Remediation of Soil and Sediment
Metsäpalojen, öljysäiliöauto-onnettomuuksien ja autojen ja kuorma-autojen öljyvuotojen, vuotavien säiliöiden, teollisuusonnettomuuksien ja huonosti loppusijoitettujen jätteiden synnyttämiä ympäristöongelmia, jotka osaltaan saastuttavat maaperää. Lukuisia tonneja maaperää ja sedimenttiä maailmassa on saastunut dioksiineilla, jotka vaativat asianmukaista kunnostusmenetelmää. Maaperän ja sedimentin kunnostamiseen voidaan käyttää seuraavia menetelmiä: on site eli in situ ja off site eli ex situ.
Radiolyyttinen hajoaminen: Ionisoiva säteily korkeaenergisten elektronisuihkujen ja gammasäteiden muodossa on potentiaalinen ei-lämpöinen tuhoamismenetelmä. Teoreettiset ja jotkut empiiriset arviot viittaavat siihen, että nämä suurienergiset lähteet saattavat soveltua hyvin dioksiinin muuntamiseen vaarattomiksi tuotteiksi. Gammasäteily on osoittautunut tehokkaaksi PCDD:n ja PCB:n hajottamisessa orgaanisissa liuottimissa ja jätevesien desinfioinnissa. Sivutuotteiden tutkiminen ja teoreettiset kohdeteorialaskelmat osoittavat, että TCDD:n tuhoutuminen tapahtuu reduktiivisen desklorinoinnin kautta. Lisäksi havaittiin, että promoottorien (esim. aktiivihiilen) lisääminen myrkyllisiin aineisiin lisää tuhoutumisprosenttia elektronisuihkusäteilyn vaikutuksesta.
Base-katalysoitu de-kloorinpoisto: Emäskatalysoitu hajotusprosessi (BCD) on kemiallinen dehalogenointiprosessi. Siihen liittyy alkali- tai maa-alkalimetallien karbonaatin, bikarbonaatin tai hydroksidin lisääminen saastuneeseen väliaineeseen. BCD-menetelmä käynnistetään keskilämpötilan lämpödesorberissa (MTTD) lämpötiloissa, jotka vaihtelevat 315 °C:n ja 426 °C:n välillä. Kontaminoituneeseen väliaineeseen lisätään alkalia 1-20 painoprosenttia. Seokseen lisätään vedynluovuttajayhdistettä vetyionien saamiseksi reaktiota varten, jos näitä ioneja ei jo ole kontaminoituneessa materiaalissa. BCD-prosessissa klooratut orgaaniset epäpuhtaudet puhdistetaan kemiallisesti poistamalla klooria epäpuhtauksista ja korvaamalla se vedyllä. Esimerkiksi PCB:n ja dioksiinin saastuttamat öljyt kunnostettiin Na/NH3:lla samoin kuin PCB:n saastuttamat maaperät ja lietteet saastuneilta alueilta.
Alikriittinen vedenkäsittely: Vettä, joka pidetään nestemäisessä tilassa yli 100 °C:n lämpötilassa paineen avulla, kutsutaan alikriittiseksi vedeksi. Sillä on samanlaiset ominaisuudet kuin orgaanisilla liuottimilla ja se voi toimia hyvänlaatuisena väliaineena. Sitä on käytetty PCB-yhdisteiden ja muiden orgaanisten epäpuhtauksien erottamiseen maaperästä ja sedimentistä. Eräät tutkijat ovat tutkineet nolla-arvoisen (ZVI) raudan käyttöä PCDD-yhdisteiden pelkistävässä kloorinpoistossa ja saastuneen maaperän kunnostamisessa käyttämällä alikriittistä vettä reaktiovälineenä ja uuttoliuottimena. Todettiin, että käyttämällä rautajauhetta matriisina korkeammat klooratut kongeneerit pelkistyivät käytännöllisesti katsoen kokonaan tetra-substituoituja homologeja pienemmiksi. Nolla-arvoinen rauta on hyväksytty yhdeksi tehokkaimmista keinoista ympäristön kunnostamiseksi. Se on edullista, helppokäyttöistä ja tehokasta monenlaisten kloorattujen yhdisteiden tai raskasmetallien käsittelyssä. Sitä on sovellettu laajalti in situ, ex situ tai osana kontrolloitua käsittelyprosessia jätevesi-, juomavesi-, maaperän muutosstabilointi- ja kaivosjätesovelluksissa.
