Электрохимические методы удаления загрязнений из объектов окружающей среды.

Электрохимические методы удаления загрязнений из почв, илов, грунтовых вод, из сточных вод промышленных и сельскохозяйственных предприятий являются, по-видимому, наиболее эффективными и экономически оправданными. В случае почв это особенно очевидно, поскольку электрохимические методы позволяют производить очистку на месте (in situ). Извлечение, как правило, огромных масс загрязнённой почвы экскаватором и их последующее промывание для удаления загрязнений и возвращение на место - это дорогое мероприятие. Более того, зачастую эффективное по времени и затратам удаление гидрофобных загрязнителей, например хлорорганических растворителей, из почв с низкой проницаемостью возможно единственно электрохимическими методами, а именно методом электрокинетического восстановления.

При решении проблемы очистки от загрязнений объектов окружающей среды решаются две задачи: (1) определение вида загрязнения и его концентрации в образце; (2) удаление (разрушение) загрязнителя. Обе задачи успешно решаются электрохимическими методами.

Самыми распространёнными методами удаления загрязнений из почв до последнего времени являлись разнообразные модификации технологии промывания почв водными растворами кислот, комплексообразователей, биологически активных веществ - для активизации действия почвенных бактерий и т.п. Иногда такие методы применялись для обработки загрязнённых земельных участков in situ. В этих случаях промывной раствор под действием силы тяжести двигался перпендикулярно поверхности земли по направлению к грунтовой воде; грунтовую воду через некоторое время откачивали через специальную скважину и очищали, в свою очередь, от попавших в неё вместе с промывным раствором загрязнений. Затем процедура повторялась. Весь процесс называют часто «pump and treat – процессом», т.е. процессом «откачивай и обрабатывай». К сожалению, в очень многих случаях процесс оказывался мало эффективным, отнимал массу времени (несколько лет, иногда больше 10), а часто не мог быть применен из-за очень низкой проницаемости почв. Во всех подобных случаях гидравлический поток двигался в основном по порам максимального размера. Поэтому загрязнения, попавшие в малые поры, например хлорированные растворители, и находящиеся в этих порах в виде капель малого размера, невозможно удалить технологией промывания.

Электроосмос позволяет «организовать» однородный поток жидкости по всем порам и высокую степень контроля за его направлением. И это – решающее преимущество электрокинетического метода очистки.

Схема очистки представлена на рисунке 49.

Рис. 49. Схема полевой установки для in situ очистки почвы электроосмотическим методом.

Здесь стрелками указано направление электроосмотического потока (к катоду), поскольку частицы глины или силта (пылеобразных частиц почвы) имеют отрицательный заряд и, следовательно, наружная обкладка ДЭС – положительный.

Эту технологию называют по-разному: электрокинетическим восстановлением, электрорекламацией почв, электрокинетической обработкой почв или электрохимической очисткой и в ней используют постоянный ток небольшой величины порядка мA/cм² поперечного сечения между электродами или разницу электрических потенциалов порядка нескольких вольт на сантиметр пространства между электродами, помещёнными в землю в конфигурации открытого потока (неограниченного).

В качестве проводящей среды используется грунтовая вода из скважин или подаваемая извне технологическая жидкость – раствор необходимых компонентов. Схема расположения электродов с открытым потоком позволяет технологической или поровой жидкости заполнять пористую среду или вытекать из пористой среды. Постоянный ток малой величины приводит к физико-химическим и гидрологическим изменениям почвенной массы, что ведёт к транспорту веществ, связанному и несвязанному с явлениями

проводимости в пористой среде. На электродах протекают реакции электролиза. Необходимые реагенты вводят в систему на электродах (некоторые реагенты иногда сами образуются в реакциях электролиза, а иногда вводятся в виде прокачиваемой технологической жидкости). Ионы, содержащиеся в поровой жидкости, будут передвигаться через пористую среду под действием электрического поля, благодаря проводимости почв. Этот перенос и сопутствующие ему реакции сорбции, осаждения и растворения являются фундаментальными механизмами, влияющими на процесс электрокинетического восстановления. Экстракция загрязнений из почвы (например, ионов тяжёлых металлов с поверхности частиц почвы ионами водорода) и их удаление завершаются электроосаждением, просто осаждением, или ионным обменом на электродах. Иногда удаление загрязнений производят во внешней экстракционной системе, входящей в устройство, прокачивающее технологическую жидкость по циклу, и расположенной на поверхности земли.

