки из-за возросшей растворимости в результате закачивания ПАВ. Получение разрешения регулирующего органа на закачивание ПАВ в водоносный слой (аквифер).

Ниже перечислены факторы, которые могут ограничить применение и эффективность откачки с созданием перепада давления:

• При откачивании с созданием перепада давления, как правило, возникают большие объемы воды в процессе извлечения свободных продуктов.
• Создание воронки депрессии в водоносном слое может привести к загрязнению свободных продуктов или захвату топлива в зоне насыщения, когда водоносный слой вернется к своему первоначальному уровню.

 

12.48. Ионный обмен

При ионном обмене удаляются ионы из водяной фазы в результате обмена катионов или анионов между загрязняющими веществами и средой обмена. Материалы ионного обмена могут состоять из смол, изготовленных из синтетических органических материалов, содержащих ионные функциональные группы, к которым прикрепляются обменные ионы. Это также могут быть неорганические или природные полимерные материалы. После истощения ресурса смолы, ее можно регенерировать для повторного использования.

Продолжительность технологии ионного обмена обычно небольшая или средняя в зависимости от факторов, рассмотренных в разделе Data Needs.

При ионном обмене удаляются растворенные металлы и радионуклиды из водных растворов. К другим соединениям, в отношении которых применялась обработка, относятся нитрат, аммиачный азот и эфир кремневой кислоты.

Ограничивающие факторы:

• Масло и жир, содержащиеся в грунтовой воде, могут привести к закупориванию обменной смолы.
• Содержание взвешенных веществ на уровне более 10 мг/м3 может привести к засорению смолы.
• Показатель pH поступающей воды может повлиять на выбор смолы для ионного обмена.
• Окисляющие вещества в грунтовой воде могут разрушить ионообменную смолу.
• На этапе регенерации образуется отработанная вода, которую необходимо дополнительно очистить и удалить.

 

12.49. Осаждение/ коагуляция/ флокуляция

Осаждение металлов уже долгое время является основным методом очистки промышленных сточных вод, содержащих металлы. Технология осаждения металлов успешно применялась для этих целей, и сегодня она рассматривается и используется для восстановления грунтовых вод, содержащих тяжелые металлы, включая их радиоактивные изотопы. При очистке грунтовых вод процесс осаждения металлов зачастую осуществляется в качестве предварительного этапа для других технологий очистки (например, химического окисления или отгонки воздухом), когда наличие металлов мешаем другим процессам очистки.

При осаждении металлов из загрязненной воды происходит преобразование растворимых солей тяжелых металлов в нерастворимые соли, которые затем осаждаются. Затем осаждения можно удалить из очищенной воды физическими методами, например через осветление (отстаивание) и/или фильтрация. Обычно процесс предусматривает корректировку pH, добавление химического осадителя и флокуляцию. Как правило, металлы осаждаются из раствора в виде гидроокиси, сульфидов или углекислой соли. Используемый процесс зависит от растворяемости конкретных металлических примесей и необходимых стандартов очистки. В некоторых случаях процесс построен таким образом, что предусматривает получение шлама, который затем направляется в устройство по переработки для обработки металлов.

 Коагуляция и флокуляция

В процессе осаждения используются химические осадители, коагулянты и флокулянты для увеличения размера частиц через агрегацию. В процессе осаждение могут образовываться очень мелкие частицы, удерживаемые во взвешенном состоянии в результате действия электростатических поверхностных зарядов. Эти заряды приводят к формированию облаков противоионов вокруг частиц, создавая силы отталкивания, которые препятствуют агрегации и снижают эффективность последующих процессов разделения жидкости и твердых частиц. В связи с этим для преодоления сил отталкивания частиц зачастую добавляют химические коагулянты. Коагулянты делятся на три основных вида: неорганические электролиты (квасцы, известь, хлорид железа и сульфат железа), органические полимеры и синтетические полиэлектролиты с анионными и катионными функциональными группами. После добавления коагулянта производится смешивание с малыми сдвиговыми усилиями в флокуляторе для усиления контакта между частицами, что обеспечивает рост частиц в процессе осаждения, который называется осаждение флокулянтами.

Осаждение флокулянтами предусматривает достаточно разбавленную суспензию частиц, которые слипаются или превращаются в хлопья в процессе седиментации. По мере слипания или превращения в хлопья увеличивается масса частиц и ускоряется осаждение частиц. Интенсивность флокуляции зависит от имеющейся возможности контакта, которая меняется в соответствии со скоростью перетекания, глубиной бассейна, перепадом скоростей в системе, концентрацией частиц и диапазоном размеров частиц. Влияние этих переменных можно определить только во ходе проб на осаждение.

Осаждение используется главным образом для преобразования растворенных ионных частиц в твердые частицы, которые можно удалить из водной фазы посредством коагуляции и фильтрации.  Применение данной технологии в целях восстановления обычно предусматривает удаление растворенных токсичных металлов и радионуклидов. В зависимости от технологического процесса шлам может использоваться для восстановления металлов.

