Termisk assisterede oprensninger, Miljøstyrelsen

Denne rapport indeholder en gennemgang af den eksisterende litteratur og viden omkring termisk assisteret oprensning af jord og grundvand forurenet med organiske kemikalier. Der er foretaget en evaluering af mulighederne for at anvende disse metoder i Danmark.

Rapporten er udarbejdet af Gorm Heron, Institut for Miljøteknologi (DTU), Tom Heron, NNR og Thomas H. Larsen, Hedeselskabet.

Rapporten er baseret på et litteraturstudium og efterfølgende besøg hos og interviews med de førende amerikanske eksperter:

	Eva L. Davis, Robert S. Kerr Laboratory, US EPA, Ada, Oklahoma
	Carl G. Enfield, Robert S. Kerr Laboratory, US EPA, Ada, Oklahoma
	James Phelan, Sandia National Laboratory, Albuquerque, New Mexico
	Stephen Webb, Sandia National Laboratory, Albuquerque, New Mexico
	Kent S. Udell, University of Berkeley, California, USA
	Roger Aines, Lawrence Liver more National Laboratory, California
	Robin Newmark, Lawrence Livermore National Laboratory, California
	Kevin Knauss, Lawrence Livermore National Laboratory, California
	Kathy Kaufman, Lawrence Livermore National Laboratory, California
	Theresa Bergsman, Pacific Northwest National Laboratory, Richland, Washington
	Phil Gauglitz, Pacific Northwest National Laboratory, Richland, Washington
	Douglas La Brecque, Steamtech Inc., Bakersfield, California
	Hank J. Sowers, Steamtech Inc., Bakersfield, California
	Mark Cummings, Los Alamos National Laboratory, New Mexico
	Craig Eaker, Southern Califomia Edison, California.

1 Resume

Miljøproblem

Forurening af jord og grundvand med klorerede opløsningsmidler er anerkendt som et alvorligt miljøproblem i Danmark. Disse stoffer forekommer på fri fase (som residuale dråber, sammenhængende ganglia eller pools), opløst i porevand eller sorberet til jordpartikler. På grund af de klorerede stoffers høje densitet, lave viskositet og begrænsede overfladespændinger, synker frie faser ofte til store dybder og gennemtrænger grundvandsmagasiner. Den lodrette spredning begrænses typisk af lavpermeable jordlag, hvor de klorerede opløsningsmidler standses og diffunderer ind i revner og sprækker.

Utilstrækkelige metoder

Dette fører i typiske danske aflejringer til et meget kompliceret forureningsbillede, med forureningsstofferne koncentreret omkring eller i lavpermeable lag eller under grundvandsspejlet. De geologiske forhold - og usikkerhed omkring den rumlige udbredelse af forureningen - stiller endog meget store krav til oprensningsteknologierne, hvis problemet skal løses.

Traditionelle in situ oprensningsmetoder beror på cirkulation af luft, over grundvandsspejlet ved vakuumekstraktion eller bioventilation, under grundvandsspejlet ved air sparging eller bio sparging. Disse metoder har to væsentlige begrænsninger: Mange stoffer har begrænset flygtighed ved de forekommende temperaturer (7-12 °C), og transporteres derfor ikke let i luften, og effektiv oprensning kræver, at den cirkulerede luft kontakter hele det forurenede volumen, hvilket i praksis typisk forhindres af de geologiske og hydrauliske betingelser.

Termisk oprensning

En lovende måde at overvinde disse problemer på er termisk assisteret oprensning, som et supplement til de eksisterende metoder, nemlig opvarmning af formationen til vands kogepunkt. Termodynamiske beregninger og forsøg viser, at de ovennævnte begrænsninger kan overvindes ved opvarmning, idet:

	Organiske stoffers flygtighed (damptryk og Henry's konstant) stiger typisk med en faktor 10-20 ved opvarmning fra 10 til 100 °C.
	Opvarmning af formationer kan gøres relativt ensartet, hvilket fører til in situ dampproduktion i alle lag opvarmet til kogepunktet.

Laboratorieforsøg indikerer, at dette vil lede til hurtig fjernelse af forureningsstofferne med en oprensningstid, der typisk er i størrelsen uger eller måneder.

USA erfaringer

Fuld skala demonstrationsforsøg i USA har vist, at benzin, kreosot og klorerede opløsningsmidler kan oprenses både over og under grundvandsspejlet, og både fra permeable og lavpermeable lag. En forudsætning for effektiv oprensning er, at der opnås tilstrækkelig ensartet opvarmning, således at jordvandets kogepunkt overstiges i hele behandlingsområdet, samt at der undgås forureningsspredning til omkringliggende, koldere områder. Dette er opnået både ved Joule heating (elektrisk opvarmning), ved dampinjektion og ved kombination af disse - kaldet Dynamic Underground Stripping.

Joule heating

Tykke lerlag renses termisk ved anvendelse af Joule heating. Joule heating er elektrisk opvarmning af jorden med vekselstrøm. Strømmen sendes gennem jorden ved brug af metalliske brønde, der fungerer som elektroder. Disse elektroder placeres rundt om det forurenede område, og der suges på centrale brønde for at opsamle de udviklede dampe. Jorden opvarmes på grund af den modstand, som elektronerne møder ved vandring gennem jorden. Da lavpermeable ler- og siltlag ofte indeholder elektrisk ledende lermineraler, og typisk har høj vandmætningsgrad, leder disse strømmen bedre end mere permeable, sandede og grusede jordlag. Derfor afsættes mest energi i de lavpermeable lag, netop hvor de klorerede opløsningsmidler forventes at udgøre det største problem. Joule heating har vist sig at være effektiv til oprensning af klorerede opløsningsmidler både i laboratoriet og i felten. Der gennemføres pt. flere oprensninger med Joule heating i USA. Hidtil er relativt små grunde renset med Joule heating; typisk med arealer mindre end 500 m². Joule heating kan anvendes i næsten vilkårlige dybder, men er hidtil anvendt i indtil 30 m's dybde.

Dampinjektion

Dampinjektion er velegnet i mere permeable formationer, hvor dampen kan injiceres ved under 1 atm overtryk. Damp produceres direkte i kedler med meget lille energitab, hvorfor damp er den billigste form for energi til opvarmning. Effektiv oprensning med dampinjektion kræver detaljeret monitering af dampfronternes udbredelse i jorden, og løbende optimering af injektionstryk og dampmængder. Dampen injiceres under og uden om det forurenede kildeområde, og bringes til at vandre indad mod ekstraktionsboringer placeret midt i kilden. Herved presses forureningsstofferne på dampform ind mod midten, hvor de opsamles ved vakuumekstraktion.

Lerlag af op til 3 m's tykkelse kan opvarmes ved dampinjektion på begge sider i løbet af få uger på grund af varmeledning fra de mere permeable lag. Dampinjektion er lettest i umættet zone, men er anvendelig også for dybere forureninger i mættet zone. Fri fase forurening er oprenset i op til 40 m's dybde under terræn, og op til 20 m under grundvandsspejlet.

Dynamic Underground Stripping

Hvor meget tykke lerlag forekommer, kan det være nødvendigt at kombinere metoderne. En kombination af Joule heating og dampinjektion (Dynamic Underground Stripping) er anvendt med stor succes til oprensning af en benzinforurening på en relativt kompliceret grund på Lawrence Livermore National Laboratory, Californien. Benzinen fandtes over og under grundvandsspejlet i indtil 30 m dybde, både i sandede og tykke vandrette lerlag. Lerlagene blev opvarmet med Joule heating, hvorefter dampinjektion blev anvendt til at opvarme resten af formationen. Grunden blev opvarmet til over 100 °C, 25 m³ benzin blev opsamlet som kondensat, og grunden er nu afmeldt.

Denne rapport indeholder beskrivelser, der vedrører design af termisk assisteret oprensning - såsom materialevalg, monitering og sikkerhedsforhold.

Behandling af varmt vand og luft

Strømme af varmt vand, damp og luft komplicerer behandlingsdelen. Dette kræver særlig fokus på valg af materialer til anlægget og i særdeleshed anlæggets fleksibilitet, idet sammensætningen af afkastet afhænger af de opnåede temperaturer, forureningens rumlige udbredelse (som ikke er kendt i detaljer) og ændringer i undergrundens permeabilitet som følge af opvarmning og udtørring. Derfor skal anlægget kunne klare store udsving i stofkoncentrationer og strømme af damp.

Monitering i felten

Termisk oprensning kræver detaljeret monitering af temperaturer, tryk og stoffluxe i felten. Moniteringen bruges til optimering af processen ved justering af opvarmningen og de påtrykte undertryk i ekstraktionsboringer. Herved kan strømningsretningen for både vand og luft kontrolleres, unødig stofspredning undgås, og oprensningen optimeres. Automatisk opsamling af temperatur- og trykdata og anvendelse af geofysiske teknikker såsom Electrical Resistance Tomography (ERT) vil styrke kontrollen med termisk oprensning.

Sikkerhed

For at forbedre sikkerheden ved termisk oprensning skal der vælges/benyttes temperatur-resistente materialer, grundig kontrol og neutralisering af elektriske spændinger. Desuden bør anlægget drives af specialtrænet personel, der kender til omgang med høje temperaturer. Hidtil er sikkerheden håndteret meget strengt ved oprensningerne i USA. Der er ingen kendskab til alvorlige uheld.

Geoteknik

Opvarmningen til kogning kan føre til dannelse af damp ved højt tryk. Dampen kan presse jordlagene fra hinanden, hvorved der dannes sprækker, og formationens bæreevne kan påvirkes. Elektrisk opvarmning medfører større risiko end dampinjektion, idet den afsatte energi vil tvinge damp ud af jordlagene, hvilket kan føre til tryk, som overstiger lagenes tærskeltryk. Ved dampinjektion er de maksimale trykgradienter givet ved det påtrykte injektionstryk og vakuum i ekstraktionsboringerne. Hvor den forurenede grund er bebygget eller skal benyttes til bebyggelse, anbefales det at de geotekniske forhold overvåges nøje.

Økosystemets påvirkning

Det naturlige økosystem - på grunde som oprenses med termiske metoder - vil blive forstyrret kortvarigt. Opvarmning til 100 °C fører til delvis sterilisering af jorden, med forskydning af den økologiske balance mod termofile, grampositive bakterier. Amerikanske erfaringer viser dog, at muligheden for aerob naturlig selvrensning ikke fjernes, idet bakteriel nedbrydning er påvist på flere grunde efter en termisk assisteret oprensning. Termisk oprensning vil potentielt kunne ændre undergrundens redoxforhold enten ved iltning ved dampinjektion, eller ved fjernelse af ilt ved elektrisk opvarmning til kogning. Hvis restforureninger efterlades, bør redoxforholdene og muligheden for naturlig selvrensning derfor vurderes nøje.

Økonomi

Beregningseksempler udført på 5 teoretiske forureningssituationer - og amerikanske erfaringer fra fuld skala oprensninger - viser, at termisk oprensning er økonomisk endog meget konkurrencedygtig. Beregningerne viser, at termisk assisteret oprensninger er en faktor 1,5-4,5 billigere end den bedste traditionelle teknologi (afgravning, vakuumekstraktion, pump-and-treat). Dette understøttes af feltdemonstrationer, hvor priser mellem 260 og 600 dkr/m³ er opgivet ved oprensning af benzin- og kreosotforurenede grunde. Udgiften til selve opvarmningen (energi) har typisk været under 25% af de totale sagsomkostninger. Den væsentligste besparelse ligger i den langt kortere behandlingstid ved termisk oprensning, typisk under et år.

Termisk oprensning lovende i Danmark

Sammenfattende vurderes det, at termiske oprensningsmetoder har en meget lovende fremtid i Danmark. Der er tale om en innovativ teknologi, som udnytter nogle meget simple termodynamiske fænomener til acceleration af stoffjernelse. Med god kontrol og overvågning af processerne i jorden kan hidtil utilgængelige forureninger renses op i løbet af få måneder. Teknologien sigter specielt mod oprensning af områder med væskeformig forurening, og svækkes ikke væsentligt af heterogeniteter i undergrunden. På denne baggrund synes termisk assisteret oprensning at være en meget robust løsning på de ellers uovervindelige forureninger med frie faser i lerlag og under grundvandsspejlet.

2 Indledning

In situ rensning

Danmarks drikkevand og recipienter er truet af forurening med opløsningsmidler og olieprodukter. Ud fra såvel økonomiske som miljømæssige overvejelser er in situ metoder lovende til oprensning, fordi opgravning og transport af forurenet jord undgås.

I Danmark har in situ metoder som vakuumekstraktion, bioventilation og air sparging været anvendt. Metoderne har vist sig at være velegnede over for organiske forureninger som benzin, diesel/fyringsolie og klorerede opløsningsmidler. Dette gælder både i kildeområder med fri fase forurening og i nedstrøms faner med opløst forurening. Imidlertid er der også en lang række tilfælde, hvor de traditionelle løsningsmodeller ikke har virket hensigtsmæssigt.

Traditionelle metoders begrænsning

De traditionelle in situ metoder er alle karakteriseret ved, at deres effektivitet er stærkt afhængig af jordens ledningsevne over for luft og vand. Over for geologiske formationer med begrænset ledningsevne, eksempelvis lerede moræneformationer, er de traditionelle metoder derfor ikke effektive.

