Проницаемый реактивный барьер
Проницаемый реактивный барьер ( ПРБ ), также называемый проницаемой зоной реактивной обработки (ПРТЗ), представляет собой развивающуюся технологию, которая была признана экономически эффективной технологией на месте (на площадке) восстановления грунтовых вод . PRB — это барьеры, которые позволяют проходить некоторым, но не всем материалам. Одним из определений PRB является зона очистки на месте , которая пассивно улавливает шлейф загрязнений и удаляет или расщепляет загрязнения, выпуская незагрязненную воду. [1] К методам первичного удаления относятся: (1) сорбция и осаждение , (2) химическая реакция и (3) реакции, включающие биологические механизмы. [2]
Реактивные процессы
[ редактировать ]Существует множество способов использования проницаемых реактивных мембран для очистки грунтовых вод. Двумя основными процессами являются иммобилизация (также известная как секвестрация) и трансформация.
Иммобилизация
[ редактировать ]Иммобилизация загрязнителя может происходить за счет сорбции барьерными материалами или осаждения из растворенного состояния. Органические соединения имеют тенденцию подвергаться сорбции за счет гидрофобного вытеснения из окружающей воды. Однако металлы имеют тенденцию сорбироваться посредством электростатического притяжения или реакций поверхностного комплексообразования. Сорбция и осаждение потенциально обратимы и поэтому могут потребовать удаления реакционной среды и собранных продуктов для продолжения восстановления. [3]
Трансформация
[ редактировать ]Трансформация включает в себя взятие загрязняющего вещества и преобразование его в менее вредную или нетоксичную форму. Одним из главных преимуществ трансформации является то, что она 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
[ редактировать ]Кроме того, можно использовать несколько различных материалов. Вот наиболее известные:
Zerovalent iron
[ редактировать ]Нулевовалентное железо было первым материалом, который использовался в PRB для восстановления грунтовых вод . Он по-прежнему остается основным материалом, используемым при строительстве этих барьеров. [3] В дополнение к обычному железу наноразмерное можно также использовать железо.
Биологические барьеры
[ редактировать ]Иногда материал закапывают в землю, чтобы стимулировать рост микробов, которые способствуют восстановлению грунтовых вод . Многие загрязнители окружающей среды сильно восстанавливаются , поэтому окисление этих загрязнителей до безвредных соединений термодинамически жизнеспособно. 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]
Окислительная биодеградация требует акцепторов электронов , которые микробы используют для «дыхания» электронов, удаленных из целевых загрязнителей. Этот перенос электронов высвобождает энергию для управления жизненными функциями микробов. В аэробных условиях для этой цели используется молекулярный кислород. Когда кислорода нет, акцепторами электронов могут служить различные другие молекулы . Кислород используется преимущественно, а не анаэробных акцепторов электронов , поскольку использование кислорода дает больше энергии и, как дополнительное преимущество, приводит к более высокой скорости окисления загрязняющих веществ. К сожалению, доступного кислорода часто недостаточно для загрязнения загрязнителей в сильно загрязненных районах, и в результате приходится использовать анаэробные акцепторы электронов. Реактивные барьеры, содержащие соединения, выделяющие кислород, успешно используются для стимулирования аэробного биоразложения моноароматических углеводородов . [3]
Цеолиты, модифицированные поверхностно-активными веществами
[ редактировать ]Глины, цеолиты и другие природные материалы обладают высокой способностью к катионному обмену. Они делают это, создавая суммарный отрицательный заряд путем замены катионов с более низкой валентностью (например, Al 3+ ) с катионом более высокой валентности (например, Si 4+ ) внутри минеральной структуры. [4] Добавление сорбированных ПАВ может изменить сродство к анионам и неполярным органическим соединениям. [3] Накопившиеся на поверхности ПАВ создают гидрофобное органическое покрытие, способствующее сорбции неполярных органических соединений. Цеолиты, модифицированные поверхностно-активными веществами (СМЗ), перспективны для очистки неполярных органических загрязнений. глины Однако низкая проницаемость означает, что ее нельзя использовать в проточных PRB. [3] но были предложены для использования в стенах из навозной жижи , покрытиях для свалок и защитных барьерах. [5] цеолиты; однако имеют полости для поддержания гидравлической проводимости , что позволяет использовать их в PRB.
