Химико-физическая обработка грунтовых, поверхностных и свалочных сточных вод in situ

10.32 Воздушный барботаж

Воздушный барботаж - это технология in situ, в которой воздух продувается через загрязненный водоносный слой. Закаченный воздух проходит горизонтально и вертикально по каналам через толщу грунта, создавая подземное очистительное устройство, которое выводит загрязняющие вещества методом испарения. Закаченный воздух помогает выбрасывать (пузырьками) загрязняющие вещества вверх в ненасыщенную зону, где обычно установлена система удаления паров вместе с воздушным барботажем для удаления выделяемых загрязнений в парообразной фазе. Данная технология предназначена для работы на больших скоростях потока для поддержания увеличенного контакта между грунтовой водой и грунтом и для очистки больших объемов грунтовых вод методом барботажа.

Добавление кислорода в загрязненные грунтовые воды и в зону распространения вадозных вод также может усиливать процесс биологического разложения загрязняющих веществ над и под горизонтом грунтовых вод.

Процесс воздушного барботажа входит в число средне- и долгосрочных процессов, которые обычно могут длиться до нескольких лет.

Целевой группой загрязняющих веществ для метода воздушного барботажа являются летучие органические соединения и некоторые виды топлива. Информация о процессе носит ограниченный характер. В качестве добавки к барботажному воздуху, которая усиливает ко-метаболизм хлорорганики, можно использовать метан.

Ограничивающие факторы:

· Воздушный поток через зону насыщения может быть неоднородным, это означает, что может появляться неконтролируемое движения потенциально опасных паров.

· Необходимо учитывать степень загрязнения и конкретные геологические характеристики площадки.

· Воздухонагнетательные скважины должны проектироваться с учетом конкретных условий площадки, где они будут применяться.

· Неоднородность почвы может привести к тому, что некоторые участки могут оказаться незадействованными.

10.33 Биооткачка

Биооткачка представляет собой адаптацию вакуумных дренажных технологий и их применение для очистки площадей, загрязненных углеводородными веществами. В биооткачке применяются как элементы биоудаления, так и элементы выделения свободного продукта для обработки двух самостоятельных носителей загрязнений. В биооткачке применяются элементы обоих технологий для одновременного выделения свободного продукта и биоочистки зоны распространения вадозных вод. Биооткачка позволяет повысить эффективность выделения свободного продукта без извлечения больших объемов грунтовых вод. В процессе биооткачки вакуумные насосы позволяют удалить LNAPL из горизонта грунтовых вод и высвободить капиллярную зону. Это минимизирует изменение высоты грунтовых вод над уровнем моря, что, в свою очередь, сводит к минимуму создание зоны разрушения грунта. Биоудаление в зоне распространения вадозных вод достигается за счет втягивания воздуха в почву в результате отсасывания почвенного газа через отсасывающий колодец. Система спланирована таким образом, чтобы минимизировать выбросы в окружающую среду грунтовой воды и почвенного газа. После завершения процесса выделения свободного продукта, система биооткачки без труда преобразуется в обычную систему биоудаления для завершения очистки.

Продолжительность работы и технического обслуживания процесса биооткачки варьируется от нескольких месяцев до нескольких лет в зависимости от конкретных условий участка.

Биооткачка может успешно применяться для очистки почв, загрязненных нефтяными углеводородами. Биооткачка - это экономически эффективная технология очистки in situ, которая одновременно удаляет LNAPL и очищает грунт в зоне распространения вадозных вод. Биооткачка также применяется на участках с глубоким залеганием грунтовых вод (>30 футов)

Ограничивающие факторы:

· Биооткачка менее эффективна в плотных (с низкой проницаемостью) грунтах.

· Низкая влажность почвы может ограничивать биохимическое разложение и эффективность биоудаления, которое, как правило, высушивает почву.

· Аэробное биохимическое разложение многих хлористых соединений может оказаться неэффективным при отсутствии ко-метаболита.

· Низкие температуры замедляют процесс очистки.

