Проницаемый реактивный барьер - Permeable reactive barrier

А проницаемый реактивный барьер (PRB), также называемая проницаемой зоной реактивной обработки (PRTZ), представляет собой развивающуюся технологию, которая была признана экономически эффективной технологией для на месте (на сайте) восстановление грунтовых вод. PRB - это барьеры, которые пропускают некоторые - но не все - материалы. Одно определение PRB - это на месте зона обработки, которая пассивно улавливает шлейф загрязняющих веществ и удаляет или разрушает загрязняющие вещества, выделяя незагрязненную воду.[1] Основные методы удаления включают: (1) сорбция и осадки, (2) химическая реакция и (3) реакции с участием биологических механизмов.[2]

История

Первое приложение

пример "железной стены"

Первое применение PRB в полевых условиях в восстановление грунтовых вод было сделано в Базе Борден, Онтарио Робертом Гиллхэмом и Стефани О'Ханнесин из Университет Ватерлоо. Конструкция, типичная для многих PRB, состояла из зоны обработки, образованной путем выемки грунта на участке, изолированном шпунтовые сваи, повторно заполнив отверстие смесью гранулированного железа и песка и сняв шпунт, чтобы оставить на месте, проницаемая, железосодержащая зона обработки. Загрязняющие вещества, хлорированные этилены (PCE и TCE), были удалены, оставив, по большей части, полностью дехлорированные грунтовые воды (мало винилхлорид наблюдалось).

Успех полевых испытаний на базе Борден в конечном итоге привел к коммерциализации этой технологии. С тех пор большой интерес к восстановление грунтовых вод сообщества по поводу перспектив новых стратегий обработки (особенно PRB, основанных на уменьшении загрязнения гранулированным железом и другими нулевалентными металлами (ZVM)). К настоящему времени было проведено множество технико-экономических обоснований, пилотных испытаний, демонстрационных проектов и полномасштабных приложений, выполненных многочисленными группами.

Реактивные процессы

Существует множество способов использования проницаемых реактивных мембран для исправить грунтовые воды. Два основных процесса - это иммобилизация (секвестрация AKA) и трансформация.

Иммобилизация

Иммобилизация загрязнителя может происходить через сорбция к барьерным материалам или осадки 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, следовательно, могут потребовать удаления реактивной среды и собранных продуктов, чтобы продолжить восстановление.[3]

Трансформация

Преобразование включает 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 необратимого редокс реакция. 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

Основная статья: Нульвалентное железо

Нульвалентное железо было первым материалом, который использовался в PRB для восстановление грунтовых вод. Он продолжает оставаться основным материалом, из которого строятся эти ограждения.[3] Помимо обычного окалины, наноразмер Также можно использовать железо.

Биологические барьеры

Иногда в землю кладут материал, чтобы стимулировать рост микробов, которые способствуют восстановление грунтовых вод. Многие загрязнители окружающей среды высоко уменьшенный, Таким образом окисление из этих загрязнителей в безвредные соединения составляет термодинамически жизнеспособный. Другие загрязнители, такие как хлорированные растворители, очень окисленный и как таковые легко сокращаются. Микроорганизмы обычно способствуют такому редокс реакции, использующие разложение загрязнителей как средство получения энергии и материалов для клеточного синтеза.[3]

Окислительное биоразложение требует электрон акцепторы, которые микробы используют, чтобы «дышать» электронами, удаленными от целевых загрязнителей. Эта передача электроны высвобождает энергию для управления жизненными функциями микробов. Под аэробный условиях, для этого используется молекулярный кислород. Когда кислорода нет, множество других молекул могут служить акцепторы электронов. Кислород утилизируется преимущественно по сравнению с анаэробный акцепторы 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 стимулирования аэробный биоразложение моноароматический углеводороды.[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 за счет замены низковалентных катионов (например, Al3+) с катионом более высокой валентности (например, Si4+) в структуре минерала.[4] Добавление сорбированный поверхностно-активные вещества может изменить сродство к анионам и неполярным органическим соединениям.[3] Накопившиеся на поверхности поверхностно-активные вещества создают гидрофобное органическое покрытие, которое способствует сорбция неполярных органических соединений. Цеолиты, модифицированные поверхностно-активными веществами (SMZ), перспективны для очистки неполярных органических загрязнителей. Однако глина низкая проницаемость означает, что его нельзя использовать в проточных PRB,[3] но были предложены для использования в стены из шлама, вкладыши для свалок и защитные барьеры.[5] Цеолиты; однако есть полости для поддержания гидравлическая проводимость, что позволяет использовать их в PRB.

