13. Локализация загрязненных грунтовых, поверхностных и свалочных сточных вод

13.52. Технические ограждения

13.53. Закачка в глубокие скважины

14. Очистка выбросов загрязняющих веществ и отработанных газов в атмосферу

14.54. Биофильтрация

14.55. Уничтожение загрязнителей высокой энергией

Коронарное уничтожение загрязнителей высокой энергией

Плазменный реактор с комбинированной структурой потока и возможностью настройки

14.56. Отделение примесей при помощи мембран

14.57. Окисление

Каталитическое окисление

Окисление в двигателе внутреннего сгорания

Термическое окисление

Окисление под воздействием ультрафиолетового излучения

14.58. Газоочистители

Жидкие газоочистители

Сухие газоочистители

14.59. Адсорбция углем в фазе парообразования

1. Биологическая in situ очистка почвы, осадочных отложений, подпочвы и шлама

1.1 Биоудаление

Биоудаление (биовентинг) - это новая перспективная технология, с помощью которой достигается естественное in situбиохимическое разложение любых компонентов почвы, разрушающихся в аэробных условиях, за счет нагнетания кислорода для развития микроорганизмов. В отличие от технологии почвенной паровой экстракции с применением вакуумного компрессора в технологии биоудаления используется слабый воздушный поток, подающий кислород только для поддержания жизнедеятельности микроорганизмов. Кислород, как правило, подается под давлением непосредственно в загрязненную почву (инъекция кислорода). Помимо разложения остатков топлива дополнительно происходит биоразложение летучих соединений по мере постепенного передвижения паров в биологически активной почве.

С точки зрения длительности осуществления метод биоудаления относится к долгосрочным технологиям. Процесс очищения длится от нескольких месяцев до нескольких лет.

Технология биоудаления успешно применяется для очищения грунта от нефтяных углеводородов, хлорированных растворителей, некоторых видов пестицидов, консервантов для древесины и других органических веществ.

Несмотря на то, что метод биовосстановления не распространяется на загрязнения неорганического происхождения, с его помощью можно изменить валентное состояние неорганических веществ и привести к их поглощению, аккумуляции и концентрации в микро- или макроорганизмах. И хотя подобные технологии, в основном, применяются на экспериментальном уровне, они обещают быть очень эффективными для стабилизации или удаления неорганических загрязнений из грунта. Ограничивающие факторы:

Факторы, которые могут ограничить применение и эффективность процесса, включают:

• Уровень грунтовых вод на глубине более 1 метра от поверхности, линза насыщенных водой грунтов или грунт с низкой проницаемостью приводят к снижению эффективности технологии биоудаления;

• Пары могут собираться в резервуарах в радиусе воздействия скважин для инъекции воздуха. Эта проблема может быть частично решена за счет откачки воздуха вблизи проблемной структуры;

• Крайне низкая влажность почвы может ограничивать применение метода биохимического разложения и снизить эффективность технологии биоудаления;

• Может возникнуть необходимость в мониторинге отходящих газов на поверхности грунта;

• Аэробное биохимическое разложение многих хлористых соединений может оказаться неэффективным при отсутствии ко-метаболита или цикла анаэробного типа;

• Процесс рекультивации может проходить медленно в условиях низких температур, даже если восстановление проходило успешно в зонах экстремально низких температур.

Технология биоудаления становится все более и более популярной. При этом уже имеется основное оборудование для ее внедрения. Данная технология все больше обсуждается специалистами в области рекультивации земель, особенно возможность ее использования совместно с технологией почвенной паровой экстракции. ВВС финансируют демонстрационное применение технологии биоудаления на 135 объектах. Так же как и во всех других биотехнологиях, время, необходимое на восстановление почвы с применением биоудаления, во многом зависит от особенностей грунта и химических свойств загрязненной среды.

Описание технологии биоудаления приводится на сайте http://www.afcee.brooks.af.mil/er/ert/bioventing.htm.

1.2 Усиленная биоремедиация

Усиленная биоремедиация - это процесс разрушения (метаболизма) местными или насаженными микроорганизмами (например, грибками, бактериями и другими микробами) органических загрязнителей в почве и(или) грунтовых водах и их превращение в безвредные конечные продукты. Для усиления биоремедиации и десорбции глубинных загрязнений могут использоваться нутриенты, кислород или другие улучшители.