Ограничивающие факторы:

• Как и в любом процессе откачки и очистки, если источник загрязнений не удален (как, например, в случае с металлами, абсорбированными в почву), очистка грунтовых вод может быть излишней.
• Наличие многообразных частиц металла может привести к возникновению трудностей в процессе удаления в связи с амфотерным характером различных соединений (т.е. оптимизации в отношении одних частиц металла может препятствовать удалению других частиц металла). 
• По мере ужесточения стандартов качества отводимых сточных вод может потребоваться дополнительная очистка.
• Перед захоронением в землю шлам гидроокиси металла должен пройти процедуру определение характеристик токсичности с помощью выщелачивания.
• Перед коагуляцией и флокуляцией необходимо провести дополнительную очистку в отношении растворимого шестивалентного хрома.
• Необходимо тщательно контролировать процесс добавления реагентов во избежание неприемлемых концентраций в очищаемых стоках.
• Эффективность системы определяется применением подходящих методов сепарации твердых частиц.
• В процессе может образовываться токсичный шлам, который необходимо надлежащим образом утилизировать.
• Процесс может оказаться дорогостоящим. Стоимость зависит от используемых реагентов, необходимых механизмов контроля системы и необходимого участия операторов в ходе эксплуатации системы.
• Для корректировки pH в очищаемую воду добавляют растворенные соли.
• Для достижения надлежащего оседания твердых частиц может потребоваться добавление полимера.
• Зачастую требуется проведение корректировки pH очищенной воды.
• Металлы, удерживаемые в растворе комплексообразующими веществами (например, цианид или этилен-диамин-тетрауксусная кислота) с трудом поддаются осаждению.

 

12.50.  Сепарация

Процессы сепарации направлены на отделение загрязняющих веществ от стоков, в которых они содержатся (например, грунтовых вод и (или) связующих веществ). Для разделения потока сточных вод методом ex situ можно использовать целый ряд процессов: 1) дистилляция; 2) фильтрация / ультрафильтрация / микрофильтрация; 3) кристаллизация вымораживанием; 4) первапорация; и 5) обратный осмос.

Дистилляция

Дистилляция – это процесс химического разделения смесей с испарением жидкости и последующей конденсацией паров, который направлен на отделение компонентов с различным давлением пара (летучих веществ) в жидком или газообразном потоке. Простейшим метод дистилляции выполняется в один этап: в результате нагревания перегонного куба с жидкой смесью часть жидкости испаряется. Впоследствии эти пары охлаждаются и конденсируются, в результате чего получается жидкая субстанция, которая называется дистиллят или продукт перегонки. Дистиллят обогащается компонентами с большей летучестью. И наоборот, смесь, оставшаяся в перегонном кубе, обогащается компонентами с меньшей летучестью. Эта смесь называется кубовой продукт. В рамках большинства операций промышленной дистилляции используются многоэтапные методы, которые позволяют обеспечить более эффективное разделение органических компонентов, чем в процессе однократного испарения и конденсации.

 Фильтрация / ультрафильтрация / микрофильтрация

Фильтрация – это физический процесс механического разделения смеси в зависимости от размера частиц, в рамках которого частицы, погруженные в жидкость, сортируются посредством прогонки жидкости через пористую среду. При протекании жидкости через эту среду взвешенные в ней частицы задерживаются на ее поверхности и (или) внутри. Ультрафильтрация / микрофильтрация происходит, когда частицы разделяют, пропуская жидкость через мембранный фильтр селективного действия. Через фильтр могут пройти только те частицы, размер которых меньше отверстий в мембране.

 Кристаллизация вымораживанием

Процессы кристаллизации вымораживанием позволяют вывести очищенный растворитель из раствора в виде замороженных кристаллов. При медленном охлаждении раствора с растворенными в нем загрязняющими веществами на его поверхности образуются кристаллики водного льда, при этом загрязняющие вещества сосредотачиваются в оставшемся растворе (который называется «материнский раствор»). Кристаллы льда можно отделить от материнского раствора, смыть и растопить, в результате чего образуется поток практически чистой воды. Загрязненный сточный поток, материнский раствор и любые осажденные твердые вещества, в силу повышенной концентрации, лучше подходят для последующей очистки с использованием традиционных технологий разрушения и стабилизации.

Первапорация мембраны

Первапорация мембраны – это процесс, основанный на использовании проницаемых мембран, преимущественно поглощающих из загрязненной воды летучие органические соединения. Загрязненную воду сначала пропускают через теплообменник, тем самым повышая ее температуру. После чего нагретая вода попадает в устройство первапорации, в котором установлены мембраны, состоящие из непористого органофильного полимера, похожего на силиконовый каучук, образующие капиллярные волокна. Под воздействием вакуума летучие органические соединения распыляются из точки контакта мембраны и воды, проникая через мембранную стену. Подвергнутая очистке вода выходит из установки первапорации, а органические пары поступают из установки в конденсатор, где они снова переходят в жидкую фазу. Конденсированные органические материалы представляют собой всего лишь небольшую часть от первоначального объема сточных вод, и могут быть впоследствии подвергнуты утилизации с экономией затрат.

 Обратный осмос

Процесс первапорации мембраны можно модифицировать за счет использования обратного осмоса. В процессе обратного осмоса вода под давлением подается через установку первапорации. Вода без загрязняющих веществ свободно проходит через установку с мембранами, которые могут быть различного типа в зависимости от цели применения. Вода, содержащая загрязняющие вещества, которые не смогли пройти через мембрану, поступает обратно в установку первапорации для дальнейшей очистки, где органические пары (которые называются пермеатом) подвергаются экстрагированию с применением вакуума и конденсации и продуваются в нисходящем направлении от конденсатора, что минимизирует выпуск воздуха.

