Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Экологическое нормирование и природоохранная отчетность. Учебное пособие
.pdf
71
2) экстрагирование определенных загрязнений варьирует в зависи-
мости от максимальной температуры, достигаемой в выбранном процессе;
3) структура почвы на участке может измениться, и это изменение
зависит от выбранного процесса;
4) плотная почва или сильно увлажненная 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;
5) почва с сильно меняющимися проницаемостями создает условия
для неравномерного поступления газового потока в загрязненные области;
6) почва с высоким содержанием органического вещества обладает
высокой сорбционной емкостью по отношению к ЛОВ, и это приводит
к низким скоростям их удаления;
7) эмиссии загрязненного 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;
8) жидкости, образовавшиеся при работе оборудования, и израсхо-
дованный активированный уголь могут нуждаться в дальнейшей
очистке;
9) термически усиленная экстракция водяным паром не эффективна
в зоне насыщения почвы; однако если водоносный горизонт понизить,
то технология ЭВП «обработает» больший объем среды;
10) если в результате увеличения температуры влагосодержание
почвы понижается, электрическое сопротивление падает, поскольку
почвенный раствор обеспечивает главный проводящий путь в почве.
Продолжительность осуществления очистки. Нагрев in situ явля-
ется кратковременной технологией или технологией средней по длительности, и это зависит от следующих условий: 1) концентрации и
летучести загрязнителей, 2) характеристик почвы под поверхностным
слоем; влажности почвы, 4) типа загрязнения.
8.2. Сжигание загрязнений
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 своем составе), в оксиды серы и сульфат (для серосодержащих отходов) или в галогенво-
72
дородные кислоты (для галогенированных отходов). Загрязненные
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. В первой камере органические составляющие отхода испаряются. Входе процесса испарения
некоторые органические компоненты расщепляются, и малая часть
может окислиться с образованием СО2 и Н2О
(г)
. Во второй камере высокая температура приводит к реакциям перешедших в нее газообразных органических компонентов с кислородом с образованием СО2 и
Н2O. Схема установки с вращающейся печью представлена на рис. 10.
Рис. 10. Схема очистки почвы термической десорбцией
во вращающейся печи
При сжигании в ожиженном слое используется единственная каме-
ра. В ней создается псевдоожиженный («кипящий») слой песка и
предусмотрено «пустое» отделение над слоем. Ожиженный слой способствует испарению и сгоранию органических компонентов отхода.
Твердые частицы в слое обеспечивают достаточную теплоемкость для
перевода в газовую фазу органических компонентов. Воздух, подаваемый под давлением для образования ожиженного слоя, обеспечивает
достаточное количество кислорода и создает турбулентность, которая
способствует реакциям органических веществ с кислородом с образованием СО2 и Н2О
(г)
. Дополнительное время для химических превра-
щений 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 твердые частицы удаляются и нейтрализуются, и, следовательно,
удаляются кислые газы (НСl, NO2 и SO2). Твердые 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, генера-
Подготов-
ка почвы
Вращающа-
яся печь
Тепло
Выхлопные газы
Воздух
Тепло
Пыль
Углеводороды, пыль,
выхлопные газы
Почва
Почва
Пылевой
фильтр
Дожигатель
73
цию, обработку, хранение и захоронение опасных отходов, сброс в
поверхностные воды и шумы. Сжигание используется для очистки
почв, загрязненных галогенированными и негалогенированными органическими соединениями, взрывчатыми веществами, ПХБ и диоксинами. Факторы, снижающие эффективность процесса:
1) лишь на одном сжигателе вне места загрязнения разрешено сжи-
гать ПХБ и диоксины;
2) существуют специфические размеры частиц сырья и материалов,
отвечающих требованиям технологии, которые могут определять применимость и стоимость на специфических участках;
3) тяжелые металлы переходят в донную золу, которая требует ста-
билизации;
4) летучие тяжелые металлы, включающие свинец, кадмий, ртуть и
мышьяк, могут покидать камеру сгорания вместе с топочными газами,
и их удаление требует установки системы специальной очистки газов;
5) 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;
6) 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: 1) количества загрязненной среды, 2) требований законодательства, 3) использования дополнительных видов топлива, 4) концентрации металлов, 5) типов загрязнений.