Ud over at de geologiske forhold kan gøre at oprensningen mislykkes, kan der også være forureningstyper, der på grund af begrænset flygtighed, kan være svære at fjerne med de traditionelle teknikker. Et eksempel på sådanne typer forureninger er tjæreforureninger ved gasværker. Disse kan kun i begrænset omfang fjernes ved vakuumekstraktion, og det vil være den biologiske omsætning, der styrer den samlede fjernelse.

Disse begrænsninger i de traditionelle in situ metoder har bekymret brugere, myndigheder og forskere. Der er derfor inden for den seneste årrække forsket i forskellige metoder til at løse disse problemer. En af de metoder, der ser meget lovende ud, er termisk assisterede oprensninger, hvor jorden/grundvandszonen opvarmes.

Termisk oprensning

Formålet med at opvarme er ofte flersidigt. Dels øges flygtigheden for forureningsstofferne kraftigt med temperaturen, dels sker der en udtørring af jorden under opvarmningen, hvilket fremmer luftstrømningen i jorden. Endelig forekommer der i nogle tilfælde lokalt kogning i jorden, der kan lede til en kraftig forøgelse af tilgængeligheden af de stoffer, der ønskes fjernet. Den termodynamiske baggrund og de termiske processer er beskrevet i kapitel 3.

Der findes en lang række metoder til opvarmning af jorden og grundvandszonen. I kapitel 4 er disse metoder gennemgået.

Specielt to opvarmningsmetoder virker lovende for danske forhold. Det drejer sig om direkte injektion af damp (steam injection), og opvarmning ved udnyttelse af jorden som elektrisk leder (Joule heating). Erfaringerne med disse teknologier er gennemgået i kapitel 5.

Håndtering af varm luft, vand og damp stiller specielle krav til behandlingsanlægget, idet køling er nødvendigt, og fordi store fluktuationer i stofkoncentrationer og luftmængder kan forventes som følge af variationer i undergrunden. Specielle krav til anlægget og monitering er diskuteret i kapitel 6 og 8.

Effektiv kontrol og styring af opvarmningen kræver detaljeret in situ monitering af tryk, temperaturer og eventuelt geofysiske egenskaber for at sikre homogen opvarmning, og for at undgå spredning af forureningsstoffer til koldere omkringliggende områder. Dette er beskrevet i kapitel 7.

I kapitel 9 gennemgås specielle sikkerhedshensyn, der knytter sig til termisk assisteret oprensning.

Potentielle implikationer for formationernes bæreevne - og heraf afledte geotekniske forstyrrelser - diskuteres i kapitel 10.

Opvarmning til kogepunktet forstyrrer den økologiske balance i jorden. De termiske effekter på de naturlige økosystemer gennemgås i kapitel 11.

Baseret på vor nuværende viden ser der ud til også at være et økonomisk incitament til at udnytte termisk assisterede metoder. Dette er nærmere beskrevet i kapitel 12.

3 Termodynamik, fasefordeling og termiske oprensningsmekanismer

I dette kapitel gennemgås de termodynamiske ændringer, som opvarmning af undergrunden fører til. Denne viden er fortrinsvis baseret på kontrollerede laboratorieforsøg udført på University of California, Berkeley (Kent Udell), gruppen DTU-US EPA (Gorm Heron og Carl G. Enfield) og University of North Carolina (Paul Imhoff), samt kritiske resumeer og konference-indlæg fra US EPA (Davis, 1997; Heron, 1997b; Heron et al. 1998c).

Temperaturens effekt

Når klorerede opløsningsmidler spredes i miljøet, foregår det typisk ved en temperatur mellem 0 og 20 °C. Stofferne undslipper på væskeform, såkaldt DNAPL (Dense Non-Aqueous Phase Liquid).

Karakteristiske parametre for fordelingen mellem fri fase, opløst stof, sorberet stof og stof på gasform (densitet, viskositet, overfladespænding, vandopløselighed, sorptionskonstanter, damptryk, Henry's konstant og diffusionskoefficienter) er temperaturafhængige. Generelt fører opvarmning til større DNAPL mobilitet, højere vandopløselighed, mindre sorption, større fraktion af stof på gasfasen og hurtigere diffusion. Figur 3.1 viser temperaturafhængigheden for de væsentligste parametre for vand, TCE og PCE.

In situ kogning

Den dominerende effekt af opvarmning fra 10 til 100 °C er den store stigning i flygtigheden (damptryk og Henry's konstanter), hvilket fører til kraftigt forøget afdampning eller kogning af porevandet under stor volumenudvidelse (Heron et al. 1998b). Dette leder til hurtig stoffjernelse, idet klorerede opløsningsmidler skubbes fra de immobile faser (fri fase pool eller ganglia, sorberet til jordpartikler eller opløst i stationært vand i lavpermeable zoner) over i den mobile fase (luft), som kan opfanges ved vakuumekstraktion.

3.1 DNAPL egenskaber påvirket af temperaturstigninger

3.1.1 Vandopløselighed

Vandopløselighed

Vandopløseligheden stiger med 40 % for TCE, og 200 % for PCE mellem 10 og 90 °C. Dette kan føre til forøgede opløste koncentrationer og acceleration af pump-and-treat systemer. Forskydningen mod mere stof på opløst form er dog ikke tilstrækkelig til at påvirke størrelsen af residual DNAPL, idet opløseligheden ikke stiger med mere end 0.3 g/L for PCE og 0.4 g/L for TCE, hvilket er forsvindende lidt, så snart der findes fri fase. Fri fase mætninger i porevolumenet er typisk i størrelsesordenen 1-15 %, svarende til et indhold af 15-250 g DNAPL pr. liter porevand, dvs. langt over opløseligheden for TCE og PCE på hhv. 1100 mg/l og 15 0 mg/l.

(Figur 3.1 (del 1 - 8 Kb, del 2 - 8 Kb))

Figur 3.1 Fysisk kemiske egenskaber for vand (fuldt optrukket), TCE (prikket) og PCE (stiplet) som funktion af temperaturen

Imhoff et al. (1997) viste, at selv om PCE's vandopløselighed ikke stiger dramatisk mellem 5 og 60 °C, stiger masse-fluxen ud af et vandmættet område med dråber af PCE med en faktor 3. Dette skyldes en hurtigere opløsning af PCE i vand ved højere temperaturer, og gælder kun hvor den opløste koncentration er mindre end den maksimale opløselighed. Derfor forventes den øgede opløselighed ikke at formindske massen af fri fase væsentligt, bortset fra i undermættede systemer, hvor mængden af opløst stof er mindre end den aktuelle opløselighed. I sådanne tilfælde kan en forøget opløsningshastighed reducere DNAPL massen og dermed faren for (forøget) lodret mobilitet.

3.1.2 Damptryk og kogning

Øget flygtighed

Stoffernes damptryk, som er styrende for ligevægten mellem fri fase og gasfasen, stiger meget dramatisk med temperaturen. Mellem 10 og 100 °C stiger damptrykkene for TCE og PCE med henholdsvis en faktor 18 og 15. Denne forskydning af ligevægten mod gasfasen kan være overordentlig væsentlig i den umættede zone, idet store mængder DNAPL vil fordampe, når jorden tørrer ud, og vandfilmen uden om DNAPL dråberne fordamper. Herved blottes den fri fases overflade, og det øgede damptryk presser gasformige stoffer ud af jorden, hvorved residual DNAPL fordamper i løbet af få timer (Heron, 1997a; Udell, 1997a).

Nedsat kogepunkt i 2-fase system

En meget væsentlig og hidtil overset effekt af det stigende DNAPL damptryk er, at kogepunktet for blandingen af vand-DNAPL nedsættes (Udell, 1996). Kogning forekommer, når summen af de enkelte damptryk (vand og DNAPL) overstiger det samlede hydrauliske tryk. En blanding af PCE og vand ved 1 atm tryk koger således ved 87 °C, idet summen af de to mættede dampes tryk ved denne temperatur er 1 atm. For fri fase TCE er effekten endnu større, kogepunktet er da 75 °C. Så længe væsentlige mængder af fri fase DNAPL forefindes, vil porevandet koge. Når al DNAPL er fordampet, stiger kogepunktet til 100 °C, og vand vil mætte hele porevolumenet, indtil højere temperaturer nås (Heron et al. 1998c).

Jo dybere jo varmere

Kogepunkterne stiger med dybden under grundvandsspejlet, idet kogning f.eks. i 10 m's dybde indtræder, når summen af damptrykkene når 2 atm (rent vand 120 °C). Denne effekt må ikke overses, når materialer til feltinstallationer vælges. Det er ikke tilstrækkeligt at vælge materialer, der kan tåle 100 °C, hvis forureningen er placeret i væsentlig dybde under grundvandsspejlet, og det påtænkes at opvarme til vands kogepunkt for at rense for opløst og sorberet fase.

3.1.3 Densitet, viskositet og overfladespænding

DNAPL mobilitet

Densiteterne for PCE og TCE falder med 10-15 % fra 0 til 100 °C, hvilket skyldes varmeudvidelsen (Figur 3.1). Meget større effekt ses på viskositeten, idet denne halveres. Derfor stiger det kritiske forhold mellem densitet og viskositet, som er afgørende for lodret DNAPL stabilitet og mulighed for ustabil strømning i tynde kanaler, det såkaldte "fingering" (Kueper & Frind, 1988). Dette forhold stiger maksimalt med en faktor 1.4, hvilket kan være afgørende for mobiliteten af en frisk forurening, hvor stoffet forekommer i koncentrationer svarende til mætning. I praksis spredes DNAPL forureningen dog lodret i løbet af få timer eller dage (Mercer & Cohen, 1990), efterfulgt af typisk måneder eller år, hvor koncentrationen i jorden falder pga. afdampning, opløsning og biologisk nedbrydning. Derfor vil DNAPLs typisk forefindes i koncentrationer lavere end jordens kapacitet til at fastholde dem, og en forøgelse af densitet/viskositet forholdet på under 40 % vil typisk ikke føre til forøget lodret spredning. Dette bør dog undersøges i realistiske systemer.

Overfladespændingerne falder med mindre end 15-10-3 N/m, hvilket er under 20%. Derfor forventes der heller ikke dramatiske effekter på residual DNAPL, idet dråbestørrelserne ikke vokser væsentligt, og dannelse af nye ganglia (sammenhængende DNAPL strenge) vil ikke være af større betydning. På helt friske forureninger kan en mindre effekt forventes, og der er risiko for øget lodret spredning ved nedsynkning, og øget vandret spredning med grundvandsstrømmen (mindre overfladekræfter, mindre viskositet).

Kogning dominerer over nedsynkning

Sammenfattende konkluderes det, at ligevægten forskydes mod dramatisk større fordampning, og begrænset øget lodret og vandret DNAPL mobilitet, når temperaturen stiger. Effekterne på DNAPL mobiliteten er begrænsede og vil være størst for helt friske forureninger, hvor stofferne lokalt forekommer i koncentrationer svarende til mætning. Der kan forventes en forbedring af pump and treat systemer, idet viskositeterne falder til det halve, overfladespændingerne reduceres med ca. 10 %, og opløsningshastigheden af fri fase stiger mellem 50 og 500 %. Disse effekter vil dog overskygges af de forhøjede damptryk og kogning, når temperaturen når op på kogepunktet, som afhænger både af dybden under grundvandsspejlet og DNAPL sammensætningen (Heron et al. 1998c).

3.2 Opløst og sorberet forurening

3.2.1 Sorption

Mindre sorption

Det er vanskeligt at bedømme effekten af temperaturændringer på sorption, fordi denne afhænger af sorptionsentalpiens størrelse, som sjældent er kendt. For PCE og TCE i vandmættet jord vil sorptionsentalpien formentlig være mellem 1 og 10 kJ/mol for de fleste jordtyper med organisk stofindhold under 0, 1 %. Dette fører til en reduktion af fordelingskoefficienten K_d på mellem 1,2 og 10 gange, hvilket bevirker en mindre retardation i strømmende vand og større mulighed for fordampning.

3.2.2 Diffusion

Større diffusion

Diffusionskoefficienterne (D, målt i m/s) stiger med temperaturen (T, målt i grader Kelvin), i henhold til følgende ligning

D = D₀ · (T/T₀)ⁿ

hvor D₀ er diffusionskoefficienten ved temperaturen T₀. For vandig diffusion er n bestemt til 1, hvilket giver en 31 % stigning i diffusionskoefficienten mellem 10 og 100 °C. For gasformig diffusion, som typisk er 4 størrelsesordener hurtigere end vandig, er n bestemt til 1.5. Den gasformige diffusionskoefficient stiger således med 51 % fra 10 til 100 °C. Denne relativt lille effekt på diffusionshastigheden overskygges meget let af ændringer i f.eks. vandindholdet, idet en lille udtørring vil forøge den samlede diffusion kraftigt ved at øge betydningen af den gasformige diffusion.

3.3 Mekanismer og procesforløb

Tænkt eksempel

Klorerede opløsningsmidlers mobilitet øges ved opvarmning. Effekten af opvarmning med Joule heating kan forklares med et teoretisk eksempel (3.3.1 og 3.3.2): Antag en forurening med PCE med fri residual fase i umættet og mættet zone, en opløst fane og sorberet stof på jorden. Der etableres grundvandssænkning og hydraulisk isolering af området med minimal tilførsel af grundvand, og vakuumekstraktion i den umættede zone.

