Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Экологическое нормирование и природоохранная отчетность. Учебное пособие
.pdf
61
S/S-технологии основаны на применении цемента или вулканического
туфа. В этих системах осуществляются химические и физические механизмы, которые соединяют, захватывают или (и) 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.
Как правило, in situ стабилизация включает введение связывающих
реагентов в загрязненную область почвы или в загрязненные осадки,
добавление, если это необходимо, воды, с последующим их тщательным перемешиванием с помощью ковша или рыхлителя с целью добиться их затвердевания на месте. Всевозрастающее значение в отверждении почвы in situ приобретает метод, использующий очень
большой лопастной вращающийся бур диаметром 2,0÷2,5 и даже более метров. Бур высверливает в почве и замешивает «пробку» большого диаметра из загрязненной 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 − остается на месте. Бурав перемещают так, чтобы перекрыть
небольшую часть последней приготовленной «пробки», и процесс повторяют до тех пор, пока загрязненный участок земли не окажется
полностью закрытым. Компоненты отверждения-стабилизации являются одинаковыми для in situ и для ex situ вариантов технологий. На
рис. 6а представлен метод стабилизации почвы по технологии in situ.
Технология ex situ включает выкапывание загрязненной почвы экскаватором, смешивание ее с водой и цементирующими реагентами (а
62
иногда со специальными связывающими добавками) и осуществление
процесса затвердевания. Вариант этой технологии ex situ представлен
на рис. 6б. Схема «закрывания» участка «пробками» из продукта отверждения загрязненной почвы представлена на рис. 7.
Рис. 6. Отверждение – стабилизация загрязненной почвы
in situ (а) и ex situ (б)
Рис. 7. Схема «заполнения» пространства пробками из смеси
загрязненной почвы с цементирующим раствором
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», т. е. под участком загрязненной почвы. Строительство донного барьера при помощи ин- жекции цементирующего раствора включает направленное бурение с принудительным
вводом этого раствора. Внедрение этой технологии очень сильно зависит от физических свойств почвы.
7.3. Остекловывание загрязненной почвы
Уровень земли
Отверждающие
материалы
Вода
Загрязненная
почва
Экскаватор
Перемешивание
отверждающих
материалов и
загрязненной
почвы
Чистая почва
а
Отвал для испытаний,
захоронения или по-
вторного уплотнения
Вода Реагенты
Загрязненная
почва
Глиномялка
Весовой питатель
Экскаватор
б
63
In situ остекловывание загрязненной почвы (витрификация − ISV)
является S/S-процессом, в котором применяют электрический ток с
целью расплавить загрязненный 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 или (и) удаляет из почвы органические вещества.
Радионуклиды и тяжелые металлы удерживаются в почвенном расплаве. Схема процесса представлена на рис. 8.
Рис. 8. Схема обработки загрязненного участка почвы
технологией остекловывания
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
64
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 загрязненных почвах, илах и других земельных материалах. Этот процесс был успешно испытан для очень многих летучих и полулетучих органических соединений, а также для
«тяжелых» органических соединений, включая диоксины и полихлорированные бифенилы (РСВ). И, безусловно, он оказался эффективным
для стабилизации большинства металлов-загрязнителей и радионуклидов на территориях, входящих в приоритетный список
Агентства по охране окружающей среды (США).
Факторы, которые могут ограничить применение in situ и эф-
фективность S/S-технологии:
1) глубина проникновения загрязнений в почву может ограничить
применение разработанного к настоящему времени оборудования;
2) будущая эксплуатация обработанного участка может привести к
«выветриванию» сцементированных материалов и воздействовать на
способность удерживать иммобилизацию загрязнений;
3) некоторые S/S-процессы приводят к значительному увеличению
объема (вплоть до удвоения первоначального объема);
4) некоторые отходы несовместимы с вариантами этого процесса,
поэтому, как правило, требуется предварительное исследование применимости;
5) ввод в почву реагента и их эффективное перемешивание in situ
более затруднительны, чем в S/S-обработке ex situ, т. е. извлеченной
загрязненной почвы;
6) как и для всех in situ технологий, отбор образцов почв до и после
обработки, подтверждающий их эффективность, более сложен, чем
при обработке ex situ;
7) твердые материалы в почве могут затруднить будущее использование участка;
8) обработка по этой технологии загрязнений, проникших в почву
ниже водяного стола, может потребовать удаления воды.
