Striping
Princíp
Princípom technológie je prechod rozpustených prchavých látok z kvapalnej fázy do plynnej. Prechod kontaminujúcich prchavých látok podporovaný zvýšením merného povrchu kontaminovanej vody vzhľadom na plynnú fázu (vzduchu). Zvýšenie povrchu sa dosahuje rozstrekovaním kontaminovanej vody alebo prebublávaním vody bublinkami plynu (Wang et al., 2006; FRTR, 2008).
Použiteľnosť
Striping sa dá použiť predovšetkým na odstraňovanie prchavých látok alebo plynov rozpustených vo vode, predovšetkým organických látok, ako sú napr. BTEX (benzén, toluén, etylbenzén, xylény), alifatické chlórované uhľovodíky (najmä perchlóretylén PCE, trichlóretylén TCE, dichlóretylény DCE, vinylchlorid, chlóretán), ropné uhľovodíky (benzín, príp. motorová nafta) a ďalšie prchavé organické látky (FRTR, 2008). V menšej miere sa aerácia využíva aj pri sanácii znečistenia anorganickými látkami, napr. radónom, sulfánom, oxidom uhličitým či amoniakom (Nyer, 1992; Schweitzer, 1997; Faust a Aly, 1998; Wang et al., 2006). Striping sa vo všeobecnosti považuje za jednu z najlepších metód na odstraňovanie prchavých organických látok z vody (Nyer, 1992; US EPA, 2001a).
Základná charakteristika
Metóda je založená na prechode prchavej kontaminujúcej látky z kvapalnej fázy do plynnej. Distribúciu kontaminantu v systéme kvapalina/plyn popisuje Henryho zákon:
,
kde: Hc je Henryho konštanta,
Cg je obsah kontaminantu v plynnej fáze,
Cl je obsah kontaminantu v kvapalnej fáze.
To znamená, že parciálny tlak plynu (obsah kontaminantu v plynnej fáze) nad kvapalinou pri konštantnej teplote je priamoúmerný jeho koncentrácii v kvapaline. Hodnota Henryho konštanty sa vo všeobecnosti so zvyšujúcou teplotou znižuje. Tým sa znižuje aj rozpustnosť plynu v kvapaline (Suthersan, 1996). Pri prevzdušňovaní kvapaliny sa zároveň zväčšuje kontakt (povrch) medzi fázami, čo urýchľuje ustaľovanie rovnováhy medzi kontaminantom v kvapalnej a plynnej fáze. Tieto fakty sa využívajú pri uplatnení stripingu v praxi. Rozsiahlejšia teória o navrhovaní a využívaní stripovacej technológie sa uvádza v literatúre (napr. Wang et al., 2006; Celenza, 2000; Schweitzer, 1997).
Schematický postup sanácie kontaminovanej vody stripingom možno zjednodušene opísať takto:
• prívod kontaminovanej podzemnej vody do stripovacieho zariadenia,
• separácia prchavého kontaminantu z kvapaliny aeráciou v stripovacom zariadení,
• zachytenie separovaného kontaminantu z plynnej fázy napr. na filtroch s aktívnym uhlím alebo jeho likvidácia (napr. katalytickou oxidáciou alebo biofiltráciou),
• odvedenie vyčistenej vody.
Medzi základné typy aerácie môžeme zaradiť použitie vertikálnych prevzdušňovačov, kde voda gravitačne voľne preteká, resp. sa rozstrekuje. Patria sem napr. stripovacie veže, rozstrekovacie prevzdušňovače a horizontálne prevzdušňovače (aeračné nádrže), kde voda vytvárajúca vodný stĺpec voľne horizontálne prúdi a je prebublávaná vháňaným vzduchom.