3.3.1 Opvarmningsfasen

Først stiger temperaturen med f.eks. 5 grader pr. dag, indtil kogepunktet nærmes. I denne fase sker der ikke væsentlig udtørring, men mobiliteten af den fri fase forøges. Viskositeten og overfladespændingerne falder, og hvor DNAPL forekommer i mængder tæt på mætningskapaciteten, kan der forekomme nedsynkning. Ligevægten forskydes mod mere opløst stof, mindre sorption i den opløste fane, og diffusionskoefficienterne stiger.

3.3.2 Kogning og in situ dampproduktion

På et tidspunkt når temperaturen op på kogepunktet af DNAPL-vand blandingen (87 °C for PCE-vand) i de værst forurenede områder, og porevandet og DNAPL vil begynde at koge i disse områder. Kogningen optræder først i lille dybde, fordi trykket her er mindst. Hermed produceres meget store mængder damp og gasformig forurening, som tvinger sig ud af formationen opad eller til siden, hvor den opfanges ved vakuumekstraktion.

Volumenforøgelse

Den store volumenforøgelse der sker ved kogning, kan illustreres ved at 1 ml vand fordamper til 1700 ml damp ved 100 °C. Denne volumenforøgelse fører til en dampflux ud af områderne med DNAPL, indtil den residuale fase er ubetydelig, og ikke længere bidrager til at sænke kogepunktet. Da vil jorden være renset for DNAPL, og vandet vil ikke længere koge.

Fortsættes opvarmningen, vil kogepunktet for porevandet nås, og på ny dannes damp, denne gang i hele området, som når den højere temperatur. Jorden gennemskylles med store mængder damp, og derved trækkes sorberede og opløste stoffer ud. Henry's konstanterne for PCE og TCE stiger med en faktor 10, hvilket medvirker til en øget afdampning fra opløst fase.

3.3.3 Udtørring og rensning af opløste stoffer

Lave jordkoncentrationer opnås

Det er teoretisk og eksperimentelt eftervist, at en meget lille udtørring (1-5 % af porevolumenet) kan føre til en reduktion af jordkoncentrationerne til under 1 mg/kg, selv i lerholdig silt (Heron et al. 1998a). (Udell, 1996). Den dominerende mekanisme er fordampning af vand overalt fra det opvarmede område (in situ kogning), samt dannelse af luftbobler og kanaler, der leder store mængder damp ud af selv meget lavpermeable områder. Det forventes, at meget lavere niveauer (under 0,1 mg/kg) vil kunne opnås ved længere tids opvarmning (Udell, 1996; Heron et al. 1998a).

Der er således identificeret mekanismer, som fører til hurtig og effektiv rensning af både områder med fri fase (præferentiel kogning) og områder med opløste stoffer (damp stripning).

3.3.4 In situ vådoxidation

Forhøjet kuldioxid

I forbindelse med opvarmning af undergrunden ved termisk assisterede oprensninger konstateres der ofte et højt indhold af C0₂ i den opsugede luft. Eksempelvis er der under en oprensning med vakuumekstraktion og dampinjektion på Brüel og Kjærs grund i Nærum set en baggrundskoncentration af C0₂ på ca. 0,2 % stigende til ca. 2 %, når der opnås in situ temperaturer i nærheden af kogepunktet (Brüel og Kjær, 1997).

Kemisk oxidation

Dette skyldes in situ destruktion af forureningskomponenter - samt destruktion af det naturlige indhold af organisk stof i jorden (Knauss et al. 1997). Reaktionen skyldes dannelsen af frie iltradikaler i jorden ved højt tryk og temperatur. Iltradikalerne reagerer med de organiske komponenter i jorden. In situ destruktionen finder først sted med betydelige hastigheder, når temperaturen er i nærheden af kogepunktet, dvs. 90-100 °C (Knauss et al. 1997). Samme kilde rapporterer fjernelsesrater i vandfasen for TCE på ca. 1 mg pr. liter pr. dag under laboratorieforsøg - ved en udgangskoncentration på 10 mg/l og en temperatur på 100 °C. Dette svarer til en halveringstid i størrelsesordenen 5 dg. Reaktionen er ikke endnu forstået i detaljer, men forløber relativt hurtigt, blot der er tilstrækkeligt ilt til stede.

3.3.5 Mobilisering og spredning

Et muligt problem er udadrettet eller nedadrettet transport af forureningskomponenter i yderkanten af det opvarmede område. Hvis ikke der er tilstrækkelige trykgradienter til indadrettet flow, vil stoffer kunne flytte sig fra varme til kolde områder (væk fra kilden).

Skal varme udefra

Fordampning fra områder med høj temperatur og kondensation i omkringliggende koldere områder kan føre til en transport udad. Dette problem kan løses ved:

	At opvarme et område som med sikkerhed omslutter hele det forurenede område.
	At sikre et tilstrækkeligt indadrettet flow til at modvirke denne mekanisme.
	At opsamle stofferne ved oppumpning af grundvand eller vakuumekstraktion fra yderkanten af det opvarmede område.

3.4 Oprensningstider

Måneder er nok

Der er ikke indhentet tilstrækkelige data til, at der kan opstilles regler for nødvendige opvarmningstider for rensning af klorerede opløsningsmidler i forskellige jordtyper, lagtykkelser og dybder. Både laboratorie- og feltforsøg viser dog, at i de fleste aflejringer er oprensningstiden i størrelsesordenen uger til få måneder, når det lykkes at varme op til kogepunktet. Dette er en afgørende tidsbesparelse, når opvarmning sammenlignes med vakuumekstraktion, air sparging eller pump-and-treat.

4 Opvarmningsteknologier

I dette kapitel gennemgås de forskellige teknologier, som har været anvendt til at opnå opvarmning under in situ oprensninger. I kapitel 5 behandles de to mest lovende teknologier (Joule heating og dampinjektion) i detaljer, og feltdemonstrationer af relevans gennemgås.

4.1 Dampinjektion

Store grunde er ikke et problem

Dampinjektion anvendes til oprensning af relativt permeable lag i både umættet og mættet zone. Da teknikken er overført fra olieindustrien, hvor den anvendes i flere kilometers dybde, er der ingen begrænsninger på hverken dybder eller jordvolumener.

Damp injiceret fra lodrette brønde hæver formationens temperatur til ca. 100 °C. Damp har en højere varmekapacitet end luft, og der afsættes varme, når dampen kondenseres til vand. Mekanismerne under dampinjektion er velbeskrevet via 10 års forskning på University of California, Berkeley (Udell, 1996).

Damp rundt om forureningen

Dampinjektion er velegnet i mere permeable formationer, hvor dampen kan injiceres ved under 1 atm overtryk. Damp produceres direkte i kedler, med meget lille energitab, hvorfor damp er den billigste form for energi til opvarmning. Dampen injiceres under og uden om det forurenede kildeområde, og bringes til at vandre indad mod ekstraktionsboringer placeret midt i kilden. Herved presses forureningsstofferne på dampform ind mod midten, hvor de opsamles ved vakuumekstraktion.

Mekanismer

Flygtige stoffer med kogepunkter under 100 °C kan mobiliseres på forkanten af en udbredende dampfront, idet en proces svarende til destillation skubber dem foran fronten. Stoffer med højere kogepunkter kan mobiliseres på gasform, når en dampfront er etableret, og varm damp gennemskyller formationen, som da er 100 °C varm.

Over og under grundvandsspejlet

Dampinjektion er lettest i umættet zone, men er anvendelig også for dybere forureninger i mættet zone. Her fortrænges grundvandet, og når dampfronten når frem til ekstraktionsboringerne, er en lomme med umættede forhold dannet. Her destilleres forureningsstofferne og transporteres med dampen udefra og ind mod midten, hvor de opsamles. Ved at variere tryk og mængder af dampen, kan dampens volumen og udbredelse optimeres.

Lerlag påvirkes

Lerlag af op til 3 m's tykkelse kan opvarmes ved dampinjektion på begge sider i løbet af få uger. Opvarmningen sker ved varmeledning ind i leren fra de opvarmede højpermeable zoner, hvor dampinjektionen foretages. Lavpermeable lag kan berøres og renses indirekte ved at tænde og slukke for dampinjektionen, hvilket fører til stødvis kogning af porevandet i lagene, når dampinjektionen stoppes, og der herved sker et pludseligt trykfald. (Itamura & Udell, 1995).

Mulige tekniske begrænsninger

Problemerne med dampinjektion er blandt andet kontrol med strømningsretningen af dampen. Damp gennemtrænger ikke lerlag, og der er problemer med at anvende damp i overfladenære zoner, fordi dampen vil finde vej til overfladen og undslippe. Sidstnævnte problem kan afhjælpes ved køling af jordfladen med koldt vand. Eksempler på dampinjektion gennemgås i kapitel 5.

4.2 Injektion af varmt vand eller luft

Varmt vand presser frie faser af olie ud af porerne, nedsætter oliens viskositet, hvorved der for de fleste olietyper kan opnås en mobilisering af residuale forekomster af fri fase afsnævret under grundvandsspejlet, således at den frie olie koncentreres umiddelbart over grundvandsspejlet (Davis, 1997a). Denne teknik mangler feltdokumentation, og er ikke specielt aktuel for DNAPL forureninger.

Injektion af varm luft (Clarke et al., 1994) kan sammenlignes med dampinjektion, men har ikke fundet udbredelse pga. luftens lave varmekapacitet, som gør at meget store mængder luft skal cirkuleres for at varme undergrunden op (Davis, 1997; Morrison Knudsen Corp., 1995).

4.3 Direkte varmeledning (varmetæppe eller varmebrønde)

Jorden kan opvarmes til 1000 °C med varmetæpper eller varmebrønde med termisk desorption og in situ destruktion/forbrænding af stofferne til følge (Iben et al. 1995; Vinegar et al., 1993).

Varmetæpper

Varmeelementet i et vandret tæppe kan være et stålnet lagt ud på jorden, med en silikonegummimembran og 20-40 cm af isolerende ler ovenpå (vermicullit). Et sådant tæppe kan opvarmes til omkring 1000 °C, hvilket giver en stor temperaturgradient, og et område ca. 1 m dybt kan opvarmes til minimum 200 °C på ca. 3 uger. Et hul i membranen bruges til vakuumekstraktion, og stoffer og vand føres lodret opad mod gradienten gennem varmere og varmere lag, hvorved problemer med kondensation undgås.

Varmebrønde

Lodrette varmebrønde kan bruges til at opvarme dybere end 1 m. Det samme princip som for varmetæppet benyttes, nu med vandret stoftransport. Igen bliver varmebrønden brugt både som varmekilde og ekstraktionspunkt.

Små volumener kan varmes

Den væsentligste begrænsning ved direkte varmeledning er den langsomme varmeudbredelse i jord, hvorved hvert tæppe eller hver brønd næppe kan behandle meget mere end ca. 10-50 m³ jord (typisk 3 ugers opvarmning). Derfor er varmetæpper og brønde ikke relevant for klorerede opløsningsmidler, som ofte vil forefindes i større dybder eller under grundvandsspejlet og have forurenet større volumener.

4.4 Opvarmning med vekselstrøm (Joule heating)

Joule heating er anvendt til oprensning af tykke lerlag over og under grundvandsspejlet (Gauglitz et al. 1994; Newmark et al. 1994). Arealer på op til 500 m² og dybder op til 30 m under terræn er renset.

Princippet i Joule heating

Denne teknik udnytter varmen afsat ved elektronernes bevægelse i jorden, og opvarmer derfor jorden indefra. Lavfrekvent (50-60 Hz) vekselstrøm løber fortrinsvis i lag med høje vandindhold eller elektrisk ledende dobbeltlag (typisk ler og silt). Energien finder dermed selv vej til de mest kritiske, lavpermeable områder, som opvarmes internt. Når et lag er varmet op, og væsken er fordampet, er det stort set også rent.

Strømmen løber i ler og våde områder

Da tør jord typisk har meget lavere elektrisk ledningsevne end mættet jord, vil strømmen automatisk finde nye veje uden om de udtørrede (rene) områder, hvorved energispild kan minimeres. Energitilførslen til jorden omkring elektroderne opretholdes ved at tilsætte vand (evt. saltholdigt) til filtersætningsmaterialet omkring elektroderne, så de ikke tørrer ud. Derudover er grafit benyttet som pakkemateriale rundt om elektroderne, hvilket øger den elektriske kontakt til formationen.

Stor effektivitet over for klorerede stoffer

Meget høje rensningsgrader er dokumenteret for både TCE og PCE i laboratoriet (Heron et al., 1998a) og i felten (Gauglitz et al. 1994). Jordkoncentrationer på over 100 mg/kg blev nedbragt til typisk under 1 mg/kg.

Fri fase fjernes

Joule heating kan i praksis kun opvarme jorden til lidt over 100 °C, hvorefter jorden vil tørres, og den elektriske modstand i formationen stige markant. Dette er tilstrækkeligt højt til at udnytte de vigtigste mekanismer for accelereret stoffjernelse, nemlig præferentiel kogning af områder med fri fase og kogning af porevandet med dampproduktion til følge.