· Часто, газовые отходы, образующиеся в результате работы системы биооткачки необходимо очистить, прежде чем выпускать в окружающую среду. Тем не менее, очистка газовых отходов может потребоваться только на короткий период после начала работы системы, так как показатели содержания топлива будут уменьшаться.

· На некоторых участках, в зависимости от концентрации загрязняющих веществ в технической воде, в процессе биооткачки могут извлекаться большие объемы воды, которые, возможно, нуждаются в очистке, прежде чем они могут быть возвращены в окружающую среду.

· Так как топливо, вода и воздух удаляются из подземных пластов одним потоком, возникает смешение фаз. Для таких смесей, возможно, потребуется специальный сепаратор масел и воды, а также очистка, прежде чем техническая вода будет возвращена в окружающую среду.

10.34 Химическое окисление

К наиболее часто используемым сегодня химическим окислителям относятся пероксиды, озон и перманганат. Эти окислители могут обеспечить быструю и полную химическую деструкцию многих токсичных органических химических веществ. Другие органические вещества подвергаются частичной деградации для последующей биоремедиации. В целом, окислители демонстрировали высокие результаты обработки (например, > 90%) в отношении непредельных алифатических углеводородов (таких как трихлорэтилен) и ароматических соединений (таких как бензол) при высокой скорости реакции (90% деструкция за несколько минут). Применение данного метода в реальных условиях однозначно показало, что залогом успешного достижения целей очистки является соответствие окислителя и in situ системы подачи конкретным загрязнителям, в отношении которых ведется работа по очищению, а также условиям на самой площадке.

Пероксид

В результате процесса окисления с применением жидкого пероксида водорода (H2O2) в присутствии природного или дополнительно введенного двухвалентного железа (Fe+2) происходит реакция Фентона и образуются свободные гидроксильные радикалы (OH-). Эти сильные, неспецифические окислители могут быстро разрушать ряд органических соединений. Окисление по реакции Фентона происходит наиболее эффективно в очень кислой среде (рН составляет от 2 до 4) и дает слабый эффект при среднем или высоком уровне содержания щелочи. Реакции происходят очень быстро и являются кинетикой второго порядка.

Добавление озона (озонация)

Газообразный озон может окислять загрязнители прямым воздействием или путем образования гидроксильных радикалов. Аналогично пероксиду водорода, реакции с участием озона проходят наиболее эффективно в системах с кислым ph-фактором. Реакция окисления происходит очень быстро и соответствует псевдо-реакции первого порядка. Из-за высокой реакционной способности и нестабильности озона, О3 производится на месте. При этом необходимо, чтобы места подачи располагались близко друг к другу (например, скважины для воздушного барботирования). Расщепление озона in situ может обеспечить более успешное окисление и биостимуляцию.

Перманганат

Стехиометрия реакции с применением перманганата (обычно жидкого или твердого KMnO4, а также содержащегося в солях Na, Ca, or Mg) в естественных системах является сложной. В силу своей многовалентности и наличия различных минеральных форм Mn может участвовать во многих реакциях. Такие реакции протекают медленнее, по сравнению с указанными выше двумя типами реакций, в соответствии с кинетикой второго порядка. В зависимости от уровня рН в процессе реакции может происходить разрушение в результате прямого переноса электрона или усиленного окисления и образования свободных радикалов. Реакции с применением перманганата калия проходят наиболее эффективно при рН, равном 3,5-12.

Скорость и степень разрушения целевого загрязнителя, в отношении которого ведется работа по очищению, зависят от свойств самого химического вещества и его чувствительности к окислению. Важную роль играют также условия матрицы, особенно такие как уровень рН, температура, концентрация окислителя и концентрация прочих веществ, потребляющих окислитель, таких как природные органические вещества и восстанавливаемые минералы, а также карбонаты и другие ловушки свободных радикалов. Учитывая сравнительно беспорядочный и быстрый характер реакции окислителей с восстанавливаемыми веществами, важно правильно выбрать метод подачи и распространения вещества по грунтовым слоям. Для подачи окислителей часто используются вертикальные или горизонтальные инъекционные скважины и барботаж в сочетании с усиленной адвекцией для быстрой подачи окислителя в грунт.