Процесс разделения методом ex situ используется в основном для предварительной очистки или последующей обработки для удаления загрязняющих веществ из сточных вод. Это процесс можно применять для очистки потоков сточных вод, в частности, грунтовых вод, вод из отстойников, вод, просачивающихся в грунт, и промывочных вод. Эти процессы также можно использовать и в отношении потоков промышленных отходов. Процессы разделения методом ex situ можно применять в отношении таких групп загрязняющих веществ, как летучие органические соединения, полулетучие органические соединения, пестициды и взвешенные частицы. Растворители можно рекуперировать для повторного использования.

Ограничивающие факторы:

• Первапорацию мембраны и кристаллизацию вымораживанием можно применять только для очистки сточных вод.
• Эффективность процессов может снижаться из-за наличия загрязняющих веществ в виде нефтепродуктов и смазочных веществ, которые снижают скорость стока.
• Для установки очистных сооружений по принципу дистилляции и кристаллизации вымораживанием необходимо выделить достаточно большое пространство. Установки дистилляции относительно высокие и занимают много места.
• Дистилляцию не следует применять для очистки отходов, содержащих соединения, подверженные разложению или полимеризации при достижении рабочей температуры, а также воспламеняющиеся вещества.
• В процессе кристаллизации вымораживанием при повышении степени концентрации раствора формируется эвтектическая смесь; подаваемый поток должен быть достаточно разбавленным, позволяя обеспечить существенное сокращение объема до того момента, как сформируется эвтектическая смесь.

 

12.51. Орошение дождеванием

Орошение дождеванием – это относительно простая технология очистки.  Этот метод применяется для выведения из загрязненных сточных вод летучих органических соединений. Процесс предусматривает распределение воды с содержанием летучих органических веществ под давлением с использованием типовой оросительной ирригационной системы. В процессе орошения летучие органические вещества переходят из фазы растворения в водной среде в паровую фазу, когда эти вещества попадают непосредственно в атмосферу.

Оросительная ирригация подходит для любого загрязняющего вещества, которое способно переходить из фазы растворения в паровую фазу (речь идет о летучих органических соединениях). Капельные биологические фильтры можно применять в отношении таких групп загрязняющих веществ, как летучие органические соединения, полулетучие органические соединения, топливо, взрывчатые вещества и пестициды.

Ограничивающие факторы:

• В связи с вероятностью прямого попадания загрязняющих веществ в атмосферу можно ожидать возникновения проблем с получением разрешения от органов регулирования.
• В результате интенсивного орошения возможно накопление сточных вод на поверхности.
• Очистка сточных вод с содержанием металла с применением этого метода невозможна.
• Эффективность метода может снижаться под воздействием температуры.
• По мере ужесточения требований CAA этот метод может выйти из употребления.

13.  Локализация

13.52. Технические ограждения

Технические ограждения (или стены в грунте) используются для локализации загрязненных грунтовых вод, отвода загрязненных грунтовых вод от мест забора питьевой воды, отвода потоков незагрязненных грунтовых вод и/или в качестве ограждения системы очистки грунтовых вод.

Эти подземные ограждения состоят из вертикально прорытых канав, заполненных шламовой пульпой. Шламовая пульпа гидравлически укрепляет канаву и не допускает обрушения, а также создает фильтровальную корку, которая снижает скорость потока грунтовых вод. Стены в грунте часто используются в случаях, когда объем сточных вод слишком велик для очистки, а растворимые и мобильные элементы представляют непосредственную угрозу источнику питьевой воды. 

Стены в грунте – это полноценная технология, которая используется десятки лет для долгосрочного предотвращения утечек.  Такие стены часто используются одновременно с пустыми наносами. Технология доказала свою эффективность при локализации более 95% незагрязненных грунтовых вод; однако при использовании для локализации загрязненных грунтовых вод некоторые виды примесей могут ослабить компоненты стен в грунте и снизить их эффективность в долгосрочной перспективе.

Стены в грунте в основном состоят из земли, бентонита и водяной смеси. Бентонитовый раствор используется главным образом для стабилизации стен при проведении рытья канав. Затем землебентонитовый материал для обратной засыпки помещается в канаву (вымещая собой шламовую пульпу) для создания водонепроницаемой стенки. Стенки из этого состава обеспечивают низкую проницаемость и химическую устойчивость при низких затратах. При необходимости обеспечить большую прочность или в случае химической несовместимости бентонита и примесей для возведения стен могут использоваться другие материалы, например, цемент/бентонит, пуццолан/бентонит, аттапульгит, органически модифицированный бентонит или геомембрана из раствора шламовой пульпы.

Стены в грунте обычно размещаются на глубине до 30 метров (100 футов) и имеют толщину от 0.6 до 1.2 метров (от 2 до 4 метров). Возможно размещение на глубине более 30 метров (100 футов) при условии использования ковшевых трейферов, но при этом затраты на возведение участка стены увеличатся в три раза. Наиболее эффективно использовать стены в грунте для рекультивации или контроля загрязнения объекта можно возводя (зафиксировав) стену на глубине от 0.6 до 0.9 метров (2-3 фута) малопроницаемого слоя, например, глины или коренной породы, как указано на рисунке выше. Такое фиксирование обеспечивает эффективность работы основы и снижает до минимума вероятность утечки. Другим вариантом использования стен в грунте является установка «висящих» стен на уровень грунтовых вод, что препятствует движению примесей малой плотности или плавучих примесей, например масел, топлива или газов. «Висящие» стены используются реже, чем зафиксированные стены.