Аэробный метод

При наличии достаточного количества кислорода (аэробная среда) и прочих питательных элементов микроорганизмы, в конце концов, начинают перерабатывать многие органические загрязнители в углекислый газ, воду и клеточную массу микроорганизмов.

Усиленная биоремедиация почвы, как правило, обеспечивается за счет инфильтрации или инъекции грунтовых или незараженных вод с примесью нутриентов и насыщением жидким кислородом. Иногда также добавляются акклимированные микроорганизмы (биоприрост, биоаугментация) и(или) другой источник кислорода, такой как пероксид водорода. Для обработки неглубоких загрязненных почв обычно используется фильтрационная галерея или орошение, а для более глубоких слоев - инъекционные скважины.

Несмотря на то, что in situ биоремедиация проводилась успешно в условиях холодного климата, отмечено, что процесс восстановления проходит медленнее при низких температурах. Для загрязненных участков с низкой температурой почвы можно использовать согревающее покрытие, которое позволит повысить температуру почвы на поверхности и увеличить эффективность процесса расщепления.

Усиленную биоремедиацию можно отнести к длительным процессам, так как на очистку одного шлейфа может потребоваться несколько лет.

Анаэробный метод

В условиях отсутствия кислорода (анаэробная среда) органические загрязнения, в конечном итоге, будут переработаны в метан, ограниченное количество углекислого газа и незначительное количество газообразного водорода. В условиях снижения содержания сульфатов сульфаты превращаются в сульфиды или свободную серу, а в условиях снижения содержания нитратов вырабатывается газообразный молекулярный азот.

Иногда загрязняющие вещества могут быть расщеплены до промежуточных или конечных продуктов, которые могут быть менее, равнозначно или более опасны, по сравнению с самими загрязняющими веществами. Например, трихлорэтилен в анаэробных условиях разлагается на устойчивый и более токсичный винилхлорид. Во избежание подобных последствий почти все проекты биоремедиации проводятся сначала в условиях in situ. Винилхлорид может легко быть далее расщеплен при наличии анаэробных условий.

Бело-красная плесень

Стало известно, что бело-красная плесень способна разлагать большой спектр органических загрязнителей благодаря своим энзимам, расщепляющим лигнины или разрушающим древесину. Были протестированы две различные конфигурации очистки с применением бело-красной плесени - in situ и с применением биореактора. В биоректоре для достижения биохимического разложения в аэробной среде использовался увлаженный воздух и древесная стружка. Реактор использовался в лабораторных условиях. В полупромышленных условиях (экспериментальный проект) для получения стружки в открытой системе использовался регулируемый стружечный станок. Открытая система аналогична системе компостирования, в которой стружка помещается на ровную или твердую ограниченную поверхность и затем покрывается. В таких системах температура не контролируется. Оптимальная температура процесса биохимического разложения с применением расщепляющей лигнины плесени составляет 30-38⁰С (86-100° F). Тепло, выделяемое в результате реакции биохимического разложения, позволит поддерживать температуру процесса на уровне, близком к оптимальному уровню.

Технологии биоремедиации успешно применяются для очищения почвы, шлама и грунтовых вод от нефтяных углеводородов, растворителей, пестицидов, консервантов для древесины и других органических химикатов. Лабораторные и экспериментально-промышленные исследования показали эффективность анаэробного процесса разложения с помощью микроорганизмов нитротолуолов, содержащихся в почве, загрязненной военными отходами. Биоремедиация особенно эффективна при восстановлении глубинных слоев в сочетании с удалением источника загрязнения.

К группам загрязняющих веществ, в отношении которых чаще всего ведутся очистительные работы, относятся полициклические ароматические углеводороды (ПАУ), негалогенированные полулетучие органические углероды (за исключением ПАУ), а также бензол, толуол, этилбензол и диметилбензол (BTEX). Объекты Суперфонда, на которых обычно проводилась чистка с применением технологии биоремедиации, подвергались загрязнению в результате осуществления процессов или образования отходов, связанных с консервированием древесины, а также переработкой нефти и повторным использованием продуктов переработки. При консервации древесины часто используется креозот с высокой концентрацией ПАУ и других негалогенированных полулетучих органических углеродов. Аналогично для переработки нефти и повторного применения продуктов переработки часто используются BTEX.