Typická stripovacia veža je vysoká 5 až 12 metrov a má tvar valca alebo kvádra. V hornej časti má rozprašovač, ktorým sa čistená podzemná voda rozprašuje na výplň veže a následne gravitačne preteká v protismere k prúdu vzduchu vháňanému odspodu. Prečistená voda sa zhromažďuje v zbernej nádrži v spodnej časti veže. Náplň veže môže byť z rôzneho materiálu (PVC, PE, keramika). Základnou požiadavkou je zabezpečenie maximalizácie kontaktnej plochy medzi kvapalnou a plynnou fázou (vodou a vzduchom) v kombinácii s dostatočnou priechodnosťou pre vzduch a vodu. Dôležitá je aj čo najjednoduchšia údržba výplne veže. Vháňanie vzduchu sa zabezpečuje ventilátormi v spodnej časti veže. Vháňaný vzduch prechádza odspodu cez výplň veže a po prechode kontaminantu z vody do plynnej fázy sa zmes vzduchu a kontaminantu odvádza do hornej časti veže. V hornej časti veže tzv. demister (odhmlievacie zariadenie, kvapôčkový separátor) odstraňuje strhnuté kvapôčky vody z plynnej fázy a následne sa v prípade potreby znečistený plyn odvádza na filtre (napr. aktívne uhlie) alebo sa zabezpečuje likvidácia kontaminantu iným spôsobom (napr. katalytická oxidácia, resp. spaľovanie). Základná schéma stripovacej veže je uvedená na obr. 4.2.36. Najnovšie konštrukcie a riešenia stripovacích veží, a najmä ich náplní umožňujú zvýšenie efektívnosti prebiehajúcich procesov (najmä zvýšením kontaktnej plochy voda/vzduch). Umožňuje to navrhovať prijateľnejšie rozmery zariadení (FRTR, 2008; Wang et al., 2006).
Obr. 4.2.36. Schéma konvenčnej stripovacej veže (Nyer, 1992).
Vysvetlivky: 1 – vstup znečistenej vody, 2 – odhmlievacie zariadenie (kvapôčkový separátor), 3 – rozprašovač (distribútor vody, distribučný zásobník), 4 – utesnenie veže (výplňový materiál), 5 – distribučné prepážky, 6 – podporný zásobník, 7 – zberná nádrž, 8 – ukotvenie veže, 9 – ventilátor.
Horizontálne prevzdušňovače (prevzdušňovacie nádrže) pracujú najčastejšie na princípe vypudzovania prchavých kontaminujúcich látok z kontaminovanej vody prebublávajúcim vzduchom. Konštrukcia nádrže, zdroja vzduchu a celkový dizajn zariadenia sa navrhuje v záujme čo najväčšej kontaktnej plochy kontaminovanej vody s prebublávajúcim vzduchom bez použitia doplnkovej náplne (podobnej v stripovacích vežiach). Existuje mnoho technických variantov riešenia horizontálnych prevzdušňovačov, ktorých hlavným účelom je predĺženie kontaktu vzduchu s kontaminovanou vodou. Schéma horizontálneho prevzdušňovača je uvedená na obr. 4.2.37. Z hľadiska rozmerov sú tieto zariadenia v porovnaní so stripovacími vežami menšie, výška je väčšinou do 2 metrov. Sú vhodné najmä pri aplikáciách, kde sú obmedzené priestorové možnosti. Ďalšou výhodou je ich nižšia citlivosť na kolmatáciu a tým aj nižšie nároky na údržbu (ľahšie čistenie), resp. je možné dekontaminovať aj vody s vyšším obsahom rozpustených látok (potenciálne schopných vyzrážania).
Najbežnejším typom horizontálneho prevzdušňovača je difúzny prevzdušňovač. Pozostáva z uzavretej nádoby, kde je na dne umiestnený vzduchový difúzor (rôznych typov) produkujúci jemné vzduchové bublinky. Tie voľne prechádzajú cez prúdiacu kontaminovanú vodu v nádobe a po obohatení prchavým kontaminantom sa zhromažďujú v hornej časti prevzdušňovača. Odtiaľ sa odvádzajú podľa potreby do filtrov s aktívnym uhlím, prípadne do iných zariadení na likvidáciu kontaminantu (v závislosti od koncentrácie kontaminantu v plynnej fáze a povolených limitov vypúšťania). Jeho hlavnou výhodou je jednoduchosť a nevýhodou nižšia efektivita čistenia (do 97 %). Je to však možné kompenzovať napr. zaradením viacerých stupňov čistenia. Existujú aj zdokonalené technické verzie prevzdušňovačov, ktoré dosahujú účinnosť aj viac ako 99 % (Faust a Aly, 1998).
Činnosť stripovacích zariadení môže prebiehať kontinuálne, prípadne v jednotlivých dávkach/cykloch nasledujúcich po sebe. Kontinuálna činnosť bez predchádzajúcej homogenizácie skrýva v sebe riziko kolísania účinnosti a efektivity v závislosti od zmeny podmienok a vlastností čistenej vody (FRTR, 2008).
