Сущность основных современных технологий для очистки (рекультивации) грунтовых вод от нефти

Как правило, при загрязнении грунтовых вод дополнительные количества загрязняющих веществ обнаруживаются также на поверхности почвенных частиц, находящихся ниже уровня грунтовых вод.

Динамика потока грунтовых вод в большинстве встречающихся случаев (низкая скорость потока при незначительном смешивании) способствует просачиванию содержащихся в почве загрязняющих веществ в грунтовые воды в течение длительного периода времени. Поэтому восстановление в этом случае обычно растягивается на годы, но может понадобиться и активное восстановление почвы.

Основные технологии, которые применяются в настоящее время для очистки грунтовых вод, можно охарактеризовать общим термином –«откачка и очистка», поскольку они предусматривают откачку воды на поверхность с целью удержания факела загрязнения. Та или иная технология очистки осуществляется перед сбросом воды обратно в грунт, либо в дренажную систему (канализацию или водоток).

Для сужения поля выбора вариантов очистки необходимо иметь следующую информацию: содержание углеводородов в грунтовых водах в притоке (загрязненная грунтовая вода, поступающая на очистное сооружение), значения предельно-допустимых концентраций (ПДК) вредных веществ для грунтовых вод в стоке (очищенной воде), для того чтобы определить необходимые нормы очистки и расход потока в системе восстановления.

1. Метод адсорбции на уголь: процесс адсорбции на гранулированный активированный уголь (ГАУ) включает обеспечение контакта загрязненного потока воды с активируемым углем, что достигается обычно при пропускании потока через последовательность реакторов с ГАУ. Активированный уголь выборочно адсорбирует вредные составляющие благодаря явлению притягивания к поверхности, при котором органические молекулы притягиваются внутренними пустотами в гранулах угля. Способность ГАУ адсорбировать большие количества органических молекул из растворов объясняется их высокопористой структурой, которая обеспечивает большую площадь поверхности. Уголь можно активировать с выходом площади поверхности до 2500 м²/г, более типичная площадь поверхности – 1000м²/г. ГАУ можно получить из углеродистого сырья, такого как уголь, кокс, торф, дерево и ореховая скорлупа.

Наибольшая концентрация растворенного вещества во входном потоке, при котором можно выполнять процесс обработки в постоянном режиме с определенной экономической целесообразностью, составляет 10 мг/л, а 1%-ный раствор загрязненного входного потока считается верхним пределом, при котором возможно применение этой технологии. Взвешенные твердые вещества должны быть удалены путем фильтрации до размера 20–25 мкм до попадания в угольные секции.

Уголь помещают в бак в виде порошка. Поток носителя организуется таким образом, что вода движется сверху вниз. Уголь обычно активируется паром и очень горячим воздухом для удаления любых веществ с его поверхности. Обычно две или более секций устанавливаются последовательно. Когда происходит насыщение, секция удаляется из процесса и следующая секция перемещается на первую позицию. При обработке грунтовых вод, когда активированный уголь насыщается, его необходимо захоронить, использовать терморегенерацию или регенерацию паром.

Стоимость создания и обеспечения работы системы адсорбции при помощи угля зависит от размера секции, потока обрабатываемой воды и от уровня загрязнении во входном потоке. Следует отметить, что описанный метод дает высокую степень очистки при больших финансовых затратах, поэтому применяется в основном для очистки грунтовых вод с небольшими концентрациями вредных веществ в притоке (т. е. в откачиваемой для очистки грунтовой воде) и для обеспечения высоких уровней очистки в стоке (т. е. в потоке воды которая будет возвращаться в подземные горизонты после рекультивации).

2. Метод биореактора: для удаления нефтепродуктов из водной среды существует два различных биологических процесса – один происходит в присутствии кислорода (аэробные условия), в то время как другой происходит при отсутствии кислорода (анаэробные условия).

Биореакторы используются для микробиологического расщепления углеводородов в жидкости. Для улучшения расщепления могут быть добавлены культуры приспособленных организмов или могут быть использованы только природные организмы, находящиеся в жидкости.

Аэробные процессы:

Питательные вещества и кислород добавляются в реактор во время процесса очистки и интенсивно перемешиваются для ускорения биореакции.

