Проницаемая реактивная барьер ( ПРВ ), называемая также проницаемая реактивная Зона обработки (PRTZ), является развивающейся технологией , которая была признана как экономически эффективной технология на месте (на месте) подземных реабилитации . PRB - это барьеры, которые позволяют проходить некоторым, но не всем материалам. Одно из определений PRB - это зона обработки на месте, которая пассивно захватывает шлейф загрязняющих веществ и удаляет или разрушает загрязняющие вещества, выделяя незагрязненную воду. [1] К основным методам удаления относятся: (1) сорбция и осаждение , (2) химическая реакция и (3) реакции с участием биологических механизмов.[2]
Реактивные процессы
Существует множество способов использования проницаемых реактивных мембран для восстановления грунтовых вод. Двумя основными процессами являются иммобилизация (секвестрация AKA) и трансформация.
Иммобилизация
Иммобилизация загрязнителя может происходить посредством сорбции на барьерных материалах или осаждения из растворенного состояния. Органические соединения, как правило, сорбируются из-за гидрофобного вытеснения из окружающей воды. Однако металлы имеют тенденцию сорбироваться за счет электростатического притяжения или поверхностных реакций комплексообразования. Сорбция и осаждение потенциально обратимы и поэтому могут потребовать удаления реактивной среды и собранных продуктов, чтобы продолжить восстановление. [3]
Трансформация
Преобразование включает в себя преобразование загрязнителя в менее вредную или нетоксичную форму. Одно из главных преимуществ преобразования состоит в том, что оно не обязательно требует удаления реактивной среды (если только реактивная среда не должна быть заменена из-за снижения эффективности или возникновения засорения). Трансформация чаще всего принимает форму необратимой окислительно-восстановительной реакции. Среда может напрямую поставлять электроны для восстановления или стимулировать микроорганизмы для облегчения переноса электронов. [3]
Реактивные материалы
Кроме того, можно использовать несколько различных материалов. Вот наиболее известные:
Нульвалентное железо
Неровалентное железо было первым материалом, который использовался в PRB для восстановления грунтовых вод . Он по-прежнему является основным материалом, из которого строятся эти барьеры. [3] В дополнение к обычному железу можно также использовать наноразмерное железо .
Биологические барьеры
Иногда в землю закладывают материал, чтобы стимулировать рост микробов, способствующих восстановлению грунтовых вод . Многие загрязнители окружающей среды сильно уменьшены , поэтому окисление этих загрязнителей до безвредных соединений является термодинамически жизнеспособным. Другие загрязнители, такие как хлорированные растворители, сильно окисляются и поэтому легко восстанавливаются. Микроорганизмы обычно способствуют таким окислительно-восстановительным реакциям, используя разложение загрязняющих веществ как средство получения энергии и материалов для клеточного синтеза. [3]
Окислительное биоразложение требует наличия акцепторов электронов, которые микробы используют для «вдыхания» электронов, удаленных от целевых загрязняющих веществ. Этот перенос электронов высвобождает энергию для управления жизненными функциями микробов. В аэробных условиях для этого используется молекулярный кислород. Когда кислорода нет, множество других молекул могут служить акцепторами электронов . Кислород предпочтительно утилизируется по сравнению с анаэробными акцепторами электронов, потому что использование кислорода дает больше энергии и, как дополнительное преимущество, приводит к более быстрой скорости окисления загрязняющих веществ. К сожалению, доступного кислорода часто недостаточно для загрязнений на сильно загрязненных территориях, и в результате необходимо использовать анаэробные акцепторы электронов. Реактивные барьеры, содержащие соединения, высвобождающие кислород, успешно используются для стимуляции аэробного биоразложения моноароматических углеводородов . [3]
Цеолиты, модифицированные поверхностно-активными веществами
Глины, цеолиты и другие природные материалы обладают высокой способностью к катионному обмену. Они делают это, создавая чистый отрицательный заряд, заменяя катионы с более низкой валентностью (например, Al 3+ ) на катион с более высокой валентностью (например, Si 4+ ) в структуре минерала. [4] Добавление сорбированных поверхностно-активных веществ может изменить сродство к анионам и неполярным органическим соединениям. [3] Накопившиеся на поверхности поверхностно-активные вещества образуют гидрофобное органическое покрытие, которое способствует сорбции неполярных органических соединений. Цеолиты, модифицированные поверхностно-активными веществами (SMZ), перспективны для обработки неполярных органических загрязнителей. Однако низкая проницаемость глины означает, что она не может использоваться в проточных PRB [3], но была предложена для использования в стенках из пульпы , футеровках полигонов и защитных барьерах. [5] цеолиты; однако имеют полости для поддержания гидравлической проводимости , что позволяет использовать их в PRB.