Поскольку полулетучие органические углероды (ПАУ и другие негалогенированные полулетучие органические углероды) составляют две группы загрязняющих веществ, в отношении которых чаще всего применяется технология биоремедиации, могут возникнуть затруднения в применении к ним технологий, основанных на волатильности (таких как технология почвенной паровой экстракции). Кроме того, очистка методами биоремедиации не всегда требует подогрева, не требует больших вложений (например, нутриенты – недорогой компонент), и, как правило, технология не приводит к образованию отходов, требующих дополнительной их очистки или расщепления. Так же при проведении процесса в условиях in situне требуется извлечения компонентов (проводников) загрязняющей среды. По сравнению с другими технологиями, такими как термальная десорбция и сжигание (которые требуют проведения извлечения и нагрева), восстановление с воздействием тепла (требующее высоких температур), химическая обработка (которая может потребовать приобретения достаточно дорогих химических реагентов), а также in situ промывка (в результате которой может возникнуть необходимости в дальнейшей обработке промывочных вод) биоремедиация может оказаться менее затратной при очистке от негалогенированных полулетучих органических углеродов.

Несмотря на то, что методы биоремедиации (и никакие другие технологии рекультивации) не распространяются на загрязнения неорганического происхождения, с их помощью можно изменить валентное состояние неорганических веществ и привести к их поглощению, приостановке внедрения в частицы почвы, выделению, аккумуляции и концентрации в микро- или макроорганизмах. И хотя подобные технологии, в основном, применяются на экспериментальном уровне, они обещают быть очень эффективными для стабилизации или удаления неорганических загрязнений из грунта.

Ограничивающие факторы:

• Факторы, которые могут ограничить применение и эффективность процесса, включают:

• Цели очистки могут быть не достигнуты, если почвенная матрица не позволяет установить взаимодействие между загрязняющим веществом и микроорганизмами.

• В результате циркуляции водных растворов в грунте загрязняющие вещества могут стать более мобильными, и может возникнуть необходимость в дальнейшей очистке грунтовых вод.

• Из-за возможной селективной колонизации инъекционных скважин микроорганизмами могут возникнуть препятствия для перемещения нутриентов и воды.

• Наличие селективных путей проникновения может значительно сократить взаимодействие между инъекционными жидкостями и загрязняющими веществами в масштабах всей зоны загрязнения. Данная система не должна применяться для глинистого, многослойного или неоднородного подповерхностного грунта из-за ограниченной возможности для распространения кислорода (или другого акцептора электронов).

• Высокая концентрация тяжелых металлов, высокохлорированных органических соединений, углеводородов длинной цепи или минеральных солей может стать токсичной для микроорганизмов.

• Скорость процесса биоремедиации снижается при низких температурах.

• Концентрация перекиси водорода в грунтовых водах выше 100-200 мг/м3 сдерживает жизнедеятельность микроорганизмов.

• Возможно, необходимо будет применение таких систем обработки верхних слоев почвы, как воздушное осушение или адсорбация углем для очистки извлекаемых грунтовых вод до их дальнейшей инъекции или удаления.

Многие из указанных выше факторов можно контролировать, уделяя особое внимание обеспечению надлежащей инженерно-технической практики. Время, необходимое для проведения очистки, может варьироваться от 6 месяцев до 5 лет в зависимости от многих факторов, характерных для того или иного участка.

Основное преимущество процесса in situ заключается в том, что почва может быть обработана без необходимости ее извлечения и транспортировки, что не отражается на функционировании объекта. Если усиленная очистка может быть успешно проведена в соответствующий приемлемый срок, то это позволяет значительно сократить затраты, которые возникли бы при применении методов, требующих извлечения грунта и его транспортировки. Кроме того, можно одновременно провести очистку как почвы, так и грунтовых вод, что позволит дополнительно сократить затраты. Однако процесс in situв целом требует больше времени. К тому же мы имеем меньшую степень уверенности в том, что процесс будет протекать по стандартному сценарию из-за неоднородности почвы, особых характеристик водоносного горизонта и сложности отслеживания самого процесса.

Процесс восстановления, как правило, занимает годы главным образом в зависимости от степени расщепления определенных загрязняющих веществ, характеристик участка и климатических условий. Для очистки от некоторых загрязнителей может потребоваться меньше года, однако для очистки от соединений с высоким молекулярным весом требуется больше времени.