8.3. Низкотемпературная десорбция
Низкотемпературная термическая десорбция (НТТД) − это процесс
физического разделения, в котором отход (в том числе загрязненная
почва) обрабатывается при температуре в интервале 90÷320 °С. При
этих условиях вода и органические загрязнения испаряются. Газноситель 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, загрязненных углеводородами
нефти. Эффективности разрушения загрязнителей в установках дожи-
74
гания после их удаления из почвы более 95%. В случае необходимости то же оборудование при минимальных изменениях сможет, повидимому, справиться и с более жесткими требованиями. Очищенная
почва сохраняет свои физические свойства и способность поддерживать биологическую активность.
Имеются два распространенных 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
загрязненную почву по закрытому желобу. Горячее масло или пар
циркулируют по полому шнеку при косвенном нагреве почвы. Все
термические системы десорбции нуждаются в очистке выходящих
газов от твердых частиц и загрязнений. Частицы удаляют на обычном
оборудовании: в мокрых скрубберах или 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.
Группа целевых единений для метода НТТД – это галогенированные и негалогенированные летучие органические вещества. Технологию можно использовать так для удаления полулетучих органических
веществ и ПХБ, если применять высокую температуру и увеличенное
время нахождения отхода в первичной камере. Следующие факторы
могут ограничить применимость и эффективность процесса:
1) операции с некоторыми загрязненными почвами, содержащие
специфические загрязнения, могут влиять на применяемость технологии и ее стоимость;
2) иногда необходимо производи частичное удаление воды, чтобы
достичь приемлемую влажность почвы перед обработкой;
3) сырье с высокими абразивными свойствами может повредить
обрабатывающее оборудование;
4) тяжелые металлы, находящиеся в сырье, могут привести к
накоплению твердых остатков, которые необходимо стабилизировать;
5) присутствие в почве пыли и почвенного органического вещества
увеличивает трудности в улавливании из отходящих газов пыли и
трудности их химической обработки.
Продолжительность процесса низкотемпературной термической
десорбции обычно является короткой или средней в зависимости от
следующих условий: 1) типа загрязнений, их концентрации и количе-
75
ства, 2) содержания воды в загрязненной почве, 3)требований законодательства в отношении эмиссий в атмосферу и в водные источники и
к степени очистки, 4) концентрации металлов в загрязненной почве.
Схема метода низкотемпературной десорбции показана на рис. 11.
Рис. 11. Схема метода низкотемпературной десорбции
Вопросы для закрепления материала
1. В чем сущность технологии восстановления «нагревание почвы
in situ + вакуумная экстракция»?
2. Какие факторы ограничивают применимость и эффективность
процесса восстановления «нагревание почвы in situ + вакуумная экстракция»?
3. Как осуществляется процесс очистки почвы методом термиче-
ской десорбцией во вращающейся печи?
4. Какие факторы ограничивают процесс очистки почвы методом
сжигания?
5. Как осуществляется процесс очистки почвы методом низкотем-
пературной термической десорбции?
6. Перечислите факторы, снижающие эффективность процесса
очистки почвы методом низкотемпературной термической десорбции.
9. Очистка загрязненных почв от пестицидов, тяжелых металлов,
нефтепродуктов и стойких органических загрязнителей
9.1. Очистка загрязненных почв от пестицидов
Проблема очистки объектов окружающей среды, загрязненных пе-
стицидами, а также утилизация избыточных количеств этих веществ,
находящихся на складах, является чрезвычайно актуальной для современной экологии.
Описан способ, который включает подготовку активного угля,
?
76
внесение его в почву и заделку на глубину 1-3 глубины высева семян.
При этом гранулированный активный уголь подготавливают путем
выделения фракции 0,2−0,8 мм с размерами микропор 0,6-0,8 нм и
объемом микропор 0,36−0,50 см3/г, затем его вносят в почву в дозе
100 кг/га и перемешивают. Способ позволяет восстановить плодородие почв, загрязненных остатками стойких к деградации пестицидов.