Глобальное загрязнение планеты продолжает нарастать одновременно с ростом населения, промышленности и сельского хозяйства. Это загрязнение биосферы и её разрушение естественное или вынужденное ( ветровая и водная эрозия почв, засоление и опустынивание земель, строительство дорог и городов, непрерывное производство парниковых газов, строительство плотин и неразумное осушение болот и очень многое другое) уже приводят к необратимым последствиям в окружающей нас природе. Спасение человечества находится в его собственных руках. В частности одним из главнейших источников его благополучия является восстановление почв, загрязнённых самим человеком.

Cовременных технологий восстановления почв и грунтовых вод существуют десятки. Сегодня Агентства по Охране Окружающей Среды всех развитых стран ежегодно тратят огромные суммы на поощрение исследований по восстановлению почв, а технологии очистки непрерывно совершенствуются.

Приведём средние стоимости современных технологий очистки почв (на тонну загрязненной почвы).

Технологии Ex situ:

• Биовосстановление – 2040 Евро/тонна, при этом

– нижнее значение стоимости относится к компостированию загрязнённой почвы; – высокое значение стоимости относятся к обработке почвы в реакторе в виде биовзвеси;

• Отмывание почвы – 20 200 Евро/тонна;

• Стабилизация/отверждение – 80 150 Евро/тонна;

• Обработка обжигом – 170 350 Евро/тонна;

• Термическая обработка – 30 100 Евро/тонна.

Технологии In situ:

• 20  60 Евро/тонна в зависимости от технологии и от её применения на конкретном участке. Многие технологии восстановления (очистки) функционируют короткое время и требуют относительно больших финансовых затрат и потребляют много энергии. Их можно отнести к «интенсивным» технологиям обработки. Экстенсивные технологии действуют длительное время с низкими эксплуатационными расходами, имеют малую стоимость и потребляют мало энергии. Такими технологиями сегодня являются фитовосстановление и отслеживаемое естественное ослабление загрязнения.

Современная классификация технологий восстановления, включающая практически все современные методы приводится на рисунке .

Рис.1. Современные технологии восстановления загрязнённых почв

Зачастую, однако, загрязнённые почвы нельзя восстановить, применяя какую-то одну технологию. Комплексные загрязнения требуют комбинирования различных технологий: если приходится иметь дело либо с участками с различающимися загрязнениями на определённом месте, либо с очисткой некоторого материала (не только почвы), содержащего сложную смесь загрязнителей. Процесс интегрирования состоит в совместном применении двух или большего числа технологий очистки. Главная цель процесса интегрирования состоит в улучшении очистки за счёт увеличении потенциала отдельных методов вне пределов их нормального применения в качестве единственной принятой технологии. На Рис. 2. представлена схема процесса объединения двух технологий, использованная для очистки почвы, сильно загрязнённой тяжёлыми металлами и полиароматическими углеводородами.

Рис.2. Пример технологии очистки участка, загрязнённого высокими концентрациями тяжёлых металлов и высокими концентрациями полиароматических углеводородов. Восстановление (обработка выкопанной экскаватором почвы на месте – on site) включает: 1) промывание почвы и 2) биологическую обработку тонких фракций почвы.

В таблицах 1 и 2 собраны факторы, влияющие на выбор определённой технологии восстановления некоторой загрязнённой территории.

Таблица 1. Факторы, влияющие на применимость специфической технологии восстановления территорий