Существуют две похожие технологии для использования в системе биореактора, при которых загрязнения в извлеченной грунтовой воде приводятся в контакт с микроорганизмами. Две различные системы можно определить как связанную и взвешенную, названия отражают способ образования колоний микробов:

1. Во взвешенных системах загрязненные грунтовые воды циркулируют в насыщенном газом резервуаре, в котором популяция микробов аэробически расщепляет органическое вещество и производит новые клетки. Новые клетки образуют шлам, который попадает в фильтр. Биомасса шлама возвращается в насыщенный газами резервуар. Такая система используется наиболее часто. Обычно ее называют системой с активным шламом.

2. В связанных системах, таких как биологические контакторы и струйные фильтры, микроорганизмы помещаются в инертную матрицу для аэробного расщепления веществ загрязняющих грунтовые воды. Популяция микробов может быть либо выделена из источника загрязнения, либо получена путем засевания организмов, специфичных для данного загрязнения.

Связанные и взвешенные системы часто используют совместно, комбинированная система обеспечивает более высокую скорость и эффективность биорасщепления

Анаэробное вываривание:

Существует класс биореакторов, называемых также «варочным котлом», в котором биологический процесс происходит при отсутствии кислорода. Процесс называется «анаэробным вывариванием» и определяется как последовательный биологический процесс разрушения, при котором углеводороды при отсутствии кислорода преобразуются из сложных в более простые молекулы и в конце концов в двуокись углерода и метан. Процесс обеспечивается группой организмов, которые разрастаются в результате катаболического процесса и захватывают энергии углеводородов для роста и репродукции с помощью каталитического присутствия определенных энзимов.

Анаэробное выпаривание имеет несколько преимуществ перед аэробными биологическими процессами – так, энергия для аэрации в этом случае не нужна. Образование твердых веществ при росте биологических клеток примерно в 20 раз меньше, чем при аэробном процессе при меньшей стоимости используемого твердого вещества. Могут быть достигнуты чрезвычайно высокие скорости расщепления органических веществ, и получаемый метан может использоваться для получения энергии или продаваться. Недостатком является то, что иногда требуется значительное время для генерации популяции микробов.

Время, необходимое для очистки загрязненной местности, зависит от многих факторов и очень сильно от подпочвенных условий и от скорости десорбции загрязнений. Система реактора может быть приспособлена для обработки извлеченных грунтовых вод с любой необходимой скоростью откачивания.

Затраты на очистку биометодом зависят от типа загрязняющих веществ и их концентраций во входящем потоке обрабатываемой воды. Биологическая обработка часто оказывается более экономичной, чем адсорбция с помощью угля.

3. Окисление под действием ультрафиолета (УФ): окисление под действием ультрафиолетовых лучей – относительно новая технология, это комбинация двух методов, при которых углеводороды химически распадаются на двуокись углерода и воду. Эта технология эффективна только для прозрачных потоков воды.

УФ излучение, озон или перекись водорода используются для разрушения органических загрязняющих веществ при движении воды в резервуар для обработки. Устройство разрушения под действием озона используется для обработки отходящего из резервуара газа. Озон окисляет выделяемые газы до полностью минерализованных веществ, таких как СО₂ и Н₂О.

Перекись водорода используется для окисления углеводородов в течение многих лет, этот процесс является эквивалентом химического сжигания вещества. Озон, который является формой кислорода с высокой энергией, также может использоваться для достижения того же результата. Перекись водорода (или озон) внедряется в поток воды и проходит последовательно под УФ лампами для того, чтобы «активировать» окислитель путем передачи энергии молекулам. После этого такая очень активная форма перекиси водорода или озона быстро воздействует на углеводороды. Перекись водорода расщепляет углеводороды на двуокись углерода, воду и ионы хлора (если присутствуют хлорированные углеводороды).

Обычная система окисления пол действием УФ лучей состоит из четырех основных компонентов или модулей:

· модуль резервуара для обработки или реактор, содержащий УФ лампы и диффузоры озона;

· генератор озона с модулем сжатого воздуха;

· система химического обеспечения внедрения в реактор перекиси водорода;

· устройство расщепления каталитического озона для обработки отходящего газа и удаления неиспользованного озона.

Мощность используемых систем варьируется от нескольких литров в минуту до нескольких тысяч литров в минуту.

Стоимость самого процесса достаточно велика, что связано с использованием сложного оборудования, необходимости предварительной обработки входящего потока, из-за присутствия взвешенных частиц, стоимости перекиси водорода и озона, а также расходов на электроэнергию.