Стены в грунте локализуют сами грунтовые воды, их использование не направлено на противодействие определенной группе примесей. Они используются для локализации загрязненных грунтовых вод, отвода загрязненных грунтовых вод от мест забора питьевой воды, отвода потоков незагрязненных грунтовых вод и/или в качестве ограждения системы очистки грунтовых вод.

Ограничивающие факторы:

• Большинство подходов предусматривают обширное строительство.
• С помощью технологий примеси возможно локализовать только в определенном пространстве.
• Pемлебентонитовый материал для обратной засыпки не выдерживает воздействие сильных кислот, оснований, растворов солей и определенных органических химикатов. Для противодействия определенным химикатом можно разработать другие суспензионные смеси.
• С течением времени стены в грунте могут размываться или разрушаться.
• Применение этой технологии не гарантирует, что в будущем не понадобится предпринимать дополнительные действия по рекультивации.

 

13.53.  Закачка в глубокие скважины

Обычная скважина нагнетания состоит из коаксиальных труб, уходящих вглубь на несколько тысяч футов в водопроницаемые зоны нагнетания с высоким содержанием соли, вертикально ограниченные водонепроницаемыми пластами. Нижняя часть трубы устьевой колонны располагается ниже основания каких-либо подземных источников питьевой воды и прикрепляется цементом к его поверхности для предотвращения загрязнения таких источников. Непосредственно внутри устьевой колонны находится длинная обсадная труба, которая достигает области нагнетания, а иногда и входит в нее. Обсадная труба наполнена цементом до самого верха, чтобы отделить нагнетаемые сточные воды от формаций выше области нагнетания и до поверхности. Эта труба отделяет сточные воды области нагнетания от находящихся выше формаций. Сточные воды нагнетаются через нагнетательную колонну внутри длинной обсадной трубы через отверстия в обсадной трубе или через отверстие, располагающееся ниже подножия длинной обсадной трубы. Расстояние между обсадной трубой и нагнетательной колонной, которое называется «затрубное пространство», заполняется инертной, сжатой жидкостью, а затем закупоривается снизу съемным пакером, предотвращающим попадание нагнетенной сточной воды в затрубное отверстие.

Целевыми группами примесей при нагнетании в глубокие скважины являются летучие органические углероды, полулетучие органические углероды, топливо, взрывчатые вещества и пестициды. Однако существующие объекты нагнетания в глубокие скважины предусматривают небольшое количество определенных отходов. Вероятность расширения существующих разрешений для контроля вредных отходов очень мала.

Ограничивающие факторы:

• Метод нагнетания не используется для отведения сточных вод в местностях, где существует вероятность сейсмической активности.
• Нагнетаемые сточные воды должны быть сопоставимы с компонентами системы нагнетательной скважины и формационной водой. Для проведения химической, биологической или термальной обработки сточных вод для последующего удаления примесей или компонентов может потребоваться источник отходов для изменения физических и химических особенностей сточных вод, обеспечивая их сопоставимость.
• Высокая концентрация взвесей (обычно >2мг/м³) может привести к закупорке впускного промежутка.
• Коррозионно-активные среды могут вступать в реакцию с компонентами скважины нагнетания, формацией зоны нагнетания или водоупорным пластом, что может повлечь нежелательные результаты. Сточные воды необходимо удалять.
• Высокая концентрация железа может привести к отказу системы в случае, если условия повлекут изменение валентного состояния пород и их превращение из растворимых в нерастворимые.
• Органический углерод может послужить источником энергии присущих или нагнетаемых бактерий, что приведет к быстрому росту их числа и последующему отказу.
• Для нагнетания потоков сточных вод, содержащих органические примеси в объеме, который превышает пределы растворимости, может потребоваться предварительная обработка.
• Чтобы определить пригодность месторождения для нагнетания сточных вод необходимо провести оценку месторождения и охарактеризовать водоносный слой. 
• До получения одобрения надзорных органов необходимо провести полномасштабную оценку. 

 

14. Выбросы загрязняющих веществ и отработанных газов в атмосферу

14.54. Биофильтрация

Биофильтрация представляет собой низкозатратный и высокоэффективный технологический метод контроля степени загрязненности атмосферы, при использовании которого парообразные загрязнители органического типа пропускаются через пористые фильтры и абсорбирующие поверхности и расщепляются на мелкие фракции за счет воздействия микроорганизмов данных сред. Фильтрации могут быть подвергнуты отдельные штаммы бактерий. В среде очистки создаются оптимальные условия для расщепления соединений определенного типа. Биологические фильтры имеют некоторые преимущества по сравнению с обычными угольными фильтрами. Во-первых, при биологическом расщеплении постоянно обеспечивается максимальная интенсивность адсорбции. За счет этого этап перехода основной массы загрязнителей в поглощающую среду отличается стабильностью и относительной краткосрочностью. Фильтр не требует восстановительной обработки. Минимально необходимая длина корпуса значительно сокращена. Благодаря этим характеристикам сокращаются капитальные и операционные расходы. Кроме того, в отличие от фильтров с углеродными гранулами, фильтры данного типа позволяют не просто расщепить, а полностью уничтожить загрязнители.

