Способ восстановления на месте загрязненных гетерогенных почв - RU2143954C1

Чертежи

Описание

Изобретение относится к восстановлению на месте загрязненных гетерогенных почв. В одном аспекте это изобретение относится к новому способу, сочетающему электроосмос и/или электромиграцию, гидравлический поток и очистку на месте от загрязняющих веществ в зонах очистки с помощью биологических, физикохимических или электрохимических средств. В еще одном аспекте это изобретение относится к новому способу восстановления на месте почв, загрязненных токсичными органическими соединениями и/или токсичными ионными загрязняющими веществами, такими, как металлы и радионуклиды.

Как правило, разложение токсичных органических соединений на безвредные продукты, такие, как CO₂ и вода, можно провести либо биологическим, либо физикохимическим путем при условии, что очистка выполняется в регулируемой окружающей среде, причем ключевые рабочие параметры, такие, как параметры температуры, давления, смешивания, добавления реагентов или питательных веществ и т.д., оптимизированы. Примеры этих технологий включают сжигание и его разновидности, окисление водой субкритического давления, окисление с помощью ультрафиолетового (УФ) излучения/окисление H₂ O₂ /окисление озоном/ каталитическое окисление, восстановительное дегалогенирование и биоразложение в оптимизированном биореакторе. На реактор приходится основная часть затрат на эти процессы вследствие либо экстремальных условий, необходимых при термических подходах, либо длительных периодов выдерживания, необходимых при биологических подходах. Чтобы решить эти проблемы, разложение загрязняющих веществ необходимо проводить на месте во избежание затрат и сложностей, связанных с выемкой и переработкой, а способ должен быть энергоэффективным и мягким по условиям его осуществления, чтобы минимизировать капитальные и эксплуатационные затраты.

Для восстановления загрязненной почвы и грунтовой воды было предложено и разработано много технологий на месте. Поскольку большинство подповерхностных почв гетерогенны, т. е. состоят из различных зон низкой проницаемости, например, глинистой почвы, илистой почвы или измельченной подстилающей породы, в областях высокой проницаемости, например, песчаной почвы, или наоборот, такие технологии, как правило, не очень эффективны.

Гидравлический, или приводимый в движение давлением поток, например, при прокачивании или промывке почвы, вызывает преимущественный поток в областях высокой проницаемости. Медленная диффузия загрязняющих веществ из зон низкой проницаемости на траектории предпочтительного потока обуславливает постепенное низкоуровневое высвобождение загрязняющего вещества и неудовлетворительно длительное время очистки. Это основная проблема технологии перекачивания и очистки, которая является основным способом, используемым при восстановлении грунтовых вод при загрязнении. Технология перекачивания и очистки, при которой воду сначала откачивают из загрязненных водоносных слоев, очищают, а потом сливают, довольно неэффективен, поскольку время очистки после реализации проектов значительно превышает время очистки, соответствовавшее первоначальным оценкам. В случаях неподвижной зоны, загрязненной значительными количествами поглощенных загрязняющих веществ, или присутствия жидкостей неводной фазы, проектное время очистки составляет сотни лет.

Ввиду ограничений, вносимых технологией перекачивания и очистки, были разработаны и оценены различные усовершенствования перекачивания и очистки. Они включают повторное впрыскивание очищенной грунтовой воды, пульсацию и биовосстановление на месте. Однако эти усовершенствованные способы не продемонстрировали значительных улучшений в получении постоянных растворов или уменьшении затрат. Обнаружено, что повторное впрыскивание очищенной грунтовой воды уменьшает время очистки на величину до 30%, но без какого бы то ни было снижения затрат. Пульсация системы перекачивания и очистки находит применение там, где диффузия регулирует высвобождение загрязняющих веществ, но исследования выявили, что время очистки при этом даже больше, хотя затраты могут быть и ниже, поскольку очищается меньше воды. Биовосстановление на месте также не повышает темпы очистки систем перекачивания и очистки там, где время очистки регулируется диффузией из неподвижной зоны. Кроме того, достигнуто лишь немногое в улучшении ситуации со временем очистки и приближении к целям восстановления в случае, когда значительные количества загрязняющих веществ присутствуют в зонах низкой проницаемости.

Для применения в процессах восстановления на месте загрязненных почв низкой проницаемости были предложены различные способы. Примером такого способа является электроосмос. Однако практикуемый в настоящее время электроосмос имеет ограничения, которые делают его коммерчески невыгодным.

Для восстановления на месте почв, загрязненных неионными растворимыми органическими соединениями, была предложена электрокинетика, в частности - электроосмос. Электроосмос обуславливает приложение электрического потенциала между двумя электродами, погруженными в почву, чтобы заставить воду в почвенной основе двигаться от анода к катоду, когда почвы заряжены отрицательно, так, как это происходит с глинистыми почвами. Однако, когда почва заряжена положительно, направление потока должно быть от катода к аноду. Этот способ применяют с тридцатых годов двадцатого века для удаления воды из глин, илов и мелкодисперсных песков. Основное преимущество электроосмоса как способа восстановления на месте трудновосстановимых сред, таких, как глина и илистый песок, заключается в присущей этому способу возможности заставить воду течь равномерно сквозь глину и илистый песок в 100-1000 раз быстрее, чем это можно осуществить гидравлическими средствами, и при очень низких затратах энергии. Электроосмос в том виде, каком он практикуется в настоящее время, имеет два основных ограничения, которые делают его непрактичным для восстановления в реальных полевых условиях. Во-первых, поток жидкости, стимулируемый электроосмосом, исключительно медленный, т.е. идущий со скоростью примерно 2,5 см/сутки (1 дюйм/сутки) для глинистых почв, что может привести к затрудненному и очень длительному процессу в крупномасштабных операциях. Во-вторых, несколько лабораторных исследований (см. Bruell, C.J. et al., "Electroosmotic Removal of Gasoline Hydrocarbons and TCE from Clay", J. Environ. Eng., Vol. 118, N 1, pp. 68-83, January/February 1992, u Segall, B. A. et al., "Electroosmotic Contaminate-Removal Processes", J.Environ. Eng., Vol. 118, N 1, pp. 84-100, January/February 1992 показали, что часть пласта почвы становится сухой приблизительно через месяц под влиянием электроосмоса, вследствие чего поток уменьшается и в конечном счете происходит остановка процесса. Еще одно лабораторное исследование (см. Shapiro et al., "Removal of Contaminants From Saturated Clay by Electroosmosis", Environ. Sci. Technol., Vol. 27 N 2 pp. 283-91, 1993) показало, что кислота, образовавшаяся у анода, перемещается через пласт почвы в направлении катода, вследствие чего имеет место уменьшенный электроосмотический поток и в конце концов происходит остановка процесса.

Помимо этого, электроосмос, как правило, неэффективен для почв относительно высокой проницаемости, например, относительно неплотно упакованных песчаных почв. Обычно для градиента электрического напряжения 1 В/см электроосмотическая проницаемость находится в диапазоне (10^-5-10^-4) см/сек. Для сравнения, гидравлические проницаемости песчаных почв обычно превышают 10^-3 см/сек. Таким образом, в случае гетерогенных почв, как только жидкость выходит из зоны низкой проницаемости, она больше не находится под эффективным управлением электроосмотического усилия, и определять доминирующее направление потока жидкости будет гидравлическое усилие и/или сила тяжести. Это основная причина, по которой электроосмос считают имеющим ограниченное применение - только для очистки почв низкой проницаемости, имеющих гидравлическую проницаемость в диапазоне (10^-8-10^-4) см/сек.

Для применения в процессах восстановления почв, загрязненных ионными загрязняющими веществами, такими, как тяжелые металлы и радионуклиды, предложено несколько способов. Способы не на месте, например, сепарация, включают удаление загрязняющих ионных веществ и очистку почвы не на месте для удаления загрязняющих веществ. Примеры способов сепарации включают промывку и экстракцию почв. Однако способы не на месте коммерчески неприемлемы из экономических соображений, вытекающих из необходимости выемки и очистки загрязненной почвы. Способы на месте включают электромиграцию и иммобилизацию.

Электрокинетика, в частности, электромиграция, включает приложение электрического потенциала между электродами, погруженными в почву, чтобы заставить растворенные элементы, например, ионы металлов, мигрировать через раствор вдоль приложенного градиента электрического напряжения, т.е. совершать электромиграционное движение. Заряженные изотопы металлов в почве мигрируют к противоположно заряженным электродам и скапливаются у этих электродов. В том виде, как ее осуществляют в настоящее время, электромиграция имеет серьезные ограничения, которые делают ее неприемлемой для восстановления в реальных полевых условиях. Во- первых, pH раствора вблизи катода имеет тенденцию к соответствию высокой щелочности среды ввиду электролиза воды на электроде, и это вызывает осаждение большинства металлов в почве, затрудняя удаление загрязняющих веществ, а также блокируя поток воды через область загрязненной почвы. Во-вторых, электрокинетика сама по себе не очень устойчивый процесс вследствие присущих этому процессу концентрации, pH и осмотических градиентов в почве между электродами, что оказывает негативное влияние на этот процесс. Кроме того, почва и сама по себе изменяется со временем, например, почва будет претерпевать негативные изменения вследствие высыхания и растрескивания.