Terminen desorptio: Terminen desorptio on erotusprosessi, jota käytetään usein monien Superfund-alueiden kunnostamisessa. Se on ex situ -kunnostustekniikka, jossa käytetään lämpöä öljyhiilivetyjen fyysiseen erottamiseen kaivetusta maaperästä. Lämpödesorptiolaitteet on suunniteltu lämmittämään maaperä riittäviin lämpötiloihin, jotta ainesosat haihtuvat ja desorboituvat (erottuvat fyysisesti) maaperästä. Vaikka niitä ei ole suunniteltu hajottamaan orgaanisia ainesosia, lämpödesorberit voivat hajottaa osan ainesosista kokonaan tai osittain, riippuen läsnä olevista orgaanisista aineista ja desorberijärjestelmän lämpötilasta. Höyrystyneet hiilivedyt käsitellään yleensä jälkikäsittelyssä (esim. jälkipolttimessa, katalyyttisessä hapetuskammiossa, lauhduttimessa tai hiiliadsorptioyksikössä) ennen päästämistä ilmakehään. Jälkipolttimet ja hapettimet tuhoavat orgaaniset aineosat. Lauhduttimet ja hiiliadsorptioyksiköt pidättävät orgaaniset yhdisteet myöhempää käsittelyä tai loppusijoitusta varten.
In situ-fotolyysi: Tässä menetelmässä dioksiinit voidaan fotolysoida auringonvalon vaikutuksesta sopivissa olosuhteissa. Se on kustannustehokas ja vähemmän tuhoisa kohteelle. Saastuneeseen maaperään lisätään orgaanisen liuottimen seosta, minkä jälkeen dioksiinin liukenemiselle, kulkeutumiselle ja valohajoamiselle annetaan aikaa. Tätä tarkoitusta varten maaperän pintaan ruiskutetaan vähän myrkyllistä orgaanista liuotinta ja sen annetaan hajota auringonvalossa. Useat tutkijat ovat käyttäneet tätä lähestymistapaa ja havainneet, että maaperän pinnalla olevat dioksiinit hajoavat nopeasti sen jälkeen, kun niitä on ruiskutettu erilaisilla orgaanisilla aineilla, kuten iso-oktaanilla, heksaanilla, sykloheksaanilla jne. Todettiin, että auringon aiheuttamat fotolyyttiset reaktiot voivat olla pääasiallinen mekanismi näiden kemikaalien muuntamisessa vähemmän myrkyllisiksi hajoamistuotteiksi. Dioksiinien konvektiivinen siirtyminen ylöspäin haihtuvien liuottimien haihtuessa oli tärkein siirtymismekanismi näissä tutkimuksissa. Tämän prosessin tehokkuus riippuu tasapainosta kahden nopeutta säätelevän tekijän välillä: konvektiivinen kulkeutuminen pintaan ja auringonvalon saatavuus valohajoamiseen.
Liuottimien ja nesteytetyn kaasun uutto: Uuttaminen on fysikaalis-kemiallinen keino erottaa orgaaniset epäpuhtaudet maaperästä ja sedimentistä, jolloin hävitettävien epäpuhtauksien määrä keskittyy ja vähenee. Kyseessä on ex situ -prosessi, joka edellyttää, että pilaantuneen alueen maaperä kaivetaan pois ja sekoitetaan liuottimeen. Lopulta se tuottaa suhteellisen puhdasta maaperää ja sedimenttiä, joka voidaan palauttaa alueelle. Yhdysvaltain ympäristönsuojeluvirasto (EPA) arvioi pilottimittakaavan liuotinuuttoprosessia, jossa käytetään nesteytettyä propaania orgaanisten epäpuhtauksien poistamiseen maaperästä ja sedimenteistä. Syrjäiseltä Superfund-alueelta saatiin noin 1000 kiloa maaperää, jonka keskimääräinen polykloorattujen bifenyylien (PCB) pitoisuus oli 260 mg/kg. Tulokset osoittivat, että PCB:n poistotehokkuus vaihteli 91,4 prosentista 99,4 prosenttiin, ja propaanilla uutetussa maaperässä PCB-pitoisuudet olivat alhaisia (19,0-1,8 mg/kg). Uuttamisen kokonaistehokkuuden todettiin riippuvan käytettyjen uuttokertojen määrästä.