Перманганат сравнительно более стабилен и устойчив в грунте и поэтому может переноситься в результате диффузионных процессов. Важно также учитывать степень воздействия процесса окисления на систему. Все указанные три типа окисления могут привести к снижению уровня рН при отсутствии эффективного буфера. К другим потенциальным последствиям процесса окисления относятся: коллоидные образования, ведущие к снижению уровня проницаемости; мобилизация адсорбированных, взаимозаменяемых и редокс-чувствительных металлов; возможное формирование токсичных побочных продуктов; выделение тепла и газа; и биологические нарушения.

Ограничивающие факторы:

· Требования к работе с большими объемами опасных окисляющих химических веществ в связи с применением окислителей к целевым органическим химическим веществам и непродуктивность окислителя по отношению к конкретной геологической формации.

· Некоторые загрязняющие вещества, в отношении которых ведутся очистные работы, устойчивы к окислению.

· Существует вероятность негативного воздействия в результате процесса. Продолжаются исследования и разработки, направленные на научное и техническое развитие процесса окисления in situ, а также повышение эффективности затрат процесса в целом.

10.35. Наклонные скважины

Применяются технологии бурения, позволяющие расположить скважины горизонтально или под углом, чтобы достичь загрязняющих веществ, которые невозможно достичь при прямом вертикальном бурении. Направленное бурение может применяться для повышения эффективности других in-situ или внутрискважинных технологий, таких как откачка грунтовых вод, биоудаление, ППЭ, промывка почв и отгонка воздухом внутри скважины.

Оборудование, применяемое при наклонном бурении включает платформу для бурения со съемным керноприемником, гидравлические силовые установки, электрический конусный пенетрометр, устройство управления и отслеживания, систему акустического бурения и систему нажимного кернового бурения. Гидравлическое ударное оборудование, способное производить удар силой более 40 тон, применяется для проталкивания бурильной головки направленного действия в землю. Направление бурения контролируется правильным размещением лицевой стороны несимметричной буровой головки. Медленное вращение буровой головки будет разрезать и уплотнять геологический материал в стенку ствола буровой скважины. Вколачивание буровой головки, не вращая ее, приведет к изменению направления бурения. Оборудование способно инициировать бурение скважины, управлять ее вертикальным бурением до заданной глубины, продолжать бурение на этой глубине, а затем управлять обратным бурением до поверхности с выходом на поверхность в определенном направлении от места начала бурения.

Технология направленного бурения применима к целому ряду групп загрязняющих веществ без выделения какой-либо целевой группы. Оно особенно полезно, когда существующие структуры горных пород мешают размещению вертикальных скважин.

Ограничивающие факторы:

· Риск обрушения скважины.

· Необходимость наличия специального оборудования.

· Скважины трудно пробурить достаточно точно.

· Бурение горизонтальных скважин, как правило, дорогостояще.

· В настоящее время технология ограничена глубиной до 50 футов.

10.36. Двухфазная экстракция

Двухфазная экстракция (ДФЭ), также известная как многофазная экстракция, усиленная вакуумная экстракция, а иногда и как биооткачка, представляет собой технологию, в которой высоко вакуумная система применяется для удаления различных загрязняющих веществ из грунтовых вод, нефтепродуктов отдельных фаз и паров углеводородов из подпочвенных пластов. Извлеченные жидкости и пар очищаются и собираются для утилизации или закачки в подземный пласт (где это разрешено в соответствии с применимым законодательством).

В системах ДФЭ для очистки жидкости/пара высоковакуумная система применяется для удаления жидкости и газа из формаций с низкой проницаемостью или неоднородных формаций. Скважина вакуумной экстракции имеет барьерную секцию в зоне загрязненных грунтовых вод или грунта. Она удаляет загрязнители выше и ниже уровня грунтовых вод. Система понижает уровень грунтовых вод вокруг скважины, дополнительно обнажая формацию. В результате загрязнители во вновь обнаженной зоне распространения вадозных вод становятся доступными для паровой экстракции. После поднятия на поверхность извлеченные пары или органические вещества в жидкой фазе и грунтовые воды разделяются и очищаются. Системы ДФЭ для очистки жидкости/пара обычно работают совместно с биоремедиацией, воздушным барботажем или биоудалением в тех случаях, когда целевые загрязнители содержат углеводороды длинной цепи. Применение двухфазной экстракции с указанными технологиями может сократить время очистки на участке. Она также может применяться с технологиями «выкачивания и очистки» для регенерации грунтовых вод в более высокопродуктивных водоносных слоях.