Торф
Торфяной мох имеет большую удельную поверхность (> 200 м 2 / г) и высокую пористость . [6] Металлы поглощаются торфом в результате реакции ионного обмена, когда металл вытесняет протон, если pH низкий, или существующий металл, если pH высокий из-за анионной функциональной группы. [7] Анионы, такие как CrO2-
4и MnO2-
4удаляются более эффективно при pH <3 из-за положительно заряженной поверхности, создаваемой добавлением протонов к поверхностным функциональным группам, тогда как катионы, такие как UO2+
2, Ni2+
, Cu2+
, удаляются более эффективно при более высоких значениях pH . [8] Торфяной мох, кажется, является эффективным ионообменным материалом для удаления тяжелых металлов и некоторых анионов. Эффективность удаления катионов приближается к 100% при низком pH, но необходимо учитывать сильную зависимость от pH и начальной концентрации ионов металла.
Моделирование подземных вод
Моделирование потока грунтовых вод важно для оптимизации конструкции PRB. Самое главное, моделируя поток, можно определить ширину зоны гидравлического захвата (HCZW) и время пребывания. HCZW - это ширина зоны грунтовых вод, которая будет проходить через реактивную ячейку или затвор (для конфигураций с воронкой и затвором). Время пребывания - это время, которое загрязненные грунтовые воды проведут в зоне обработки для обеззараживания. Загрязнения за пределами зоны улавливания или загрязнения, которые не имеют достаточно длительного времени пребывания, не будут должным образом обеззаражены. Моделирование подземных вод также можно использовать для следующих целей:
- Определение местоположения PRB
- Определение подходящей конфигурации
- Определение ширины реактивной ячейки (и воронки для воронки и затвора)
- Оценка потенциального подтекания, перелива или перетока через водоносные горизонты
- Предоставление информации о колебаниях потока грунтовых вод (скорости и направления) для использования в проекте.
- Определение выбора реактивной среды (на основе гидравлической проводимости) в соответствии с проводимостью водоносного горизонта
- Оценка возможностей обхода потока из-за уменьшения пористости
- Помощь в определении местоположения контрольных скважин и периодичности контроля [9]
Конфигурация
Железные преграды
На прилагаемом рисунке показаны два подхода к применению частиц железа для восстановления грунтовых вод : на рис. A - обычный PRB, изготовленный из гранулированного железа размером в миллиметр, и на рис. B - «зона реактивной обработки», образованная последовательным введением наноразмерного железа в образуют перекрывающиеся зоны частиц, поглощенных зернами природного водоносного материала. В точке A грунтовые воды проходят через барьер и восстанавливаются. На B наночастицы железа представлены черными точками; что наночастицы имеют мало подвижности в пористой среде. Обратите внимание, что реакция будет происходить только тогда, когда загрязнители, растворенные в грунтовых водах или в виде DNAPL , вступают в контакт с железными поверхностями. [10]
Воронка и ворота
Системы воронок и затворов используются для направления шлейфа загрязняющих веществ в затвор, в котором находится реактивный материал. Воронки непроницаемы, простейшая конструкция состоит из одного затвора со стенками, выходящими с обеих сторон. Основное преимущество системы воронки и затвора заключается в том, что для обработки шлейфа можно использовать меньшую реактивную зону, что приводит к более низкой стоимости. Кроме того, если необходимо заменить реактивную среду, это сделать намного проще из-за небольшого размера затвора. [11]
Выполнение
PRB обычно устанавливаются путем рытья длинной траншеи на пути потока загрязненных грунтовых вод. Затем траншея заполняется химически активными материалами (обычно железом, углеродом или известняком). Песок можно смешивать с реактивным материалом, чтобы вода могла проходить через материалы. Иногда будет стена, которая направляет грунтовые воды к реактивным частям барьера. После заполнения траншеи реактивным материалом грунт обычно используется для покрытия PRB, тем самым уменьшая видимость с поверхности. [12]