Иммобилизация изолирует загрязняющее вещество в твердой почвенной основе. Традиционными вариантами иммобилизации для почвы, загрязненной тяжелыми металлами являются кристаллизация/закрепление (К/З) и стеклование. При традиционных способах К/З обеспечивается получение монолитных блоков отходов, обладающих высокой структурной целостностью. Однако присутствие углеводородов мешает созданию К/З основы и может увеличить вымывание тяжелых металлов, когда металлы расчленяют органическую фазу. Стеклование обуславливает нагрев загрязненной почвы с образованием химически инертных материалов, например, стекла. При стекловании большие электроды внедряют в почву, которая содержит значительные количества силикатов. Прикладывают электрический ток, и генерируемое тепло расплавляет почву, в загрязняющие вещества постепенно вырабатываются вниз сквозь почву. Загрязняющие вещества в расплавленной почве, вероятно, не вымываются. Все же ни иммобилизация, ни стеклование не является экономически выгодным промышленным процессом.

Почва, загрязненная токсичными органическими соединениями и тяжелыми металлами и/или радионуклидами, создает дополнительные проблемы, поскольку схемы восстановления, приемлемые для одного типа загрязнения, зачастую неприемлемы для другого типа загрязнения. Например, традиционные способы восстановления в случае органических соединений, такие, как биовосстановление, сжигание и термодесорбция, как правило неэффективны в случае тяжелых металлов. Кроме того, присутствие большинства тяжелых металлов может оказывать отравляющее воздействие на микроорганизмы, используемые для разложения органических соединений. Очистка в случае загрязнения смешанными стоками обычно требует сочетания различных способов, что ведет к более высоким затратам, которые неприемлемы.

Поэтому было бы очень желательно разработать способ восстановления на месте, который промышленно осуществим и экономичен, а также решает все вышеуказанные проблемы, связанные с известными в настоящее время технологиями. Обнаружено, что сочетание электрокинетики, приводимой в действие давлением или гидравлического потока и разложения загрязняющих веществ на месте в зонах очистки с помощью биологических, физикохимических или электрохимических средств решает вышеуказанные проблемы.

Краткое изложение существа изобретения
Техническая задача изобретения заключается в том, чтобы разработать способ восстановления на месте загрязненной гетерогенной почвы. Другая техническая задача изобретения заключается в том, чтобы разработать промышленно применимый и экономичный способ восстановления на месте загрязненной гетерогенной почвы. Еще одна техническая задача изобретения заключается в том, чтобы разработать способ восстановления на месте загрязненной гетерогенной почвы, не имеющий проблем, связанных с использованием электрокинетики, гидравлического потока и биологического или физикохимического разложения.

В соответствии с изобретением разработан способ восстановления на месте области загрязненной гетерогенной почвы, который включает внесение материала для очистки от загрязняющих веществ в области загрязненной гетерогенной почвы, по меньшей мере, в одну область, проницаемую для жидкости, в пределах области загрязненной гетерогенной почвы с образованием, по меньшей мере, одной зоны очистки в пределах области загрязненной гетерогенной почвы, пропускание постоянного электрического тока, по меньшей мере, через одну область почвы низкой проницаемости в пределах области загрязненной гетерогенной почвы между первым электродом и вторым электродом, имеющими противоположные заряды, причем (i) первый электрод расположен на первом конце области загрязненной гетерогенной почвы, а второй электрод расположен на противоположном конце области загрязненной гетерогенной почвы, или (ii) первый электрод расположен на первом конце каждой из областей почвы низкой проницаемости, а второй электрод расположен на противоположном конце каждой из областей почвы низкой проницаемости, (1) чтобы вызвать электроосмотический поток от второго электрода к первому электроду, (2) чтобы вызвать электромиграционное движение ионных загрязняющих веществ в направлении к электроду противоположного заряда, или (3) чтобы вызвать электроосмотический поток от второго электрода к первому электроду и электромиграционное движение ионных загрязняющих веществ в направлении к электроду противоположного заряда, и приложение гидравлического градиента поперек области загрязненной гетерогенной почвы, чтобы вызвать гидравлический поток от находящегося под высоким давлением конца области загрязненной гетерогенной почвы к находящемуся под низким давлением концу области загрязненнной гетерогенной почвы.

Краткое описание чертежей
Фиг. 1 - изображение компоновки электроосмотического элемента, использованного в примере 1.

Фиг. 2 - изображение компоновки электроосмотического элемента, использованного в примере 2.

Подробное описание изобретения
Первый вариант осуществления изобретения относится к способу восстановления на месте области загрязненной гетерогенной почвы, включающему:
а) внесение материала для очистки от загрязняющих веществ в области загрязненной гетерогенной почвы, выбранного из группы, состоящей из микроорганизмов, питательных веществ, акцепторов электронов, катализаторов, адсорбентов, поверхностно- активных веществ, доноров электронов, сометаболитов, хелатирующих добавок, ионообменных смол, буферов, солей и их сочетаний, по меньшей мере, в одну область, проницаемую для жидкости, в пределах области загрязненной гетерогенной почвы с образованием, по меньшей мере, одной зоны очистки в пределах области загрязненной гетерогенной почвы;
б) пропускание постоянного электрического тока, по меньшей мере, через одну область почвы низкой проницаемости в пределах области загрязненной гетерогенной почвы между первым электродом и вторым электродом, имеющими противоположные заряды, причем (i) первый электрод расположен на первом конце области загрязненной гетерогенной почвы, а второй электрод расположен на противоположном конце области загрязненной гетерогенной почвы, или (ii) первый электрод расположен на первом конце каждой из областей почвы низкой проницаемости, а второй электрод расположен на противоположном конце каждой из областей почвы низкой проницаемости, 1) чтобы вызвать электроосмотический поток от второго электрода к первому электроду, 2) чтобы вызвать электромиграционное движение ионных загрязняющих веществ в направлении к электроду противоположного заряда, или 3) чтобы вызвать электроосмотический поток от второго электрода к первому электроду и электромиграционное движение ионных загрязняющих веществ в направлении к электроду противоположного заряда; и в) приложение гидравлического градиента поперек области загрязненной гетерогенной почвы, чтобы вызвать гидравлический поток от находящегося под высоким давлением конца области загрязненной гетерогенной почвы к находящемуся под низким давлением концу области загрязненной гетерогенной почвы.

В первом варианте осуществления предлагаемого способа изобретение дополнительного включает: (г) 1) периодическое изменение на противоположную полярности первого и второго электродов для изменения на противоположное направления движения загрязняющих веществ через зоны очистки; 2) рециркуляцию воды из электроосмотического потока от первого электрода к второму электроду, или 3) периодическое изменение на противоположную полярности первого и второго электродов для изменения на противоположное направления движения загрязняющих веществ через зоны очистки и рециркуляцию воды из электроосмотического потока в направлении, противоположном электроосмотическому потоку. В первом варианте осуществления предлагаемого способа изобретение дополнительно включает периодическое изменение на противоположный гидравлического градиента поперек области загрязненной гетерогенной почвы, чтобы изменить на противоположное направление гидравлического потока через область загрязненной гетерогенной почвы. Изменение на противоположный гидравлического градиента можно осуществлять отдельно или в сочетании с изменением на противоположную полярности или с рециркуляцией электроосмотического потока.

Второй вариант осуществления изобретения относится к способу восстановления на месте области загрязненной гетерогенной почвы, включающему: (а) формирование, по меньшей мере, одной зоны, проницаемой для жидкости, в пределах области загрязненной гетерогенной почвы, (б) внесение материала для очистки от загрязняющих веществ в области загрязненной гетерогенной почвы, выбранного из группы, состоящей из микроорганизмов, питательных веществ, акцепторов электронов, катализаторов, адсорбентов, поверхностно-активных веществ, доноров электронов, сометаболитов, хелатирующих добавок, ионообменных смол, буферов, солей и их сочетаний, по меньшей мере, в одну область, проницаемую для жидкости, в пределах области загрязненной гетерогенной почвы с образованием, по меньшей мере, одной зоны очистки в пределах области загрязненной гетерогенной почвы; (в) пропускание постоянного электрического тока, по меньшей мере, через одну область почвы низкой проницаемости в пределах области загрязненной гетерогенной почвы между первым электродом и вторым электродом, имеющими противоположные заряды, причем (i) первый электрод расположен на первом конце области загрязненной гетерогенной почвы, а второй электрод расположен на противоположном конце области загрязненной гетерогенной почвы, или (ii) первый электрод расположен на первом конце каждой из областей почвы низкой проницаемости, а второй электрод расположен на противоположном конце каждой из областей почвы низкой проницаемости, 1) чтобы вызвать электроосмотический поток от второго электрода к первому электроду, 2) чтобы вызвать электромиграционное движение ионных загрязняющих веществ в направлении к электроду противоположного заряда, или 3) чтобы вызвать электроосмотический поток от второго электрода к первому электроду и электромиграционное движение ионных загрязняющих веществ в направлении к электроду противоположного заряда; и (г) приложение гидравлического градиента поперек области загрязненной гетерогенной почвы, чтобы вызвать гидравлический поток от находящегося под высоким давлением конца области загрязненной гетерогенной почвы к находящемуся под низким давлением концу области загрязненной гетерогенной почвы.