Необходимые данные для применения S/S-технологии: размер ча-
стиц почвы и ее влажность; концентрации тяжелых металлов в почве;
Органические загрязнители можно вполне успешно обрабатывать
неорганическими S/S-системами. В этих целях используют добавки,
эффективно адсорбирующие органические компоненты или удерживающие их за счет физических ограничений в обработанных по S/S-
65
технологии продуктах.
7.4. Экстракция, фотолиз и флотация
В методах экстракции в качестве экстрагента чаще всего применяют пропан и водяной пар. При использовании пропана для санирования почвы, загрязненной маслами, газ под давлением более 5 МПа поступает в реактор с температурой свыше 100 °С, загруженный почвой.
В реакторе частицы масла переходят в газовую фазу и вместе с ней
поступают в сепаратор с нормальными температурой и давлением, где
конденсируются. Очищенная от масел газовая фаза после сепаратора
компримируется и вновь используется в процессе. По схеме экстракции пропаном работает также установка в США производительностью
25 т/сут. по нефтяным шламам, содержащим 25% твердого. Установка
с экстракцией органических соединений паром при 100-250°С применяется в Германии для санирования старых отвалов.
Фотолиз, т.е. разложение веществ под действием света, используется для очистки почв от хлорпроизводных бензола в условиях их полива и добавления осадка переработки сточных вод. Если в естественных условиях извлечение хлорпроизводных на 50% достигается за 13622 сут., то при фотолизе необходимый срок сокращается до 11-181
сут.
Флотация успешно применена для восстановления качества земли,
пострадав-шей при пожаре большого оптового склада-хранилища пестицидов в Швейцарии. После пожара участок оказался загрязненным
различными химическими соединениями, в том числе органортутными. Селективной экскавацией было снято 14200 т загрязненной
почвы, которую отправили на специально построенный завод по ее
обогащению. Технология очистки грунта включала его грохочение и
измельчение с последующей флотацией, при которой было извлечено
95% загрязнителей. Очищенную почву возвратили на прежнее место.
Загрязненную фракцию обработали известью, затем загрузили в контейнеры и разместили в подземных захоронениях ФРГ.
7.5. Электрохимические методы удаления загрязнений из почв
Электрохимические методы позволяют производить очистку на
месте (in situ). Извлечение, как правило, огромных масс загрязненной
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 электрохи-
66
мическими методами, а именно методом электрокинетического восстановления.
При решении проблемы очистки от загрязнений объектов окружа-
ющей среды решаются две задачи: 1) определение вида загрязнения и
его концентрации в образце, 2) удаление (разрушение) загрязнителя.
Обе задачи успешно решаются электрохимическими методами. Первая задача решается методами электро-аналитической химии, к ним
относятся: электрогравиметрические методы − это электролиз при постоянной разности потенциалов, наложенной на электроды, погруженные в анализируемый образец среды, электролиз при постоянной
силе тока, электролиз при постоянном потенциале катода и другие
разновидности; кулонометрические методы, в которых измеряется
количество электричества, необходимое для электрохимического превращения определяемого вещества; вольтамперометрия, включающая
группу электроаналитических методов, основанных на изучении поляризационных кривых, получаемых с помощью легко поляризуемого
электрода малой площади, погруженного в анализируемый раствор, это полярография в различных модификациях и различные виды амперометрического титрования.
Электрокинетической очистку очищаемой почвы (в лаборатории
или в полевых условиях) осуществляется при условии насыщения его
водным раствором. Именно в условиях насыщения осуществляют
технологическую очистку загрязненного участка, подавая необходимое количество водного раствора некоторого реагента через анод в
почву.