Шпунт и земляные работы
Шпунт и раскопки были использованы для установки более раннего ПРБА. Этот метод включает в себя ограждение зоны выемки грунта с помощью шпунтовых свай перед выемкой грунта с использованием путевой лопаты . Этот метод может быть медленным (и, следовательно, дорогим) и применим только для шлейфов глубиной менее 35 футов. [13]
Траншеекопатель непрерывного действия
Непрерывное рытье траншеи предполагает использование большой экскаваторной системы с режущей цепью, а затем использование траншейного ящика и бункера для непрерывного заполнения траншеи реактивной средой. Непрерывное рытье траншей может быть быстрым и, следовательно, недорогим, но его можно использовать только для траншей глубиной менее 50 футов. Кроме того, техника, используемая для этой техники, не может эффективно использоваться на почвах с крупными булыжниками. [13]
Размещение Мендрела
Технология Mendrel включает в себя вертикальное вбивание длинной полой балки глубоко в землю. Балка закрывается при вбивании, и крышка снимается после установки балки. Далее дупло заполняется железными опилками. Затем Mendrel вибрируют при извлечении, позволяя утюгу стечь на дно, образуя PRB. Затем Mendrel перемещается на одну ширину, процесс повторяется и создается непрерывный PRB. [13]
Гидравлический разрыв
В этом методе используется закачка мелкозернистого железа в трещины под поверхностью, которые были созданы с использованием контролируемого приложения высокого давления. Струи воды размывают зону, которая затем заполняется гуаровой камедью и железом. Гуаровая камедь удерживает железо на месте до его разложения, оставляя проницаемую зону для железа (PRB). [13]
Глубокое перемешивание почвы
Глубокое перемешивание почвы добавляет железо в естественную почву и перемешивает ее большими шнеками . Этот процесс создает серию столбчатых зон обработки, которые при выстраивании образуют PRB. Этот метод позволяет обрабатывать шлейфы на глубине до 100 футов, но в зоне обработки относительно мало железа. [13]
Оценка эффективности
Ключевым компонентом для оценки успеха PRB является то, удаляет ли он загрязняющие вещества удовлетворительным образом. Это можно сделать, отслеживая уровни воды непосредственно ниже по течению от PRB. Если уровни ниже максимальных уровней загрязнения, значит, PRB выполнил свою функцию.
Отказ
При анализе PRB акцент был сделан на потерях реактивности и проницаемости в реактивной скважине; однако, некорректная гидравлическая характеристика нескольких сообщенных отказов PRB. Окислительно-восстановительный потенциал , входящий [pH] и входящие концентрации [щелочность], [нитрат NO-
3] и [хлорид Cl - ] являются наиболее сильными предикторами возможного снижения эффективности PRB. Реактивность среды, а не снижение проницаемости, является более вероятным фактором, ограничивающим долговечность поля PRB. Поскольку эта технология является относительно новой, по-прежнему трудно прогнозировать долговечность сайтов. В зависимости от допущений о контролирующих факторах оценки продолжительности жизни могут отличаться на порядок величины (например, 10–100 лет). [14]
Тематические исследования
Применение PRB в полевом масштабе для восстановления грунтовых вод состояло из зоны обработки, образованной путем выемки участка, изолированного шпунтовыми сваями , повторного заполнения ямы смесью гранулированного железа и песка и удаления шпунтовой сваи, чтобы оставить на месте проницаемую, проницаемую поверхность. железосодержащая зона обработки. Загрязняющие вещества, хлорированные этилены (PCE и TCE), были удалены, в результате чего остались, по большей части, полностью дехлорированные грунтовые воды ( наблюдалось небольшое количество винилхлорида ).