Во втором варианте осуществления предлагаемого способа изобретение дополнительно включает: (д) 1) периодическое изменение на противоположную полярности первого и второго электродов для изменения на противоположное направления движения загрязняющих веществ через зоны очистки, 2) рециркуляцию воды из электроосмотического потока от первого электрода ко второму электроду, или 3) периодическое изменение на противоположную полярности первого и второго электродов для изменения на противоположное направления движения загрязняющих веществ через зоны очистки и рециркуляцию воды из электроосмотического потока в направлении, противоположном электроосмотическому потоку. Во втором варианте осуществления предлагаемого способа изобретение дополнительно включает периодическое изменение на противоположный гидравлического градиента поперек области загрязненной гетерогенной почвы, чтобы изменить на противоположное направление гидравлического потока через область загрязненной гетерогенной почвы. Изменение на противоположный гидравлического градиента можно осуществлять отдельно или в сочетании с изменением на противоположную полярности или с рециркуляцией электроосмотического потока.

В еще одном варианте осуществления предлагаемых способов гидравлический поток отводят от находящегося под низким давлением конца области загрязненной гетерогенной почвы и очищают для удаления содержащихся в нем загрязняющих веществ, а очищенный гидравлический поток необязательно рециркулируют в область загрязненной гетерогенной почвы у находящегося под высоким давлением конца области гетерогенной почвы.

В одном варианте осуществления предлагаемых способов гидравлический градиент поперек области загрязненной гетерогенной почвы прикладывают непрерывно. В еще одном варианте осуществления предлагаемых способов гидравлический градиент поперек области загрязненной гетерогенной почвы прикладывают периодически, получая пульсирующий гидравлический поток. В другом варианте осуществления предлагаемых способов гидравлический поток и электроосмотический поток по существу текут в одном направлении. В еще одном варианте осуществления предлагаемых способов гидравлический поток и электроосмотический поток текут в противоположных направлениях. В том смысле, который здесь имеется в виду, термин "противоположные направления" включает все формы протекания гидравлического и электроосмотического потоков, за исключением потоков, по существу текущих в одном направлении, т. е. по существу противонаправленные, по существу перпендикулярные и проходящие под противолежащими углами, отличающимися от углов примерно 0^o, примерно 90^o и примерно 180^o .

В соответствии с предлагаемыми способами, электроосмотический поток и/или электромиграционный поток могут существовать последовательно или одновременно. Кроме того, в соответствии с предлагаемыми способами, области, проницаемые для жидкости, в пределах области загрязненной гетерогенной почвы образуют до внесения материала для очистки от загрязняющих веществ или использования существующих областей, проницаемых для жидкости.

В том смысле, в каком он употребляется здесь, термин "область загрязненной гетерогенной почвы" означает область гетерогенной почвы, содержащую органические соединения и/или ионные загрязняющие вещества, такие, как металлы и/или радионуклиды, которая содержит области такой низкой проницаемости, что невозможно равномерно перекачивать жидкость через них гидравлическими средствами. Примеры таких областей низкой проницаемости включают (но не ограничиваются этим) глинистые и илистые почвы.

В том смысле, в каком он употребляется здесь, термин "электрокинетика" включает и электроосмос, и электромиграцию. Тип загрязняющих веществ в области загрязненной почвы и физические и химические характеристики области загрязненной почвы, например, pH и т.д., определят, будет ли результатом пропускания постоянного электрического тока между электродами электроосмотический поток, вызывающий движение неионных растворимых органических загрязняющих веществ, электромиграционное движение ионных загрязняющих веществ или оба эти движения. Относительная природа электромиграции по сравнению с электроосмосом такова, что движение ионных загрязняющих веществ путем электромиграции в 3-10 раз быстрее, чем поток, вызванный электроосмосом. В случаях, когда происходит и электроосмос, и электромиграция, можно использовать это различие для повышения эффективности очистки от органических и ионных загрязняющих веществ путем реализации способа и скорости, при которых происходит очистка от этих веществ в зонах очистки.

В вариантах осуществления изобретения, где используют рециркуляцию воды в направлении, противоположном направлению электроосмотического потока, отдельно или в сочетании со способом изменения на противоположную полярности электродов, воду можно рециркулировать любым традиционным способом, известным специалистам в данной области техники. Примеры таких способов включают, но не ограничиваются, перекачивание, использование соединительной трубы или трубки между электродами противоположного заряда, и, в случае вертикальных электродов у поверхности почвы, затопление поверхности между электродами. В настоящее время предпочитают рециркуляцию жидкости с помощью соединительной трубы или трубки между электродами противоположной полярности, чтобы обеспечить создание гидравлического перепада давления между электродами противоположного заряда с целью перемещения воды в направлении, противоположном электроосмотическому потоку, в частности, когда такую рециркуляцию используют в сочетании с изменением на противоположную полярности электродов, чтобы исключить потребность в дублирующем оборудовании.

В предпочтительных в настоящее время вариантах осуществления изобретения используют изменение на обратную электрической полярности электродов, чтобы исключить проблемы, связанные с длительной электрокинетической обработкой отдельно или в сочетании с изменением на обратный гидравлического градиента поперек области загрязненной гетерогенной почвы, чтобы изменить на обратное направление гидравлического потока через область загрязненной гетерогенной почвы.

Области, проницаемые для жидкости, в области загрязненной гетерогенной почвы можно образовать любым традиционным способом, известным специалистам в данной области техники. Кроме того, области, проницаемые для жидкости, используемые в изобретении, могут включать области, проницаемые для жидкости, существующие в пределах области низкой проницаемости, или области почвы высокой проницаемости. В том смысле, в каком он употребляется здесь, термин "область, проницаемая для жидкости" означает область или зону в пределах области загрязненной гетерогенной почвы, либо в пределах области низкой проницаемости или области почвы высокой проницаемости, которая доступна для проникновения в нее жидкости в процессе электроосмоса и/или прохождения гидравлического потока. Области, проницаемые для жидкости, могут быть дискретными областями или непрерывными областями, проницаемыми для жидкости. В том смысле, в каком он употребляется здесь, термин "непрерывные области, проницаемые для жидкости" означает области, образованные в пределах области загрязненной гетерогенной почвы, которая содержит смеси почвы и очищаемых материалов, в которой почва или очищаемые материалы могут быть непрерывной фазой. Примеры способов образования дискретных областей, проницаемых для жидкости, включают, но не ограничиваются, гидравлический разрыв, пневматический разрыв, импульсный разрыв, забивание шпунтовых свай, формирование траншей, направленное бурение и сочетания этих способов. В том смысле, в каком он употребляется здесь, термин "формирование траншей" включает технологию создания перемычек из разжиженной глины, при которой траншею заполняют разжиженной глиной, которая содержит материал для очистки от содержащегося в области загрязненной гетерогенной почвы загрязняющего вещества, при условии, что перемычка из разжиженной глины проницаема для жидкости при электроосмосе и/или прохождении частей гидравлического потока в рамках предлагаемого способа. Примером образования непрерывной области, проницаемой для жидкости, является бурение почвы/смешивание. Кроме того, используемые в изобретении проницаемые для жидкости области могут включать существующие области, проницаемые для жидкости, в пределах области загрязненной гетерогенной почвы. Примером существующих областей, проницаемых для жидкости, являются песчаные области в плотных почвах, т.е. областях почвы низкой проницаемости, которые обычно называют линзами. Предпочтительными в настоящее время способами образования дискретных областей, проницаемых для жидкости, являются гидроразрыв и забивание шпунтовых свай. Предпочтительным в настоящее время способом образования областей, проницаемых для жидкости, в областях маломощных загрязненных почв является формирование траншей.

В другом варианте осуществления предлагаемых способов, когда органические и/или ионные загрязняющие вещества не разлагаются в пределах зон очистки, т. е. когда загрязняющие вещества адсорбируются или иным способом содержатся в зонах очистки, загрязняющие вещества восстанавливают из зон очистки любым традиционным способом, известным специалистам в данной области техники, и в число этих способов входят (но оно этим не ограничивается) экстракция, промывка струей жидкости и физическое восстановление очищающего материала, например, удаляемого очищающего материала, такого, как пористый материал шпунтовых свай. Конкретный способ восстановления будет зависеть от типа очищающего материала, способа образования области, проницаемой для жидкости, и типа присутствующих загрязняющих веществ, и будет очевиден для специалистов в данной области техники.

В еще одном варианте осуществления предлагаемых способов их осуществляют с перерывами. В том смысле, в каком он употребляется здесь, термин "прерывистая обработка" означает (а), что дополнительный очищающий материал (дополнительные очищающие материалы) вводят в существующую зону очистки (существующие зоны очистки) при восстановлении уже имеющегося очищающего материала (уже имеющихся очищающихся материалов) до введения нового очищающего материала (новых очищающих материалов), как указано выше, или без восстановления уже имеющегося очищающего материала (уже имеющихся очищающих материалов), или (б) что постоянный электрический ток, который обеспечивает движущее усилие во время электрокинетического процесса, изменяется во время операции включения/отключения, чтобы обеспечить, например, продолжительность обработки стоков разлагаемых загрязняющих веществ в зонах очистки, например, путем биоразложения, до введения дополнительных загрязняющих веществ в зоны очистки.

В еще одном варианте осуществление предлагаемых способов дополнительные области, проницаемые для жидкости, а затем и зоны очистки образуют во время после начала восстановления на месте, чтобы осуществить дополнительную очистку области загрязненной почвы. Примером использования зон очистки, образованных после начала восстановления на месте является ситуация, в которой исходные зоны очистки используют для улавливания загрязняющего вещества, которое должно быть токсичным для очищающего материала, например, микроорганизмов, если очищающий материал присутствует с самого начала.