Целевой группой загрязняющих веществ для метода двухфазной экстракции являются летучие органические соединения и некоторые виды топлива (например, LNAPL). Двухфазная экстракции является более эффективной технологией, чем ППЭ для очистки неоднородных глин и мелкозернистого песка. Тем не менее, данный метод не рекомендуется для формаций с низкой проницаемостью из-за возможности пропустить отдельные линзы с нерастворенным продуктом .

Ограничивающие факторы:

· Геология участка и характеристики распространения загрязнения.

· Возможно потребуется применять совместно с дополнительными технологиями (например технологиями «выкачивания и очистки») для очистки грунтовых вод в более высокопродуктивных водоносных слоях.

· Технология двухфазной экстракции требует очистки и воды и пара.

10.37. Термическая обработка

Через нагнетательные скважины пар нагнетается в водоносный слой для выпаривания летучих и полулетучих загрязняющих веществ. Испаряющиеся компоненты поднимаются в ненасыщенную (вадозную) зону, где они подвергаются процессу выделения с помощью вакуумной экстракции и затем очистке. Технологии, основанные на нагнетании горячей воды или пара, включают ограниченную регенерацию нефтяных отходов, нагнетание пара, вакуумную экстракцию, экстрагирование паром in situ и процесс регенерации с помощью пара. Промывка/отгонка горячей водой или водяным паром является экспериментальной технологией. Биологическая очистка ex situ может применяться после применения метода вытеснения смешивающимся агентом и продолжаться до тех пор, пока концентрация загрязняющих веществ в грунтовых водах не будет соответствовать нормативным требованиям.

Данный процесс может использоваться для удаления большого количества накопленных нефтяных отходов и замедления нисходящей и латеральной миграции органических загрязняющих веществ. Он применяется для обработки неглубоких и глубоких загрязненных почвенных слоев. Для этого может применяться существующее передвижное оборудование.

Процесс нагнетания горячей воды/водяного пара относится к краткосрочным и среднесрочным технологиям. Его продолжительность может составлять от нескольких недель до нескольких месяцев.

Целевые группы загрязняющих веществ для применения промывки/отгонки горячей водой или водяным паром включают полулетучие органические соединения и некоторые виды топлива. Данная технология может также применяться в отношении летучих органических соединений, хотя существуют и более эффективные с точки зрения затрат процессы для участков, зараженных летучими органическими соединениями. Данная технология может применяться на местах с установками для производства искусственного газа, на участках деревообработки, нефтеперерабатывающих установках и на других участках, на которых почва содержит легкие и плотные органические жидкости, такие как каменноугольная смола, растворы ПХФ, креозот и побочные продукты нефтепереработки.

Ограничивающие факторы:

· Тип почвы, характеристики и концентрация загрязняющих веществ, геология и гидрогеология, которые будут оказывать существенное влияние на эффективность процесса.

10.38. Гидроразрыв

Гидроразрыв - это экспериментальная технология, при которой вода под давлением нагнетается для увеличения проницаемости уплотненного материала или относительно непроницаемого неуплотненного материала. Щели, возникшие во время процесса, заполняются пористой средой, которая может ускорить биовосстановление и/или повысить эффективность экстракции. Трещины способствуют более равномерной доставке жидкости для обработки приствольной зоны и ускоренного выделения подвижных загрязняющих веществ. Обычно применяется в рамках технологии почвенной паровой экстракции, биоремедиации in situ и системы закачки и очистки.