 Как и другие процессы, предполагающие биологическое воздействие, биофильтрация во многом зависит от возможности биологического разложения вредных веществ. При соблюдении определенных условий биофильтры позволяют преобразовать практически любые вредоносные фракции соответствующего типа в безвредные соединения. Биофильтрация преимущественно используется для переработки негалогенированных летучих органических соединений и углеводородного топлива. Галогенированные летучие органические соединения могут быть также подвергнуты переработке, однако есть вероятность того, что процесс фильтрации в данном случае окажется менее эффективным. Биофильтры успешно применяются для контроля распространения запахов от компостных куч.

Ограничивающие факторы:

• Уровень входящего потока летучих примесей ограничен размером биофильтра.
• Могут возникнуть проблемы при фильтрации летучих грибковых спор.
• При низких температурах процесс уничтожения загрязнителей может быть замедлен или приостановлен, если биофильтр не оснащен системой управления микроклиматом.
• Невозможно обеспечить преобразование в безопасные фракции соединений, не подверженных биологическому расщеплению.

14.55. Уничтожение загрязнителей высокой энергией

Технология уничтожения загрязнителей высокой энергией представляет собой один из многочисленных подходов очистки вредоносных веществ и отработанных газов, предшествующей их выбросу в атмосферу. Цель применения данной технологии — обеспечить средства для переработки отработанных газов, возникающих при выполнении других восстановительных действий, которые не будут зависеть от каких-либо условий и позволят менять их местоположение на практике.

 Коронарное уничтожение загрязнителей высокой энергией

При коронарном уничтожении загрязнителей высокой энергией для расщепления летучих органических соединений при комнатной температуре используется электричество высокого напряжения. Применяемое оборудование состоит из следующих элементов: коронарного реактора высокой энергии, в котором происходит уничтожение летучих органических соединений, подводки входных и выходных труб, оснащенных приборами для измерения влажности, температуры, давления, концентрации загрязняющих веществ и массовой скорости потока, системой для контроля массовой скорости и влажности входного потока и дополнительным поглотителем летучих соединений.

Коронарный реактор высокой энергии представляет собой стеклянную трубку, наполненную стеклянной дробью, через которую пропускаются отработанные газы после предварительной очистки. Каждый реактор имеет диаметр 5 см, длину 122 см и вес менее 9 кг. В центр реактора помещается высоковольтный электрод, к внешней стеклянной поверхности реактора прикрепляется заземленный металлический экран. Высоковольтный источник энергоснабжения соединен с электродами, обеспечивая подачу электрического тока силой от 0 до 50 мА частотой 60 Гц при напряжении 30 кВ. Сила тока и мощность электрода зависят от типа загрязнителя и его концентрации.

Технологическое решение располагается в отдельном переносном контейнере, в котором содержится оборудование для очистки летучих примесей и средства для анализа процессов в режиме реального времени. Установка предполагает присоединение входного и выходного шлангов к контейнеру с оборудованием для коронарного уничтожения загрязнителей высокой энергией. Обучение использованию оборудования может быть проведено в течение 1 часа. Для предупреждения выхода системы из строя используется комбинация автоматизированных и ручных средств, позволяющих предотвратить разрыв электрической цепи, ослабление потока и выброс летучего органического загрязнителя из-за поломки стеклянного реактора. Коронарное уничтожение загрязнителей высокой энергией почти не требует или требует незначительного инженерного вмешательства. В течение нескольких месяцев регулярной лабораторной эксплуатации не наблюдалось полного отказа оборудования или снижения его эффективности. Газовая хроматограмма в режиме реального времени и инструменты оборудования не требуют регулярной настройки для обеспечения качества данных.

 Плазменный реактор с комбинированной структурой потока и возможностью настройки

Ученые Массачусетского технологического института исследуют химические процессы в плазме, связанные с разработкой плазменного реактора, приводимого в действие разнонаправленным электронным лучом, для эффективного расщепления четыреххлористого углерода (CCI4) и прочих органических летучих соединений на практике. В реакторе используется электронный луч средней энергии (100-300 кэВ), который вбрасывается в атмосферу, содержащую органические загрязнители. При взаимодействии с электронами и плазмой, формируемыми электронным лучом, происходит расщепление и окисление органических соединений с образованием химических веществ нетоксического действия. В среде происходит образование плазмы, а значит дополнительно увеличить поток электронов и температуру газа для оптимального процесса расщепления можно при помощи полей переменного и постоянного электрического тока. Реактор был назван «плазменный реактор с комбинированной структурой потока и возможностью настройки» в связи с широкими возможностями его настройки и регулирования.

Загрязняющие вещества, которые можно подвергать переработке в реакторе, включают почти все летучие и среднелетучие органические соединения. Есть также возможность перерабатывать неорганические соединения, такие как оксиды азота и серы. Данная технология специально используется для расщепления органических веществ и хлорсодержащих растворителей, таких как трихлорэтилен, тетрахлорэтилен, тетрахлорид углерода, хлороформ, дизельное топливо и бензин. Возможна переработка вредоносных примесей как в газообразном, так и в жидком состоянии.

Данный технологический метод оптимально подходит для очистки потоков газов с низкой концентрацией органических летучих веществ, в частности хлорированных соединений.

