Продолжительность очистки и технического обслуживания
Обработку почвы в биореакторах с взвешенной фазой можно отнести к непродолжительным или средней длительности технологиям. Длительность работы и обслуживания зависит от следующих факторов:
концентрация загрязнений;
температура реактора;
концентрация питательных веществ;
адекватная аэрация (для аэробных биореакторов).
ФИЗИКО – ХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ПОЧВ
Технологии отверждения / стабилизации загрязнённой почвы
Описание технологий отверждения/стабилизации
Процессы отверждения/стабилизации отходов (в том числе загрязнённой почвы), или S/S - технологии (solidification/stabilization), снижают подвижность загрязнителей в окружающей среде физическими или химическими средствами. В отличие от других технологий восстановления S/S - технология находит способ уловить или иммобилизовать загрязнителя в самой среде «хозяина» (например, в почве, песке, в строительных материалах, которые содержат их) вместо того, чтобы удалить их в процессе физической или химической обработки. Применение S/S - технологии должно сопровождаться тестами на вымываемость, чтобы измерить произведённую иммобилизацию загрязнителей. S/S – технология может быть применена сама по себе или в комбинации с другой обработкой и с методом захоронения полученного продукта. Продукт должен оказаться пригодным для захоронения в земле или, в некоторых случаях, иметь такие свойства, чтобы его можно было использовать с выгодой (например, в дорожном строительстве). S/S – технология может оказаться конечной или промежуточной ступенью восстановления загрязнённой территории.
Для многих типов опасных отходов, особенно для тяжелых металлов, S/S обычно дает превосходные результаты в отношении длительной иммобилизации. Однако в отношении органических отходов возникает озабоченность при использовании этой технологии. Даже при применении технологии S/S к тяжелым металлам требуется тщательный выбор подходящих связывающих веществ (учета амфотерного поведения некоторых металлов) и хорошего контроля в ходе процесса.
Механизмы захвата загрязнений в S/S-процессах (Solidification/ Stabilization).
В настоящее время S/S–технологии основаны на применении цемента или вулканического туфа. В этих системах осуществляются химические и физические механизмы, которые соединяют, захватывают и/или иммобилизуют загрязнения.
Химические механизмы могут включать изменение химической формы (например перевод растворимой соли опасного металла в относительно нерастворимые силикат, гидроксид или карбонат), химическое внедрение в кристалл или простой механизм адсорбции.
Физические механизмы включают захват (микроинкапсулирование) опасных материалов внутри образующейся физической структуры отвержденной формы отхода. Высвобождение физически захваченного загрязнения затрудняется такими явлениями, как снижение проницаемости и пористости по сравнению с исходной почвой, увеличение извилистости путей высвобождения и уменьшение площади поверхности. Эти физические характеристики устраняют или сильно снижают транспорт воды через отвержденный продукт, и, следовательно, попадание загрязнения в окружающую среду. Однако, если при умеренных температурах и давлениях загрязнение существует (или может существовать) в жидкой или газообразной форме, следует учитывать возможность высвобождения загрязнения в форме другой, чем водный раствор.
Даже и без полного понимания S/S-химии очевидно, что химический характер компонентов отходов и возможные химические взаимодействия между отходом, связующим материалом и любыми добавленными реагентами имеют первостепенное значение.
Технология отверждения / стабилизации загрязнённой почвы IN SITU использует принудительный ввод в приповерхностный слой почвы и смешивание с ним стабилизирующих реагентов с целью иммобилизовать почвенную матрицу, а также загрязнения, и предотвратить их вымывание просачивающимися осадками в грунтовую воду. Как правило, in situ – стабилизация включает введение связывающих реагентов в загрязнённую область почвы или в загрязнённые осадки, добавление, если это необходимо, воды, с последующим их тщательным перемешиванием с помощью ковша или рыхлителя с целью добиться их затвердевания на месте. Все возрастающее значение в in situ - отверждении почвы приобретает метод, использующий очень большой лопастной вращающийся бур диаметром 2-2.5, и даже более метров [1,2]. Бур высверливает в почве и замешивает «пробку» большого диаметра из загрязнённой почвы и связки. В ходе бурения в почву принудительно вводят стабилизирующие реагенты и воду (если она необходима) через специальные насадки на лопастях бура. После тщательного перемешивания бур удаляют, а приготовленная гидросмесь - затвор остаётся на месте. Бурав перемещают так, чтобы перекрыть небольшую часть последней приготовленной «пробки» и процесс повторяют до тех пор, пока загрязнённый участок земли не окажется полностью закрытым. Компоненты отверждения /стабилизации являются одинаковыми для in situ и для ex situ вариантов технологий. В верхней части Рис.10. представлен метод стабилизации почвы по технологии in situ. Схема «закрывания» участка «пробками» из продукта отверждения загрязнённой почвы представлена на Рис. 12.