Торф

Торф имеет большой удельная поверхность (> 200 м2/ г) и высокий пористость.[6] Металлы поглощаются торфом посредством реакции ионного обмена, при которой металл вытесняет протон, если pH низкий или существующий металл, если pH является высоким от анионной функциональной группы.[7] Анионы, такие как CrO2−
4 и MnO2−
4 удаляются более эффективно на 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 pH значения.[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. Наиболее важно то, что путем моделирования потока 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 очистки для дезактивации. 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:

  1. Определение местоположения PRB
  2. Определение подходящей конфигурации
  3. Определение ширины реактивной ячейки (и воронки для воронки и затвора)
  4. Оценка возможности недостаточного, переполнения или перетока через водоносные горизонты
  5. Предоставление информации о колебаниях потока грунтовых вод (скорости и направления) для использования в проекте
  6. Определение выбора реактивной среды (на основе гидравлической проводимости) для соответствия проводимости водоносный горизонт
  7. Оценка возможностей обхода потока из-за пониженной пористости
  8. Помощь в определении местоположения контрольных скважин и периодичности контроля[9]

Конфигурация

Железные преграды

нажмите, чтобы увеличить

На прилагаемом рисунке показаны два подхода к применению частиц железа для восстановление грунтовых вод: Рис. A, обычный PRB, сделанный из гранулированного железа размером в миллиметр, и рис. B, «зона реактивной обработки», образованная последовательным введением наноразмерного железа для образования перекрывающихся зон частиц, поглощенных зернами природного водоносного материала. В А грунтовые воды проходят через барьер и восстанавливаются. В B, наночастицы железа представлены черными точками; то наночастицы обладают малой подвижностью в пористой среде. Обратите внимание, что реакция будет происходить только тогда, когда загрязнители, растворенные в грунтовые воды или как DNAPL, соприкасаются 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 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 смешать 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

Стопка листов земляные работы использовались для установки более ранних PRB. Этот метод предполагает сдерживание участка раскопок с помощью шпунтовые сваи перед раскопками с использованием трекхол. 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 может использоваться 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, когда он удаляется, позволяя утюгу течь ко дну, 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 помощью контролируемых приложений высокого давления. Струи воды размывают зону, которая затем заполняется гуаровая камедь и железо. 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 смешивает ее с крупными шнеки. 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 удовлетворительно. 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, неверная гидравлическая характеристика нескольких сообщенных отказов PRB. Окислительно-восстановительный потенциал, входящий [pH] и входящие концентрации [щелочность], [нитрат Нет−
3] и [хлорид Cl−] являются сильнейшими предикторами возможного снижения производительности PRB. Реактивность среды, а не снижение проницаемости, является более вероятным фактором, ограничивающим долговечность поля PRB. Поскольку эта технология относительно новая, 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

Саннивейл, Калифорния

Во время установки PRB на Саннивейл, Калифорния, нажмите, чтобы увеличить

Первое внедрение PRB в полевых условиях было в Саннивейл, Калифорния, на территории ранее действовавшего завода полупроводников. На тот момент лучшее из доступных восстановление технология была насос и технология очистки. 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 уровень загрязнения снизился до целевого. 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 исправить шлейф загрязнения трихлорэтилен (ТВК) и шестивалентный хром (Cr (VI)). Для установки PRB потребовалось всего 6 часов с использованием технологии непрерывного рытья траншей, 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 обе системы будут иметь одинаковую эффективность, но анализ затрат показал, что установка непрерывной установки будет дешевле. 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

Во время установки PRB на Моффетт Филд, Калифорния, нажмите, чтобы увеличить

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 нулевалентных утюг. Первичные загрязнители были трихлорэтен (ТВК), цис-1,2 дихлорэтен (cDCE) и перхлорэтен (PCE). Данные ежеквартального мониторинга, индикаторов и анализа железных клеток были использованы для определения эффективности участка. 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 Фрай-Каньон была выбрана в 1996 году в качестве демонстрационной площадки для оценки возможностей удаления PRB для уран. Лабораторные эксперименты были проведены на трех потенциальных материалах 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 имели удовлетворительную гидравлическую проводимость, высокую эффективность удаления урана и высокую прочность на уплотнение. Использовалась конструкция воронки и затвора. Воронки направляли грунтовые воды в ворота PRB. 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, а это 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 восстановления грунтовых вод проводилась с использованием «традиционных технологий» (например, систем откачки и очистки), которые оказались дорогостоящими для соответствия применимым стандартам очистки.[19] В последние несколько лет исследования PRB расширились из-за снижения потребности в воде и энергии и возможности быть более экономичными, чем традиционные методы.[3] Хотя реакционная способность обычных материалов PRB с хлорированными соединениями давно признана, на месте заявки до недавнего времени не рассматривались.