Udfordringer

Problemerne med Joule heating er af teknisk og sikkerhedsmæssig art; elektriske interferenser på måleudstyr og stødrisici skal undgås. For at opnå tilstrækkelig elektrisk kontakt mellem elektroder og jordmatrice er det oftest nødvendigt at anvende grafit til "gruskastning" af elektroderne. Da Joule heating er en lovende teknologi både i umættet og mættet zone, vil denne diskuteres i detaljer i kapitel 5.

4.5 Radiobølge opvarmning

Høj temperatur

Jords ledningsevne for radiobølger er mindre afhængig af vandindholdet end den elektriske ledningsevne. Med radiobølger kan jorden derfor opvarmes til næsten vilkårlige temperaturer. Energien tilføres enten via tre rækker elektroder (triplate array) eller ved dipol antenner (EPA 1995a, 1995b).

Fjernelse af stoffer

Dev et al. (1988) nåede 150-160 °C, og rensede 94-99 % af den tilstedeværende forurening (jet fuel og klorerede alifater) på Volk Field AFB, Wisconsin. Edelstein et al. (1994) demonstrerede opvarmning til 140 °C, men uden tilstedeværelse af forurening. Snow et al. (1993) viste 97-99 % oprensning af flygtige og halvflygtige stoffer på Rocky Mountain Arsenal, idet jorden blev opvarmet til minimum 250 °C.

Mulige tekniske begrænsninger

De væsentligste problemer med radiobølger er:

	Energitab ved transformation fra elektrisk strøm til radiobølger.
	Stående bølger under opvarmningen som giver problemer med udstyr.
	Forholdsvis lille afstand mellem elektroderne er tilrådeligt, idet rækkevidden af radiobølgerne aftager med stigende frekvens.
	Problemer med at opnå kontrolleret, jævn opvarmning.

Ikke velegnet til klorerede

Med disse problemer in mente, og den høje pris på strømkilden, må radiobølge-opvarmning vurderes at være uegnet til klorerede opløsningsmidler. Potentielt kan metoden finde anvendelse i tørre aflejringer eller ved forurening med stoffer med høje kogepunkter (over 200 °C).

4.6 Vurdering af lovende teknikker for klorerede opløsningsmidler

Joule heating og dampinjektion er mest lovende for oprensning af forureninger med klorerede opløsningsmidler, idet:

	Opvarmning til 100 °C forekommer tilstrækkeligt til at udnytte de vigtigste termodynamiske processer til accelereret stoffjernelse.
	Damp og lavfrekvent strøm kan udbredes over relativt store afstande i modsætning til termisk ledning og radiobølger.
	Veldokumenterede laboratorie- og feltdemonstrationer viser, at disse teknologier virker og er forstået.

Dampinjektion er velegnet i permeable formationer, hvorimod Joule heating er velegnet i lavpermeable områder. I kapitel 5 gennemgås felterfaringer med Joule heating og dampinjektion.

5 Feltdemonstrationer

I dette kapitel gennemgås felterfaringer fra USA med Joule heating, dampinjektion og kombinationer af disse. Demonstrationer udført uden forureningskomponenter og med olieprodukter er inkluderet hvor disse er af generel relevans for teknologierne.

5.1 Joule heating demonstrationer

5.1.1 Eksempler på fuld skalaoprensninger

5.1.1.1 Hanford Reservation, Washington, USA

6-phase Joule heating

Den første demonstration af elektrisk opvarmning blev udført på en uforurenet lokalitet på Hanford Reservation, Washington (Bergsman et al. 1993). En cylinder med en diameter på 6 m blev opvarmet fra jordoverfladen til en dybde på 3 m med seks faset vekselstrøm leveret af 6 elektroder placeret i en cirkel. Der påtryktes spændinger på de seks elektroder, med en faseforskel på 60 grader mellem naboelektroder, hvilket skabte et relativt jævnt spændingsfelt i cirklen, hvorved en homogen temperaturfordeling blev opnået. Den umættede zone bestod af blandet silt, sand og grus, med meget lille vandindhold. 4000 liter vand blev hældt ud over arealet inden opvarmningen for at øge jordens elektriske ledningsevne. Bergsman et al. (1993) demonstrerede at:

	Jorden blev opvarmet elektrisk til 80 °C i midten af cirklen i løbet af 50 dage med en 35 kW strømkilde.
	Relativ ensartet opvarmning i hele området var mulig.
	Det var nødvendigt at tilføre vand til elektroderne for at opretholde elektrisk kontakt til formationen.
	Varmetabet til overfladen begrænsede temperaturen i små dybder, hvis ikke der var anbragt et isolerende lag oven på jorden.
	Det var muligt at simulere spændingsfeltet og opvarmningen ved hjælp af en simpel model (TOUGH2 modificeret med et strømmodul)

5.1.1.2 Livermore Clan Site, Californien, USA

3-phase Joule heating

Buettner et al. (1992) demonstrerede elektrisk opvarmning af en tilsvarende cylinder med seks elektroder i en cirkel og en trefaset strømkilde på Lawrence Livermore National Laboratory, Californien. Den trefasede opvarmning gav et lidt mindre homogent spændingsfelt, men førte til opvarmning fra 19 til 44 °C i løbet af 15 dage (125 kW).

5.1.2 Eksempler på pilot skala oprensninger

5.1.2.1 Site 300, Livermore, Californien, USA

Joule heating, ler med TCE

Buettner & Daily (1995) brugte trefaset opvarmningsteknik i kombination med en vakuumbrønd placeret i cirklens centrum på Site 300, Livermore, Californien, som var forurenet med TCE. Det opvarmede volumen bestod af umættet, kompakteret ler (claystone) i 9-12 m's dybde med et lavt TCE-indhold på 0,1 mg/kg jord. På grund af den begrænsede opvarmning (20-25 °C stigning opnået på 36 dage), var effekten på jordens indhold af TCE ikke entydig.

De vigtigste konklusioner er:

	Trefaset vekselstrøm kan give relativt ensartet opvarmning.
	Opvarmningen kan modelleres simpelt.
	Kondensation af vanddamp i vakuumekstraktionssystemet skal undgås ved at opvarme rørene.
	Koncentrationen af TCE i den ekstraherede luft steg betydeligt med opvarmningen og faldt igen, da strømmen blev slukket.
	Metoder til at sikre mod elektriske risici kan implementeres uden interferens med oprensningen.

Fjernelse ikke dokumenteret

Desværre blev der ikke målt jordkoncentrationer af TCE før og efter opvarmningen, og problemer med kvantificering af TCE-strømmen forhindrede en vurdering af oprensningseffektiviteten, som må forventes at være relativt dårlig pga. den lave temperaturstigning.

5.1.2.2 Savannah River Site, South Carolina, USA

Ler med PCE og TCE

Gauglitz et al. (1994) udførte den første vellykkede oprensning af TCE og PCE fra et 3 m tykt lerlag på Savannah River Site, South Carolina. PCE og TCE forurening fra en spildevandsledning ledte til høje jordkoncentrationer (10-400 mg/kg), og formentlig frie faser i et lavpermeabelt lerlag fra 9 til 12 m.u.t. i umættet zone. Den overliggende sandede zone havde lavt indhold af TCE og PCE (<1 mg/kg).

Kogning opnået

Over 99% fjernelse

Opvarmningen af en cylinder med en 9 m diameter (det dobbelte areal af de tidligere demonstrationer) med en seksfase 750 kW transformer (5 gange tidligere kapacitet) førte til opvarmning af lerlaget til kogepunktet (100-110 °C) i løbet af 8 dage. Herefter fortsattes injektionen af strøm, og lerlagets porevand kogte i ca. 20 dage, hvilket førte til en delvis udtørring af lerlaget. Store mængder vanddamp blev opfanget fra en central vakuumbrønd, og jordkoncentrationer målt før og efter opvarmningen viste en fjernelse af hhv. 99,7 og 99,4 % af lerlagets PCE og TCE. Efter oprensningen var leren stadigvæk våd (udtørring af 0-12 vægt-% vand).

Da lerens vandindhold faldt, steg permeabiliteten, og mere luft kunne ekstraheres fra lerlaget. Fluxen af PCE steg fra 6 til 15 gram/min. under opvarmningen. I alt blev 475 kg PCE og 107 kg TCE fjernet via vakuumbrønden, mens lerens indhold faldt fra 180 kg PCE og 23 kg TCE til næsten 0. Dette er bedømt ud fra jordprøver før og efter opvarmningen.

In situ kogning

Den dominerende mekanisme for den effektive fjernelse af PCE og TCE var kogning og dampkonvektion ud af lerlaget, understøttet af ekstraktion af 72 m³ vand fra det opvarmede område (ca. 1000 m³ jord).

De vigtigste konklusioner er:

	Opvarmning til kogepunktet kan opnås med en kraftig strømkilde og tilsætning af vand til elektroderne.
	Den nødvendige vandtilførsel til elektroderne udgjorde under 30 % af den ekstraherede vandmængde, de 70% var vand afdampet fra lerlaget.
	In situ kogning og dampproduktion førte til næsten fuldstændig fjernelse af PCE og TCE fra et 3 m tykt lerlag. Dampproduktionen kan føre til øget permeabilitet af lerlag (faktor 2 i dette tilfælde).
	Lerlag kan renses med et energiforbrug på 90 kWh/m³, selv om det ikke udtørres fuldstændig.

5.1.3 Fuld skala oprensningen

5.1.3.1 Niagara Falls, New York, USA

TCE i ler og kalk

Pacific Northwest Laboratory har desuden udført Joule heating i fuld skala med opvarmning af indtil 5 cirkulære områder (arrays) hver med 6 elektroder forsynet med 6-faset vekselstrøm (Bergsman, 1997). En lokalitet ved Niagara Falls (45 m diameter, 2,5 m dyb med grundvand i 1,2 m) bestående af et opsprækket kalkmagasin og overliggende ler, forurenet med TCE (10-100 mg/kg i jord) blev opvarmet til mellem 70 og 95 °C med 4 arrays (linier af elektroder). Et isolerende lag anbragt på jordoverfladen sikrede høje temperaturer, også terrænnært. Ca. 70 % af den tilstedeværende TCE blev fjernet, men kogning i de underliggende sprækker førte til konstant lodret transport af TCE op fra større dybde, hvorfor lerlaget ikke var helt rent ved afslutning af opvarmningen.

Vigtige konklusioner er:

	TCE kan mobiliseres fra ler og opspækket kalk ved Joule heating.
	Ventilering med vakuum fra alle 6 elektroder i et array fører til øget stoffjernelse.
	Der er et potentielt problem med kondensation af vand under en overflademembran, hvilket kan føre til elektrisk kortslutning.
	Hvor fri fase klorerede opløsningsmidler findes i opsprækket kalk under lerlaget, bør denne fjernes ved en særskilt teknik, f.eks. dampinjektion.

5.1.3.2 Chicago, Illinois, USA

PCE i mættet ler

I Chicago foregik der i sommeren og efteråret 1997 en oprensning af en forurenet grund med 5 arrays hver med 9 m diameter, og dybder mellem 4,5 og 15 m. Jorden, som er vandmættet ler, der strækker sig helt til jordoverfladen, bliver opvarmet til 100 °C i løbet af 3 uger (Bergsman, 1997). Over 5.000 kg PCE blev fjernet fra grunden.

Foreløbige konklusioner er:

	Store mængder PCE kan fjernes fra vandmættet ler.
	Ventilering fra alle elektroder og en central brønd i hvert array er nødvendig.
	Effektiviteten af ventileringen er bestemmende for PCE fjernelseshastigheden i så tæt vandmættet jord.
	Vandtilsætning til elektroderne er nødvendig, selv i vandmættet ler pga. lokal udtørring rundt om elektroderne.

5.1.3.3 Kirtland Air-Force Base, New Mexico, USA

Flydende affald i umættet sand

Phelan et al. (1997) udførte en demonstration af Joule heating og radiofrekvent opvarmning på Kirtland Air Force Base, Albuquerque, New Mexico. Et kemikaliedepot med blandet flydende affald (30 % opløsningsmidler, 30 % olieprodukter, resten ikke defineret) havde forurenet et meget tørt ørkenområde med grundvandsspejl i ca. 148 m's dybde. Flydende affald fandtes stadig i indtil 6 m's dybde (op til 1.700 mg/kg PCE og 250 mg/kg TCE i jorden), mens tunge dampe havde forurenet poreluften i større dybde.

Hele forureningsområdet, de øverste 7,5 m jord (siltet sand med grus og sten) blev opvarmet (areal 4,5 m x 13,5 m). Tre parallelle rækker af elektroder blev anvendt, hver bestående af 7 (midterste række, kobber) og 11 (yderste rækker, aluminium) elektroder.

Joule heating

Radio-frekvens opvarmning

Joule heating i 33 dage (gennemsnitligt tilført 60 kW) førte til opvarmning til et gennemsnit på 83 °C, med lavere temperaturer i større dybder, hvilket skyldtes at vandet, som blev tilført elektroderne fra overfladen ikke nåede ned i disse dybder. I den midterste række elektroder måltes temperaturer op til 140 °C, idet strømtætheden her var størst. Radiofrekvent opvarmning begyndtes efter en pause på 90 dage, hvorved gennemsnitstemperaturen blev hævet til 112 °C i løbet af 29 dage.