Если в обрабатываемый участок почвы не вводить специальных ре-
агентов (такой процесс называют не усиленным электрокинетическим
восстановлением), то прохождение постоянного тока приведет к
окислению воды на аноде и образованию кислого фронта; одновременно протекающее восстановление воды на катоде приводит к образованию основного фронта, в соответствии с реакциями:
2 Н2О − 4е−→ О2↑ + 4 Н+, (3)
2 Н2О + 2е− → H2О + 2 ОН− (4)
На электродах могут протекать также вторичные реакции, завися-
щие от концентраций соответствующих веществ, например (где Me −
металлы):
Н+ + е−→ ½ Н2↑ (5)
Меn+ + nе−→ Me (6)
Ме(ОН)
n(тв)
+ nе−→ Me + nOH− (7)
Одна из предложенных технологий − это деполяризация катодной
реакции с применением кислоты, которая образует растворимую соль
67
с транспортируемыми катионами. Соляную или уксусную кислоту
низкой концентрации можно ввести на катоде, чтобы деполяризовать
катодную реакцию. Одна озабоченность, возникающая при введении
соляной кислоты, − это ее вероятный электролиз и образование газообразного хлора, когда кислота достигнет анодного пространства;
другая − это увеличение концентрации хлорид-иона в грунтовой воде.
Уксусная кислота безопасна для окружающей среды, и она не полностью диссоциирует. Большинство ацетатов прекрасно растворимы в
воде и поэтому уксусная кислота предпочтительней.
Еще одна причина обязательной деполяризации анодной реакции
вызвана растворением и переходом в раствор оксида кремния, оксида
алюминия и тяжелых металлов, связанных со слоями глинистого минерала, при длительном воздействии протонов. Было предложено использовать гидроксид кальция для деполяризации анодной реакции и
соляную кислоту для деполяризации катодной реакции. Ионы кальция
в высоко активных глинистых почвах могут усиливать транспортные
свойства пористой среды, изменяя структуру глины, и при этом ионы
кальция не атакуют минеральный слой.
После переноса загрязнений к катоду положительно заряженные
частицы можно удалить электроосаждением на катоде. Чтобы устранить их избыток из католита, можно использовать ионообменные смолы, химическое осаждение или электрохимическую технологию.
Можно применить также технологию мембранного разделения.
Технология, названная Ласагна (Lasagna) из-за слоистой конфигурации (layered configuration) расположения электродов и устройств для
поглощения загрязнителя (так называемых зон очистки), объединяет
электрокинетический перенос загрязнений через матрицу почвы in situ
и их обработку тоже in situ. Для полевых испытаний технологии Ласагна был выбран участок почвы с низкой проницаемостью на территории газовой диффузионной фабрики, принадлежащей Министерству
энергетики США, в местечке Пэдука. Испытательный участок в Пэдуке представлял собой слой смеси гравия и глины толщиной 1,5 м над
примерно 12-метровым слоем песчанистого тяжелого суглинка, загрязненного трихлорэтиленом (ТХЭ). Гидравлическая проводимость
песчанистого тяжелого суглинка по оценкам равна 1−10−7 см/с, т. е.
весьма мала.
Первые полевые испытания малого масштаба − фаза I − были завершены в мае 1995 г. после работы в течение 4 мес. на территории в
Пэдуке для доказательства применимости технологии Ласагна в реальных полевых условиях. Обработке подвергалась территория площадью 3 x 5 м, и глубина обработки достигала 5 м. Для улавливания
68
ТХЭ, переносимого из загрязненной почвы, был использован в качестве адсорбента активированный уголь. Принципиальная особенность
технологии заключалась в том, что плоские «фитили» с активированным углем располагались слоями, параллельными стальным электродам, прямо в загрязненной почве эквидистантно и адсорбировали
ТХЭ из осмотического потока поровой воды. Была достигнута очень
высокая степень удаления ТХЭ из почвы (≈ 99%). Мешки с активированным углем поднимали на поверхность в конце испытаний, и ТХЭ
экстрагировали из угля гексаном. Масштабирование эксперимента от
лабораторных условий до этих полевых операций оказалось чрезвычайно успешным в отношении основных электрических параметров и
самого электроосмотического потока.