Процесс гидроразрыва начинается с закачки воды в закрытый ствол скважины до тех пор, пока давление воды не превысит пластовое давление и не возникнет разрыв. Затем закачивается смесь, состоящая из крупнозернистого песка и гуарового геля или аналогичного заместителя, для увеличения разрыва. После закачки крупнозернистый песок помогает сохранять трещины в раскрытом состоянии, а энзимные добавки уменьшают вязкость жидкости. Из трещины выкачивается разбавленная жидкость, образуя тем самым проницаемый подповерхностный канал, удобный для доставки или извлечения пара или жидкости.

Процесс гидроразрыва может использоваться совместно с технологией почвенной паровой экстракции для повышения отдачи пласта. Трещины, искусственно образованные с помощью гидроразрыва, используются для доставки жидкости, субстратов и нутриентов при применении технологии биоремедиации in situ.

Метод гидроразрыва применяется к различным группам загрязняющих веществ в целом, без выделения определенной целевой группы.

Ограничивающие факторы:

· Данную технологию не следует применять в зонах повышенной сейсмической активности.

· Требуется проведение дополнительных работ для выяснения того, находятся ли под землей коммунальные сети, какие-либо объекты или скрытый свободный (обезвоженный) углеводородный продукт.

· Существует вероятность образования новых путей для нежелательного распространения загрязняющих веществ (например, плотных жидкостей неводной фазы).

· После использования данной технологии могут оставаться области с низкой проницаемостью.

· Отсутствует возможность контролировать расположение или размер создаваемых трещин.

· В связи с избыточным давлением трещины могут разрушиться.

10.39. Внутрискважинная отгонка воздухом

При использовании технологии внутрискважинной отгонки воздухом воздух нагнетается в вертикальную скважину, которая имеет фильтры на двух уровнях глубины. Нижний фильтр установлен в зоне, насыщенной грунтовыми водами; верхний фильтр установлен в ненасыщенной зоне, которая часто называется «вадозной зоной». Сжатый воздух нагнетается в скважину ниже горизонта грунтовых вод, насыщая воду воздухом. Аэрированная вода поднимается в скважине и вытекает из системы в верхний фильтр. Загрязненные грунтовые воды поступают в систему через нижний фильтр. Летучие органические соединения переходят в газообразное состояние в скважине в верхней части горизонта грунтовых вод, при этом воздух выходит из воды. Пары удаляются с помощью системы почвенной паровой экстракции. Частично очищенные грунтовые воды никогда не выходят на поверхность; они направляется в ненасыщенную зону и процесс осуществляется повторно, так как грунтовые воды подвергаются режиму гидроциркуляции, что обеспечивает их непрерывную циркуляцию. По мере поступления грунтовых вод через систему очистки in situ, концентрация загрязняющих веществ постепенно уменьшается. Внутрискважинная отгонка воздухом - это экспериментальная технология.

Модификация основного процесса внутрискважинной отгонки воздухом может заключаться в нагнетании добавок в малодебитную скважину для повышения биодеградации (например, питательных веществ, акцепторов электронов). Кроме того, прилегающий к скважине участок, на который циркуляция оказала влияние (радиус влияния скважины), может быть модифицирован с помощью добавления определенных химических реагентов, которые позволят провести in situ стабилизацию металлов, изначально растворенных в грунтовых водах.

В зависимости от концентрации загрязняющих веществ, константы загрязняющих веществ по закону Генри, радиуса влияния скважины и гидрогеологических условий участка процесс внутрискважинной отгонки воздухом может быть краткосрочным или долгосрочным.

Циркулирующие скважины

Циркулирующие скважины относятся к технологии восстановления нижних горизонтов почвы с помощью трехмерного режима циркуляции грунтовых вод. Грунтовые воды поступают в скважину через зону с первым фильтром и прокачиваются в зону со вторым фильтром, откуда они возвращаются в водоносный горизонт. Поток воды может быть направлен вверх или вниз в зависимости от конкретных условий участка. Так как грунтовые воды не подаются на поверхность, затраты на закачку подачу воды сокращаются, и проблемы с получением разрешений отсутствуют. Кроме того, не возникают проблемы, связанные с хранением и сбросом. Помимо очистки грунтовых вод системы циркулирующих скважин позволяют провести одновременную очистку зоны вадозных вод с помощью биоудаления или почвенной паровой экстракции.