Ограничивающие факторы:

Планируется продолжить НИОКР для достижения следующих целей: полной характеристики выбросов реактора для определения равновесного состояния массового потока, адаптации процесса коронарного уничтожения загрязнителей высокой энергией для обеспечения контроля в режиме реального времени, лучшего понимания физических и химических феноменов, приводящих в действие процесс коронарного уничтожения, проектирования реакторов более крупного размера, оптимизации оборудования и корпусов, используемых при проведении специальных, модульных и стандартных операций.

 

14.56. Отделение примесей при помощи мембран

Министерство энергетики США разработало систему высокого давления, позволяющую отделять примеси при помощи мембран в потоках исходных материалов, в которых растворены летучие органические соединения. Технология отделения парообразных и летучих органических примесей предполагает избирательное прохождение органических парообразных примесей через непористую мембрану для отделения газов (процесс диффузии, аналогичный пропуску минерализованной воды через мембрану обратного осмоса). В данной системе происходит сжатие потока исходных материалов с последующим его направлением в конденсатор, где происходит восстановление жидкого растворителя. Затем конденсатор, регулирующий свойства примерно 5 000 мг/м³ летучих органических соединений в растворенном состоянии, направляется к модулю мембраны. Модуль мембраны состоит из спиралеобразных модулей тонкослойных мембран, отделенных друг от друга пластмассовой сеткой. Мембрана и разделительные сетки закручены в спирали вокруг центральной сборной трубки. Концентрация потока летучих органических соединений в мембранном модуле достигает 3%. Затем концентрированный поток возвращается обратно в компрессор для последующего восстановления в конденсаторе.

Летучие органические соединения, тетрахлорид углерода и хлороформ в газовых потоках являются целевыми вредоносными примесями.

Ограничивающие факторы:

• Невозможность очистки почв от загрязняющих веществ.
• Невозможность контролировать колебания в концентрации летучих органических веществ.
• Мембраны подвержены воздействию влаги.

14.57. Окисление

Оборудование для окисления (термического и каталитического) используется для устранения вредоносных примесей в отработанных газах воздухоотделителей и систем ППЭ. Оборудование для термического окисление, как правило, представляет собой камеру с футерованными окисляющими компонентами, оснащенную системой для сжигания паров пропана и естественного газа и выводным каналом. В силу того, что большая часть такого оборудования поднимается на подпорки и динамические элементы, используется керамическая огнеупорная изоляция с небольшим удельным весом. Если вредоносной примесью является бензин, мощность теплообменного устройства ограничена до 25%-35%. Температура предварительного подогрева сохраняется на уровне ниже 180⁰ С (530⁰ F), чтобы свести к минимуму вероятность возникновения возгорания в теплообменном устройстве. Между источником парообразных соединений и термическим окислителем всегда помещаются огнезащитные сетки. Мощность камеры сгорания составляет 0,5-2 млн терм в час. Температура процесса изменяется в пределах 760 °C – 870 °C (1 400 °F – 1 600 °F), газ сохраняет устойчивость, как правило, в течение 1 секунды или меньшего периода времени.

Каталитическое окисление применяется сравнительно недавно как альтернативный способ расщепления летучих органических соединений в воздушных потоках в результате проведения различных восстановительных действий. Дополнительное использование катализатора позволяет увеличить скорость окисления за счет поглощения кислорода и вредоносной примеси поверхностью катализатора, где данные вещества вступают в реакцию с образованием углекислого газа, воды и хлористоводородного газа. Катализатор позволяет провести реакцию окисления при низких температурах, которые требуются для термического окисления при обычных условиях. Летучие органические соединения подвергаются термическому расщеплению с применением твердого катализатора при температуре, которая составляет, как правило, 320° С – 540° C (600° F – 1 000° F). Во-первых, воздушный поток, содержащий вредоносные примеси, подвергается предварительному нагреву (электрическому или, чаще, с использованием природного газа или пропана) до температуры 310 °C – 370 °C (600 °F – 700 °F), необходимой для начала каталитического окисления летучих органических соединений. После предварительного подогрева насыщенный летучими органическими соединениями воздушный поток пропускается через твердый катализатор, где летучие органические соединения подвергаются быстрому окислению. Часто термические окислители можно преобразовать в каталитические после того, как высокая концентрация вредных примесей первоначального потока будет сокращена до 1 000 – 5 000 млн долей на единицу объема.

 Каталитическое окисление

В каталитических системах, используемых для окисления летучих органических соединений, применяются металлические окислители, такие как оксид никеля, меди, марганца и хрома. Могут быть также использованы такие благородные металлы как платина и палладий. Большинство катализаторов, которые могут быть приобретены на коммерческих условиях, запатентованы.

 Окисление в двигателе внутреннего сгорания

Органические примеси газов могут использоваться как топливо при сгорании в двигателе внутреннего сгорания. При слишком низкой концентрации органических веществ для ускорения окисления добавляется дополнительное топливо.

 Термическое окисление

В большинстве случаев процесс термического или каталитического окисления может быть ускорен для снижения расходов на дополнительное топливо с использованием воздушного теплообменника, передающего тепловую энергию отработанных газов входящему воздушному потоку, содержащему вредные примеси. Как правило, удается восстановить до 50% тепловой энергии отработанных газов.