Höyrytislaus: Tislaus, jossa nesteseoksen haihtuvien aineosien höyrystyminen tapahtuu alhaisemmassa lämpötilassa (kuin kummankin puhtaan nesteen kiehumispiste) johtamalla höyryä suoraan panokseen. Se on ihanteellinen tapa erottaa haihtuvat yhdisteet haihtumattomista epäpuhtauksista suurella saannolla. Höyrytislaus on tehokas mikroaaltoenergian kanssa saastuneen maaperän ja sedimenttien käsittelyssä. Mikroaaltokäsittelyt voidaan mukauttaa yksittäisiin jätevirtoihin: maaperästä, epäpuhtauksista ja niiden pitoisuuksista riippuen kunnostuskäsittely voidaan suorittaa useissa vaiheissa, kunnes haluttu puhdistustaso on saavutettu. Kaikki epäpuhtaudet voidaan poistaa niin, ettei niitä voida havaita tai että ne jäävät jäljelle. Höyrytislaus osoittautui tehokkaaksi 2,7-diklooridibentso-p-dioksiinin (DCDD) poistamisessa DCDD:tä sisältävästä maaperästä. Alkuperäisen maaperän DCDD-pitoisuus (250 μg/50 g maaperää) laski alle 5 prosenttiin vain 20 minuutin höyrytislauksen jälkeen. Tulokset viittaavat siihen, että höyrytislaus voisi olla uusi kunnostusmenetelmä dioksiineilla saastuneelle maaperälle.
Mekaanis-kemiallinen (MC): Tässä tekniikassa mekaaninen energia siirretään jyrsintäkappaleista kiinteään systeemiin leikkausjännityksen tai puristuksen kautta käytetystä laitteesta riippuen. Merkittävä osa jyrsimen energiasta muunnetaan lämmöksi ja pieni osa käytetään murtumien, venymien ja puristusten aikaansaamiseen mikro- ja makroskooppisella tasolla tai reaktion suorittamiseen. MC-hajoaminen voidaan suorittaa helposti käyttämällä kuulamyllyjä, joita on helposti saatavilla eri kokoisina (jopa useiden tonnien materiaalien käsittely on mahdollista) ja rakenteeltaan erilaisina. Epäpuhtaudet poistetaan suoraan saastuneen materiaalin sisältä riippumatta epäpuhtauden monimutkaisesta rakenteesta ja vahvasta luonteesta. Menetelmällä on hyvät mahdollisuudet hävittää orgaanisia jätteitä missä tahansa halutussa paikassa ja sen toiminta on joustavaa, koska siinä käytetään siirrettävää laitosta, joka koostuu myllystä ja suodattimella varustetusta pesusäiliöstä. Vaikka tässä menetelmässä tarvitaan kloorinpoistoreagenssia, kuten CaO:ta, jauhatuksessa, se ei vaadi lämmitystoimintaa. MC-kloorinpoistomenetelmän käytön tukemiseksi olisi hyödyllistä saada korrelaatio orgaanisen jätteen kloorinpoistonopeuden ja jauhatusolosuhteiden (MC) välille, jotta voitaisiin määrittää optimaaliset olosuhteet suurennetussa MC-reaktorissa. Menetelmä tarjoaa useita taloudellisia ja ekologisia etuja: kuulamurskaus vaatii vain vähän energiaa. Koska reaktio-olosuhteet ovat silmiinpistävän hyvänlaatuiset, myrkylliset yhdisteet voidaan muuntaa määritellyiksi ja käyttökelpoisiksi tuotteiksi. Haitallisia päästöjä ympäristöön ei ole odotettavissa. Tämä avasi mahdollisuuden kehittää uusia, innovatiivisia ex situ -dioksiinien kunnostus- ja dekontaminointimenetelmiä.
Biodegradointiprosessi: Bioremediaatio on käsittelyprosessi, jossa käytetään mikro-organismeja, kuten sieniä ja bakteereja, hajottamaan vaarallisia aineita myrkyttömiksi aineiksi. Mikro-organismit hajottavat orgaaniset epäpuhtaudet vaarattomiksi tuotteiksi – pääasiassa hiilidioksidiksi ja vedeksi. Kun epäpuhtaudet ovat hajonneet, mikrobipopulaatio vähenee, koska ne ovat käyttäneet koko ravinnonlähteensä. Biologisen hajoamisen laajuus riippuu suuresti epäpuhtauksien myrkyllisyydestä ja alkupitoisuuksista, niiden biologisesta hajoavuudesta, saastuneen maaperän ominaisuuksista ja valitun mikro-organismin tyypistä. Mikro-organismeja on pääasiassa kahta tyyppiä: kotoperäisiä ja eksogeenisia. Ensin mainittuja ovat mikro-organismit, jotka elävät jo valmiiksi tietyssä paikassa. Näiden kotoperäisten mikro-organismien kasvun edistämiseksi maaperän lämpötilasta, hapesta ja ravinnepitoisuudesta on ehkä huolehdittava. Jos paikan maaperässä ei ole tietyn saastuttavan aineen hajottamiseen tarvittavaa biologista aktiivisuutta, saastuneeseen maaperään voidaan lisätä muualta peräisin olevia mikro-organismeja, joiden tehokkuus on testattu. Näitä kutsutaan eksogeenisiksi mikro-organismeiksi.