Системы циркулирующих скважин позволяют провести очистку внутри скважины, в водоносном горизонте или в обоих случаях. Для проведения эффективной внутрискважинной очистки загрязняющие вещества должны быть растворимыми и мобильными, что позволяет перемещать их с помощью циркулирующих грунтовых вод. Так как системы циркулирующих скважин предоставляют разнообразные варианты очистки, обеспечивается некоторая степень гибкости в отношении деятельности по очистке.

Целевые группы загрязняющих веществ для вакуумной паровой экстракции включают галогенированные летучие органические соединения, полулетучие органические соединения и некоторые виды топлива. Разновидности данной технологии могут также быть эффективными в отношении очистки от некоторых видов негалогенированных летучих органических соединений, нелетучих органических соединений, пестицидов и неорганических веществ. Обычно системы циркулирующих скважин являются экономически эффективным методом очистки грунтовых вод, загрязненных летучими органическими соединениями на участках с глубоким залеганием грунтовых вод, так как необходимость в выводе воды на поверхность отсутствует.

Системы внутрискважинной отгонки воздухом наиболее эффективны для очистки участков, загрязненных летучими органическими соединениями с относительно высокой степенью растворимости в воде и высокой вероятностью биодеградации, например, галогенированные и негалогенированные летучие органические соединения. Эффективность систем циркулирующих скважин выше, если горизонтальная проводимость составляет более 10-3см/сек., а соотношение горизонтальной и вертикальной проводимости варьируется между 3 и 10. Соотношение меньше 3 указывает на короткий период циркуляции и небольшой радиус влияния скважины. Если соотношение больше 10, период циркуляции может быть продолжительным, что не является приемлемым.

Ограничивающие факторы:

· Системы УФВ-типа очищают воду только в малодебитной скважине.

· Как правило, внутрискважинная отгонка воздухом более эффективна на участках с высоким содержанием растворенных загрязняющих веществ при высокой константе загрязняющих веществ по закону Генри.

· Загрязнение системы может произойти при проникновении осадков, содержащих оксидированные элементы.

· Неглубоко залегающие грунтовые воды могут снижать эффективность процесса.

· Эффективные циркулирующие скважины требуют наличия четко определенного шлейфа загрязняющих веществ для предотвращения их распространения или размывания. Они не применяются для участков, содержащих жидкости неводной фазы, для предотвращения возможности размывания загрязняющих веществ.

· Циркулирующие скважины применяются только на участках с горизонтальной гидравлической проводимостью более 10-5 см/сек. и не должны использоваться на участках с залежами низкой проводимости.

· Внутрискважинная отгонка воздухом может быть неэффективна на участках с сильным естественным фонтанированием.

10.40. Ограждения для пассивной/реакционной очистки

Проницаемые ограждения для очистки устанавливаются по контуру загрязнения и обеспечивают пассивное прохождение водной составляющей загрязнителя. Эти ограждения пропускают воду и в то же время задерживают загрязняющие вещества, используя такие добавки, как металлы нулевой валентности, хелаторы (лиганды, отобранные в зависимости от их исключительного взаимодействия с определенными металлами), сорбенты, микробы и пр.

Загрязняющие вещества будут распадаться или удерживаться в концентрированном виде под воздействием материала ограждения. Ограждение может служить постоянным хранилищем для относительно безопасных остаточных продуктов или задерживать более токсичные загрязнители в уменьшенном объеме для последующей обработки.

Воронки и шлюзы

Изменить структуру базовых ограждений для пассивной очистки можно путем внедрения системы воронок и шлюзов либо установки железных ограждений для очистки. Система воронок и шлюзов для обработки участков загрязнения на месте включает шпунтовые ограждения с низким коэффициентом проницаемости (например, 1E-6 см/с) (воронка) со шлюзом, содержащим активные зоны. Грунтовые воды главным образом проходят через отверстия с высоким коэффициентом проницаемости (шлюзы). Главным образом в текущей практике используются такие шпунтовые ограждения, как глиняные барьеры или металлические шпунты. Кроме того, в рамках использования ограждений с воронками рассматриваются возможности применения инновационных методов, в частности глубокого грунтосмешения и струйной цементации.