Управление рисками, связанными с загрязнениями	Управление источником загрязнения, то есть осуществление мер по восстановлению участка, состоящих либо в устранении источника загрязнения, либо в модификации загрязнения Управление путями распространения загрязнения, то есть принятие мер по снижению способности данного источника загрязнения создавать угрозы для рецепторов: либо ингибированием самого источника, либо воздействием на пути распространения загрязнения при изменении его характеристик (Управление рецепторами – объектами окружающей среды, попадающими под действие загрязнения)
Обрабатываемые загрязнители и материалы	Загрязнитель(и) Область концентраций Распределение по фазам Источник и его возраст Объёмные характеристики загрязнённого участка (геохимия, геология, микробиология)
Метод восстановления	Тип восстановления территории (сдерживание – «закрывание» источника, обработка источника: биологическая, химическая и т.п. Сильные и слабые стороны выбранной технологии восстановления
Место обработки почвы	Где будет происходить операция обработки почвы (in situ или ex situ, on site или off site)
Общая стратегия	Например: Интегральный / комбинированный подходы к решению задачи Активные и пассивные мероприятия Долговременная стратегия/ с низким вводом энергии или реагентов (“экстенсивная”) или кратковременная стратегия / с высоким вводом (“интенсивная”) Применение установленных мер (например, запланированных мероприятий, контролирующих процесс очистки, в ходе долговременных операций восстановления)
Реализация выбранного метода восстановления	Реализация метода состоит в применении процессов восстановления к выбранному участку и включает: Планирование операций восстановления Управление участком (его подготовка) Исследование техники реализации Мониторинг процесса выполнения и эффектов воздействия на окружающую среду Принятие технологии населением и отношения с соседями (сообщения о рисках и восприятие рисков) Стратегии адаптации в случае изменившихся или неожиданных обстоятельств, то есть гибкость технологии Дополнительные мероприятия после осуществления операции восстановления территории Эти виды деятельности сильно различаются для разных технологий восстановления, и, конечно, образуют существенный вклад в стоимость проекта восстановления загрязнённой территории
Результат	Уничтожение загрязнения может быть результатом полного биологического и/или физико-химического разложения соединения, например, при воздействии высоких температур при осуществлении термической очистки Удаление загрязнителей можно провести: (а) выкапыванием почвы и экстрагированием загрязнения из неё; (б) с помощью некоторого процесса мобилизации загрязнения и его захвата или (с) в каком-либо процессе концентрирования с последующим извлечением загрязнения. При этом возврат загрязнителя в производственный цикл был бы “предельной” формой удаления. Стабилизация источника происходит, если загрязнение остаётся на месте, но становится менее подвижным и/или менее токсичным при осуществлении некоторой комбинации биологических, химических или физических процессов
	Сдерживание распространения, когда загрязнённая почвенная матрица закрывается способом, который предотвращает воздействие загрязнений на окружающую среду Уничтожение загрязнения может оказаться неполным, эмиссии и отходы всегда образуются при любом выбранном методе обработки, следовательно, при определении судьбы загрязняющего соединения следует учитывать не только выбор метода очистки, но и оценку создаваемого риска (управления им). Экстракция подразумевает необходимость дальнейшей обработки и/или последующего захоронения загрязнений Загрязнения остаются в почве на той же территории и при стабилизации участка и при закрывании источника, и это означает, что их дальнейшее поведение в перспективе требует тщательной оценки.

Таблица 2^а. Примеры технологий, применяемых для удаления загрязнений различного типа из почв и илов [2]

Удаляемые загрязнения	Применяемые технологии очистки
Почва, осадки, илы
ЛОС (летучие органические соединения) ПЛОС (полулетучие органические соединения) Неорганические соединения Нефтепродукты Взрывчатые вещества	Ex situ биовосстановление; In situ биовосстановление; In situ промывание почвы, Экстракция почвы паром (ЭПП), Термическая десорбция, In situ остекловывание Термически усиленная ЭПП, Отмывание почвы; Экстракция растворителем; термическая десорбция Промывание почвы In situ; Отмывание почвы Ex situ; Электрокинетическое отделение; Экстракция растворителем; Химическая обработка и Фитовосстановление Ex situ биовосстановление; In situ биовосстановление; Отмывание почвы Ex situ; Экстракция почвы паром; Термическая десорбция Ex situ биовосстановление; In situ биовосстановление; Отмывание почвы Ex situ; Экстракция растворителем; Термическая десорбция

Таблица 2^б. Примеры технологий, применяемых для удаления загрязнений различного типа из образцов воды

Удаляемые загрязнения	Применяемые технологии очистки
Грунтовая вода, поверхностные воды и промывные воды
ЛОС (летучие органические соединения) ПЛОС (полулетучие органические соединения) Неорганические соединения Топлива Взрывчатые вещества	Продувка воздухом; Двухфазная экстракция; Жидкостная/Паровая экстракция; In situ биовосстановление; Биореакторы; Проницаемые реакционные барьеры In situ биовосстановление; Обработка в биореакторах; Проницаемые реакционные барьеры; Фитовосстановление Адсорбция; Проницаемые реакционные барьеры; Фитовосстановление Продувка воздухом; Двухфазная экстракция; In situ биовосстановление; Биореактор; Жидкостная/Паровая экстракция; Биореактор; Проницаемые реакционные барьеры; Фитовосстановление