Технология ex situ включает выкапывание загрязнённой почвы экскаватором, смешивание её с водой и цементирующими реагентами (а иногда со специальными связывающими добавками), и осуществление процесса затвердевания. Вариант этой технологии ex situ представлен в нижней части Рис. 10.
IN SITU
EX SITU
Рис. 10. Отверждение / стабилизация загрязнённой почвы in situ и ex situ
Рис. 11. Схема IN SITU стабилизации загрязнённого участка почвы путём введения отверждающих добавок в высверленную и измельчённую почву
Рис. 12. Отверждение/стабилизация загрязнённого участка – «заполнение» пространства с применением специального бура и насадок для подачи под давлением в пробуренную скважину цементирующего раствора
Более детальное представление о самом распространённом процессе стабилизации загрязнённой территории в варианте in situ можно получить из Рис. 11.
К S/S – технологиям относятся так называемые донные барьеры. Они представляют собой горизонтальные барьеры, «построенные» под поверхностью почвы, которые препятствуют вертикальной миграции загрязнений. Барьер – это слой непроницаемого материала, расположенный под «отходом» – то есть под участком загрязнённой почвы. Строительство донного барьера при помощи инжекции цементирующего раствора включает направленное бурение с принудительным вводом этого раствора. Внедрение этой технологии очень сильно зависит от физических свойств почвы.
In Situ остекловывание загрязнённой почвы (витрификация - ISV) является ещё одним S/S – процессом, в котором применяют электрический ток с целью расплавить загрязнённый участок почвы при чрезвычайно высоких температурах (от 1600 до 2000 С). При этом иммобилизуется основная часть неорганических загрязнителей, а органические загрязнители разрушаются в сопутствующем пиролизе. Неорганические загрязнители оказываются в расплавленной стеклообразной массе, которая затем затвердевает и они оказываются захваченными застывшим «стеклом». Образующиеся в процессе сильного разогрева пары воды и газообразные продукты высокотемпературного пиролиза органических соединений собираются в специальном колпаке, накрывающем поверхность обрабатываемого земельного участка. Из этого «сборника» газовая фаза с загрязнениями поступает в систему обработки отходящих газов. В этой очистной системе из газов удаляют частицы пыли и другие загрязнители. Продукт остекловывания почвы (витрификации) является химически устойчивым, не подвергающимся вымыванию стеклообразным и частично кристаллическим материалом, похожим на обсидиан или базальт. Из описания очевидно, что этот процесс разрушает и/или удаляет из почвы органические вещества. Радионуклиды и тяжёлые металлы удерживаются в почвенном расплаве. Схема процесса представлена на Рис. 7.13. [5].
Рис.13. Схема обработки загрязнённого участка почвы технологией остекловывания (витрификацией) .
Применимость S/S – технологий
S/S – процесс in situ является коротким или средним по длительности, а процесс in situ остекловывания является кратковременным.
К группе загрязнений, подходящих для применения S/S – процесса in situ, как правило, относятся неорганические загрязнения (включая радионуклиды). Технологии стабилизации почвы проявляют ограниченную эффективность при стабилизации полулетучих органических соединений и пестицидов и малую эффективность при стабилизации летучих соединений. Однако, в настоящее время разрабатываются и проверяются системы более эффективные в обработке органических загрязнений. Позже мы рассмотрим эти новые типы связок, позволяющих стабилизировать в почве любые органические загрязнения.