Саннивейл, Калифорния
Первое внедрение PRB в полевых условиях было в Саннивейле, Калифорния , на месте ранее действующего завода по производству полупроводников. В то время лучшей доступной технологией восстановления была технология насосной обработки . PRB представили более экономичное решение возникшей проблемы, имея возможность пассивно восстанавливать грунтовые воды. Гранулированный металл был выбран в качестве реактивной среды после лабораторных испытаний с использованием загрязненной воды с участка. После установки загрязняющие вещества были снижены до целевого уровня. В результате насос и оборудование для обработки можно было снять, а надземный участок можно было использовать в коммерческих целях. Экономия от использования PRB по сравнению с насосом и обработкой позволила окупить установку примерно за три года. [13]
Элизабет-Сити, Северная Каролина
В 1996 году PRB длиной 46 м, глубиной 7,3 м и толщиной 0,6 м был установлен на объекте береговой охраны недалеко от Элизабет-Сити, Северная Каролина. Целью этого PRB было устранение шлейфа загрязняющих веществ из трихлорэтилена (TCE) и шестивалентного хрома (Cr (VI)). Для установки PRB потребовалось всего 6 часов с использованием технологии непрерывного рытья траншеи, которая одновременно удаляла ранее существовавший осадок и устанавливала реактивную среду (гранулированное железо). PRB был сконфигурирован как сплошная стена, а не как установка воронки и затвора, потому что компьютерное 3D-моделирование показало, что они будут иметь одинаковую эффективность, но анализ затрат показал, что непрерывная установка будет дешевле в установке. Общая стоимость установки составила приблизительно 1 миллион долларов, в то время как Береговая охрана США прогнозирует, что за 20 лет будет сэкономлено 4 миллиона долларов по сравнению с системой откачки и очистки. [15]
Моффетт Филд, Калифорния
Моффет-Филд, Калифорния, был домом для пилотного PRB, инициированного ВМС США в 1995 году. В Moffett Field PRB использовалась конструкция с воронкой и затвором, при этом воронка состояла из переплетенных стальных шпунтовых свай, а затвор состоял из гранулированных нуль-валентных утюг. Основными загрязнителями были трихлорэтен (TCE), цис-1,2-дихлорэтен (cDCE) и перхлорэтен (PCE). Данные ежеквартального мониторинга, индикаторов и анализа железных клеток были использованы для определения эффективности объекта. После первого отбора проб в июне 1996 года концентрации всех хлорированных соединений были снижены либо до уровней, не обнаруживаемых для обнаружения, либо ниже максимальных уровней загрязнения. [16]
Фрай-Каньон, штат Юта
Площадка Fry Canyon была выбрана в 1996 году в качестве демонстрационной площадки для оценки возможностей удаления урана с помощью PRB . Лабораторные эксперименты были проведены с тремя потенциальными материалами PRB (фосфат, нуль-валентное железо и трехвалентное железо) для определения эффективности удаления урана и гидрологических свойств. Для демонстрации был выбран материал PRB из каждого класса. Выбранные материалы обладали удовлетворительной гидравлической проводимостью, высокой эффективностью удаления урана и высокой прочностью на уплотнение. Использовалась конструкция воронки и затвора. По воронкам грунтовые воды направлялись к воротам ПРБ. В течение первого года нуль-валентное железо снизило концентрацию U более чем на 99,9%, в то время как количество удаленного как фосфата, так и трехвалентного железа превышало 70% для большинства выполненных измерений. Механизмы удаления урана аналогичны механизмам удаления других неорганических загрязнителей, что означает, что это исследование имеет широкую применимость. [17]
Статус технологии
В 1994 году аналитики подсчитали, что в США общие затраты на очистку подземных вод составили от 500 миллиардов до 1 триллиона долларов. [18] Примерно до 2000 года большая часть очистки подземных вод проводилась с использованием «традиционных технологий» (например, систем откачки и очистки), которые оказались дорогостоящими для соответствия применимым стандартам очистки. [19]
Заметки
- ^ Gillham, R .; Vogan, J .; Gui, L .; Duchene M .; Сын Дж. (2010). Железные барьерные стены для очистки с помощью хлорированного растворителя. В: Строо, ВЧ; Уорд, СНО (ред.), В Сыте Восстановление хлорированного растворителя плюмов. Springer Science + Business Media, Нью-Йорк, Нью-Йорк, стр. 537. DOI : 10.1007 / 978-1-4419-1401-9
- ^ Tratnyek, PG; М.М. Шерер; Т.Дж. Джонсон; Матесон, LJ (2003). Проницаемые реакционные барьеры из железа и других металлов с нулевой валентностью. В: Tarr MA (ed.), Химические методы разложения отходов и загрязнителей; Экологические и промышленные применения. Наука об окружающей среде и борьба с загрязнением, Марсель Деккер, Нью-Йорк, стр. 371-421. DOI : 10.1201 / 9780203912553.ch9
- ^ Б с д е е г Шерер, MM ; Richter, S .; Валентин, РЛ; Альварес PJJ (2000). «Химия и микробиология проницаемых реактивных барьеров для очистки подземных вод на месте ». Критические обзоры в области науки об окружающей среде и технологий. 30 (3): 363-411. DOI : 10,1080 / 10643380091184219
- ^ Бон, HL; McNeal, BL; О'Коннор, Джорджия (1985). Химия почв. Wiley Interscience, John Wiley & Sons, Inc.