Гидравлический разрыв - это способ обеспечения доступа к подповерхностной почве в целях восстановления. Разрыв подповерхностных образований обеспечивают путем впрыскивания или закачивания разрывающей текучей среды через скважину со скоростью и давлением, достаточными для того, чтобы вызвать формирование разрыва в образовании, например, в области загрязнения гетерогенной почвы. Вязкость разрывающей текучей среды обычно повышают с помощью геля, например, растворимого в воле натурального или синтетического полимера. Примеры растворимых в воде полимеров включают (но не ограничиваются) гуар, гидроксипропилгуар, метилоксипропилгуар, метилцеллюлозу и гидроксицеллюлозу.

Гидравлический разрыв можно получить любым традиционным способом, известным специалистам в данной области техники, таким, как раскрытые в патентах США N 4964466, N 4378845 и N 4067389. Например, после размыкания дна скважины струей воды матрицу гуаровой камеди с гранулированным материалом, предпочтительно песком, суспендированным в ней, заполняют под достаточным давлением до тех пор, пока не образуется разрыв плоской формы. Для разрыва матрицы гуаровой камеди вводят фермент, который потом можно откачать, оставляя песчаную линзу. Эти разрывы могут находиться на расстоянии друг от друга до 20 см (8 дюймов). Питательные вещества, микроорганизмы, окислители, катализаторы, адсорбенты, поверхностно-активные вещества, доноры электронов, сометаболиты, желатирующие добавки, ионообменные смолы, буферные растворы и/или соли можно подавать в эти песчаные линзы, т.е. разрывы, с образованием зон очистки для разложения токсичных материалов, присутствующих в области, загрязненной гетерогенной почвы, в соответствии с предлагаемым способом. Гранулированный материал обычно называют раскалывающим агентом, и он необходим для того, чтобы препятствовать закрытию разрыва после того, как растворимый в воде полимер будет разрушен и удален.

В усовершенствованном способе гидравлического разрыва традиционную разрывающую текучую среду заменяют разрывающей текучей средой, содержащей водную транспортирующую среду и природный органический материал в качестве раскалывающего агента. В том смысле, в каком он употребляется здесь, термин "природный органический материал" относится к материалам, которые дают превосходные поверхности для микробных отложений, а также представляют собой долгосрочный источник пополнений питательных веществ для стимулирования роста микроорганизмов. Биоразложению хлорированных органических соединений, которое может потребовать присутствия определенных сометаболитов для быстрого разложения, может способствовать разнообразный органический состав этих материалов. Примеры природных органических материалов включают, но не ограничиваются, опилки, древесную стружку, мульчу, компост и т.п., а также их смеси.

Использование природного органического материала в качестве раскалывающего агента имеет серьезные преимущества по сравнению с использованием песка в качестве раскалывающего агента. Среди этих преимуществ: 1) исключение потребности в использовании придающего вязкость агента, например, растворимого в воде полимера, такого, как в вышеуказанных примерах, и, необязательно, сшивающего агента, и 2) исключение потребности в том, чтобы разрывать полимерную матрицу и удалять ее из разрывов путем впрыскивания фермента или окислителя, например, гипохлорита кальция или натрия и персульфата натрия или аммония, которые разрушают полимерную матрицу, или путем терморазложения в зависимости от температуры в разрыве. При разрушении полимерной матрицы ферменты обычно используют при температуре примерно до 50^oC, окислители обычно используют при температуре примерно до 80^o C, а только нагрев - при температурах свыше 135^oC. Помимо этого, природный органический материал воздействует как (а) материал подложки для микроорганизмов в разрывах, (б) дополнительный или альтернативный источник питательных веществ для микроорганизмов и (в) резервуар для хранения влаги, который выгоден и в случае микробной активности, и в случае процесса электроосмоса.

Разрыв подповерхностных формаций с помощью усовершенствованной разрывающей текучей среды осуществляют путем впрыскивания или закачивания разрывающей текучей среды, содержащей водную транспортирующую среду и природный органический материал, через скважину при скорости потока и давлении, достаточных для разрыва подповерхностной формации, т.е. области загрязненной почвы. Гидравлическая разрывающая текучая среда содержит водную транспортирующую среду и достаточное количество частиц природного органического раскалывающего агента, взвешенных в этой среде. Необходимое количество частиц природного органического раскалывающего агента - это количество, необходимое для образования разрыва и препятствования его закрытию после его образования. Количество разрывающей текучей среды и частиц природного органического раскалывающего агента, которое необходимо, должно быть очевидно для специалиста в данной области техники - области гидравлического разрыва путем применения любого из традиционных способов, известных специалистам. Водная транспортирующая среда может содержать любое химическое вещество, используемое в традиционных разрывающих текучих средах, не относящееся к растворимым в воде полимерам, используемым в качества придающих вязкость агентов. Конкретные химические вещества, используемые в разрывающих текучих средах, включают те, которые раскрыты в источнике Chemicals in Petroleum Exploration and Production 11, North American Report and Forecasts to 1993, Colin A.Houston and Associates, Inc., Mamaroneck, N.Y. (1984). Водная транспортирующая среда может также содержать очищающие материалы, используемые в предлагаемых способах.

Пневматический разрыв - это способ доступа к подповерхностной почве в целях восстановления. Разрыв подповерхностных формаций осуществляют путем впрыскивания сжатого газа, например, воздуха, поступающего через скважину в количестве, достаточном для того, чтобы создать давление, вызывающее разрыв формации, т. е. области загрязненной гетерогенной почвы. Способ состоит из ввода находящегося под высоким давлением газа внизу скважины через инжектор. Сжатые вещества создают каналы для потока воздуха, испускаемого от точки ввода и образуют области, проницаемые для жидкости или разрывы, имеющие радиус влияния до 12 метров (40 футов) от скважины.

Импульсный разрыв - это еще один способ доступа к подповерхностной почве в целях восстановления. Разрыв подповерхностных образований осуществляют импульсами воды, генерируемыми гидравлическим импульсным устройством (ГИУ). ГИУ - это высоконапорный гидроусилитель, который выпускает 0,5 литров суспензии текучей среды за несколько десятых секунды. Текучую среду выпускают через сопло, которое может быть введено в скважину и направлено в окружающее образование. Давление впрыскивания резко увеличивается до 58 МПа (8500 фунт-сил/кв.дюйм/ за 12 миллисекунд, а потом уменьшается до атмосферного за 275 миллисекунд. Скорость флюидов на переднем фронте импульса составляет порядка (150-450) м/сек. В фазу текучей среды вводят песок и подают разрыв, созданный импульсом. Общая деформация, созданная импульсом, включает цилиндрическое отверстие и разрывы, либо параллельные, либо перпендикулярные оси этого отверстия. Дополнительные импульсы увеличивают разрывы, создавая области, проницаемые для жидкости.

Импульсный разрыв можно осуществлять и в чрезмерно закрепленных почвах и в нормально закрепленных почвах (разрывы, созданные в нормально закрепленных почвах, обычно распространяются вертикально и пересекают поверхность земли). Кроме того, импульсные разрывы можно создавать около подземных электростанций и вблизи от конструкций, на которые может оказать разрушающее влияние деформация поверхности, связанная с гидравлическими разрывами.

Забивание шпунтовых свай - это способ, который обуславливает заглубление отрезков соединяемого материала шпунтовых свай, например, стали, в землю. Отрезки материала шпунтовых свай можно соединять любыми традиционными средствами, такими, как пазовые соединения, шаровые и гнездовые соединения или шпунтовые соединения. Если материал шпунтовой сваи должен оставаться в почве во время очистки, предпочтительным средством соединения является шпунтовое соединение, которое включает полость, заполняемую герметиком после соединения с целью предотвращения утечки через соединения. Шпунтовые сваи можно заглублять на 30 м (100 футов) или более в незакрепленных отложениях без крупных кусков породы.

Материал шпунтовых свай заглубляют в землю путем использования свайного молота. Типы свайных молотов включают подвесной свайный молот, паровоздушный свайный молот простого действия, паровоздушный свайный молот двойного действия, дизельный свайный молот, вибрационный свайный молот и гидравлический свайный молот. Для каждого перечисленного типа молота движущая энергия подводится падающей массой, которая бьет по верхушке сваи. Сваи забивают на желаемую глубину, например, до точки, которая ниже области загрязненной почвы, а остающуюся над землей часть можно (необязательно) отрезать.

Забивание шпунтовых свай можно в целом ряде случаев использовать для образования зон очистки. Существуют два способа использования шпунтовых свай: (а) свайные стенки можно оставлять в земле, и (б) свайные стенки можно извлекать после образования зоны очистки. Относительно случая, когда свайные стенки остаются, отмечается, что один способ включает использование одиночной стенки со штреками, содержащими материалы для очистки, так что эти штреки являются зонами очистки. Другой способ использования одиночной свайной стенки включает использование пористых материалов стенок, пропитанных очищающими материалами или содержащих эти материалы, проницаемых для потока во время электроосмоса и/или гидравлического потока. Если используют две свайных стенки, а почву между стенками удаляют и заменяют очищающим материалом, свайные стенки будут содержать некоторые средства, обеспечивающие прохождение потока между стенками, такие, как те, что описаны выше. Относительно случая, когда свайные стенки удаляют после образования зоны очистки, отмечается, что стенки будут заглублены в область загрязненной гетерогенной почвы на желаемую глубину по существу параллельно друг другу, а почву между ними удаляют с целью образования области, проницаемой для жидкости, подходящего размера. Затем область, проницаемую для жидкости, заполняют желаемыми очищающими материалами с образованием зоны очистки, а свайные стенки извлекают из почвы.