Железные ограждения для очистки

Железное ограждение для очистки состоит из гранул железа или других железосодержащих минералов для очистки хлористых загрязнителей, таких как трихлорэтилен, дихлорэтилен и винилхлорид. В результате окисления железа атом хлора удаляется из соединения с помощью одного или более механизмов дехлорирования, в рамках которых используются электроны, возникающие в результате окисления железа. В процессе гранулы железа растворяются, но металл исчезает так медленно, что ограждения могут быть эффективны в течение многих лет, а, возможно, и десятилетий.

Тестирование ограждений и мониторинг после проведения очистных мероприятий проводится ВВС США, ВМС США и Министерством энергетики США на демонстрационных участках. Технологии тестирования и мониторинга разрабатываются для существующих загрязненных участков. Для повышения эффективности ограждений используется большое количество различных материалов. При первичной разработке данной программы было два основных типа ограждений - проницаемые реактивные ограждения и локальные биореакторы.

Ограждения для пассивной очистки обычно используются в рамках долгосрочных проектов для контроля над движением загрязняющих веществ в грунтовых водах.

Целевыми группами загрязняющих веществ, к которым применима такая технология, являются летучие и полулетучие органические соединения, а также неорганические соединения. Данная технология может использоваться при обработке некоторых топливных углеводородов, но при этом она будет менее эффективной.

Ограничивающие факторы:

· Ограничения для пассивной очистки могут потерять свои реакционные способности, что потребует замещения реагирующего элемента.

· Проницаемость таких ограждений может понизиться в связи с отложением солей металлов.

· Глубина и ширина барьера.

· Ограничения, связанные с составом пород нижнего горизонта с постоянным проницаемым водоупором на глубине, которая является максимальной для используемого траншейного оборудования.

· Затраты на материалы для очистки.

· Биологическая активность или химическое осаждение могут ограничить проницаемость ограждения для пассивной очистки.

11. Биологическая очистка ex situ (при откачке)

11.41. Биореакторы

Биореакторы обеспечивают разложение загрязняющих веществ в воде с микроорганизмами за счет биологических систем с суспензионными культурами или организмами-обрастателями. В случае систем с суспензионными культурами (например, реактор с активированным илом, псевдоожиженным слоем или последовательно-циклический реактор) загрязненные грунтовые воды циркулируют в аэрационном бассейне, где микробная популяция аэробно разлагает органическое вещество и вырабатывает CO2, H2O и новые клетки. Клетки образуют ил, который оседает в отстойнике и направляется на переработку в аэрационный бассейн или удаляется. В случае систем с организмами-обрастателями (например, биореакторы с фиксированной пленкой и восходящим потоком, вращающиеся биореакторы и капельные биологические фильтры) микроорганизмы закрепляются на матрице инертной подложки для аэробного разложения загрязняющих веществ в воде.

Одна из перспективных методик предусматривает использование активных опор (например, активированный уголь, который поглощает загрязнители и медленно выпускает их микроорганизмам для разложения). Микробную популяцию можно получить из источника загрязнений или из инокулята организмов, характерных для загрязнителя. К другим видам применения относятся экосистемы влажных земель и колонные реакторы.

В биореакторы зачастую добавляются питательные вещества для поддержки роста микроорганизмов.

Биореакторы – это долгосрочная технология. Продолжительность процесса может составлять несколько лет.