Vakuumekstraktion fra to brønde i den centrale række elektroder viste store stigninger i koncentrationerne af organiske stoffer under begge opvarmningsforløb, og i alt 110 kg organiske stoffer (heraf 10 kg PCE og 50 kg TCE) blev fjernet (vurderet ud fra den ekstraherede luftmængde og stofkoncentrationerne). Den øverste m af jorden var komplet udtørret og ren, og store sprækker og sammensynkning vidnede om sammenbrud/eksplosion af tønder med ukendt indhold.

Ujævn opvarmning og rensning

En gennemsnitlig reduktion af jordkoncentrationeme på 84 % af alle målte organiske stoffer blev opnået. Frigivelse af stoffer fra tønder eller flasker ledte til væsentlige stigninger for visse kemikalier, hvilket komplicerede vurderingen af oprensningseffektiviteten. Langs den midterste række elektroder, som blev opvarmet til over 140 °C, var reduktionen 99,9 % baseret på j ordkoncentrationer, og jorden var knastør.

De vigtigste konklusioner er:

	Jorden opvarmedes meget ujævnt med de tre rækker elektroder, når de enkelte elektroder i hver række var elektrisk forbundne. Dette skyldtes den valgte geometri og radiobølgernes korte vandringsafstand i jorden.
	Vandtilsætning var nødvendig i flere dybder, når lange elektroder (>3 m) anvendtes.
	Kombinationen af Joule heating (opvarmning til 80-90 °C) og radiofrekvent strøm (opvarmning til højere temperaturer med udtørring af jorden) kan føre til mobilisering af stoffer med kogepunkter over 200 °C.
	Store anlægsomkostninger og tekniske vanskeligheder er forbundet med radiofrekvent opvarmning.

En klar svaghed ved denne kombination er at man ikke kan anvende grafit som pakkemateriale rundt om elektroderne, da dette forhindrer radiobølgerne i at spredes. Derfor bliver Joule heating delen mindre effektiv, fordi det er sværere at få strømmen til at løbe ind i jorden uden grafit omkring elektroderne.

5.2 Dampinjektion

5.2.1 Pilot skala demonstrationer

5.2.1.1 Solvent Service, Californien, USA

Blandede opløsningsmidler

Udell & Stewart (1989) udførte den første feltdemonstration af dampinjektion på en meget kraftigt opløsningsmiddelforurenet grund (Solvent Service, San Jose, Californien). Håndtering af kemikalier havde ført til punkt og overfladespild af BTEX, klorerede opløsningsmidler, acetone og mange andre kemikalier, med spredning til de øverste 6 m af jorden. I 6 m's dybde fandtes et lerlag med et sekundært grundvandsmagasin forurenet med DNAPL inkl. TCE og PCE. Ingen spredning til selve lerlaget kunne påvises. Dampinjektion blev foretaget ved hjælp af 6 boringer med 1,5 m filtersætning.

Vakuumekstraktion i 40 timer, efterfulgt af konstant dampinjektion og vakuumekstraktion i 140 timer, blev afprøvet i en 4 m diameter cirkel med en central vakuumbrønd. Overfladen blev forseglet med dampbarrierer og beton.

Fri fase

Vakuumekstraktionen førte til relativt konstant ekstraktion af luft mættet med organisk stof (60.000 mg/m³), hvilket bekræftede tilstedeværelsen af frie faser og kontakt til disse.

Dampinjektion

Dampinjektion i 6 boringer i 1,5 m lange filtre i umættet zone lige over lerlaget førte til dampgennembrud til ekstraktionsboringen og temperaturer på 100 °C i de nedre 2 m efter 32 timers dampinjektion. Efter fuldstændigt dampgennembrud begyndte koncentrationerne at falde, hvilket tydede på delvis fjernelse af forureningen i disse dybder.

Jordkoncentrationer

Efter 140 timer, med injektion af 120 kg damp/time, viste jordprøver formindskelse af stofkoncentrationerne fra 1200 til 22 mg/kg i de højpermeable lag, som dampen berørte direkte. Et lavpermeabelt lag i 4,5 m dybde havde stadig høje stofindhold og vandmætning.

Cyklisk injektion

Der eksperimenteredes herefter med cyklisk dampinjektion og vakuumekstraktion i 3 uger. Opvarmning af hele volumenet fra overfladen til lerlaget var muligt ved pulserende drift, hvor dampen spredtes til de øvre lag via gruskastningen rundt om ekstraktionsboringen. Herved opnåedes reduktion af jordkoncentrationerne i små dybder, men et koncentrationsprofil efter afslutning af forsøget tydede på delvis nedsynkning af DNAPL, idet et lag ca. 3 m.u.t. havde lettere forhøjede jordkoncentrationer sammenlignet med udgangsniveauet.

Vigtige konklusioner er:

	Dampinjektion kan udføres oven på lerlag uden nedsynkning af DNAPL gennem disse.
	De forhøjede temperaturer leder til hurtig fordampning af stoffer med kogepunkter under 150 °C.
	Stofferne kan opfanges ved vakuumekstraktion.
	Det er muligt at kontrollere dampudbredelsen i relativt små cirkler.
	Lavpermeable lag kræver enten alternativ opvarmning eller pulserende dampinjektion-vakuumekstraktion, før der sker en effektiv oprensning.

5.2.1.2 Lemoore Naval Air station, Californien, USA

JP-5 brændstof i mættet og umættet zone

I et pilotprojekt på Lemoore Naval Air Station i Californien undersøgtes muligheden for oprensning af JP-5 brændstof i jorden over og under grundvandsspejlet (Udell et al. 1997). Grundvandsspejlet var i 4,6 m.u.t., og jordkoncentrationer mellem 10.000 og 30.000 mg/kg var målt fra 3 til 6 m.u.t. Fri fase JP-5 fandtes i boringer i et område på ca. 100 x 250 m, og pilotprojektet omfattede oprensning af et centralt, cirkulært område med ca. 30 m diameter.

Dampinjektion

Et 1 m tykt lerlag under terræn, underlejret af sandet silt og siltet sand, gjorde denne lokalitet til et ideelt sted for dampinjektion, som blev udført fra to boringer filtersat mellem 4 og 8 m.u.t. Der ekstraheredes grundvand og luft fra 8 brønde filtersat over og under grundvandsspejlet.

Opsamlet olie

35 dages konstant dampinjektion efterfulgt af 45 dages pulserende drift (12 timer damp, 12 timer vakuum) førte til opsamling af 480 m³ flydende olie og 12 m³ på dampform.

Olien mobiliseres

Jordprøver indikerede, at der oprindeligt fandtes blot 60 m³ olie i det opvarmede område, hvilket er meget mindre end den opsamlede mængde ved oprensningen. Store mængder olie blev trukket ind fra siderne på grund af den etablerede sænkningstragt og den lavere olieviskositet, som følge af temperaturer på 35-60 °C, som fik olien til at flyde lettere.

Jordkoncentrationer

Hvor dampen brød igennem, blev jordkoncentrationerne reduceret fra over 20.000 til under 100 mg/kg. Dog blev der observeret en opadrettet mobilisering af olie til tidligere uforurenede lag, hvilket skyldtes fordampning i dampzonen og kondensation i mindre dybde ved lavere temperatur. Denne forurening kunne dog reduceres ved pulserende drift, hvor vakuumekstraktionen trak olie ud.

Vigtige konklusioner er:

	Tung olie kan mobiliseres ved dampinjektion primært på flydende (fri) form.
	Dampinjektionen fjernede ikke JP-5 brændstof, som var under grundvandsspejlet, fordi dampen blev injiceret over dette.
	Oprensning af delområder er problematisk, idet forurening udefra komplicerer vurdering af oprensningseffektiviteten.
	Det er vigtigt at opvarme hele kildeområdet til damptemperatur og sikre god ventilation rundt om det opvarmede område, for at undgå spredning ved fordampning-kondensation.
	Hvor problemerne overvindes, reduceres jordkoncentrationerne fra over 20.000 mg/kg til under 50 mg/kg i løbet af 80 dage.
	Forbedret effektivitet kan opnås ved at designe brønde, som kan bruges til både dampinjektion og ekstraktion af væsker og luft.

Det konkluderedes, at dampinjektion ville være favorabelt til oprensning af hele området, og at biologisk aktivitet påvist i prøver taget efter opvarmningen kunne føre til nedbrydning af små mængder efterladt olie.

5.2.2 Fuld skala oprensninger

5.2.2.1 Visalia Pole Yard, Californien, USA

En fuld skala dampinjektion er under udførelse af Southern California Edison og Steamtech Environmental Services på Visalia Pole Yard i Californien (Udell & McCarter, 1997; SCE & S, 1997).

Kreosot

En træbehandlingsgrund havde forurening i fri fase med en blanding af kreosot og pentaklorfenol. Det blev indledende vist, at opvarmning fra 20 til 100 °C kunne reducere viskositeten fra 25 til 5 cp (centipoise) og densiteten fra 1,02 til 0,97 g/ml, og at over 99 % af stofferne kunne fjernes ved gennemstrømning med damp.

Dampinjektion i mættet og umættet zone

Dampinjektion fra 11 boringer i indtil 30 m dybde og vakuumekstraktion i 7 boringer førte fra juni til august 1997 til opsamling af over 240 m³ fri fase fra et areal på ca. 80 x 120 m og over 30 m dybde. Kreosot blev fjernet fra både mættet og umættet zone, grundvandsspejlet fandtes i ca. 15 m.u.t.

DNAPL fjernes

Der er opsamlet mere DNAPL, end der var forventet til stede på grunden. Der er overraskende stor effektivitet for fjernelse af en DNAPL med tungtflygtige komponenter såsom naftalen, fenantren og benz(a)pyren. Oprensningen fortsætter, og forventes afsluttet i 1998.

5.2.2.2 Andre demonstrationer af dampinjektion

Der er også rapporteret om andre projekter (Rainbow Disposal Site, Californien; EPA, 1995c, Annex Terminal, San Pedro, Californien; EPA, 1991, Puget Sound Naval Shipyard, Washington; Dablow, 1997 og Hill Air Force Base, Utah, ikke publiceret), men disse er ikke kommenteret pga. mindre gennemskuelighed.

5.3 Kombineret Joule heating og dampinjektion

Benzin i mættet og umættet zone

Et stort benzinspild på Lawrence Livermore National Laboratory mellem 1952 og 1979, og en efterfølgende grundvandsstigning, førte til forurening med fri fase benzin. Jordkoncentrationerne var over 1.000 mg/kg i op til 6 m under grundvandsspejlet, som fandtes i en dybde af 30 m.u.t. (Newmark et al. 1994; Newmark & Aines, 1997).

Tykke lerlag - både over og under grundvandsspejlet - med sandede lag imellem førte til udvikling af en kombineret oprensning kaldet Dynamic Underground Stripping.

Lerlag varmes med Joule heating

Lerlagene opvarmedes elektrisk med trefaset vekselstrøm, hvorefter damp blev injiceret i de permeable zoner fra 6 brønde placeret i en cirkel omsluttende området med fri fase. Damp og grundvand ekstraheredes fra en central boring, og behandledes on-site.

Dampinjektion mellem lerlag

Den første fase bestod af elektrisk opvarmning, hvor lerlagene blev opvarmet til 50-70 °C. Dernæst injiceredes damp i 37 dage svarende til et energi-input på 8 MW (190 liter damp/min). Dette førte til dampgennembrud i ekstraktionsboringen efter 12 dage, og store mængder benzin blev opsamlet på dampform fra vakuumekstraktionen. Temperaturprofiler viste dampgennembrud i de permeable lag, og meget lille opvarmning af lerlagene. Daglige lodrette profiler af den elektriske ledningsevne blev brugt til at vurdere dampens udbredelse og gennembrud.

Pulserende drift

Efter 3 måneders stop, hvor behandlingsanlægget til den ekstraherede damp blev forbedret, blev damp injiceret pulserende med en 5-6 dages cyklus i 2 måneder. Dette førte til temperaturer nær 100 °C i hele området undtagen et tykt lerlag (80 °C), og store mængder benzin blev opsamlet. I den sidste fase forsøgtes lerlaget opvarmet elektrisk, men de høje temperaturer i de permeable lag gjorde, at lerlagene ikke længere havde den største elektriske ledningsevne, og kun yderligere 3,8 m³ blev opsamlet.

Jordkoncentrationer

Forureningsudbredelsen blev målt på jordprøver før og efter opvarmningen. Jordkoncentrationerne i den umættede zone faldt til meget lave niveauer (typisk 1 mg/kg), hvorimod et lille område under grundvandsspejlet stadig indeholdt 1000 mg/kg. I alt ca. 30 m³ benzin blev oprenset fra dybder mellem 6 og 42 m.u.t. i en 36 m diameter cirkel (i alt ca. 140.000 m³ jord) i løbet af et år.

Grundvandskoncentrationer

Efterfølgende grundvandsmonitering viste lave indhold af benzinkomponenter, og 5 af 6 brønde havde koncentrationer under oprensningskriteriet (f.eks. 100 g/I for toluen, 1 g/L for benzen). Små mængder benzin fandtes stadig under grundvandsspejlet.

Mikroorganismer

Jordprøver viste at termofile mikroorganismer havde overlevet opvarmningen, og fortsatte nedbrydningen af benzinkomponenter i det varme grundvand. På dette grundlag blev grunden afmeldt.