Образование траншей - это способ, который обуславливает выемку почвы на достаточную глубину, по меньшей мере, на глубину области загрязненной почвы, причем выемку траншеи необходимо производить так, чтобы она простиралась в боковом направлении как можно дальше, гарантируя охват всей области загрязненной почвы. Если используют несколько траншей, то каждая из них может простираться в боковом направлении таким образом, что будет охватывать всю область загрязненной почвы, или они могут перекрываться таким образом, что вся ширина области загрязненной почвы снабжена зонами очистки, достаточными для очистки от загрязняющих веществ. Затем образованную траншею заполняют наполнителем, содержащим материал для очистки от загрязняющих веществ в области загрязненной почвы. В одном из вариантов траншею можно заполнять разжиженной глиной, которая содержит материал для очистки от загрязняющих веществ в области загрязненной почвы, при условии, что полученная перемычка из разжиженной глины проницаема для потока жидкости во время электроосмоса и/или частей гидравлического потока, соответствующих предлагаемому способу.

Направленное бурение - это способ, который обуславливает использование компактной системы ненаправленного бурения, которую легко перенастроить и которая создает стволы скважин в направлениях от вертикального до горизонтального. Для получения информации о глубине, наклоне и крене буровой головки во время бурения используют локаторную систему шагового типа. Направленное бурение можно использовать в большинстве почв и можно использовать для создания многочисленных каналов, т.е. областей, проницаемых для жидкости, имеющих значительную длину, которые можно направлять в пределах области загрязненной гетерогенной почвы. Кроме того, направленное бурение можно использовать в сочетании с другими способами образования областей, проницаемых для жидкости с использованием скважины, например, в сочетании с гидравлическим разрывом.

Бурение/смешивание почвы - это способ образования непрерывных зон очистки, который включает использование оборудования для бурения почвы, которое бурит и одновременно смешивает почву с очищающими материалами с образованием зоны очистки, содержащей относительно однородную смесь почвы и очищающего материала. Бурение/смешивание почвы можно осуществлять любым традиционным способом, известным специалистам в данной области техники. Способ бурения/смешивания, который предпочтителен в настоящее время, обуславливает использование бурового устройства, раскрытого в патенте США N 5135058, который упоминается здесь для справок. Такое буровое устройство выпускается в промышленных масштабах фирмой RUST Remedial Services под торговой маркой MecToo 1^TM. Однородное смешивание во время образования зоны очистки с помощью вышеуказанного устройства осуществляют за счет большого крутящего момента, прикладываемого к смешивающему устройству со стороны бурового узла. Очищающий материал в виде суспензии, жидкости или газа впрыскивают непосредственно в сплошную почвенную основу под давлением до 1034 кПа (150 фунт-сил/кв. дюйм) и смешивают на месте с почвой. Это однородное смешивание в сочетании с вращательным и вертикальным движениями впрыскивающего/смешивающего устройства обеспечивает эффективное проникновение и смешивание очищающего материала с находящейся в зоне обработки почвой.

Очищающие материалы, используемые в предлагаемом способе, можно выбирать из группы, состоящей из микроорганизмов, питательных веществ, акцепторов электронов, катализаторов, поверхностно-активных веществ, доноров электронов, сометаболитов, хелатирующих добавок, ионообменных смол, буферов, солей и их сочетаний. В случае, когда в предлагаемом способе используют более одной области, проницаемой для жидкости, очищающий материал (очищающие материалы), вносимый (вносимые) в каждую область, проницаемую для жидкости, может (могут) быть тем(и) же самым(и) или другим(и). Если при осуществлении предлагаемого способа используют только одну область, проницаемую для жидкости, то, как правило, по меньшей мере, один очищающий материал будет использоваться в дополнение к поверхностно-активным веществам, если в области загрязненной почвы не присутствовали собственные микроорганизмы или заранее внесенные очищающие материалы. Выбор очищающих материалов будет зависеть от конкретных областей загрязненной гетерогенной почвы и конкретных органических загрязняющих веществ в области загрязненной гетерогенной почвы.

Микроорганизмы, используемые при осуществлении предлагаемого способа, будут зависеть от конкретных органических загрязняющих веществ в области загрязненной гетерогенной почвы, подлежащей биовосстановлению. Биоразложение можно проводить в аэробных условиях, анаэробных условиях или в условиях, представляющих собой сочетание аэробных и анаэробных условий. В зависимости от типа и количества органических загрязняющих веществ, присутствующих в области загрязненной гетерогенной почвы, может потребоваться использование одного типа микроорганизмов или смеси микроорганизмов. Конкретные микроорганизмы, требуемые для очистки от каждого органического загрязняющего вещества, известны специалистам в данной области техники.

Акцепторы электронов, т. е. окислители, используемые при осуществлении предлагаемого способа, будут зависеть от конкретных загрязняющих веществ в области загрязненной гетерогенной почвы, подлежащей очистке, и используемых микроорганизмов. Примеры подходящих окислителей включают, но не ограничиваются, воздух, пероксид водорода, твердые окислители и т.п., а также смеси этих веществ. Тип требуемого окислителя легко определить специалисту в данной области техники, в зависимости от присутствующих конкретных загрязняющих веществ.

Катализаторы, используемые при осуществлении предлагаемого способа, будут зависеть от конкретных загрязняющих веществ, присутствующих в области загрязненной гетерогенной почвы, подлежащей очистке. Примеры подходящих катализаторов включают, но не ограничиваются, катализаторы на основе железа, оксид алюминия и т.п., а также смеси этих веществ. Тип требуемого катализатора легко определить специалисту в данной области техники, в зависимости от присутствующих конкретных загрязняющих веществ.

Абсорбенты, используемые при осуществлении предлагаемого способа, будут зависеть от конкретных загрязняющих веществ, присутствующих в области загрязненной гетерогенной почвы, подлежащей очистке. Примеры подходящих адсорбентов включают, но не ограничиваются, активированный уголь, оксид алюминия, полимерные смолы и т.п., а также сочетания этих веществ. Тип требуемого адсорбента легко определить специалисту в данной области техники, в зависимости от присутствующих конкретных загрязняющих веществ. Помимо связывания органических загрязняющих веществ, когда они проходят через зоны очистки, адсорбенты служат в качестве подложки для используемых микроорганизмов. Выгода использования пористых подложек в биореакторах известна специалистам в области очистки жидких стоков. Можно также использовать адсорбенты для улавливания загрязняющих веществ, когда они проходят через зоны очистки, причем адсорбенты или адсорбированные загрязняющие вещества можно затем разложить на месте, например, путем внесения дополнительных очищающих материалов в зону очистки или представления дополнительного времени на завершение разложения.

Поверхностно-активные вещества, используемые при осуществлении предлагаемого способа, будут зависеть от конкретной области загрязненной гетерогенной почвы, подлежащей очистке. Используемые при осуществлении изобретения поверхностно-активные вещества могут быть неионогенными или анионогенными, предпочтительно неионогенными, поскольку в этом случае они не будут создавать помех электроосмосу, а также предпочтительно, чтобы поверхностно- активные вещества были биоразлагаемыми. Примеры подходящих поверхностно-активных веществ включают, но не ограничиваются, полиэтиленгликоли, трет-октилфенолэтоксилаты, трет- нонилфенолэтоксилаты, первичный линейный спирт, имеющий 16-20 атомов углерода, додецилсульфат натрия и смеси этих веществ.

Доноры электронов, используемые в предлагаемом способе, будут зависеть от конкретных загрязняющих веществ в области загрязненной гетерогенной почвы, подлежащей очистке, и используемых микроорганизмов. Примеры подходящих доноров электронов включают, но не ограничиваются, водные растворы бензоатов, водные растворы сульфатов и их смеси. Тип требуемого донора электронов легко определить специалисту в данной области техники, в зависимости от присутствующих конкретных загрязняющих веществ. Доноры электронов полезны, в частности, когда их используют в сочетании с анаэробным биоразложением с целью восстановительного галогенирования хлорированных этенов.

Сометаболиты, используемые при осуществлении предлагаемого способа, будут зависеть от конкретных загрязняющих веществ в подлежащей очистке области загрязненной гетерогенной почвы и используемых микроорганизмов. Сометаболиты - это соединения, которые микроорганизмы, например, метанотрофные бактерии, могут использовать в качестве источника углерода и энергии и разлагать при осуществлении способа другое загрязняющее вещество, присутствующее в области загрязненной гетерогенной почвы, которое нельзя эффективно разложить с помощью одного лишь микроорганизма. Сометаболиты полезны, в частности, при разложении хлорированных органических соединений. Примеры подходящих сометаболитов включают, но не ограничиваются, фенол, метан и их смеси. Тип требуемого метаболита легко определить специалисту в данной области техники, в зависимости от присутствующих конкретных загрязняющих веществ и конкретного используемого микроорганизма.

Хелатирующие добавки, используемые при осуществлении предлагаемых способов, будут зависеть от конкретной области загрязненной почвы, подлежащей очистке. Хелатирующие добавки полезны, в частности, в случаях, когда присутствуют ионные загрязняющие вещества. Примеры подходящих хелатирующих добавок включают, но не ограничиваются, оксикарбоновые кислоты, такие, как лимонная кислота, винная кислота и глюконовая кислота, аминопропилкарбоновые кислоты, такие, как этилендиаминтетрауксусная кислота (ЭДТА) и нитрилтриуксусная кислота (НТК), полифосфаты, такие, как триполифосфат натрия (ТПФН), полиамины, такие, как триэтилентетраамин, фосфоновые кислоты, такие, как этилендиаминтетра(метиленфосфоновая кислота) (ЭДТМФК), а также смеси этих веществ.