Окисление под воздействием ультрафиолетового излучения

Окисление органических примесей воздушных потоков можно также осуществить с использованием ультрафиолетовых лучей. Как описано в разделе, посвященном окислению сточных вод под воздействием ультрафиолетового излучения (раздел 4.44 «Характеристика технологии»), окисление под воздействием ультрафиолетовых лучей представляет собой процесс, при котором под воздействием ультрафиолетового излучения распадаются химические связи вредных примесей. В зависимости от матрицы, в рамках которой происходит данный процесс, продукты распада с помощью светового воздействия бывают разными. Однако полностью преобразовать органический загрязнитель в CO2, H2O и т.п. не представляется возможным.

Целевой группой вредных примесей для окисления являются негалогенированные летучие органические соединения, негалогенированные полулетучие органические соединения и топливные углеводороды. Были разработаны катализаторы из драгоценных и обычных металлов, которые, как сообщается, могут эффективно разрушать галогенированные (в том числе хлорсодержащие) углеводороды. В частности был осуществлена переработка таких хлорсодержащих углеводородов, как трихлорэтилен, трихлоруксусная кислота и дезоксикортикостеронацетат 1.1.

Ограничения:

• В потоках сернистых и галогенированных соединений и соединений с высоким содержанием частиц катализатор может быть связан или выведен из строя, что потребует его замену.
• Для разрушения галогенированных соединений и соединений с высоким содержанием частиц катализатор может быть связан и соединений требуются специальные катализаторы, материалы и конструкции, а также дополнительное использование газоочистителя для сокращения объемов выброса вредных газов.
• Концентрация газа во входящем потоке должна составлять < 25% взрывоопасной концентрации при каталитическом и термическом окислении.
• Наличие хлорсодержащих углеводородов (см. комментарии выше) и некоторых тяжелых металлов (например, свинца) может привести к загрязнению катализатора.

 

14.58. Газоочистители

Существуют две широкие классификации устройств контроля над уровнем загрязнения воздушного потока, которые имеют общее название «газоочистители»:

Жидкие газоочистители

Жидкие газоочистители позволяют удалить газообразные вредоносные примеси при помощи инерционной диффузии, реакции с раствором сорбента или реагента или абсорбции жидким раствором.  Газоочистители данных типов могут использоваться для контроля определенного состояния, в том числе поддержания концентрации частиц на уровне ниже 10 мкм в аэродинамическом диаметре (при концентрации частиц 10), 2,5 мкм в аэродинамическом диаметре при концентрации частиц 2,5), а также опасных воздушных примесей в форме частиц, неорганических испарений, паров и газов (например, хромовой кислоты, сульфида водорода, аммиака, хлоридов, фторидов и оксида серы). Газоочистители этих типов могут также иногда использоваться для контроля концентрации летучих органических соединений. Летучие органические соединения, легко поглощающие воду, могут контролироваться водной средой, водостойкие — амфифильным блочным сополимером в водной среде. Однако в отношении данного применения имеется очень мало информации. При применении абсорбции как основного метода контроля использованные растворители можно легко восстановить или переработать методом, приемлемым с точки зрения экологической безопасности.

Сухие газоочистители

Струйные сухие газоочистители широко используются как технология десульфуризации газового топлива.  Данная технология ограниченно применяется в установках со средней мощностью 200 МВт, поэтому данная технология используется на угольных электростанциях малого и среднего размера. С использованием газоочистителей данного типа удается добиться уничтожения 90% оксида серы.  К некоторым преимуществам использования данной технологии относятся низкая стоимость переработки отработанных веществ, невысокий расход воды и редкие перепады давления.  Некоторые вредоносные примеси, которые, как правило, подвергаются данной переработке, включают полициклические ароматические углеводороды, фторид углерода, гидрохлорид, тяжелые металлы и указанный выше оксид серы.

Целевая группа вредных примесей для переработки с использованием газоочистителей: соляная кислота, серная кислота, хлорин, оксид серы, пары кислот и щелочей. Большинство газоочистителей, предназначенных для сжигания отработанных паров или жидкостей, имеют фильтрующий слой. Кислотные газы, как правила, являются основной целью при проведении газоочистительных действий.

Ограничения:

• Для всех водорастворимых минералов есть определенные пределы твердости и температуры. Можно избежать образования осадка за счет увеличения скорости продува воды, используя только щелочные растворы для нейтрализации и замещения воды с твердых газоочистителей, при этом низкий уровень растворенных солей в жидкости газоочистителя поддерживается деионизированной водой.
• Переработка в условиях превышения предельно допустимой концентрации твердых веществ. При продуве газоочистителя кислотосодержащей жидкостью в результате нейтрализации соляной кислоты щелочью натрия образуется натрий гипохлорит (как например, в установке для очистки сточных вод), после чего следует распад натрия гипохлорита с образованием газообразного хлора Cl2.
• Неправильная очистка сточных вод. Большинство газосжигающих очистителей сконструированы из менее дорогостоящих кислотоустойчивых материалов, таких как полипропилен или подобных материалов, и подвержены действию высоких температур. Перед использованием газоочистителей горячий топливный газ должен быть охлажден.
• Сжигание отходов сопровождается образованием малых частиц, для переработки которых необходимо определить дополнительное оборудование. Большинство газоочистителей для топливных газов позволяют повторно осуществить циркуляцию воздушных масс для сокращения продува и увеличения обработки водой. Кавитация жидкости, циркулирующей в насосе, может снизить скорость подачи жидкости для очистки и привести к повреждению насоса.
• Неправильные характеристики насоса, недостатки конструкции всасывающего механизма, резервуара и блокировка всасывающего механизма инородными материалами.