Obr. 4.2.37. Schéma horizontálneho difúzneho rozprašovača – a) pohľad zhora, b) pozdĺžny rez (Faust a Aly, 1998).
Vysvetlivky: 1 – vstup vody, 2 – vstup vzduch z ventilátoru, 3 – hlavica prevzdušňovača, 4 – výstup vyčistenej vody, 5 – výstup vzduchu, 6 – pohyb vzduchu, 7 – voda, 8 – voda a vzduchové bubliny, 9 – rozvody vzduchu.
Výhody a limitácie
Výhodou stripingu (najmä vertikálnych stripovacích veží) je vysoká účinnosť odstraňovania kontaminantu (dosahuje sa účinnosť až 99 %). Výhodou horizontálnych prevzdušňovačov v porovnaní so stripovacími vežami sú menšie rozmery (najmä výška), nižšia citlivosť na kolmatáciu a tým aj nižšie nároky na údržbu (resp. ľahšie čistenie). Systémom horizontálnych prevzdušňovačov je možné dekontaminovať aj vody s vyšším obsahom rozpustených látok (potenciálne schopných vyzrážania).
Faktory limitujúce aplikáciu technológie (FRTR, 2008):
• možná kolmatácia zariadenia anorganickými zlúčeninami (kolmatáciu spôsobuje najmä oxidácia a vyzrážanie niektorých zložiek, najmä železa a mangánu, vyzrážanie vápnika a horčíka alebo biologické usadeniny (nárast biologickej hmoty); zníženie rizika kolmatácie vyžaduje predchádzajúcu úpravu vody, alebo je nutné častejšie čistenie zariadenia;
• dostatočná efektívnosť metódy sa dosahuje iba v prípade vody kontaminovanej prchavými alebo poloprchavými látkami s Henryho konštantou vyššou ako 1 kPa . m3 . mol–1 (0,01 atm. m3 . mol–1; niektoré zdroje udávajú hodnotu 0,05 atm. m3 . mol–1 – Faust a Aly, 1998);
• kontaminanty s nízkou prchavosťou môžu pri normálnej teplote vzduchu vyžadovať predhrievanie podzemnej vody alebo použitie predhriateho plynu;
• vysoké energetické náklady, predovšetkým pri nízkej koncentrácii kontaminantov;
• dodatočné nakladanie so separovanými kontaminovanými plynmi (ak je potrebné) a ich likvidácia;
• veľké priestorové nároky (najmä v prípade stripovacích veží, ktorých výška môže dosahovať až 12 metrov);
• náročnosť údržby, resp. výmeny náplne pri stripovacích vežiach v prípade ich kolmatácie (závisí od zloženia a vlastností čistenej vody).
Trvanie čistenia a účinnosť
Dĺžka čistenia závisí od nastavenia celkovej technológie sanácie (najmä včítane čerpania), no prechod kontaminovanej vody cez technologické zariadenie je relatívne krátky (celkové zdržanie sa pohybuje rádovo v minútach). Účinnosť stripovania je možné zvýšiť najmä predĺžením kontaktu vody so vzduchom (konštrukcia stripovacej veže a vlastnosti náplne), predhrievaním čistenej vody, resp. plynnej fázy či zaradením viacerých stupňov sanácie. Táto metóda je schopná odstrániť veľké množstvo prchavých látok pri relatívne nízkych nákladoch (Wang et al., 2006). Medzi hlavné položky pri hodnotení nákladovosti metódy stripingu patria náklady na:
• energiu potrebnú na prevádzku čerpadiel a ventilátorov,
• manipuláciu a čistenie stripovacích zariadení (platí to najmä pri stripovacích vežiach),
• odstránenie kontaminantu z plynnej fázy (ak je to potrebné vzhľadom na koncentráciu kontaminantu),
• počiatočnú inštaláciu technológie.
© Atlas sanačných metód environmentálnych záťaží
Autori: Jana Frankovská, Jozef Kordík, Igor Slaninka, Ľubomír Jurkovič, Vladimír Greif,
Peter Šottník, Ivan Dananaj, Slavomír Mikita, Katarína Dercová a Vlasta Jánová
Štátny geologický ústav Dionýza Štúra, Bratislava 2010, 360 s,
ISBN 978-80-89343-39-3