Vigtige konklusioner er:

	Den umættede zone kan oprenses hurtigt og effektivt med dampinjektion.
	Kombinationen af elektrisk opvarmning og dampinjektion er lovende for grunde med kompliceret geologi med tykke lerlag.
	Store mængder energi kan injiceres via damp, mens denne kun langsomt spredes til lerlag.
	Store mængder fri fase benzin kan fordampes og opsamles under og over grundvandsspejlet.

5.4 Samlet vurdering

Både Joule heating og dampinjektion har vist sig effektive til oprensning af klorerede opløsningsmidler og olie/tjære produkter over og under grundvandsspejlet. Joule heating er udført på grunde med arealer mindre end 500 m², men kan med passende design af elektrodekonfigurationerne ligeledes anvendes på større lokaliteter. Dampinjektion er udført på grunde af vidt forskellig størrelse. Forureningens dybde er ikke kritisk for nogle af teknikkerne, som har været anvendt til 40 m.u.t., og kan anvendes dybere.

Dampinjektion er hurtig og effektiv i permeable lag, hvorimod Joule heating er den eneste effektive metode i tykke lerlag forurenet med frie faser. For store grunde med afvekslende geologi kan en kombination af metoderne være nødvendig. Her gennemskylles de permeable lag med damp, og tykke lerlag opvarmes med Joule heating.

Kogning og kontrol vigtig

For begge metoder viser felterfaringerne, at opvarmning til 90-100 °C er nødvendig for at bringe jordkoncentrationerne ned på acceptable niveauer (typisk < 1 mg/kg). Desuden er det afgørende at opvarme og ventilere hele det forurenede område på én gang, idet frie faser ellers kan spredes via fordampning og kondensation. Størst succes er opnået, hvor man har varmet udefra og ind mod centrum af forureningen. Herved undgås utilsigtet spredning af forureningen ved fordampning i varme områder og kondensation i koldere.

6 Behandling af vand og luftstrømme

6.1 Indledning

Store fluktuationer

Fordi oppumpet vand og luft typisk er 80-100 °C varmt, er behandlingsanlægget anderledes end ved vakuumekstraktion og pump-and-treat. Først og fremmest skal den varme luft og det varme vand afkøles, og overskydende vand fjernes fra luften. Dette gøres typisk i en varmeveksler (figur 6.1). Den store udfordring ligger i at både luftens vandindhold og koncentration af forureningskomponenter kan variere meget hurtigt, og over store intervaller. Specielt opstår store fluktuationer, når temperaturen ligger og svinger omkring kogepunktet. Når den er over kogepunktet, presses store mængder damp og stoffer ud af jorden. Når den falder under kogepunktet, falder vandindholdet til niveauer 10-100 gange lavere (Heron et al. 1998a; Brüel & Kjær, 1997).

Ved en normal vakuumekstraktion er det ikke nødvendigt at oppumpe vand. Med henblik på at sikre pneumatisk kontrol med afkastluft ved termiske oprensninger vil det ofte være nødvendigt med en mere intensiv vakuumventilering end ved traditionelle in situ oprensninger.

(Figur 6.1 (7 Kb))

Figur 6.1. Skitse af anlægsopbygning til behandling af vand og luft

6.2 Vandbehandlingen

6.2.1 Boringer

Boringerne til oppumpning af vand skal udføres i en dimension, der tillader en oppumpning, så der kan opnås en hydraulisk isolering af det område, der ønskes oprenset. Dette betyder, at det vil være nødvendigt at fastlægge hydrauliske parametre som transmissivitet og gradient, før en dimensionering kan finde sted.

Materialer

Valget af materiale til boringerne afhænger af, om den termiske oprensning foretages ved elektrisk opvarmning eller dampinjektion. Som hovedregel ved elektrisk opvarmning bør man ikke anvende elektrisk ledende materialer til boringerne, dvs. ubeskyttet stål er udelukket. Eventuelt kan stål betrækkes med teflon eller PVC.

Under oprensningen på Lawrence Livermore National Laboratory (kombination af dampinjektion og elektrisk opvarmning, jf. afsnit 5.3) blev der anvendt en kombination af stålrør og glasfiberrør, samt beviklede stålrør (Newmark et al. 1994).

Ved dampinjektion er problemet omkring materialevalg udelukkende relateret til temperaturen af vand/luft/jord. Plastmaterialer som varmebestandig PVC (CPVC) og polypropylen kan anvendes til ekstraktion af vand og luft, men stålrør er et mere velegnet materiale.

6.2.2 Pumper

Dykpumper

Pumper til oppumpning af vand - i forbindelse med termisk assisterede oprensningsprocesser - adskiller sig fra traditionelle grundvandspumper ved at skulle anvendes i et varmt medie. Almindelige dykpumper, eksempelvis Grundfos SP serie, er ikke velegnede til varme medier pga. risikoen for kavitation i pumpen. Herudover vil høje koncentrationer af opløsningsmidler, hvad enten det er klorerede eller aromatiske/alifatiske, slide voldsomt på lejer og pakninger, hvis pumperne ikke er fremstillet til formålet, som f.eks. Grundfos LM, LP og CLM serier.

6.2.3 Varmevekslere

Køling vigtig

Oppumpet grundvand ved termisk assisterede oprensninger kan have temperaturer helt op til 100 °C, og det er nødvendigt at afkøle vandet i en varmeveksler. Den mest almindelige type er rørvarmeveksleren, hvor vand og kølemedie løber i parallelle tætpakkede rør i hver sin retning. Typisk vil man integrere luftstrømmen og vandstrømmen, inden de ledes igennem veksleren, for at fjerne så meget væske fra luften som muligt (Figur 6.1). l tabel 6.1, afsnit 6.3 om varmeveksling og kondensering for luftdelen er der angivet nogle størrelser til dimensionering af vandkølere og varmevekslere.

6.2.4 Gravitations separering

NAPL skilles fra

Når vandtemperaturen er sænket til ca. 30 °C, er det muligt at udføre en separering af en eventuel fri fase. Afhængig af om produktet er en LNAPL (lettere end vand) eller en DNAPL (tungere end vand), vil produktet flyde eller synke, hvis det forurenede vand ledes igennem et bassin med tilstrækkelig stor opholdstid. Den nødvendige opholdstid i bassinet er afhængig af densitetsforskellen mellem den fri fase og vandet. Jo større forskel jo mindre opholdstid i bassinet.

Gravitationsseparatorer for olieprodukter leveres som standardvare (olie- og koalescensudskillere), hvorimod produkter til separering af tungere produkter ikke findes som standard. For dimensionering af udskillere henvises til Hansen og Søltoft (1980).

Mere sofistikerede processer som hydrocykloner og flotation kan tages i anvendelse, hvis en gravitationsseparering ikke er tilstrækkelig til at fjerne den fri fase.

Som udgangspunkt vil det vand, der forlader en separator, have en koncentration af forureningskomponenter, der svarer til opløseligheden af stofferne, såfremt der forekommer fri fase i systemet.

Nedkøling af vandet fra 90 °C til 30 °C reducerer typisk opløseligheden af forureningskomponenterne med en faktor 2 (se afsnit 3), hvilket reducerer belastningen ved behandlingen af opløst stof og leder til udskillelse af mere fri fase.

6.2.5 Behandling af opløste stoffer

Parametre som opløselighed, bionedbrydelighed og koncentrationen samt flowet vil være dimensionsgivende for den videre vandbehandling inden udledning til recipient. Aktiv kulfiltrering kan fjerne en lang række komponenter fra vandet, men dette er ikke altid økonomisk optimalt, da driftsomkostningerne er relativt høje. Der må derfor udføres cost-benefit analyser på de enkelte metoder i hvert enkelt tilfælde for at vælge den mest rentable.

6.2.5.1 Biofiltre

Biofiltre

Biologiske filtre er velkendte fra bl.a. spildevandssektoren, hvor de ofte anvendes til omsætning af organisk stof. Anvendelsen i forbindelse med en termisk assisteret oprensning er primært relateret til aerobt letomsættelige stoffer såsom benzin, olie og de fleste opløselige tjærekomponenter. Det er en fordel at vandtemperaturen kan holdes på et højt niveau (f.eks. 30 °C), så den biologiske aktivitet er størst mulig.

Anaerobe filtre kan også anvendes, men kræver væsentligt mere tilsyn og regulering.

De generelle fordele ved et biologisk filter er:

	Intet eller meget lille energiforbrug.
	Stofferne omsættes til ugiftige produkter.
	Driftsomkostningerne er lave.

De generelle ulemper ved biologiske filtre er:

	Kun virksomme over for visse komponenter.
	Høje anlægsomkostninger.
	Filtrene er ofte voluminøse pga. krav om lange opholdstider.

6.2.5.2 Kemiske filtre

Kemiske filtre

Kemiske filtre til vandbehandling i afværgesammenhæng er et relativt nyt og ubeskrevet emne. Eksempelvis er filtre til kemisk omdannelse af TCE og PCE til ethen, ethan og klorid over frie jernoverflader et eksempel på et kemisk filter.

Økonomien i denne type filtre er heller ikke undersøgt til bunds. Det vurderes dog, at kemiske filtre såvel økonomisk som miljømæssigt kan være et gunstigt valg til behandling af opløste forureningskomponenter.

De generelle fordele ved et kemisk filter er:

	Lavt energiforbrug.
	Stofferne omsættes til ugiftige produkter.
	Lave driftsomkostninger.

De generelle ulemper ved kemiske filtre er:

	Kun virksomme overfor helt specifikke komponenter.
	Høje anlægsomkostninger.
	Filtrene er ofte voluminøse, pga. krav om lange opholdstider.

6.2.5.3 Adsorptive filtre

Kulfiltre

Adsorptive filtre er anvendt i mange sammenhænge i forbindelse med vandbehandling. Det mest almindelige i afværgesammenhæng er anvendelse af aktivt kul til fjernelse af klorerede opløsningsmidler, pesticider samt benzin, men også andre adsorptionsmidler kan anvendes.

Kulfiltre er kendetegnet ved en simpel opbygning og drift. Der er ikke mange ting at tage stilling til ud over den hydrauliske belastning og risikoen for udfældninger af jern og kalk. Effektiviteten af filteret falder med temperaturen på mediet, der skal renses. Køling til 25-30 °C er derfor tilrådeligt, hvis der anvendes kulfilter.

De generelle fordele ved et adsorptivt filter er:

	Enkel og sikker teknologi.
	Kan anvendes over for de fleste organiske stoffer.
	Anlægsomkostningerne er lave.
	Meget nemme at dimensionere.

De generelle ulemper ved adsorptive filtre er:

	Høje driftsomkostninger ved høje vandkoncentrationer, pga. stort kulforbrug.
	Ikke en egentlig fjernelse.
	Hyppige filterskift er omkostningskrævende i tilsyn.

6.2.5.4 UV-oxidation

UV-oxidation

UV-oxidation af komponenter er ikke nogen ny teknologi, selv om den i afværgesammenhæng indtil nu har fundet en begrænset anvendelse herhjemme. Anlæggene kan deles op i to delprocesser: Ozonfremstilling og oxidation i vandet.

Ozon kan fremstilles ved to metoder dels ved belysning af atmosfærisk luft eller ren ilt med UV-lys med en specifik bølgelængde, dels ved udladning af et elektrisk felt i luft.

Den dannede ozon/luftblanding tilføres vandet, og ved bestråling af vandet med en UV kilde med en specifik bølgelængde dannes frie ilt radikaler, der er ekstremt reaktive. Processen kan yderligere stimuleres ved tilsætning af hydrogenperoxid.

De frie radikaler reagerer villigt med de organiske forbindelser, der nedbrydes til mindre bestanddele, og hvis opholdstiden er lang nok, til vand og kuldioxid.

Blandt problemerne hører, at de frie radikaler kan forbruges, inden de kan omsætte målkomponenterne, og dels at vandets indhold af jern og kalk kan udfælde på de lysstofrør, der skal initiere processen. Herudover kan en utilstrækkelig opholdstid i anlægget medføre dannelsen af uønskede mellemprodukter.

Dette betyder, at der skal udføres egentlige forsøg med det specifikke vand forud for en dimensionering af et fuld skala anlæg. Ligeledes er det en god idé at have forberedt installationen for en "afkalkning" af rørene, såfremt belægningsproblemer opstår.

De generelle fordele ved UV oxidation er:

	Kan anvendes over for mange organiske stoffer.
	Der er tale om egentlig stofomsætning, hvis opholdstiden er lang nok til vand og kuldioxid.
	Relativt lave driftsomkostninger.

De generelle ulemper ved UV oxidation er:

	Kræver indgående forsøg med vandet før dimensionering.
	Ikke altid anvendelig pga. indhold af uorganiske stoffer.
	Indhold af jern/kalk/mangan kan give udfældninger.
	Relativ høje anlægsomkostninger

6.3 Luftbehandlingen

6.3.1 Boringer

Stort flow

Boringerne til termisk assisterede oprensninger skal dimensioneres til større luftmængder end ved traditionelle vakuumekstraktionsanlæg. Dette hænger sammen med, at der her introduceres meget store gradienter og volumenudvidelse for porevandet i områder, hvor der foregår lokal kogning. For at opsamle den dannede damp/luft skal der derfor være et stort flow.

I figur 6.1 er vist 2 boringer med hver sin reguleringsventil. Det er her, som ved traditionelle vakuumekstraktionsanlæg, af største vigtighed, at der er en mulighed for at regulere flowet fra de enkelte boringer, så der kan opnås en jævn vakuumfordeling over det område, der skal behandles. Da der opnås høje koncentrationer af forureningskomponenterne i gasfasen, skal der kunne måles en nedadrettet trykgradient i poreluften overalt ved overfladen i det påvirkede område, så luften ikke stiger op.