Торфяной мох
[ редактировать ]Торфяной мох имеет большую удельную поверхность (>200 м2). 2 /г) и высокой пористостью . [6] Металлы поглощаются торфом посредством реакции ионного обмена, при которой металл вытесняет протон, если pH низкий, или существующий металл, если pH высокий, из анионной функциональной группы. [7] Анионы, такие как CrO 2−
4 и MnO 2−
4 удаляются более эффективно при pH < 3 из-за положительно заряженной поверхности, создаваемой добавлением протонов к поверхностным функциональным группам, тогда как катионы, такие как UO 2+
2 , Ни 2+
, С 2+
более эффективно удаляются при более высоких значениях pH . [8] Торфяной мох, по-видимому, 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 металлов.
Моделирование подземных вод
[ редактировать ]Моделирование потока грунтовых вод важно для оптимизации конструкции PRB. Самое главное, что путем моделирования потока можно определить ширину зоны гидравлического захвата (HCZW) и время пребывания. HCZW — это ширина зоны грунтовых вод, которая пройдет через реактивную ячейку или затвор (для конфигураций «воронка-задвижка»). Время пребывания – это время, которое загрязненные грунтовые воды проведут в зоне очистки для обеззараживания. Загрязнения за пределами зоны улавливания или загрязнения, не имеющие достаточно длительного времени пребывания, не будут должным образом обеззаражены. Моделирование подземных вод также можно использовать для:
- Определение местоположения PRB
- Определение подходящей конфигурации
- Определение ширины реактивной ячейки (и воронки для воронки-и воротка)
- Оценка возможности перелива, перелива или перетока через водоносные горизонты.
- Предоставление знаний о колебаниях потока грунтовых вод (скорости и направления) для использования при проектировании.
- Определение выбора реактивной среды (на основе гидравлической проводимости) в соответствии с проводимостью водоносного горизонта.
- Оценка возможностей обхода потока за счет снижения пористости
- Помощь в определении местоположения скважин и частоты мониторинга. [9]
Конфигурация
[ редактировать ]Железные барьеры
[ редактировать ]
На сопроводительном рисунке показаны два подхода к применению частиц железа для восстановления грунтовых вод : рис. А, обычный PRB, изготовленный из гранулированного железа мм-размера, и рис. Б, «зона реактивной обработки», образованная последовательным введением наноразмерного железа в образуют перекрывающиеся зоны частиц, поглощенных зернами материала естественного водоносного горизонта. В точке А грунтовые воды проходят через барьер и очищаются. В Б наночастицы железа представлены черными точками; наночастицы . обладают малой подвижностью в пористой среде Обратите внимание, что реакция произойдет только тогда, когда загрязняющие вещества, растворенные в грунтовых водах или в виде ДНКПЛ , вступят в контакт с железными поверхностями. [10]
Воронка и ворота
[ редактировать ]Системы воронок и ворот используются для направления шлейфа загрязняющих веществ в затвор, содержащий химически активный материал. Воронки непроницаемы, а простейшая конструкция состоит из одиночных ворот со стенками, простирающимися с обеих сторон. Основное преимущество системы воронок и ворот заключается в том, что для обработки шлейфа можно использовать меньшую реакционную зону, что приводит к снижению затрат. Кроме того, если реактивную среду необходимо заменить, сделать это гораздо проще из-за небольшого затвора. [11]
Выполнение
[ редактировать ]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 смешать с реактивным материалом, чтобы вода могла течь через материалы. Иногда бывает стена, которая направляет грунтовые воды к реактивным частям барьера. После заполнения траншеи реактивным материалом обычно используется почва для покрытия PRB, что исключает видимость с поверхности. [12]
Шпунтовая свая и земляные работы
[ редактировать ]шпунтовые сваи Для установки более ранних PRB использовались и земляные работы. Этот метод включает в себя ограждение территории раскопок шпунтовыми сваями перед началом раскопок с использованием гусеничной лопаты . Этот метод может быть медленным (и, следовательно, дорогим) и пригоден только для шлейфов глубиной менее 35 футов. [13]