- ^ Шэн, G .; Xu, S .; Бойд, С. (1996). Механизм (ы) контроля сорбции нейтральных органических загрязнителей производными поверхностно-активных веществ и естественными органическими веществами. Наука об окружающей среде и технологии. 30 (5): 1553-1557. DOI : 10.1021 / es9505208
- ^ Маклеллан, JK; Рок, Калифорния (1988). Предварительная обработка фильтрата свалок торфом для удаления металлов. Загрязнение воды, воздуха и почвы. 37 (1-2): 203-215. DOI : 10.1007 / BF00226492
- ^ Крист, RH; Мартин, младший; Чонко, Дж. (1996). Поглощение металлов торфяным мхом: ионообменный процесс. Наука об окружающей среде и технологии. 30 (8): 2456-2461. DOI : 10.1021 / es950569d
- ^ Моррисон, SJ; Спенглер, Р.Р. (1992). Извлечение урана и молибдена из водного раствора: обзор промышленных материалов для использования в химических барьерах для восстановления хвостов урановых заводов. Наука об окружающей среде и технологии. 12 (3): 1922-1931. DOI : 10.1021 / es00034a007
- ^ Фокс, ТС; Гупта, Нирадж. (1999). Гидрогеологическое моделирование проницаемых реактивных барьеров. Журнал опасных материалов . 68 (1-2): 19-39. DOI : 10.1016 / S0304-3894 (99) 00030-8
- ^ Tratnyek, PG; Джонсон, Р. «Восстановление с помощью железного металла». Центр исследования подземных вод. Орегонский университет здоровья и науки, 4 февраля 2005 г.
- ^ Sutherson, С. С. (1997). Реактивные стены «на месте». В: Sutherson, SS (ed.), Remediation Engineering: Design Concepts. CRC Press, Ньютаун, Пенсильвания, стр. 187-213.
- ^ Соединенные Штаты Америки. Агентство по охране окружающей среды. Управление твердых бытовых отходов и экстренного реагирования. Путеводитель по проницаемым реактивным барьерам для гражданина. Агентство по охране окружающей среды, апрель 2001 г.
- ^ a b c d e f Tratnyek, Paul G .; Б.А. Балко; другие (2002). Металлы в восстановлении окружающей среды и обучении (MERL). Мультимедийный компакт-диск, который преподает химию через рассказ о развитии экологических технологий. См: MERL веб - сайт в архиве 2011-07-20 в Wayback Machine .
- ^ Демонд, AH; Хендерсон, AD (2007). Долгосрочные характеристики проницаемых реактивных барьеров с нулевым валентным железом: критический обзор. Инженерная экология. 24 (4): 401-423. DOI : 10,1089 / ees.2006.0071 .
- ^ Bain, JG; Bennett, TA; Дует, DW; Гиллхэм, RW; Hanton-Fong, CJ; О'Ханнесин, Сан-Франциско; Птачек, CJ; Puls, RW (1999). Проницаемый реактивный барьер in situ для обработки шестивалентного хрома и трихлорэтилена в грунтовых водах: Том 1, Проектирование и установка. Агентство по охране окружающей среды США, EPA / 600 / R-99 / 095a.
- ^ Reeter, C .; Gavaskar, A .; Sass, B .; Gupta, N .; Хикс, Дж. (1998) Оценка характеристик проницаемого реактивного барьера экспериментального масштаба на бывшей военно-морской авиабазе Моффетт-Филд, Маунтин-Вью, Калифорния: Том 1. [1]
- ^ Нафтц, DL; Feltcorn, EM; Фуллер, СС; Wilhelm, RG; Дэвис, JA; Моррисон, SJ; Фрити, GW; Пиана; MJ; Rowland, RC; Блю, Дж. Э. (1997–1998). Полевая демонстрация проницаемых реактивных барьеров для удаления растворенного урана из подземных вод, Фрай-Каньон, Юта. EPA. [2]
- ^ Национальный исследовательский совет. 1994. Комитет по альтернативам очистки подземных вод. В: Альтернативы очистке подземных вод . Национальная академия прессы, Вашингтон, округ Колумбия.
- ^ Mackay, DM; Черри, Дж. А (1989). Загрязнение подземных вод; Восстановление с помощью насоса и лечения. Наука об окружающей среде и технологии. 23 (6): 630-636. DOI : 10.1021 / es00064a001
Внешние ссылки
Дополнительную информацию по этой теме можно найти на следующих сайтах:
- Записная книжка Powell and Associates PRB
- Форум развития реабилитационных технологий PRB Action Team
- Круглый стол Федеральных реабилитационных технологий
- Информация об очистке загрязненных участков Агентства по охране окружающей среды США
- «Рубин» (Немецкая сеть PRB)
- Центр исследования грунтовых вод OHSU, железо нулевого валента
Есть также множество компаний, которые внедряют эту технологию. Вот лишь некоторые из них:
- ETI
- Hepure