In situ test

Til dimensionering af boringerne er det af stor betydning at få fastlagt de hydrauliske/pneumatiske parametre i jorden. Disse fastlægges bedst ved en vakuumekstraktionstest med måling af vakuumudbredelsen i tid og sted i en række observationsboringer, helt analogt til en grundvandsprøvepumpning. Temperaturen i den opsugede luft kan forventes at være helt op til in situ temperaturen, dvs. op til 140 °C. Med henblik på materialevalg henvises til afsnittet om boringer i vandbehandlingsdelen (afsnit 6.2.1).

6.3.2 Pumper

Pumperne skal vælges ud fra ønsket om at etablere et tilstrækkeligt vakuum og flow overalt i systemet. I figur 6.1 er pumpen placeret efter varmeveksleren. Denne placering er at foretrække, da de fleste vakuumpumper ikke er velegnede til at pumpe meget varme luftmedier indeholdende høje koncentrationer af vanddampe og opløsningsmidler.

Valg af vakuumpumpe

Typiske vakuum, der skal påføres boringerne, vil være i størrelsen 200-500 mBar, og flowet vil være meget afhængigt af jordens permeabilitet og forureningens volumen. Herudover er det vigtigt at vurdere den elektriske effektivitet af pumpen i det forventede arbejdsområde. Gode vakuumpumper anvender op til maksimalt 40 % af den tilførte energi til flytning af luften, hvor de resterende 60 % bliver til varme. Hvis der vælges en pumpe, der ikke er effektiv i arbejdsområdet, kan så lidt som 5-10 % af energien gå til flytning af luften.

Af hensyn til fleksibiliteten i et anlæg bør man anvende én vakuumpumpe pr. boring, således at reguleringsventilerne undgås. Der er reguleringsmæssige fordele forbundet med denne metode. Imidlertid vil det kræve at der etableres separate varmevekslere/kondensatorer og vandudskillere. I de fleste tilfælde vil omkostningerne til dette gøre, at en løsning med én pumpe med reguleringsmuligheder vil være at foretrække ud fra en økonomisk synsvinkel.

Afhængig af valg af pumpe, og rensningsteknologien til luften, kan det være nødvendigt med en efterfølgende køling af luften, når denne har passeret vakuumpumpen.

6.3.3 Varmevekslerkondensator

Den varme luft der ekstraheres indeholder meget store mængder vand. I Appendiks 2 er vandindholdet ved mætning som funktion af temperaturen vist.

Tænkt eksempel

Som eksempel kan angives, at afkøling af en luftstrøm på 500 m³/t fra 100 °C til 25 °C vil medføre kondensering af 565 g vand/m³, eller en vandmængde på 283 l/t under forudsætning af, at luften er vandmættet.

Energien, der skal fjernes, er dimensionsgivende for kondensatoren. I tabel 6.1 er angivet de enkelte bidrag i et teoretisk eksempel, hvor det antages, at der oppumpes 500 m³ luft /t ved 100 °C og 5 m³ vand/t ved 70 °C. Begge processtrømme køles samlet til 25 °C.

Proces	Mængde	Effekt
Køling af vand	5 m³ /t, 70 °C => 25 °C	265 kW
Kondensering af damp	285 l/t	195 kW
Afkøling af kondensat	285 l/t, 100 °C => 25 °C	25 kW
Afkøling af tør luft	500 m³/t, 100 °C => 25 °C	15 kW

Tabel 6.1. Eksempel på energien, der skal fjernes i en varmeveksler og kondensator.

Det fremgår af tabel 6.1, at de to helt dominerende processer - energimæssigt set - er kondensering af vandet i luften og afkøling af det oppumpede vand. Hvis der ikke oppumpes store mængder forurening med vandstrømmen, er der derfor al mulig grund til at reducere denne strøm mest muligt.

Hvis det antages, at der i eksemplet var anvendt en rørvarmeveksler med en indløbstemperatur på 15 °C og udløbstemperatur på 30 °C og en effektivitet på 100 %, vil den nødvendige kølevandsmængde være 28 m³/t.

Ved anvendelse af en luftkøler med indløbstemperatur på 15 °C (luftfugtighed 80 % RH/relativ fugtighed) og udløbstemperatur på 30 °C, er den tilsvarende luftstrøm ca. 90.000 m3/t.

Teorien omkring dimensionering af varmevekslere er meget velbeskrevet. For en simpel indføring henvises til Hansen og Søltoft (1980).

6.3.4 Luftrensning

Fugtig luft, store udsving i koncentrationerne

Luften, der kommer fra veksleren/kondensatoren, vil være 20-40 °C afhængig af driftbetingelserne for anlægget. Luftfugtigheden vil være 100 %, og der vil forekomme vandaerosoler i luften. Koncentrationen af komponenter vil variere voldsomt fra starten af oprensningen, til dampfronten (dette er uafhængigt af opvarmningsformen) når frem til ekstraktionsboringerne. Disse betingelser vil influere kraftigt på mulighederne for anvendelsen af forskellige rensningsteknologier. Eksempelvis vil biologiske filtre til luftrensningen ikke være særligt anvendelige, da koncentrationsændringerne i tiden ikke tillader bakterierne at opformere sig hurtigt nok.

6.3.4.1 Direkte forbrænding

Direkte forbrænding

Ved direkte forbrænding fjernes komponenterne i luften ved forbrænding i et brændkammer, specielt designet til formålet, eller i en ombygget forbrændingsmotor. Direkte forbrænding er en god metode over for meget høje koncentrationer af oliestoffer, vandblandbare opløsningsmidler, som ketoner og aldehyder, men ikke umiddelbart anvendelig over for de klorerede opløsningsmidler. Anvendeligheden er direkte relateret til brændværdien i luftstrømmen, der ønskes renset, således at desto højere koncentrationer desto mindre støttebrændsel og derved billigere rensning. Såfremt metoden anvendes til oxidation af de klorerede opløsningsmidler kræves, ud over meget støttebrændsel, også en efterbehandling af luften pga. den dannede saltsyre. Forbrændingen foregår ved højere temperaturer (900-1000 °C).

Fordelene ved direkte forbrænding er:

	Egentlig fjernelse, stofferne omsættes til CO₂ og H₂O.
	Kendt teknologi fra andre fagområder i industrien.
	Billig driftsøkonomi ved høje koncentrationer af brændbare komponenter.

Ulemperne ved direkte forbrænding er:

	Høje anlægsomkostninger.
	Følsom over for lave koncentrationer af brændbare gasser.
	Ikke anvendelig over for alle typer stoffer.

6.3.4.2 Katalytisk oxidation

Katalytisk oxidation

Katalytisk oxidation er også en forbrændingsteknik. Forskellen på denne forbrænding og den direkte forbrænding er, at den katalytiske oxidation forløber ved en langt lavere temperatur (400-600 °C).

Det optimale koncentrationsområde for katalytisk oxidation er bredt, ligesom der findes forskellige katalysatorer, der er anvendelige over for de komponenter, der ønskes fjernet. Da metoden foregår ved en lavere temperatur, skal der ikke anvendes nær så meget støttebrændsel som den direkte forbrænding. Dette bevirker, at denne metode er langt mere attraktiv over for de klorerede opløsningsmidler.

Der skal dog stadig udføres en efterbehandling til fjernelse af den dannede syre, ligesom materialevalget i oxidationsenheden skal modvirke korrosion som følge af syrepåvirkningen.

Fordelene ved katalytisk forbrænding er:

	Egentlig fjernelse, stofferne omsættes til CO₂ og H₂O.
	Kendt teknologi fra andre fagområder i industrien.
	Lave driftsomkostninger i et relativt bredt spektrum af koncentrationer.

Ulemperne ved direkte forbrænding er:

	Høje anlægsomkostninger.
	Relativt høje driftsomkostninger ved lav brændværdi af forureningen.

6.3.4.3 Corona oxidation

Corona oxidation

Oxidation af gasstrømme ved hjælp af corona-teknik er en ny og endnu ikke kommercielt tilgængelig metode. Kommercielle reaktorer forventes dog i handelen i løbet af 1998. Der etableres et højspændingsfelt mellem to elektroder over et dielektrisk medie. Der løber en relativt svag strøm igennem luften hen over mediet, og som følge heraf dannes der frie iltradikaler og ozon i luften. Disse radikaler reagerer med de organiske stoffer i luften, der herved oxideres. Klorerede opløsningsmidler oxideres til CO₂, H₂O og Cl^-. Corona oxidationen foregår ved lave temperaturer, ca. 100 °C, hvilket gør at energiforbruget er meget lavt sammenholdt med katalytisk oxidation.

I Shah et al. (1995) gennemgås teori og økonomi ved disse reaktorer, og teknikken er vurderet meget konkurrencedygtig i forhold til katalytisk oxidation. Den samme erkendelse er Cummings et al.

(1997) kommet til. Ud over katalytisk oxidation er prisen på metoden sammenlignet med et antal andre metoder. I næsten alle tilfælde er metoden økonomisk overlegen. Aktiv kulfiltrering kan i tilfælde af meget små flow med lave koncentrationer være et bedre økonomisk alternativ.

På baggrund af de indledende forsøg med denne metode forventes det, at den i løbet af en kort årrække vil spille en stor rolle i luftbehandlingen.

6.3.4.4 Aktiv kulfiltrering

Kulfiltrering

Aktiv kulfiltrering er en teknologi, der anvendes i bredt omfang til fjernelse af forskellige organiske komponenter i luft, både industrielt og i forbindelse med in situ oprensninger. Kullet har forskellig affinitet over for forskellige stoffer. Generelt gælder at jo lavere kogepunkt et stof har, desto dårligere tilbageholdes det i kullet. Ydermere spiller lufttemperaturen og fugtigheden en dominerende rolle på kullenes evne til at optage de organiske stoffer. Luftfugtigheden bør ikke være over 80 % RH, relativ fugtighed, og temperaturen skal være så lav som muligt.

Dette betyder, at man i modsætning til de andre rensningsteknologier ofte er nødt til at indføre en køling/varmeveksling efter vakuumpumpen for at nedbringe lufttemperaturen. Temperaturen efter vakuumpumpen kan være helt op til 100-120 °C afhængig af driftsbetingelserne, og denne temperatur er alt for høj for en effektiv udnyttelse af kullene. Temperaturer mindre end 30-40 °C er at foretrække, hvis de kan opnås.

Fordelene ved aktiv kulfiltrering er:

	Effektiv overfor mange forskellige organiske stoffer.
	Velafprøvet teknologi.
	Lave anlægsomkostninger.

Ulemperne ved aktiv kulfiltrering er:

	Høje driftsomkostninger.
	Nødvendigt med ekstra køling af processtrømmen.
	Ikke effektiv over for stoffer med lave kogepunkter.
	Ikke en egentlig fjernelse af forureningen.

7 Monitering - in situ

Brugen af termisk assisterede in situ oprensningsmetoder, med opvarmning af de forurenede jordlag til temperaturer op mod eller over 100 °C, stiller nogle særlige krav til metode- og materialevalg ved monitering og dokumentation af oprensningsforløbet samt i forbindelse med håndtering af afkast.

7.1 Materialevalg til moniteringsudstyr Korrosion og høje temperaturer

Erfaringer fra en række af de gennemførte projekter med termisk oprensning (Newmark et al. 1994; Bergsman, 1997; Aines, 1997) viser, at valg af materialer til boringer, bestykning, rørføringer, sensorer mv. kræver særlig opmærksomhed. De høje temperaturer kan ændre de normalt anvendte materialers egenskaber væsentligt. Endvidere kan det forurenede jord- og grundvandsmiljø være meget korrosivt ved høje temperaturer.

Valgte materialer

De bedste erfaringer er opnået med boringsudbygning, bestykninger, rørføringer mv. bestående af CPVC (temperaturresistent PVC), rustfrit stål, carbon stål, kobber, aluminium, jern (elektroder) og glasfiiber. I tabel 7.1 er angivet nogle eksempler på materialevalg, som i referencerne er angivet at være succesfulde.

Anlægsdel	Materialevalg	Reference
Elektroder	Rustfrit stål Carbon stål Jern Aluminium, kobber	Newmark et al. 1994 Bergsman et al. 1993 Alines, 1997 Phelan et al. 1997
Boringsudbygning/brønde	CPVC Glasfiber	Bergsman, 1997 Aines, 1997
Rør og bestykninger	Stål, CPVC	SCE & S, 1997

Tabel 7.1 Eksempel på succesrige materialevalg

7.2 Dokumentation af forureningsniveau før oprensning

Forureningskortlægning

Kravene til de udførte forureningsundersøgelser forud for projektering af termiske oprensninger afviger ikke fra kravene stillet i forbindelse med de mere gængse anvendte in situ oprensningsmetoder. På baggrund af undersøgelserne skal der således foreligge en detaljeret geologisk og hydrogeologisk beskrivelse af lokaliteten, samt en detaljeret beskrivelse af forureningssituationen, herunder en beskrivelse af de faser forureningen forekommer på: Fri fase (mobil), residual fri fase (jordforurening), opløst grundvandsforurening og poreluftforurening. I det aktuelle oprensningsområde bør der endvidere foreligge en sikker vertikal forureningsafgrænsning.