14.59.  Адсорбция углем нав фазе  парообразования

Адсорбция углем в фазе парообразования — технология очистки, при применении которой загрязняющие вещества устраняются из воздуха путем физической адсорбции гранулами активированного угля. Активированный уголь получают для этой цели путем переработки угля с образованием пористых частиц с крупной внутренней поверхностью (300– 2 500 м² или 3 200–27 000 кв. футов на 1 грамм угля), которая притягивает и адсорбирует органические молекулы, а также молекулы некоторых металлов и неорганических соединений.

Для применения адсорбции в фазе парообразования предусмотрена коммерческая градация активированного угля. Активированный уголь в гранулированной форме, как правило, используется в насадках газоочистителей, через которые поток загрязненного воздуха пропускается до тех пор, пока концентрация вредных веществ в потоке воздуха, проходящим через насадку, превышается приемлемый уровень. Системы с гранулированным активированным углем, как правило, состоят из одного или нескольких сосудов, заполненных углем и соединенных в серии и (или) параллельно, работающих в условиях атмосферного давления, при отрицательных и положительных значениях давления. В зависимости от экономических целей уголь может быть переработан на месте, в очистной установке или может быть уничтожен.

Уголь может использоваться в связи с паровым риформингом. Паровой риформинг — технология, разработанная для уничтожения галогенированных растворителей (таких как тетрахлорид углерода, CCl4, хлороформ, CHCl3), адсорбированных активированным углем в реакции с перенасыщенным паром (паровой риформинг).

 Очистка и переработка летучих органических соединений

Еще одной более современной технологией, связанной с адсорбцией угля на этапе парообразования, является тепловой насос, работающий по циклу Брайтона. Данная технология, созданная лабораторией «Айдахо Нэшнл Инджиниринг» (англ. Idaho National Engineering Laboratory), предлагает метод очистки и переработки летучих органических соединений. Тепловой насос, работающий по циклу Брайтона, может конденсировать летучие органические соединения из потока воздуха, что позволяет использовать его как для очистки, так и для местной и внешней переработки широкого спектра летучих органических соединений. Поток воздуха, содержащий летучие органические соединения, может образоваться в результате парообразования при вакуумной экстракции почвы или воздушном осушении загрязненных подземных вод.

Технология предполагает использования адсорбентов активированного угля, расположенных в каждой откачной скважине, и теплового насоса, работающего по циклу Брайтона, для регулярного восстановления адсорбентов. Поток воздуха из скважины, содержащий летучие органические соединения, пропускается через прослойку угла, адсорбирующие летучие органические соединения. При определенной концентрации адсорбированных веществ в прослойке для их десорбции из теплообменника впрыскивается горячий азот. Азот проходит через охлаждающий механизм, подвергается компрессии и затем охлаждается в теплообменнике, где переработке подвергаются 50% - 80% органических загрязнителей. Частично отработанный азотсодержащий поток затем пропускается через турбину, при этом его температура понижается до значения -150^oF, а оставшиеся органические соединения конденсируются. Очищенный азот пропускается через теплообменник для охлаждения азота с летучими органическими примесями и затем возвращается в угольную прослойку. В результате образуются только чистый отработанный газ из скважины и небольшое число переработанных органических веществ.

Не рекомендуется проводить адсорбцию углем на этапе парообразования для очистки воздушных потоков с высокой концентрацией вредоносных веществ. Более целесообразным с экономической точки зрения представляется предварительная обработка потока летучих органических соединений, после чего на завершающем этапе пары подвергаются обработке в системе с гранулированным активированным углем.

Ограничивающие факторы:

• Может потребоваться очистка отработанного технического угля от вредоносных веществ.
• Необходимо проводить переработку отработанного угля и уничтожение адсорбированных загрязнителей, которые часто проводятся термическим способом.
• При относительной влажности выше 50% может понизить уровень улавливания угля.
• При повышении температуры в насосе для паровой экстракции почв (выше 38° C или 100° F) адсорбция будет затруднена.
• При биологическом обрастании угля и высоком содержании частиц масса потока, проходящего через прослойку, может быть уменьшена.
• Некоторые соединения (например, кетоны) могут привести к возгоранию в угольной прослойке в результате повышения температуры при адсорбции.

tp-eco.ru›assets/files/Ranjirovanni_perechen.docx

 

Техническое задание:

Выполнение природоохранных мероприятий по теме: Проведение технологических работ по ликвидации накопленного в период прошлой хозяйственной деятельности экологического ущерба на загрязненных территориях островов архипелага Земля Франца - Иосифа» в 2013-2015 гг.

https://ecostaff.ru/novosti/573-tekhnicheskoe-zadanie-na-vypolnenie-prirodookhrannykh-meropriyatij-po-teme-provedenie-tekhnologicheskikh-rabot-po-likvidatsii-nakoplennogo-v-period-proshloj-khozyajstvennoj-deyatelnosti-zkologicheskogo-ushcherba-na-zagryaznennykh-territoriyakh-ostrovov-ar