Стойкие к деградации пестициды, такие как «Арсенал» и «Пик», проявляют свою роль в виде последействия, угнетая высеваемые в процессе севооборота культуры в молекулярной форме. Т.е. они слабо
распадаются на радикалы и осколки, которые хорошо сорбируются
функциональными группами поверхности сорбентов (таких групп как
раз много в природных цеолитах). Для сорбции же молекулярных
форм пестицида надо развивать именно объемы микропор в активных
углях [14].
Изобретение может быть использовано при рекультивации земель,
загрязненных тяжелыми металлами, пестицидами как урбанизированных ландшафтов, так и сельскохозяйственных угодий. Сорбентмелиорант содержит минеральные компоненты, в качестве которых
использованы бентонитовые глины, синие глины и золошлаковая
смесь, при следующем соотношении, мас.%: бентонитовые глины −
36; золошлаковая смесь − 47; синие глины − 17. За счет использования сорбента-мелиоранта можно производить очистку сильно загрязненных почв, одновременно оструктурить ее, улучшая водопроницаемость, и повысить содержание соединений азота, кальция и других
элементов. Преимущества сорбента-мелиоранта заключаются в простоте его приготовления и использования, в высокой ионообменной
способности, повышающей эффективность очистки почв от тяжелых
металлов, в том, что он способен улучшить водно-физические свойства почвы и повысить в ней содержание полезных микроэлементов, а
также позволяет утилизировать золошлаковые отходы и некондиционную синюю глину в процессе его приготовления [15].
Из хлорорганических пестицидов наибольшую опасность пред-
ставляют стойкие пестициды (производные карбаминовый, тио- и дикарбаминовой кислот) и их метаболиты, способные накапливаться и
сохраняться в природной среде до нескольких десятков лет, даже при
внесении их в рекомендуемой дозировке. Например: известны изобретения, где используют штамм бактерий Streptomyces roches ВКМ АС
1284 D для деструкции хлорфенолов (2,4,6-трихлорфенол) (авт. свид.
СССР № 1775471), Pseudomonas pseudoalcaligenes штамм NRRL В18087 для разложения хлорированных ароматических пестицидов (2,4дихлорфенокси-уксусной кислоты и 2,4,5-трихлорфеноксиуксусной
77
кислоты (патент США № 4804629), разложение 2-хлорбензойной кислоты микроорганизмом Pseudomonas putida YNK-1 (патент США №
4803166), ДДТ, полихлорфенолы, бензопирен, диоксин поддаются деструкции с помощью микрогриба Phanerochate chrysosporium (патент
США № 4891320), разложение хлорированных углеводородов с помощью микроорганизмов Moraxella и Arthrobacter (патент ФРГ
№3729127). Фосфорорганические пестициды предлагают советские
авторы разлагать с помощью бактерий Bacillus megaterium (Ав. свид.
№1735359).
Наиболее эффективным является использование для деструкции
пестицидов, не монокультуры, а адаптированной ассоциации микроорганизмов. Способ микробиологической деструкции хлорорганических
пестицидов отличается тем, что процесс разложения пестицидов осуществляют с помощью ассоциации микроорганизмов в условиях аэрации при внесении в загрязненный объект гумат калия. Изобретение
позволяет увеличить степень деструкции пестицидов и сократит время
деструкции. Сущность предлагаемого способа заключается в следующем: в загрязненную пестицидами почву вносится адаптированная
ассоциация микроорганизмов, выделенная из зараженной пестицидом
почвы, и гумат калия. Сначала получают деструктирующий агент (ассоциацию микроорганизмов) путем культивирования на элективной
питательной среде. Ассоциация микроорганизмов представлена (кл/г):
целлюлозоразлагающими микроорганизмами (104), азотобактером
(103), гетеротрофными бактериями (105), углеводородокисляющими
микроорганизмами (103), микрогрибами (104 КОЕ/г), дрожжами (104
КОЕ/г) и актиномицетами (104 КОЕ/г). Следующий этап – адаптация
выделенной ассоциации микроорганизмов к пестицидам. Адаптация
производилась в условиях принудительного перемешивания и аэрации
на минеральной среде [16].