Процесс остекловывания in situ приводит к разрушению или удалению органических загрязнений и к стабилизации большинства неорганических загрязнений в загрязнённых почвах, илах и других земельных материалах. Этот процесс был успешно испытан для очень многих летучих и полулетучих органических соединений, а также для «тяжёлых» органических соединений, включая диоксины и РCВ – полихлорированные бифенилы. И, безусловно, он оказался эффективным для стабилизации большинства металлов – загрязнителей .
Ограничения
Факторы, которые могут ограничить применение in situ и эффективность S/S– технологии:
глубина проникновения загрязнений в почву может ограничить применение разработанного к настоящему времени оборудования;
будущая эксплуатация обработанного участка может привести к «выветриванию» сцементированных материалов и воздействовать на способность удерживать иммобилизацию загрязнений;
некоторые S/S –процессы приводят к значительному увеличению объёма (вплоть до удвоения первоначального объёма);
некоторые отходы несовместимы с вариантами этого процесса, поэтому, как правило, требуется предварительное исследование применимости;
ввод в почву реагента и их эффективное перемешивание in situ более затруднительны, чем в S/S - обработке ex situ, т.е. извлечённой загрязнённой почвы;
как и для всех in situ технологий отбор образцов почв до и после обработки, подтверждающий их эффективность более сложен, чем при обработке ex situ;
твёрдые материалы в почве могут затруднить будущее использование участка;
обработка по этой технологии загрязнений, проникших в почву ниже водяного стола, может потребовать удаления воды.
Необходимые данные для применения S/S технологии:
Необходимые данные включают:
размер частиц почвы;
пределы Аттерберга* для подлежащих обработке почв;
влагосодержание почвы;
концентрации тяжёлых металлов в почве;
концентрацию сульфатов;
содержание органических соединений;
плотность;
проницаемость;
прочность при неограниченном сжатии почвы и продукта её отверждения;
вымываемость почвы и продукта ;
рН почвы;
микроструктурный анализ почвы.
Для осуществления технологии остекловывания (витрификции) требуется, чтобы содержание в почве «щелочей» (оксидов натрия и калия) было не менее 1.4% весовых – это условие необходимо для образования стекла. Состав большинства почв хорошо подходит для такой обработки.
* Пределы Аттерберга (шведского почвоведа) являются основной количественной «мерой» природы мелкозернистых почв. В зависимости от содержания воды, почва может оказаться в одном из четырёх состояний: твёрдом, полутвёрдом, пластическом и жидком. В каждом состоянии консистенция и поведение почвы являются характерными и такими же являются её «инженерные» свойства. Таким образом, границу между состояниями можно определить по изменению поведения почвы. Это и сделал Аттерберг, введя определённые пределы:
- жидкостной предел (LL) – граница между жидким и пластическим состояниями;
- пластический предел (PL) – граница между пластическим и полутвёрдым
состояниями;
- предельная усадка (SL) - граница между полутвёрдым и твёрдым состояниями.
Пределы Аттерберга находят экспериментально на несложном лабораторном оборудовании [6]. Хотя величины этих пределов являются отчасти эмпирическими, их используют для оценки ряда других параметров, которые очень полезны в механике почв, например, индекса пластичности почвы (PI), индекса текучести (IL) или активности. Существует также тесная связь между пределами Аттерберга (и рассчитанными из них индексами) и важными свойствами почвы: сжимаемостью, проницаемостью и/или прочностью (т.е. способностью образца почвы выдерживать приложенные силы, не подвергаясь разрушению). Полезность этих величин состоит в том, что если пределы Аттерберга определяются относительно просто, то другие выводимые из них свойства оказывается весьма трудно определить. Поэтому знание пределов Аттерберга не только позволяет нам идентифицировать тип интересующей нас почвы, но также вводить поправки в инженерные приложения.
ТЕРМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОЧИСТКИ ЗАГРЯЗНЁННЫХ ПОЧВ
Термическая обработка использует высокие температуры для удаления и разрушения или для иммобилизации загрязнений в почвенных частицах в физических и химических процессах таких, как испарение, сжигание и пиролиз. Термические системы наиболее часто используют для очистки почв, загрязнённых токсичными органическими соединениями, которые на первой ступени обработки при относительно небольшом нагреве переходят в газовую фазу, а на следующей ступени их уничтожают при высоких температурах.