Капельный биологический фильтр

Другим методом очистки сточных вод посредством аэрирования является капельный биологический фильтр. Капельный фильтр состоит из слоя высокопроницаемой среды, водораспределителя и дренажной системы. Сточная вода распределяется по верху фильтрующего слоя, сквозь который сточная вода просачивается. Органические загразнения в сточной воде разлагаются микроорганизмами-обрастателями, прикрепленными к фильтрующей среде. Фильтрационным материалом может служить горная порода, пластик или древесина. Фильтрующий слой, как правило, круглый. Его глубина варьирует от 3 до 8 футов (0,9-0,5 м). Средняя глубина – 6 футов (1,8 м). Так как сточная вода течет по фильтрующему материалу, она насыщается кислородом, при этом загрязняющие вещества разлагаются под действием закрепленных микроорганизмов на поверхности фильтрующего слоя. Дренажная система используется для сбора очищенной воды и биомассы, открепившейся от фильтрующего слоя. Дренажная система также играет важную роль, так как ее пористая структура способствует циркуляции воздуха.

Продолжительность работы и поддержания орошения дождеванием зависит от количества времени, необходимого на получение и обработку загрязненных стоков; мониторинга очищенной воды; и мониторинга возможных накоплений металла.

Биореакторы используются главным образом для обработки полулетучих органических соединений, топливных углеводородов и биоразлагаемых органических материалов. Эффективность процесса в отношении некоторых пестицидов может быть ниже. Экспериментальные полевые исследования дали успешные результаты в отношении некоторых галогенсодержащих соединений, таких как изомеры PCP, хлорбензола и дихлорбензола. Биореакторы с кометаболитами используются для обработки полихлорированных бифенилов, галогенированных летучих органических соединений и полулетучих органических соединений в вытяжке грунтовых вод.

Ограничивающие факторы:

· Загрязненные грунтовые воды имеют разжиженную структуру, поэтому зачастую они не обеспечивают достаточную плотность микробной популяции. Это особенно касается реакторов с суспензионными культурами. Может понадобиться использование дополнительных питательных веществ.

· Очень высокая концентрация загрязняющих веществ может быть токсичной для микроорганизмов. В этом случае необходимы специальные конструкции.

· Может потребоваться применение механизмов контроля загрязнения воздуха в случае улетучивания, вызванного процессами в активированном иле.

· Низкая температура окружающей среды существенно сокращает скорость биоразложения, что приводит к увеличению продолжительности очистки и росту затрат на нагрев.

· В биореакторах могут поселиться вредные микроорганизмы, что приводит к снижению эффективности.

· Остаточные продукты иловых процессов подлежат переработке или удалению.

· Возможно регулирование сброса очищенных стоков.

11.42. Сконструированные экосистемы переувлажненных земель

Данная технология объединяет в себе основные компоненты экосистемы переувлажненных земель; включая органические грунты, микробные грунты, водоросли и сосудистые растения; в основе восстановления лежит деятельность микробов.

Поступающая вода с высокой концентрацией металлов и низким показателем ph протекает через аэробные и анаэробные зоны экосистемы переувлажненных земель. Металлы удаляются за счет ионного обмена, адсорбции, абсорбции и осаждения при геохимическом и микробном окислении и восстановлении. Ионный обмен происходит при контакте металлов в воде с гумусом или другими органическими веществами в переувлажненной земле. В переувлажненных землях, сконструированных для этих целей, зачастую мало или совсем нет почвы, но есть солома, навоз или компост. Реакции окисления и восстановления, где катализатором выступают бактерии, встречающиеся в аэробных и анаэробных зонах, соответственно, играют основную роль в осаждении металлов как гидроксидов и сульфидов. Осажденные и поглощенные металлы оседают в успокоительных бассейнах или отфильтровываются по мере просачивания воды через среду или растения.

Поступающая вода со следами взрывчатых веществ или другими загрязняющими веществами протекает через гравийную поверхность или под гравийной поверхностью переувлажненных земель, основанных на гравии. Мокрые земли с полупогруженными растениями представляют собой комбинированную аэробно-анаэробную систему. В анаэробной ячейке используются растения вместе с натуральными микробами для разложения загрязняющего вещества. В аэробной ячейке (ячейке возвратно-поступательного движения) качество воды улучшается за счет постоянного воздействия растений и движения воды между камерами ячейки.

Технология очистки с использованием переувлажненных земельрассчитана на долгосрочную перспективу и непрерывное функционирование в течение нескольких лет.

Сконструированные переу