Траншеекопатель непрерывного действия
[ редактировать ]Непрерывная прокладка траншей предполагает использование экскаватора с большой режущей цепью, а затем использование траншейного короба и бункера для непрерывной засыпки 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 почве с крупными булыжниками. [13]
Расположение Мендрела
[ редактировать ]Технология Mendrel предполагает вертикальное забивание длинной полой балки глубоко в землю. Балка накрывается при забивке, а крышка снимается после установки балки. Далее полость заполняется железными опилками. Затем оправку вибрируют по мере ее удаления, позволяя железу стечь на дно, образуя PRB. Затем оправку перемещают на одну ширину, процесс повторяется и создается непрерывный PRB. [13]
Гидравлический разрыв
[ редактировать ]В этом методе мелкозернистое железо вводится в трещины под поверхностью, которые были созданы с помощью контролируемого применения высокого давления. Струи воды вымывают зону, которая затем заполняется гуаровой камедью и железом. Гуаровая камедь удерживает железо на месте до его разрушения, оставляя проницаемую зону железа (PRB). [13]
Глубокое перемешивание почвы
[ редактировать ]Глубокое перемешивание почвы добавляет железо в родную почву и перемешивание ее большими шнеками . В результате этого процесса создается ряд столбчатых зон обработки, которые при выстраивании образуют PRB. Этот метод позволяет обрабатывать шлейфы на глубине до 100 футов, но в зоне обработки относительно низкое содержание железа. [13]
Оценка эффективности
[ редактировать ]Ключевым компонентом оценки успеха PRB является то, удовлетворительно ли он удаляет загрязнения. Это можно сделать путем мониторинга уровня воды непосредственно за PRB. Если уровни ниже максимального уровня загрязнения, то PRB выполнил свою функцию.
Отказ
[ редактировать ]При анализе PRB акцент был сделан на потерях реактивности и проницаемости в реактивной скважине; однако ошибочная гидравлическая характеристика немногих зарегистрированных отказов PRB. Окислительно-восстановительный потенциал , входящий [pH] и входящие концентрации [щелочность], [нитрат NO −
3 ] и [хлорид Cl − ] являются наиболее сильными предикторами возможного снижения производительности PRB. Реактивность среды, а не снижение проницаемости, скорее всего, является фактором, ограничивающим долговечность месторождения PRB. Поскольку эта технология относительно новая, пока трудно предсказать долговечность сайтов. В зависимости от предположений о контролирующих факторах оценки продолжительности жизни могут различаться на порядок (например, 10–100 лет). [14]
Тематические исследования
[ редактировать ]
Применение PRB в полевых условиях для восстановления подземных вод состояло из зоны обработки, образованной путем раскопок участка, изолированного шпунтовыми сваями , повторного заполнения ямы смесью гранулированного железа и песка и удаления шпунтовой сваи, чтобы оставить на месте проницаемую, зона железосодержащей обработки. Загрязняющие вещества, хлорированные этилены (ПХЭ и ТХЭ), были удалены, в результате чего остались, по большей части, полностью дехлорированные грунтовые воды (было обнаружено небольшое количество винилхлорида ).
Саннивейл, Калифорния
[ редактировать ]
Первое внедрение PRB в полевых условиях произошло в Саннивейле, Калифорния , на месте ранее действовавшего завода по производству полупроводников. В то время лучшей доступной технологией восстановления была технология «накачивай и обрабатывай» . PRB представляют собой более экономически эффективное решение рассматриваемой проблемы, поскольку они способны пассивно восстанавливать грунтовые воды. В качестве реактивной среды был выбран гранулированный металл после лабораторных испытаний с использованием загрязненной воды с объекта. После установки уровень загрязнения был снижен до целевого уровня. В результате насосное и очистное оборудование удалось демонтировать, а надземную часть можно было использовать в коммерческих целях. Экономия от использования PRB по сравнению с насосом и очисткой позволила окупить установку примерно за три года. [13]