Ионообменные смолы, используемые при осуществлении предлагаемых способов, будут зависеть от конкретной области загрязненной почвы, подлежащей очистке. Ионообменные смолы могут быть анионообменными смолами или катионообменными смолами, в зависимости от очищаемого загрязняющего вещества. В настоящее время предпочтительными являются ионообменные смолы в виде свободной кислоты или свободного основания. Примеры подходящих ионообменных смол включают, но не ограничиваются, Amberlyst A-21, Amberlyst-15, Amberlyst IRC-50 и Amberlite IRA-93 (продукты, выпускаемые The Rohm & Haas Co.), а также Dowex (продукт, выпускаемый The Dow Chemical Co.).

Буферы, используемые при осуществлении предлагаемых способов, будут зависеть от конкретной области загрязненной почвы, подлежащей очистке. В том смысле, в каком он употребляется здесь, термин "буферы" означает соединения, воздействующие с целью регулирования pH растворов, подвергающихся влиянию электрокинетики. Буферы можно также использовать для повышения проводимости раствора, подвергающегося влиянию электрокинетики. Как таковые, буферы способствуют очистке от загрязняющих веществ за счет повышения характеристик электроосмотического потока или за счет обеспечения возможности эффективного функционирования электрокинетики при более низких градиентах напряжения. Примеры буферов включают, но не ограничиваются, известь, карбонат кальция, фосфорит, полифосфат и т.п., а также смеси этих веществ.

Соли, используемые в предлагаемых способах, будут зависеть от конкретной области загрязненной почвы, подлежащей очистке. В том смысле, каком он употребляется здесь, термин "соли" означает соединения средних (нейтральных) солей, которые воздействуют с целью повышения проводимости раствора, подвергающегося влиянию электрокинетики. Как таковые, соли способствуют очистке от загрязняющих веществ за счет повышения характеристик электроосмотического потока или за счет обеспечения возможности эффективного функционирования электрокинетики при более низких градиентах напряжения. Примеры соли включают, но не ограничиваются, сульфат кальция, хлорид натрия, хлорид кальция и т.п., а также смеси этих веществ.

Электрохимическое разложение загрязняющих веществ можно осуществлять, например, путем подготовки, по меньшей мере, одной области, проницаемой для жидкости, или использования, по меньшей мере, одной существующей области, проницаемой для жидкости, которая содержит обладающий электронной проводимостью материал, например, частицы графита, так что область, проницаемая для жидкости, расположенная между первым и вторым электродами, образует биполярный электрод, в котором происходит прямое или косвенное биотрохимическое разложение. Примером такого электрохимического разложения является электрохимическое восстановительное дехлорирование хлорированных соединений, например, дихлорэтана и трихлорэтана, на катоде представляющей собой биполярный электрод области очистки, когда загрязняющие вещества проходят через зоны обработки под влиянием электроосмоса или гидравлического потока.

Гидравлический поток, или приводимый в движение давлением поток, возникающий в результате приложения гидравлического градиента поперек области загрязненной гетерогенной почвы, можно реализовать любым традиционным способом, известным специалистам в данной области техники. Гидравлические градиенты можно получать любым традиционным способом, известным специалистам в данной области техники. Примеры таких способов включают, но не ограничиваются, 1) введение перфорированных труб в землю или бурение скважин на обоих концах области загрязненной гетерогенной почвы и приложение давления в трубах или скважинах на одном конце области гетерогенной почвы, чтобы вызвать создание гидравлического градиента, результатом которого будет образование гидравлического потока от находящегося под высоким давлением конца области загрязненной гетерогенной почвы к находящемуся под низким давлением концу области загрязненной гетерогенной почвы, 2) введение перфорированных труб в землю или бурение скважин на обоих концах области загрязненной гетерогенной почвы и приложение вакуума к трубам или скважинам на одном конце области загрязненной гетерогенной почвы, чтобы вызвать создание гидравлического градиента, результатом которого будет образование гидравлического потока от находящегося под высоким давлением конца области загрязненной гетерогенной почвы к находящемуся под низким давлением концу области загрязненной гетерогенной почвы, и 3) введение перфорированных труб в землю или бурение скважин на обоих концах области загрязненной гетерогенной почвы и приложение давления к трубам или скважинам на одном конце области загрязненной гетерогенной почвы и приложение вакуума на противоположном конце области загрязненной гетерогенной почвы, чтобы вызвать создание гидравлического градиента, результатом которого будет образование гидравлического потока от находящегося под высоким давлением конца области загрязненной гетерогенной почвы к находящемуся под низким давлением концу области загрязненной гетерогенной почвы. Находящиеся под высоким давлением и низким давлением концы могут быть расположены на противоположных концах области загрязненной гетерогенной почвы, и каждый конец может состоять из одной или многих трубок или скважин или их эквивалентов, или один из концов, находящихся под высоким и низким давлением, может быть расположен в пределах области загрязненной гетерогенной почвы, а другой из концов, находящихся под высоким и низким давлением, может состоять из труб, скважин, или их эквивалентов, окружающих область загрязненной гетерогенной почвы.

Вода, используемая для образования гидравлического потока при осуществлении предлагаемого способа, может быть грунтовой водой, или может быть дождевой водой, подаваемой на находящемся под высоким давлением конце области загрязненной гетерогенной почвы. В одном из вариантов, воду можно удалять из области загрязненной гетерогенной почвы на находящемся под низким давлением конце области загрязненной гетерогенной почвы и очищать вне этой области, чтобы удалить любые загрязняющие вещества любым известным способом разложения загрязняющих веществ. В другом варианте очищенную воду можно, необязательно, рециркулировать в область загрязненной гетерогенной почвы на находящемся под высоким давлением конце области загрязненной гетерогенной почвы. В случае системы с замкнутым контуром, можно также осуществлять промывку почвы путем впрыскивания растворителей или поверхностно-активных веществ в почву на находящемся под высоким давлением конце области загрязненной гетерогенной почвы, чтобы повысить растворимость загрязняющих веществ. После очистки почвы рециркулированная вода протекает через область загрязненной гетерогенной почвы, и воду, содержащую загрязняющие вещества, растворитель и поверхностно- активное вещество, собирают на находящемся под низким давлением конце области загрязненной гетерогенной почвы, очищают и повторно впрыскивают на находящемся под высоким давлением конце области загрязненной гетерогенной почвы.

Гидравлический поток, используемый при осуществлении предлагаемого способа, может быть непрерывным или пульсирующим. В том смысле, каком он употребляется здесь, термин "пульсирующий" означает, что гидравлический поток существует в прерывистом режиме, реализуемом с помощью последовательности включений/отключении. В настоящее время предпочтительно использовать пульсирующий гидравлический поток, потому что при этом повышается процент отведенных загрязняющих веществ по сравнению с использованием непрерывного гидравлического потока при эквивалентных объемах гидравлического потока. Это, в частности, имеет место, когда используют внешнюю очистку гидравлического потока.

Кроме того, направление гидравлического потока через область загрязненной гетерогенной почвы можно периодически изменять на противоположное, изменяя на противоположный гидравлический градиент. Изменение на противоположное направления гидравлического потока целесообразно, в частности, если в областях высокой проницаемости имеются зоны очистки, поскольку схема реверсируемого потока позволит жидкости многократно проходить сквозь загрязненную почву, каждый раз удаляя дополнительное количество загрязняющих веществ и подавая их в зоны очистки.

Электрокинетику, например, электроосмос и электромиграцию, можно осуществлять любым традиционным способом, известным специалистам в данной области техники, например таким, как способы, раскрытые в работах Bruell, C.J. et al. , Electroosmotic Removal of Gasoline Hydrocarbons and TCE from Clay", J. Environ. Eng., Vol. 118 N 1, pp. 68-83, January/February, 1992, Segall, B.A. et al., "Elecroosmotic Contaminate-Removal Processes", J.Environ.Eng., Vol. 118, N 1, pp. 84-100, January/February 1992, u Acar, Y.B., et al., "Phenol Removal From Kaolinite by Electrokinetics", J.Geotech.Eng.,Vol. 118, N11, pp. 1835-52, November 1992.

Электроосмос, т. е. движение воды в почвенной основе от анода к катоду, происходит тогда, когда к электродам, расположенным в области загрязненной гетерогенной почвы, прикладывают непрерывно малый постоянный электрический ток. Первый электрод обычно располагают на первом конце области загрязненной гетерогенной почвы, а второй электрод обычно располагают на противоположном конце области загрязненной гетерогенной почвы, или первый электрод располагают на первом конце каждой области почвы низкой проницаемости, а второй электрод располагают на противоположном конце каждой из областей почвы низкой проницаемости, чтобы вызвать электроосмотический поток от одного электрода к другому. В том смысле, в каком они употребляются здесь, термины "первый электрод" и "второй электрод" могут означать единственный электрод или множество электродов, расположенных поперек области загрязненной гетерогенной почвы приблизительно на горизонтальном или вертикальном уровне в этой области, в зависимости от того, горизонтальными или вертикальными являются зоны очистки. Электрические соединения и размеры электродов, а также материалы будут изменяться в зависимости от каждой конкретной ситуации. Выбор электродов должен быть очевиден для специалиста в данной области техники. Когда загрязняющими веществами в области загрязненной гетерогенной почвы являются органические соединения, в настоящее время предпочтительно, чтобы электроды содержали уголь или частицы графита, потому что уголь или графит способствует буферному воздействию на pH в течение всего электрокинетического процесса. В настоящее время также предпочтительно, чтобы электроды были открытыми электродами, позволяющими впускать или выпускать жидкость; открытым электродом может также быть электрод, который сам по себе не является пористым или перфорированным, а расположен в перфорированной таре или непосредственно за областью или зоной, проницаемой для жидкости. Кроме того, электрод может также выполнять функцию зоны очистки, например, зоны адсорбции, при этом уголь или графит также служит адсорбентом.