Чтобы продемонстрировать эффективность технологии Ласагна для
очистки от ТХЭ in situ, было инициировано второе полевое испытание
большего масштаба − фаза II. Проведенное снова на территории Пэдука, это испытание представляло собой большое продвижение вперед
по сравнению с фазой I, поскольку в этом втором испытании ТХЭ должен был полностью разрушаться прямо в почве на месте, а обработка
распространялась на значительно большие глубины. Размеры участка,
выбранные для этого полевого испытания, были 6,4 м х 9,2 м, а глубина достигала 13,7 м, т. е. глубины, на которую ТХЭ проник за период
более двадцати лет после первоначального разлива.
В качестве реагента для разложения ТХЭ на основании обширных
литературных данных было выбрано железо в нулевом валентном состоянии в форме железных опилок. Полевые испытания (фаза II) охватывали участок земли площадью 6,4 х 9,2 м и глубиной примерно 13,7
м. Два электрода устанавливали на расстоянии 6,4 м друг от друга с
тремя зонами обработки, встроенными между ними. Была построена
система пассивной циркуляции подземной жидкости, для того, чтобы
возвратить воду, перенесенную электроосмасом к катоду, назад к аноду.
Вопросы для закрепления материала
1. Какие факторы влияют на выбор технологии очистки почвы вы-
щелачиванием (промыванием) in situ?
2. Что применяют в качестве экстрагентов при промывании почвы?
3. Дайте описание схемы отмывания участка почвы, загрязненного
тяжелыми неводными жидкими фазами методами инжекции отмывающего раствора через скважины и инфильтрации промывающего раствора.
?
69
4. В чем заключается сущность процессов отверждения-стабилиза-
ции загрязненной почвы?
5. Какую роль играют химические и физические механизмы в тех-
нологии отверждения-стабилизации загрязненной почвы?
6. В чем отличие метода стабилизации почвы по технологии in situ
и ex situ?
7. Как осуществляется стекловывание загрязненной почвы?
8. Перечислите факторы, которые могут ограничить применение in
situ и эффективность технологии остекловывания почвы?
9. Охарактеризуйте метод экстракции, фотолиза и флотации, при-
меняемые для восстановления почвы.
10. Какие задачи решаются при применении электрохимических
методов очистки почв от загрязнений?
11. В чем заключается применение технологии восстановления
почв, названных Ласагна?
8. Термические методы очистки загрязненных 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, загрязненных 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, загрязненных асбестом (разложение голубого асбеста происходит около 900 °С). Летучие тяжелые 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.
8.1. Технология «нагревание почвы in situ + вакуумная экстракция»
Технология проверена на практике, которая использует ввод горячего воздуха в почву или электродов или радиочастотный нагрев загрязненного подпочвенного участка в целях увеличения подвижности
летучих и полулетучих загрязнений и облегчения их экстракции. Во
многих отношениях процесс подобен экстракции водяным паром, но
70
требует создания устойчивых к нагреву экстракционных скважин.
Радиочастотный нагрев обеспечивает равномерное быстрое увели-
чение 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, помещенных в высверленные в почве каналы. Модифицированный радиотрансмиттер, используемый в качестве источника энергии, работает на частоте, предусмотренной промышленным, научным или медицинским диапазоном.
Испарившиеся вещества можно извлечь, используя стандартную технику обработки почвы экстракцией водяным паром.
В другом методе нагрева почвы используют ее электрическую про-
водимость, т. е. наличие у почвы электрического сопротивления. Происходит обычное разогревание электрического сопротивления —
участка почвы — при протекании по нему тока. В одной из технологий
используют введенные в загрязненную почву металлические трубы.
Эти трубы составляют набор проводников, по которым пропускают
электрический ток через загрязненный 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 нагреве. Схема метода очистки почвы методом
«нагрев in situ + вакуумная экстракция» показана на рис. 9.
Рис. 9. Схема обработки загрязненной почвы in situ
с помощью ввода горячего воздуха в почву
Система предназначена для удаления ПЛОВ 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. Следующие факторы могут ограничить применимость и эффективность процесса:
1) мусор или другие объекты большого размера, захороненные в
земле, могут вызвать затруднения в работе;
Генератор
пара
Обработка
паровой
фазы
Обработка
жидкой
фазы
Пар
Паровая фаза
Жидкая фаза
Воздух
Загрязнения
Вода
Поверхность
почвы
Инжекцион-
ная скважина
Пар
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]