Элизабет-Сити, Северная Каролина
[ редактировать ]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 загрязнений трихлорэтилена (TCE) и шестивалентного хрома (Cr (VI)). Установка PRB заняла всего 6 часов с использованием технологии непрерывной рытья траншей, которая одновременно удаляла ранее существовавший осадок при установке реактивной среды (гранулированного железа). PRB был сконфигурирован как сплошная стена, а не как установка с воронкой и воротами, поскольку компьютерное 3D-моделирование показало, что они будут иметь одинаковую эффективность, но анализ затрат показал, что установка непрерывной установки будет дешевле. Общая стоимость установки составила около 1 миллиона долларов, тогда как Береговая охрана США прогнозирует, что за 20 лет будет сэкономлено 4 миллиона долларов по сравнению с системой «насос и очистка». [15]
Моффетт Филд, Калифорния
[ редактировать ]
Моффетт-Филд, Калифорния, был домом для экспериментального масштаба PRB, инициированного ВМС США в 1995 году. В Моффетт-Филд PRB использовалась конструкция воронки и ворот, причем воронка состояла из взаимосвязанных стальных шпунтовых свай, а ворота состояли из гранулированного нуль-валентного материала. железо. Основными загрязнителями были трихлорэтен (ТХЭ), цис-1,2-дихлорэтен (кДХЭ) и перхлорэтен (ПХЭ). Для определения эффективности объекта использовались данные ежеквартального мониторинга, трассерного тестирования и взятия керна железных клеток. Со времени первого отбора проб в июне 1996 года концентрации всех хлорированных соединений снизились либо до необнаружимых уровней, либо до уровня ниже максимальных уровней загрязнения. [16]
Фрай-Каньон, Юта
[ редактировать ]Площадка Фрай-Каньон была выбрана в 1996 году в качестве полевой демонстрационной площадки для оценки возможностей удаления урана с помощью PRB . Лабораторные эксперименты были проведены с тремя потенциальными материалами PRB (фосфатом, нуль-валентным железом и трехвалентным железом) 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 ворот. Воронки направляли грунтовые воды в ворота ПРБ. В течение первого года нуль-валентное железо снизило концентрацию U более чем на 99,9%, в то время как количество удаленного как фосфатного, так и трехвалентного железа превысило 70% для большинства проведенных измерений. Механизмы удаления урана аналогичны механизмам удаления других неорганических загрязнений, а это означает, что данное исследование имеет широкую применимость. [17]
Статус технологии
[ редактировать ]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 восстановления подземных вод осуществлялась с использованием «традиционных технологий» (например, систем «насос и очистка»), которые оказались дорогостоящими в соответствии с применимыми стандартами очистки. [19]
Примечания
[ редактировать ]- ^ Гиллхэм, Р.; Воган, Дж.; Гуй, Л.; Дюшен М.; Сон Дж. (2010). Железные барьерные стены для очистки от хлорированных растворителей. В: Строо, ХФ; Уорд, CH (ред.), на месте Восстановление шлейфов хлорированных растворителей . Springer Science+Business Media, Нью-Йорк, штат Нью-Йорк, с. 537. дои : 10.1007/978-1-4419-1401-9
- ^ Тратник, ПГ; М.М. Шерер; Ти Джей Джонсон; Мэтисон, ЖЖ (2003). Проницаемые реактивные барьеры из железа и других металлов с нулевой валентностью. В: Тарр М.А. (ред.), Методы химического разложения отходов и загрязнителей; Экологическое и промышленное применение. Наука об окружающей среде и контроль загрязнения, Марсель Деккер, Нью-Йорк, стр. 371–421. два : 10.1201/9780203912553.ch9
- ^ Jump up to: а б с д и ж г Шерер, ММ ; Рихтер, С.; Валентин, РЛ; Альварес ПиДжей (2000). «Химия и микробиология проницаемых реактивных барьеров для на месте очистки подземных вод ». Критические обзоры в области экологических наук и технологий. 30(3): 363-411. дои : 10.1080/10643380091184219
- ^ Бон, HL; МакНил, БЛ; О'Коннор, Джорджия (1985). Химия почвы. Wiley Interscience, John Wiley & Sons, Inc.