Существует риск повышения мобильности загрязняющих веществ и их проникновения в грунтовые воды. Как правило, регулирующие органы не разрешают внедрять нутриенты или насаждать микроорганизмы в загрязненный грунт. При выборе методов осуществления восстановительных мероприятий и действий при ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций на объектах Суперфонда (Фонда борьбы с химическим загрязнением окружающей среды) все чаще рассматриваются методы усиленной биоремедиации. Как правило, в отношении нефтяных углеводородов можно легко применить методы биоремедиации путем стимуляции местных микроорганизмов нутриентами (при этом затраты будут относительно низкими).

1.3 Фиторемедиация

Фиторемедиация - это процесс устранения, перемещения, стабилизации и разрушения загрязняющих веществ в почве и отложениях с использованием растений. При этом загрязнители могут быть как органического, так и неорганического происхождения.

Механизмы фиторемедиации включают ускоренную биодеградацию в ризосфере, фитоэкстракцию (известную как фитоаккумуляция), фитодеградацию и фитостабилизацию.

Ускоренная биодеградация в ризосфере

Ускоренная биодеградация в ризосфере - это деградация в слое грунта, непосредственно окружающего корни растения. Натуральные вещества, выделяемые корнями растений, содержат нутриенты для микроорганизмов, стимулирующие их биологическую активность. Корни растений также разрыхляют почву и затем отмирают, оставляя после себя пути для перемещения воды и воздуха. В результате такого процесса вода поднимается к поверхности грунта, а нижние слои осушаются.

Для фиторемедиации, как правило, используются такие растения, как тополь, так как тополь растет достаточно быстро и приживается в различных климатических условиях. Кроме того, тополь может поглощать большое количество влаги (по сравнению с другими видами растений) из почвы или непосредственно из ее водоносных слоев. В результате из загрязненной среды может быть поглощено больше растворенных загрязнителей, сокращается объем воды, которая может пройти через почву или ее водоносный слой, и количество загрязняющих веществ, поступающих в почву или ее водоносный слой или выделяющихся из них.

Фитоаккумуляция

Фитоаккумуляция заключается в удалении элемента-загрязнителя из почвы через корневую систему растений и перенос или накопление (фитоэкстракция) загрязняющих веществ в надземную часть растений - побеги и листья.

Фитодеградация

Фитодеградация - это процесс метаболизма загрязняющих веществ в растительных тканях. Растения вырабатывают энзимы, такие как дегалогеназа и оксигеназа, которые позволяют ускорить процесс деградации. Проводятся исследования, выясняющие, могут ли ароматические и хлорированные алифатические соединения подвергаться воздействию фитодеградации.

Фитостабилизация

Фитостабилизация - это явление выделения растениями химических соединений для перевода загрязняющих веществ в менее подвижную форму на стыке корней растений и грунта.

Фитостабилизация может применяться для очищения грунта от металлов, пестицидов, растворителей, взрывчатых веществ, нефти-сырца, ПАУ и фильтрата свалок.

Некоторые виды растений могут аккумулировать металлы в своих корнях. Их можно высаживать для очищения сточных вод от металлов. Растения можно убирать по мере накопления металлов в корнях.

Растения, которые являются гипераккумуляторы тяжелых металлов, способны извлекать и аккумулировать большое количество металлических загрязняющих примесей.

В настоящее время изучается способность деревьев удалять загрязняющие органические вещества из грунтовых вод, переносить, транспирировать и, возможно, превращать их в СО2 или в растительную ткань.

Ограничивающие факторы:

• Глубина восстанавливаемого грунта определяется в соответствии с растениями, используемыми для фиторемедиации. Данный метод применяется только в неглубоких почвах.

• Высокая концентрация опасных материалов может быть токсичной для растений.

• Ограниченные возможности по переносу вещества, характерные для других методов биоочистки, так же типичны и для этого метода.

• Использование метода может носить сезонный характер в зависимости от региона.

• Загрязняющие вещества могут переноситься из одного носителя в другой, например, из почвы в воздух.

• Метод неэффективен в отношении глубоко (например, ПХБ) и слабо сорбированных загрязнителей.

• Не всегда имеются сведения об уровне токсичности и биодоступности продуктов биодеградации.

• Продукты могут быть сконцентрированы в грунтовых водах или аккумулированы животными.

• Метод до сих пор используется для демонстрационных целей.

• Регулирующие органы мало знакомы с этим методом.

Более подробную информацию можно найти на сайте http://www.afcee.brooks.af.mil/er/ert/phytorem.htm.