Когда зоны очистки горизонтальны, например, при гидравлическом разрыве или пневматическом разрыве, первый электрод можно располагать на уровне, вблизи от уровня или над уровнем поверхности области загрязненной гетерогенной почвы, а второй электрод можно располагать под первым электродом, предпочтительно в нижней части области загрязненной гетерогенной почвы или под ней. Когда первый электрод расположен на уровне земли, он может быть просто металлическим экраном, лежащим на поверхности земли. Первый или второй электрод, к примеру, может быть разрывом, содержащим обладающий электронной проводимостью материал, такой, как частицы графита или смесь частиц графита и песка, образованная путем впрыскивания разрывающей текучей среды, содержащей песок и графит, через вторую скважину с достаточной скоростью и под достаточным давлением для образования разрыва. Вместо этого первый электрод можно располагать в или над каждой из областей почвы низкой проницаемости, а второй электрод можно располагать под первым электродом, предпочтительно в нижней части или под каждой из областей почвы низкой проницаемости.

Когда зоны очистки вертикальны, например, при образовании траншей или забивании шпунтовых свай, первый электрод можно располагать на одном конце области загрязненной гетерогенной почвы, а второй электрод можно располагать на противоположном конце области загрязненной гетерогенной почвы, или первый электрод можно располагать на первом конце каждой из областей низкой проницаемости, а второй электрод можно располагать на противоположном конце каждой из областей почвы низкой проницаемости. Подходящими электродами для использования в зонах вертикальной очистки могут, например, быть обладающей электронной проводимостью стержень, труба или обладающая электронной проводимостью среда, например, графит или смесь графита и песка, в скважине в почве.

Во время электроосмоса очищающие материалы, например, микроорганизмы и/или окислители, могут перемещаться из зон очистки в область загрязненной почвы, так что разложение загрязняющих веществ может также происходить как в пределах области загрязненной гетерогенной почвы, так и в зонах очистки.

В тех случаях осуществления предлагаемого способа, когда воду не вводят или не рециркулируют в область загрязненной гетерогенной почвы, вода, используемая для электроосмома, будет грунтовой водой или дождевой водой, т.е. водой, подаваемой в область загрязненной гетерогенной почвы, может быть вода из источника, расположенного над землей или из источника, расположенного в земле вне подлежащей очистке области загрязненной почвы. Если одной грунтовой воды недостаточно, можно также внести поверхностно-активные вещества в область загрязненной гетерогенной почвы, чтобы десорбировать или растворить загрязняющие вещества из почвы. Вода извне не является необходимой, когда предлагаемый способ осуществляют с использованием периодического изменения на противоположную полярности электродов, чтобы изменить на противоположное направление потока жидкости, стимулируемого электроосмосом, рециркуляции гидравлического потока, или с использованием грунтовой воды, расположенной снаружи области загрязненной почвы, подлежащей очистке. Однако в настоящее время предпочтительно использовать периодическое изменение на противоположную полярности электродов, потому что обнаружено, что периодическое изменение на противоположное направление потока минимизирует высушивание почвы и влияние pH, связанные с длительным проведением электроосмоса. Простая схема реверсируемого потока также приводит к многократному прохождению жидкости через загрязненную почву, причем каждый раз происходит удаление дополнительных количеств загрязняющих веществ из почвы и подача их в зоны очистки. При использовании такого метода изменения направления потока на противоположное выгодно, в частности, присутствие адсорбента в зонах очистки. Использование адсорбента способствует эффективному отделению массы, переносимой из области реакции или биовосстановления. Когда жидкость проходит через зону очистки, загрязняющие вещества адсорбируются и удерживаются на поверхности адсорбента, где микроорганизмы могут разлагать их с их собственной скоростью либо во время электроосмоса, либо после электроосмоса, если потребуется, для более эффективной очистки. Обнаружено также, что рециркуляция электроосмотического потока еще и минимизирует высушивание почвы и влияние pH, связанные с длительным проведением электроосмоса.

При осуществлении предлагаемого способа, когда жидкость извне, содержащую воду, вводят или рециркулируют в область загрязненной гетерогенной почвы, эту жидкость можно вводить через открытый электрод, по трубам или скважинам на находящемся под высоким давлением конце области загрязненной гетерогенной почвы, или в другом месте в пределах области загрязненной гетерогенной почвы. Открытым является такой электрод, который позволяет пропускать через себя поток жидкости, например, воды. Открытым может быть электрод, сам по себе пористый или перфорированный, такой, как обладающие электронной проводимостью стержни, трубы или гранулированные среды, позволяющие впускать и выпускать жидкость; открытым может также быть электрод, который сам по себе не перфорирован, а расположен внутри перфорированного контейнера. Жидкость, поступающая извне, может также содержать поверхностно-активные вещества для десорбции загрязняющих веществ из почвы. Способ изменения потока на противоположный или способ рециркуляции электроосмотического потока, описанные здесь, можно также использовать при осуществлении предлагаемого способа, когда жидкость подают в область загрязненной гетерогенной почвы.

Следует периодически брать пробы из области загрязненной гетерогенной почвы, например, путем отбора керна, и анализировать почву на предмет выявления снижения уровня загрязняющих веществ до приемлемого уровня. Когда анализ пробы показывает, что уровень загрязняющих веществ упал ниже приемлемого уровня, можно прекратить осуществление предлагаемого способа.

ПРИМЕРЫ
Пример 1
Следующий пример демонстрирует, что посредством электроосмоса можно эффективно и равномерно удалять загрязняющие вещества из очень гетерогенной почвенной матрицы.

Электроосмотический элемент, использованный при исследованиях, показан на фиг. 1. Элемент представляет собой цилиндрическую трубку, сделанную из прозрачной пластмассы, внутренний диаметр которой составляет 10 см (4''), а наружный диаметр - 21,6 см (8,5''). Внутри имеющего длину 6,3 см (2,5'') среднего участка элемента (50) заключен кусок каолинитовой глины, окруженный мелким песком, моделирующий гетерогенную почвенную основу. Гидравлическая проводимость использованной глины составляет порядка 10^-8 см/сек, а гидравлическая проводимость песка - порядка 10^-2 см/сек. Кусок глины был равномерно загрязнен водным раствором, содержащим паранитрофенол (ПНФ) в качестве моделируемого органического загрязняющего вещества. 300 г сухой каолинитовой глины смешивали с 179,5 г водного раствора, содержащего 1062 мг ПНФ/л, в результате чего получали пасту глины с содержанием влаги 37,5 мас.% с навеской 0,398 мг ПНФ на грамм влажной глины. 222,6 г смеси глины с ПНФ заключали в элемент, получая общую навеску ПНФ в куске глины в количестве 88,6 мг ПНФ. Этот участок ПНФ-содержащей глины был окружен мелким песком в количестве примерно 500 г (сухой массы). Песок был также равномерно загрязнен раствором ПНФ до получения общей навески ПНФ в песке в количестве 100,9 мг. Участок, содержащий песок и глину, на каждом конце ограничен полудюймовым (толщиной 1,27 см) слоем частиц песка и угля, (40) и (70), имеющим содержание угля 2,4 мас. %. Использовали поставляемый промышленностью уголь, который проявил качества хорошего адсорбента ПНФ. Таким образом, песчаноугольные слои представляли собой зоны адсорбции, проницаемые для жидкости или зоны очистки. За каждым песчаноугольным слоем была упакована незагрязненная каолинитовая глина (30) (содержание влаги около 38 мас.%, а толщина - 3,8 см (1,5'')) моделирующая чистую почву. После участков чистой глины были упакованы полудюймовые (толщиной 1,27 см) слои гранулированного активированного угля, выполнявшие функции электродов. Соединения с электродами были реализованы в виде графитовых стержней (80), введенных в слои упакованного угля. Слои незагрязненной глины (10) толщиной 1,27 см (полдюйма) (содержание влаги около 38 мас.%) были упакованы снаружи каждого электрода. Во время эксперимента с электроосмосом воду подавали в элемент и отводили через слои электродов. В течение всего эксперимента использовали колодезную воду, чтобы смоделировать грунтовую воду.

