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 situможно 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 situиспользуется 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 методомex situможно 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.