Разработан биопрепарат, который представляет собой ассоциацию
штаммов бактерий Pseudomonas putida, Bacillus cubtilis u Rhodococcus
erythropolis в массовом соотношении (1−2) : (1−2) : 1. При этом биопрепарат содержит дополнительно сорбент, органические, минеральные и стимулирующие добавки и обладает стимулирующей рост растений активностью и фунгицидными свойствами. Полученный биопрепарат вводят в виде водного раствора путем дождевания в загрязненный грунт, почву или промышленный сток в эффективном количестве. Изобретение позволяет повысить очистку воды, почвы, промышленных стоков от устойчивых к разложению пестицидов. Биопрепарат
применяется для устойчивых к разложению пестицидов, выбранных из
хлорфеноксиуксусных кислот, таких как 2,4-дихлорфеноксиуксусная
78
кислота (2,4-Д), трихлорфеноксиуксусная кислота (2,4,5-Т), хлорфеноксиуксусная кислота, феноксиуксусная кислота [17].
Предложено устройство для очистки сельскохозяйственных земель
от пестицидов, которое содержит фотокаталитический реактор, фотокатализатор в виде диоксида титана и источник ультрафиолетового
излучения. Фотокаталитический реактор расположен горизонтально.
Устройство дополнительно содержит приемный бункер для почвы с
расположенной под ним дробилкой. Дробилка соединена через транспортер с фотокаталитическим реактором. Вдоль горизонтальной оси
реактора расположен смешиватель с приводом. Источник ультрафиолетового излучения размещен в торцевой части реактора, а в его верхней части расположен дозатор для фотокатализатора - двуокиси титана. Выход реактора через транспортер соединен с верхней частью светопроницаемого корпуса. В нижней части корпуса расположен шнек
для отвода очищенной почвы через патрубок. В центральной части
корпуса установлено перемешивающее устройство. Внутренняя полость корпуса соединена с емкостью для фотокатализатора из солей
двухвалентного или трехвалентного железа. Под емкостью расположен
патрубок подвода воды. В противоположной боковой стенке корпуса
расположен патрубок отвода отработанного фотокатализатора. Обеспечивается повышение интенсивности очистки сельскохозяйственных
земель от остаточных пестицидов. Перемешивающее устройство представляет собой горизонтально расположенную ось, вращающуюся от
электродвигателя, с закрепленными на ней лопастями. В основу каталитического разложения пестицидов положено применение окислительных процессов, происходящих в фотокаталитическом реакторе, с
использованием систем TiO2/УФ и Fe2+/Н2О2 / видимый спектр. В системе TiO2/УФ генерирование гидроксильных радикалов происходит
посредством адсорбации фотонов ультрафиолетового излучения на
полупроводниковом соединении [18]:
TiO2 + hv = h+ − e– (8)
где е– – электрон проводника, h+ – электрон вакансии (дыры), hv –
энергия фотона.
Реакция происходит при длине волны менее 390 нм. Электронные
вакансии (дыры) окисляют гидроксил ионы, сорбированные на поверхности TiO2.
h+ + OH− = HO*
(9)
где НО* – гидроксил радикалы.
При дневном освещении в фотокаталическом корпусе при смешивании воды и солей железа происходит минерализация пестицидов
79
(органических соединений) до углекислого газа, воды и неорганических солей (реакция Фентона)
Fe2+ + H2O2 = Fe3+ + HO* + HO− (10)
Fe3++ H2O + hv = Fe2+ + HO− + HO* (11)
где Fe2+, Fe3+ – двух- и трехвалентные соли железа; Н2О2 – перекись
водорода, НО−, НО* – гидроксил радикалы.
Как видно из формул (10) и (11), в ходе процесса разложения перекиси водорода (Н2О2) образуются гидроксил радикалы, которые являются сильными окислителями. Под действием фотонов света скорость
процесса окисления увеличивается в сотни раз, что влияет на процесс
минерализации пестицидов [18].
Применение хлорорганических пестицидов (ХОП) - ДДТ и ГХЦГ,
как эффективных инсектицидов, запрещено в 70-80 годы XX столетия.