Эксперимент проводили при комнатной температуре и постоянном градиенте электрического потенциала, около 1 В/см, поперек массы почвы между электродами. Эксперимент сначала проводили с электродом (60) в качестве анода и электродом (20) в качестве катода. Таким образом, направление потока воды при злектроосмосе было от электрода (60) к электроду (20). Затем электрическую полярность изменяли на противоположную, заставляя воду течь в направлении от электрода (20) к электроду (60). Примерно через двое суток из электрода (60) собирали жидкость в объеме, составлявшем 1,4 объема пор. Чтобы прекратить электроосмос, подаваемый на элемент, электрический ток отключали. Затем воду прокачивали через участок (40), чтобы вымыть ПНФ, оставшийся в песчаной области, окружающей глину. За 1,5 часа жидкость, объем которой составлял 1,5 объема пор (определенного на основе количества песка, содержащегося на участке (50)), перекачивали через участок с песком, восстанавливая 2,34 мг ПНФ, что эквивалентно всего 2 мас.% первоначального количества ПНФ, введенного в участок (50) с песком. Затем элемент брали на анализ. Каждую пробу глины анализировали путем выделения ПНФ из пробы глины с помощью 0,1-нормального раствора NaOH и определения уровня ПНФ в растворе посредством спектрофотометрической адсорбции на волне длиной 400 нм с использованием спектрофотометра Beckman DV-7. Для удаления всего ПНФ из глины оказалось достаточно одной экстракции. Пробы песка анализировали так же, как пробы глины. Что касается проб угля, который гораздо плотнее связывает ПНФ, использовали экстрагирующий раствор, содержавший 0,1-нормальный NaOH и 2 мас.% метиленхлорида, и проводили повторные экстракции, чтобы минимизировать восстановление ПНФ.

Обнаружено, что удаление ПНФ из куска глины на участке (50) было совершенно равномерным при средней величине около 97 мас.%. В песке участка (50) ПНФ не осталось. Примерно 93 мас.% первоначальной навески ПНФ на участке (50) было восстановлено из углерода на участках (40) и (70). Не обнаружено ПНФ на участках (30) чистой глины. Был получен общий баланс массы ПНФ 95%.

Пример 2
Следующий пример демонстрирует, что электроосмос может быть эффективен при выносе загрязняющих веществ из изолированных зон низкой проницаемости и что сочетание электроосмоса и гидравлического потока может привести к очень быстрой очистке областей загрязненной гетерогенной почвы.

Экспериментальная компоновка аналогична той, что использована в примере 1, за исключением того, что (а) большой кусок глины на участке (50) разделен на шесть меньших кусков, отделенных друг от друга, и окруженных мелким песком и (б) песок на участке (60) не загрязнен ПНФ. Поскольку песок на участке (50) не был загрязнен ПНФ, перемещение ПНФ из кусков глины было очень легко определить. Исходная навеска ПНФ в кусках глины на участке (50) составляла 40,1 мг, т. е. 402 мкг ДНФ на грамм влажной глины. Кроме того, эксперимент преднамеренно выполняли в течение очень короткого периода, чтобы исследовать переходные характеристики системы. Эксперимент проводили в течение 10 часов при градиенте электрического потенциала 1 В/см, и в течение этого времени из катода (20) собирали объем жидкости, эквивалентный 0,37 объема пор песка на песочноугольном участке (50), т.е. - 72,8 г воды. Затем электроосмос прекращали, а воду вымывали в течение примерно 2 часов через участок (50), так что направление гидравлического потока было по существу перпендикулярно направлению электроосмотического потока. Общее количество вымытой воды составляло 463, 8 кг, что эквивалентно 3, 2 объема пор песчаной части участка (50). При таком вымывании было восстановлено 22,7 мг ПНФ (около 57 мас.%) из исходной навески ПНФ в кусках глины. Последующий анализ на предмет выявления ПНФ, проведенный, как и в примере 1, показывает, что в песчаной части не осталось ПНФ после вымывания воды и что для кусков глины было получено среднее удаление ПНФ 70 мас.%, т.е. в кусках глины на участке (50) осталось 12 мг ПНФ. Интересно, как показано 50 на фиг. 2, что куски глины вблизи анода (60) имели более низкое среднее удаление ПНФ (около 60 мас. %), чем куски глины вблизи катода (20) (около 80 мас.%). Не имея намерения возводить нижеследующее в ранг теории, отметим, что указанное явление могло быть следствием неодинакового градиента электрического потенциала вдоль элемента, о котором идет речь в работах Segall, В.A. et al., "Electroosmotic Contaminant-Removal Processes", J.Environ. Eng., Vol.118, N 1, pp. 84-100, January/February 1992, u Acar, Y.B. et al., "Phenol Removal From Kaolinite by Electrokinetics", J.Geotechnical Eng., Vol. 118, N 11, pp. 1837 - 52 (Nov. 1992), вызывающего образование неоднородного потока воды в осевом направлении, даже если распределение радиального потока при этом совершенно однородно. И вновь не было выявлено ПНФ на участках (30) чистой глины, а остаток ПНФ, удаленного из участка (50) был обнаружен на песчаноугольных участках (40) и (70). Из ПНФ, восстановленного на участках (40) и (70), 4,8 мг было восстановлено на участке (40), что составило 12 мас.% первоначальной навески ПНФ, а 0,3 мг было восстановлено на участке (70), что составило 0,75 мас.% первоначальной навески ПНФ. Общий баланс массы РНФ был получен в размере 103%.

Пример 3
Этот пример повторяет пример 2 и предназначен для того, чтобы проконтролировать, насколько эффективно мог бы электроосмос перемещать ПНФ из малых кусков глины, содержащихся в песчаной основе, моделирующей гетерогенную окружающую почву. В этом примере были введены два отличия: 1) эксперимент проводили дольше, чтобы продемонстрировать значительное удаление ПНФ из кусков глины, и 2) длину участка загрязненной почвы увеличили с 6,3 см (2,5 дюйма) до 10 см (4 дюймов), чтобы увеличить осевое расстояние между двумя рядами кусков глины, минимизируя таким образом перекрестное загрязнение между рядами в процессе электроосмоса.

Шесть кусков ПНФ-содержащей глины (каждый примерно по 14 г) содержали 410 мкг ПНФ на грамм влажной глины при исходной навеске 36,1 мг ПНФ. Куски располагали на расстоянии друг от друга в элементе, чтобы дать ПНФ возможность выходить из одного куска, не перетекая при этом в другой. Куски ориентировали под углом 120^o друг к другу в верхней, передней и задней частях модуля вблизи анола и в нижней передней и задней частях вблизи катода. Куски глины были окружены непрерывной песчаной основой. Объем пор песчаноглинистого участка составлял примерно 301 см³ (из которых 254 см³ приходились на песок, а 47 см³ - на куски глины).

Электроосмотический элемент приводили в действие при постоянном напряжении (соответствовавшем градиенту потенциала 1 В/см, всего -17,5В) в течение четырех суток в одном направлении; в конце опыта ток начинали постепенно снижать с 7 мА до 1 мА. Суммарный сток жидкости в количестве 163 г H₂O собирали из катода, что эквивалентно 0,54 объема пор песчаноглинистого участка. По завершении электроосмоса подключали насос высокого давления для жидкостной хроматографии к нижнему отверстию в песчаной области вблизи анода. Выход соединили с верхним отверстием вблизи катода. Подкисленную (pH 3,0) mili-Q воду пропускали при расходе 4 мл/мин в течение 1 часа, а затем снижали расход до 2 мл/мин в течение примерно 3 часов в этот день и 1 дополнительный час на следующее утро, обеспечивая общее количество 716 мл (2,8 объема пор в песке). Собранные растворы анализировали на предмет выявления ПНФ. Затем элемент разбирали, отделяя каждый участок и анализируя на предмет выявления ПНФ с помощью спектрофотометра. Оказалось, что во время первоначального вымывания при расходе 4 мл/мин часть жидкости перетекала из анодного участка. Очевидно, что вытекающая жидкость могла проходить вокруг тонкой области чистой глины между областью загрязненной почвы и анодом, а затем выходить через анод из активированного угля. Часть ПНФ в песчаной зоне не учитывали, поскольку анод из активированного угля после опыта извлекали.

Общее количество ПНФ, удаленного из кусков глины, превышало 99%, с разбросом в диапазоне 98,6-99,9% для отдельных кусков глины. Зона адсорбции вблизи катода содержала 2,6 мг ПНФ или 7,2% исходной общей навески. Поскольку электроосмотического потока в этом направлении не было, присутствие ПНФ в этой зоне является результатом обратной диффузии ПНФ в песчаную зону или, что более вероятно, вызвано перетеканием во время вымывания. Результатом вымывания было восстановление примерно 9,8 мг ПНФ (27% исходной общей навески) из песчаной зоны. Был получен общий баланс массы ПНФ всего 70%, вероятно вследствие потерь ПНФ во время вымывания. Все же пример ясно демонстрирует, что посредством электроосмоса можно производить эффективную очистку от загрязнения в почвах низкой проницаемости в гетерогенной основе.

Реферат

Способ предназначен для восстановления на месте загрязненных гетерогенных почв. Способ предусматривает внесение материала для очистки от загрязняющих веществ в области загрязненной гетерогенной почвы, по меньшей мере, в одну область, проницаемую для жидкости. Через область почвы низкой проницаемости в пределах области загрязненной гетерогенной почвы между первым и вторым электродами, имеющими противоположные заряды, пропускают постоянный электрический ток. При этом первый электрод расположен на первом конце области загрязненной гетерогенной почвы, а второй электрод расположен на противоположном конце области загрязненной гетерогенной почвы. Это приводит к возникновению электроосмотического потока от второго электрода к первому электроду и/или электромиграционного движения ионных загрязняющих веществ в направлении к электроду противоположного заряда. Поперек области загрязненной гетерогенной почвы прикладывают гидравлический градиент для возникновения гидравлического потока от находящегося под высоким давлением конца области загрязненной гетерогенной почвы к находящемуся под низким давлением концу области загрязненной гетерогенной почвы. Технический результат заключается в создании промышленно осуществимого и экономичного способа восстановления почв на месте. 3 с. и 44 з.п. ф-лы, 2 ил.

Формула