Примечания

  1. ^ Gillham, R .; Vogan, J .; Gui, L .; Duchene M .; Сын Дж. (2010). Железные барьерные стены для очистки с помощью хлорированного растворителя. В: Stroo, H. F .; Уорд, К. Х. (ред.), На месте Восстановление шлейфов хлорированных растворителей. Springer Science + Business Media, Нью-Йорк, Нью-Йорк, стр. 537. Дои:10.1007/978-1-4419-1401-9
  2. ^ Tratnyek, P. G .; М. М. Шерер; Т. Дж. Джонсон; Мэтисон, Л.Дж. (2003). Проницаемые реакционные барьеры из железа и других металлов с нулевой валентностью. В: Tarr M. A. (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. Дои:10.1201 / 9780203912553.ch9
  3. ^ а б c d е ж грамм час Шерер, М.М.; Richter, S .; Valentine, R.L .; Альварес П. Дж. Дж. (2000). «Химия и микробиология проницаемых реактивных барьеров для на месте очистка грунтовых вод ». Critical Reviews in Environmental Science and Technology. 30 (3): 363-411. Дои:10.1080/10643380091184219
  4. ^ Bohn, H.L .; McNeal, B.L .; О'Коннор, Г.А. (1985). Химия почв. Wiley Interscience, John Wiley & Sons, Inc.
  5. ^ Sheng, 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. Дои:10.1021 / es9505208
  6. ^ McLellan, J. K .; Рок, К.А. (1988). Предварительная обработка фильтрата свалок торфом для удаления металлов. Загрязнение воды, воздуха и почвы. 37 (1-2): 203-215. Дои:10.1007 / BF00226492
  7. ^ Crist, R.H .; Martin, J. R .; Чонко, Дж. (1996). Поглощение металлов торфяным мхом: ионообменный процесс. Наука об окружающей среде и технологии. 30 (8): 2456-2461. Дои:10.1021 / es950569d
  8. ^ Моррисон, С. Дж .; Спенглер, Р. Р. (1992). Извлечение урана и молибдена из водного раствора: обзор промышленных материалов для использования в химических барьерах для восстановления хвостов урановых заводов. Экологические науки и технологии. 12 (3): 1922-1931. Дои:10.1021 / es00034a007
  9. ^ Fox, T. C .; Гупта, Нирадж. (1999). Гидрогеологическое моделирование проницаемых реактивных барьеров. Журнал опасных материалов. 68(1-2): 19-39. Дои:10.1016 / S0304-3894 (99) 00030-8
  10. ^ Tratnyek, P. G .; Джонсон, Р. «Восстановление с помощью железного металла». Центр исследования подземных вод. Орегонский университет здоровья и науки, 4 февраля 2005 г.
  11. ^ Сазерсон, С. С. (1997). Реактивные стены «на месте». В: Сатерсон, С.С. (ред.), Ремонтная инженерия: концепции дизайна. CRC Press, Ньютаун, Пенсильвания, стр. 187-213.
  12. ^ 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.
  13. ^ а б c d е ж Tratnyek, Paul G .; Б.А. Балко; другие (2002). Металлы в восстановлении окружающей среды и обучении (MERL). Мультимедийный компакт-диск, который преподает химию через историю развития экологических технологий. Видеть: Веб-сайт MERL В архиве 2011-07-20 на Wayback Machine.
  14. ^ Demond, A. H .; Хендерсон, А. Д. (2007). Долгосрочные характеристики проницаемых реактивных барьеров с нулевым валентным железом: критический обзор. Инженерная экология. 24 (4): 401-423. Дои:10.1089 / ees.2006.0071.
  15. ^ Bain, J. G .; Bennett, T. A .; Блоуес, Д. У .; Gillham, R.W .; Hanton-Fong, C.J .; O'Hannesin, S. F .; Ptacek, C.J .; Puls, R. W. (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.
  16. ^ 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]
  17. ^ Naftz, D.L .; Feltcorn, E.M .; Fuller, C.C .; Wilhelm, R.G .; Дэвис, Дж. А .; Моррисон, С. Дж .; Freethey, G.W .; Пиана; M. J .; Rowland, R.C .; Блю, Дж. Э. (1997–1998). Полевая демонстрация проницаемых реактивных барьеров для удаления растворенного урана из подземных вод, Фрай-Каньон, Юта. EPA. [2]
  18. ^ Национальный исследовательский совет. 1994. Комитет по альтернативам очистки подземных вод. В: Альтернативы очистке подземных вод. Национальная академия прессы, Вашингтон, округ Колумбия.
  19. ^ Mackay, D. M .; Черри, Дж. А (1989). Загрязнение подземных вод; Восстановление с помощью насоса и лечения. Экологические науки и технологии. 23 (6): 630-636. Дои:10.1021 / es00064a001

внешняя ссылка

Дополнительную информацию по этой теме можно найти на следующих сайтах:

  1. Блокнот Powell and Associates PRB
  2. Форум развития реабилитационных технологий PRB Action Team
  3. Круглый стол Федеральных реабилитационных технологий
  4. Информация об очистке загрязненных участков Агентства по охране окружающей среды США
  5. «Рубин» (Немецкая сеть PRB)
  6. Центр исследования грунтовых вод OHSU, железо нулевого валента

Есть также множество компаний, которые внедряют эту технологию. Вот лишь некоторые из них:

  1. ETI
  2. Hepure