- ^ Шэн, Г.; Сюй, С.; Бойд, С. (1996). Механизм(ы), контролирующий сорбцию нейтральных органических загрязнителей поверхностно-активными и природными органическими веществами. Экологические науки и технологии. 30 (5): 1553–1557. дои : 10.1021/es9505208
- ^ Маклеллан, Дж. К.; Рок, Калифорния (1988). Предварительная обработка фильтрата свалки торфом для удаления металлов. Загрязнение воды, воздуха и почвы. 37(1-2): 203-215. дои : 10.1007/BF00226492
- ^ Крист, Р.Х.; Мартин, младший; Чонко, Дж. (1996). Поглощение металлов торфом: процесс ионного обмена. Экологические науки и технологии. 30(8): 2456-2461. дои : 10.1021/es950569d
- ^ Моррисон, SJ; Спенглер, Р.Р. (1992). Извлечение урана и молибдена из водных растворов: обзор промышленных материалов для использования в химических барьерах для восстановления хвостов урановых заводов. Экологические науки и технологии. 12 (3): 1922–1931. два : 10.1021/es00034a007
- ^ Фокс, TC; Гупта, Нирадж. (1999). Гидрогеологическое моделирование проницаемых реактивных барьеров. Журнал опасных материалов . 68(1-2): 19-39. дои : 10.1016/S0304-3894(99)00030-8
- ^ Тратник, PG; Джонсон, Р. «Восстановление с помощью металлического железа». Центр исследования подземных вод. Орегонский университет здравоохранения и науки, 4 февраля 2005 г.
- ^ Сазерсон, СС (1997). Реактивные стены «на месте». В: Сазерсон С.С. (редактор), «Инженерия восстановления: концепции проектирования». CRC Press, Ньютаун, Пенсильвания, стр. 187–213.
- ^ Соединенные Штаты Америки. Агентство по охране окружающей среды. Управление по твердым отходам и реагированию на чрезвычайные ситуации. Руководство для граждан по проницаемым реактивным барьерам. Агентство по охране окружающей среды, апрель 2001 г.
- ^ Jump up to: а б с д и ж Тратник, Пол Г.; Б.А. Балко; другие (2002). Металлы в восстановлении окружающей среды и обучении (MERL). Мультимедийный компакт-диск, на котором преподается химия, рассказывая историю развития экологических технологий. См.: Веб-сайт MERL, архивировано 20 июля 2011 г. на Wayback Machine .
- ^ Демонд, АХ; Хендерсон, AD (2007). Долгосрочная эффективность реактивных барьеров, проницаемых для нуль-валентного железа: критический обзор. Экологическая инженерия. 24(4): 401–423. дои : 10.1089/ees.2006.0071 .
- ^ Бэйн, Дж. Г.; Беннетт, штат Техас; Блоуз, Д.В.; Гиллхэм, RW; Хантон-Фонг, CJ; О'Ханнезин, Сан-Франциско; Птачек, CJ; Пульс, RW (1999). Проницаемый реактивный барьер in situ для очистки шестивалентного хрома и трихлорэтилена в грунтовых водах: Том 1, Проектирование и монтаж. Агентство по охране окружающей среды США, EPA/600/R-99/095a.
- ^ Ритер, К.; Гаваскар, А.; Сасс, Б.; Гупта, Н.; Хикс, Дж. (1998) Оценка эффективности пилотного проницаемого реактивного барьера на бывшей военно-морской авиабазе Моффетт Филд, Маунтин-Вью, Калифорния: Том 1. [1]
- ^ Нафтц, DL; Фельткорн, EM; Фуллер, CC; Вильгельм, Р.Г.; Дэвис, Дж.А.; Моррисон, SJ; Фрити, GW; Пиана; МДж; Роуленд, Колорадо; Блю, Дж. Э. (1997–1998). Полевая демонстрация проницаемых реактивных барьеров для удаления растворенного урана из грунтовых вод, Фрай-Каньон, Юта. Агентство по охране окружающей среды. [2]
- ^ Национальный исследовательский совет. 1994. Комитет по альтернативам очистки подземных вод. В: Альтернативы очистке подземных вод . Национальная академия прессы, Вашингтон, округ Колумбия.
- ^ Маккей, DM; Черри, Дж. А. (1989). Загрязнение грунтовых вод; Восстановление по принципу «накачай и лечи». Экологические науки и технологии. 23(6): 630–636. два : 10.1021/es00064a001
Внешние ссылки
[ редактировать ]Дополнительную информацию по этой теме можно найти на следующих сайтах:
- Блокнот Powell and Associates PRB
- Форум по развитию технологий рекультивации Группа действий PRB
- Круглый стол по федеральным технологиям реабилитации
- Информация Агентства по охране окружающей среды США об очистке загрязненных территорий
- «Рубин» (Немецкая сеть PRB)
- Центр исследований подземных вод OHSU, нуль-валентное железо