Термическую обработку можно также применять для очистки почв, загрязнённых асбестом (разложение голубого асбеста происходит около 900C [1]). Летучие тяжёлые металлы, например ртуть, также можно удалить из почвы в термическом процессе, хотя они не разрушаются и их следует извлечь позже из потока образующихся газов. Широко применяются ex situ технологии очистки почвы, однако, появились системы in situ, которые в настоящее время проверяются. Пример такой технологии мы сейчас рассмотрим.
Технология «нагревание почвы in situ + вакуумная экстракция»
Описание
Технология «нагрева in situ + вакуумная экстракция» является полномасштабной проверенной на практике технологией, которая использует ввод горячего воздуха в почву или электро / радиочастотный нагрев загрязнённого подпочвенного участка в целях увеличения подвижности летучих и полулетучих загрязнений и облегчения их экстракции. Во многих отношениях процесс подобен экстракции водяным паром (ЭВП), но требует создания устойчивых к нагреву экстракционных скважин.
Радиочастотный нагрев обеспечивает равномерное быстрое увеличение температуры почвенной матрицы. Этот рост температуры вызывает увеличение скоростей испарения ЛОВ и ПЛОВ (летучих и полулетучих органических веществ). Электромагнитная энергия вводится в почвенную матрицу с помощью электродов, помещённых в высверленные в почве каналы. Модифицированный радио трансмиттер, используемый в качестве источника энергии, работает на частоте, предусмотренной промышленным, научным или медицинским диапазоном. Точная рабочая частота зависит от оценки размеров загрязнённого участка и диэлектрических свойств почвенной матрицы. Испарившиеся вещества можно извлечь, используя стандартную технику обработки почвы экстракцией водяным паром (ЭВП).
В другом методе нагрева почвы используют её электрическую проводимость, то есть наличие у почвы электрического сопротивления. Происходит обычное разогревание электрического сопротивления – участка почвы, при протекании по нему тока. В одной из технологий используют введённые в загрязнённую почву металлические трубы. Трубы составляют набор проводников, по которым пропускают электрический ток через загрязнённый участок. Электроды нагревают почву и переводят в газовую фазу почвенную воду и все летучие загрязнители, которые затем удаляются откачкой. Источник энергии – это электрический ток, поэтому, ввод энергии менее сложен, чем при радиочастотном (РЧ) нагреве.
Схема метода очистки почвы методом «нагрева in situ + вакуумная экстракция» показана на Рис. 19.
Применимость:
Система предназначена для удаления ПЛОВ, но будет, конечно, удалять и ЛОВ. Технологии нагрева in situ эффективны также для удаления из почвы некоторых видов топлива и пестицидов, в зависимости от достигаемых в системе температур. После применения этого процесса, образовавшиеся под поверхностью почвы условия чрезвычайно благоприятны для биоразложения остатков загрязнений.
Ограничения:
Следующие факторы могут ограничить применимость и эффективность процесса:
Мусор или другие объекты большого размера, захороненные в земле, могут вызвать затруднения в работе
Экстрагирование определённых загрязнений варьирует в зависимости от максимальной температуры, достигаемой в выбранном процессе
Структура почвы на участке может измениться, и это изменение зависит от выбранного процесса
Плотная почва или сильно увлажнённая почва имеют низкую проницаемость для газов, это препятствует функционированию термически усиленной экстракции водяным паром и требует ввода большей энергии для улучшения вакуума и повышения температуры
Почва с сильно меняющимися проницаемостями создает условия для неравномерного поступления газового потока в загрязнённые области
Почва с высоким содержанием органического вещества обладает высокой сорбционной ёмкостью по отношению к ЛОВ, и это приводит к низким скоростям их удаления
Эмиссии загрязнённого воздуха могут потребовать их очистки, чтобы предотвратить нанесение ущерба здоровью населения и окружающей среде. Обработка этого воздуха и получение разрешения приведут к увеличению стоимости проекта
Жидкости, образовавшиеся при работе оборудования, и израсходованный активированный уголь могут нуждаться в дальнейшей очистке
Термически усиленная экстракция водяным паром (ЭВП) не эффективна в зоне насыщения почвы; однако, если водоносный горизонт понизить, то технология ЭВП «обработает» больший объём среды
Если в результате увеличения температуры влагосодержание почвы понижается, электрическое сопротивление падает, поскольку почвенный раствор обеспечивает главный проводящий путь в почве.