В то же время, они до сих пор являются приоритетными загрязнителями не только почвы, но и других объектов окружающей среды. Наиболее токсичным и устойчивым является изомер гексахлорциклогексана
− γ-ГХЦГ. Исследования показали, что в настоящее время в почвах
определяются наравне с γ-ГХЦГ и другие изомеры ГХЦГ: ά-ГХЦГ, βГХЦГ. Поэтому, в Конвенции Стокгольмской конференции (2001 г.)
ГХЦГ включен в список стойких органических загрязнителей. Почва
является отправным пунктом миграции ксенобиотиков по экологическим цепочкам. Очистка ее от изомеров ГХЦГ представляет актуальную задачу современной науки. Основными деструкторами ксенобиотиков в почве являются микроорганизмы. Существующие способы
предполагают предварительное культивирование микроорганизмов,
адаптированных к хлорорганическим пестицидам, и внесение их в загрязненные пестицидами почвы. Известен способ детоксикации ядохимикатов, включающий внесение в почву, зараженную ксенобиотиками, микроорганизмов-деструкторов ядохимикатов. В качестве микроорганизмов-деструкторов ядохимикатов используют адаптированную к ксенобиотикам спонтанную микрофлору помета или навоза,
полученную в процессе компостирования (патент РФ № 2077398,
опубл. 1997 г.). Недостатком способа является трудоемкость микробиологической части работы. Предложенный способ деструкции изомеров хлорорганического пестицида гексахлорциклогексана заключается в том, что в качестве детоксиканта используют вермикомпост из
лузги гречихи в дозе 9 т/га. Внесение вермикомпоста из лузги гречихи
в рекомендованной дозе способствует снижению концентрации изомеров ГХЦГ, в том числе наиболее токсичного γ-ГХЦГ. Экологически
безопасный, биологически активный субстрат − вермикомпост из лузги гречихи, является эффективным не только детоксикантом, но и
80
улучшителем почвенных свойств, способствующим созданию безопасных и оптимальных условий для произрастания растений [19].
9.2. Очистка загрязненных почв от тяжелых металлов и мышьяка
В настоящее время в связи с неослабевающим антропогенным воздействием на окружающую среду большие территории Земли оказываются загрязненными тяжелыми металлами (ТМ), которые через различные пищевые цепочки могут оказывать вредное влияние на здоровье человека и животных. Очистка почвы от ТМ является актуальной
проблемой защиты окружающей среды от техногенных воздействий.
Предложенный способ включает вспашку почвы, посев многолетних травянистых растений, являющихся естественными аккумуляторами тяжелых металлов и естественно произрастающих на данной территории или в данной местности, производят укос и утилизацию
наземной части травянистых растений в период их вегетации. В качестве многолетнего растения используют вид полыни австрийской
(Artemisia austriaca), укос производят при загрязнении почвы солями
железа в конце вегетационного периода, при загрязнении другими тяжелыми металлами – в начале периода вегетации. Изобретение позволяет использовать наземные органы полыни, произрастающей естественно в лесостепных и степных зонах, в качестве биозащиты почвы
от загрязнения ТМ.
Высевание семян полыни проводят в августе месяце однократно,
так как растение многолетнее. Для уменьшения содержания в почве
железа укос производят на следующий год в июле-августе, поскольку
в это время количество указанного металла в растении максимально.
Скошенную часть растений подвергают захоронению на территории,
на которой количество Fe в почве не превышает нормы, либо почва
обеднена им. При необходимости укос и утилизацию повторяют несколько лет. Для уменьшения содержания в почве Cu, Mn, Pb, Ni, Со,
Cr и Zn укос производят в мае − начале июня, так как в это время количество этих металлов в растениях максимально. Предлагаемый способ наиболее эффективно может быть использован для создания санитарно-защитных зон предприятий черной и цветной металлургии степной зоны Урала, для защиты от загрязнения почв вблизи предприятий
и деградации степных ландшафтов [20].
Изобретение относится к способам очистки почв и грунтов промзон
АЭС, металлургических и радиохимических производств или территорий, подвергшихся загрязнению в результате техногенных аварий и
катастроф. В соответствии с предлагаемым способом снимают загрязненный слой почвы и грунта, отделяют инородные крупные включе-
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]