Рис.19. Схема термической обработки загрязнённой почвы in situ .
Продолжительность осуществления очистки
Нагрев in situ является кратковременной технологией или технологией средней по длительности, и это зависит от следующих условий:
Концентрация и летучесть загрязнителей
Характеристики почвы под поверхностным слоем
Влажность почвы
Тип загрязнения
Сжигание загрязнений
Описание
Сжигание включает термическое разложение органических загрязнений в реакциях крекинга и их окисление при высоких температурах (обычно между 760 и 1550 С). Органические загрязнения превращаются в диоксид углерода и водяной пар, а также в оксиды азота, нитраты и аммиак (если отходы содержат азот в своём составе); в оксиды серы и сульфат (для серосодержащих отходов); или в галогенводородные кислоты (для галогенированных отходов). Загрязнённые почвы обычно обрабатывают во вращающихся печах или в сжигателе с ожиженным слоем .
При обжиге во вращающейся печи или в топочной камере печи весь процесс происходит в двух камерах [2,3]. В первой камере органические составляющие отхода испаряются. В ходе процесса испарения некоторые органические компоненты расщепляются, и малая часть может окислиться с образованием CO2 и H2O(g). Во второй камере высокая температура приводит к реакциям перешедших в неё газообразных органических компонентов с кислородом с образованием CO2 и H2O(g).
Схема
установки с вращающейся печью
Рис. 20. Схема очистки почвы термической десорбцией во вращающейся печи]
При сжигании в ожиженном слое используется единственная камера. В ней создаётся псевдоожиженный («кипящий») слой песка и предусмотрено «пустое» отделение над слоем. Ожиженный слой способствует испарению и сгоранию органических компонентов отхода. Твёрдые частицы в слое обеспечивают достаточную теплоёмкость для перевода в газовую фазу органических компонентов. Воздух, подаваемый под давлением для образования ожиженного слоя, обеспечивает достаточное количество кислорода и создаёт турбулентность, которая способствует реакциям органических веществ с кислородом с образованием CO2 и H2O(g). Дополнительное время для химических превращений органических компонентов обеспечивается свободным пространством над ожиженным слоем.
Газы, выходящие из сжигателя любой конструкции, требуют обработки на специальной установке по очистке воздуха от загрязнений. В ней удаляются твёрдые частицы и нейтрализуются и, следовательно, удаляются кислые газы (HCl, NOX и SOX). Твёрдые частицы удаляются с помощью рукавных фильтров, скрубберов Вентури и мокрых электростатических осадителей; скрубберы с неподвижным слоем и осушители с распылением удаляют кислые газы.
Сжигание подпадает под законодательство по применению специальных технологий. Особые правила регулируют выбросы в атмосферу, обработку и захоронение полихлорированных бифенилов, генерацию, обработку, хранение и захоронение опасных отходов, сброс в поверхностные воды и шумы.
Применимость:
Сжигание используется для очистки почв, загрязнённых галогенированными и негалогенированными органическими соединениями, взрывчатыми веществами, ПХБ и диоксинами.
Ограничения:
Следующие факторы могут ограничить применимость и эффективность процесса:
Лишь на одном сжигателе вне места загрязнения разрешено сжигать ПХБ и диоксины
Существуют специфические размеры частиц сырья и материалов, отвечающих требованиям технологии, которые могут определять применимость или стоимость на специфических участках
Тяжёлые металлы переходят в донную золу, которая требует стабилизации
Летучие тяжёлые металлы, включающие свинец, кадмий, ртуть, и мышьяк могут покидать камеру сгорания вместе с топочными газами, и их удаление требует установки системы специальной очистки газов
Металлы могут реагировать с другими элементами в потоке сырья, например, с хлором и серой, при этом образуются более летучие и токсичные соединения, чем исходные вещества. Такие соединения, вероятно, являются короткоживущими промежуточными продуктами реакции, которые можно разрушить в реакции с известью
Соединения натрия и калия образуют золу с низкой температурой плавления, которая может разъедать кирпичную облицовку и образовать липкие частицы, которые ухудшают газовые трубопроводы.
Продолжительность работы оборудования
Продолжительность технологии сжигания может варьировать от короткой до длительной, в зависимости от следующих условий:
Количество загрязнённой среды
Требования законодательства
Использование дополнительных видов топлива
Концентрация металлов
Типы загрязнений.
Низкотемпературная десорбция
Описание:
Низкотемпературная термическая десорбция (НТТД) это процесс физического разделения, в котором отход (в том числе загрязнённая почва) обрабатывается при температуре в интервале 90 – 320С. При этих условиях вода и органические загрязнения испаряются. Газ-носитель или вакуум переносят пары воды и органических веществ в систему очистки газа. Температуры слоя и времена удерживания в этих системах подобраны так, что испаряются целевые загрязнители, но при этом они не будут окисляться или разрушаться. НТТД является испытанной на практике технологией, которая доказала свою успешность при очистке всех типов почв, загрязнённых углеводородами нефти. Эффективности разрушения загрязнителей в установках дожигания после их удаления из почвы более 95%. В случае необходимости то же оборудование при минимальных изменениях сможет, по-видимому, справиться и с более жёсткими требованиями. Очищенная почва сохраняет свои физические свойства и способность поддерживать биологическую активность.
Имеются два распространённых устройства термической десорбции: вращающийся осушитель и тепловой шнек. Вращающиеся осушители это наклонные цилиндры с косвенным или прямым нагревом пламенем. В термических червячных установках применяют червячный конвейер или вращающийся полый шнек, которые передвигают загрязнённую почву по закрытому жёлобу. Горячее масло или пар циркулируют по полому шнеку при косвенном нагреве почвы. Все термические системы десорбции нуждаются в очистке выходящих газов от твёрдых частиц и загрязнений. Частицы удаляют на обычном оборудовании: в мокрых скрубберах или на тканевых фильтрах. Органические вещества – загрязнения удаляют на установке конденсации, за которой ставят установку адсорбции на угле. Другой способ их удаления это сжигание во второй камере сгорания или на установке каталитического окисления. Большинство этих установок являются передвижными.
Применимость:
Группа целевых соединений для метода НТТД это галогенированные и негалогенированные ЛОВ. Технологию можно использовать также для удаления полулетучих органических веществ и ПХБ, если применять высокую температуру и увеличенное время нахождения отхода в первичной камере.
Ограничения:
Следующие факторы могут ограничить применимость и эффективность процесса:
Операции с сырьём и материалами, специфичными для отдельных участков загрязнения, могут влиять на применимость технологии и её стоимость
Иногда необходимо производить частичное удаление воды, чтобы достичь приемлемой влажности почвы перед её обработкой
Сырьё с высокими абразивными свойствами может повредить обрабатывающее оборудование
Тяжёлые металлы, находящиеся в сырье, могут привести к накоплению твёрдых остатков, которые необходимо стабилизировать
Присутствие в почве пыли и почвенного органического вещества увеличивает трудности в улавливании из отходящих газов пыли и их химической обработки.
Продолжительность работы оборудования
Продолжительность процесса низкотемпературной термической десорбции обычно является короткой или средней, в зависимости от следующих условий:
Тип загрязнений, их концентрация и количество
Содержание воды в загрязнённой почве
Требования законодательства в отношении эмиссий в атмосферу и в водные источники и к степени очистки
Концентрации металлов в загрязнённой почве.
Схема метода низкотемпературной десорбции показана на Рис. 21.
Рис. 21. Схема работы установки по очистке выкопанной почвы от летучих органических соединений методом низкотемпературной термической десорбции (НТТД).