På større forureningssager kan der i kortlægningen inddrages Elektrisk Resistivitets Tomografi (ERT), fiber optiske sensorer og geofysiske logs; jf. appendiks 1.

7.3 Kontrol af opvarmningens udbredelse og fordeling

Temperaturfordeling og dampfronter

Som led i de udførte demonstrationsprojekter og fuld skala oprensninger (Newmark et al. 1994, SCE & S, 1997), er der udviklet metoder til monitering af udbredelsen af temperatur- og dampfronter i jordlagene.

Temperaturdata kan opnås med termofølere fast monteret i boringer, med borehulslogging med infrarød sensor og ved hjælp af ERTmålinger af temperaturbetingede forskelle i jordlagenes resistivitet, jf.

appendiks 1. Endvidere er tiltmetre, der viser, når små forskydninger opstår i jorden, anvendt til bestemmelse af dampfronters udbredelse (Newmark et al. 1994).

7.3.1 Termofølere

Temperaturmåling

Termofølere installeres typisk på elektrode- og moniteringsboringer i og omkring de forurenede jordlag med en indbyrdes lodret afstand på 0,5-1,0 m og kan anvendes ved temperaturer op til ca. 2.000 °C.

Følerne forbindes typisk til et computerstyret dataopsamlingssystem, hvorved det er muligt at opnå detaljerede tidsserier for temperaturen i diskrete punkter, og således via energibalancen kan der opnås en solid dokumentation af opvarmnings- og afkølingsforløb.

Desuden er temperaturdata vigtige i kontrollen af, at elektrodetemperaturen ikke overskrider tolerancen for de anvendte materialer. Endelig giver målingerne dokumentation af opvarmningens horisontale udbredelse i de jordlag, som ønskes oprenset og den vertikale temperaturudbredelse til omkringliggende mindre forurenede lag. Målingerne med termofølere anvendes desuden til kalibrering af infrarøde logs og i tolkningen af ERT-data (Appendiks 1).

7.3.2 Borehulslogging med infrarød sensor

Infrarød sensor

Borehulslogging med infrarød sensor (jf. appendiks 1) er anvendt på Lawrence Livermore National Laboratory (Afsnit 5.3; Newmark et al. 1994), og giver hurtige og detaljerede temperaturprofiler i elektrode- og moniteringsboringer. Metoden kan anvendes som supplement til fastinstallerede termofølere.

I udvalgte perioder omkring opvarmning til kogepunkter, eller ved dampgennembrud, kan metoden hurtigt give præcise data om udviklingen ved boringerne.

7.3.3 Elektrisk Resistivitets Tomografi

ERT

Elektrisk Resistivitets Tomografi (ERT) kan blandt andet anvendes til 2-dimensionale målinger af temperaturbetingede ændringer i resistivitetsforholdene i jorden mellem boringer forsynet med ERTelektroder (Appendiks 1).

Opvarmning af de forurenede jordlag fra ca. 15 til 100 °C medfører generelt et fald i resistiviteten på op til ca. 60 %, (Newmark et al. 1997). Faldende vandindhold medfører modsat stigende resistivitet.

P.t. er der ikke redegjort entydigt for resistivitetsforholdenes afhængighed af samtlige parametre i jord- og grundvandsmiljøet.

Ved at betragte ændringerne i resistiviteten under opvarmningen, og sammenholde ERT- og termofølerdata, har det været muligt at identificere, hvor i tværsnittet mellem boringerne temperaturændringerne er mest markante. Svarer dette ikke til de ønskede (forurenede) jordlag, er der mulighed for tidligt i forløbet at justere på energitilførslen (elektrisk opvarmning eller dampinjektion).

ERT kan således være et vigtigt kontrolredskab i driftfasen for termiske oprensninger, selv om teknologien endnu ikke er fuldt dokumenteret og udbygget.

7.3.4 Trykmålinger

Trykmåling

Ved dampinjektion og elektrisk opvarmning til kogepunktet for porevæsken kan der anvendes in situ tryktransducere til monitering af trykforholdene i forskellige jordlag i det behandlede område.

Alternativt kan det vælges at installere tynde stålrør med åbning i de ønskede måledybder, og foretage trykmålingerne manuelt/automatisk ved terræn. Med målingerne kan passage af dampfronter, eller dampudvikling in situ pga. kogning, identificeres i adskilte jordlag.

7.4 Dokumentation af spredning af forureningen

Stoffernes udbredelse måles

I lighed med traditionelle in situ afværgeforanstaltninger bør der gennemføres kontrolmålinger på grundvand og poreluft - herunder kortlægning af vakuumudbredelse i den umættede zone ved brug af vakuumekstraktion - udtaget i periferien af oprensningsområdet til dokumentation af, at der ikke under oprensningen sker en uønsket forureningsspredning fra kildeområdet.

7.5 Dokumentation af oprensningseffekt

Slutprøver

Der bør stilles samme krav til dokumentation af forureningsniveau efter oprensning til termiske oprensninger - som til andre in situ oprensninger. Dette vil således typisk være standsning af oprensningen med efterfølgende observationer for tilbageslag af forureningsniveauer i kombination med udtagning af poreluft-, jord- og vandprøver, til kontrol af hvorvidt oprensningskriterierne er nået.

Sluttemperaturer

Ved afslutning af termiske oprensninger vil temperaturen i de relevante jordlag dog typisk være mellem 50 og 100 °C, hvorfor der må udvises særlig omhyggelighed, og anvendes specielle procedurer ved prøvetagning for at minimere tabet af forureningskomponenter. Uden afkøling kan grunde forblive varme i mange år. Eksempelvis er jorden på grunden anvendt til Dynamic Underground Stripping (afsnit 5.3) stadig omkring 60 °C tre år efter afslutning af opvarmningen.

Varm luft

For TCE medfører en stigning i porelufttemperaturen fra 20 til 90 °C en reduktion af sorptionskonstanten (tørt materiale) på ca. I størrelsesorden (Heron, 1997b). Således bør poreluftprøver på kuleller ATD-rør af opvarmet luft udtages ved et flow på maksimalt 0,1 l/min mod normalt ca. 1 l/min.

Varm jord

Da flygtigheden (damptryk og Henrys konstant) ligeledes stiger drastisk med temperaturen, bør jordprøver fra opvarmede områder udtages som kerneprøver, der forsegles og nedkøles umiddelbart efter udtagning. Alternativt kan der udtages prøver fra en hulsnegl. Endelig bør vandprøver udtages ved relativt højt flow for at reducere diffusionstab, og nedkøles straks.

8 Monitering - behandlingsanlægget

Ved drift af behandlingsanlægget er der både af dokumentationshensyn - og af hensyn til optimering af driften - grund til at foretage en grundig monitering af procesparametrene. I dette kapitel gennemgås de parametre, der belyser driftsforløbet.

SRO system

I de fleste tilfælde vil en løsning med et integreret SRO system være at foretrække. Der skal i de tilknyttede databaser være mulighed for tilføjelse af diskontinuerte måledata, eksempel analysedata fra prøver udtaget og analyseret off-site. Valg af SRO system og krav vil ikke blive gennemgået her, der henvises til eksempelvis Heilmann (1992) og Hedeselskabet (1997).

8.1 Temperaturmålinger

Temperaturer

Temperaturer kan måles på de enkelte boringer og dels på samlede rørføringer. Formålet er dels at få information om energimængderne der injiceres og ekstraheres dels at sikre, at der ikke opstår skadelige eller direkte farlige temperaturer i anlægget. Desuden bør temperaturen af elektriske komponenter måles, så de anbefalede driftstemperaturer ikke overskrides.

Temperaturmålinger foretages med PT- 100 følere og/eller fysiske termometre, der kan aflæses på stedet. Hvert målepunkt koster i 1997-priser 1.000-5.000 kr.

8.2 Fugtighedsmålinger

Luftfugtighed

Fugtighedsmålingeme (hygrometer) skal sammen med temperatur og flowmålingerne bruges til at opstille energibalancer. Fugtighedsmålinger kan med fordel foretages på det samlede flow, der oppumpes via vakuumventilationen. Hvis der ønskes detailinformation, kan fugtigheden måles i hver enkelt boring. Fugtighedsmålere koster i 1997-priser 2.000-6.000 kr.

8.3 Trykmålinger

Tryk

Trykmålinger foretages på hver enkelt boring, hvori der injiceres eller ekstraheres luft/damp. Herudover skal der måles tryk ved selve dampgeneratoren, hvis der injiceres damp. Disse trykmålinger skal anvendes af sikkerhedsmæssige årsager, dette gælder især på en eventuel trykside. Desuden skal trykmålinger bruges i den daglige drift til at vurdere modstand og ydelse af de enkelte ekstraktionsboringer.

Elektroniske trykmålere med den nødvendige nøjagtighed koster i 1997-priser 1.000-5.000 kr.

8.4 Flowmålinger

Flow

Flowmålingerne skal sammen med temperatur og fugtighed anvendes til at opstille energibalancer, samt danne baggrund for at vurdere ydelsen/massefjernelsen i anlægget. Flowmålinger bør som minimum foretages elektronisk af den samlede mængde oppumpet luft og vand. Målinger på de enkelte boringer bør også kunne foretages, her kan man anvende instrumenter med mindre nøjagtighed og herved reducere omkostningerne.

Nøjagtige elektroniske flowmålere til både vand og luft er relativt dyre. Mekaniske målere som vandure, rotametre til vand/luftflow er relativt billige. Elektroniske målere har et prisniveau på 10.000-50.000 kr., mekaniske 1.000-5.000 kr. i 1997-priser.

Herudover kan der måles samlede mængder af eventuelt frit produkt ved simple pejlemetoder i de kar, der anvendes til opsamling af den eventuelle fri fase.

8.5 Elektriske målinger

Elektriske målinger

Elektriske målinger skal udføres dels af hensyn til drift og vedligeholdelse af maskineriet, dels til vurdering af økonomien. Der bør måles forbrugt effekt på alt maskineri, ligesom antal start/stop bør måles. En del af det anvendte maskineri serviceres efter drifttimer, og en del afhængig af antallet af start/stop og/eller drifttimer.

Under opvarmning af jorden med lavfrekvent strøm, bør der måles spænding, strømstyrke og fasevinkel tilført hver enkelt elektrode. Herudover bør der være mulighed for at måle spændinger imellem forskellige dele af anlægget (eksempelvis hegn, behandlingsanlæg uden for indhegning, rørføring ind til behandlingsanlæg etc.) og "ren jord", således at eventuelle overgangsstrømme kan detekteres og elimineres.

En række af disse målinger er relativt billige (start/stop, effektforbrug), hvorimod andre er relativt dyre (spænding, strømstyrke, fasevinkel). Minimumsløsningen på den elektriske instrumentering er den, der udelukkende tilgodeser sikkerheden i projektet.

8.6 Koncentrationsmålinger

Stofkoncentrationer

Til dokumentation af oprensningens forløb - og sammensætningen af afkastet - er det nødvendigt at udføre koncentrationsmålinger for de relevante stoffer. Herudover er det også relevant at måle ilt og kuldioxidindholdet i den oppumpede luft. Disse målinger kan udføres som diskontinuerte målinger med manuel prøvetagning en række steder i systemet med efterfølgende laboratorieanalyse, eller mere sofistikeret med et on-line analyseinstrument.

Metoder

På dette punkt er der meget store valgmuligheder - afhængig af myndighedskrav - til dokumentation og ambitionsniveau i projektet. I tabel 8.1 er der relativt angivet kvalitet, omkostninger og anvendelse af en række forskellige måleteknikker.

Målemetode	Stoffer	Interferens	Kvalitet	Pris
Gasdetektor	Kulbrinter, brændbare stoffer	+++	+	+
IR-detektor	Stoffer med CH₃ grupper	++	++	+
On-line FID- måler	Klorerede opløsningsmidler, kulbrinter,	+++	++	++
Photo-akustisk måling	Kulbrinter, CO₂, klorerede opløsningsmidler	++	++	++
Manuel GC analyse i lab.	Klorerede opløsningsmidler, kulbrinter	+	+++	+++
On-Line GC	Klorerede opløsningsmidler, kulbrinter	+	+++	++

Tabel 8.1. Forskellige målemetoder, sammenhæng mellem pris og kvalitet. Interferens angiver muligheden for interferens med andre stoffer. Kvalitet angiver troværdigheden af måleresultatet. Skalaen er + lav, ++ mellem, +++ høj.

Som det ses af tabellen, kan der i tilfælde af oprensning af klorerede opløsningsmidler anvendes eksempelvis tre teknikker til kvantificering af disse. Hvis der ønskes en høj troværdighed af de målte resultater, skal GC-teknikker anvendes. Hvis det krævede prøveantal er lille, vil det være tilstrækkeligt at udtage prøverne manuelt, men hvis der ønskes en mere solid dokumentation, vil det være økonomisk mere attraktivt at anvende et on-line instrument.

9 Sikkerhed i forbindelse med termisk assisterede oprensninger

9.1 Indledning

I forbindelse med in situ oprensninger, der foretages ved hjælp af termiske teknikker, knytter der sig en række sikkerhedsspørgsmål. Ved Joule heating anvendes høje spændinger og effekter, og generelt håndteres der vand og luft med høje temperaturer og koncentrationer af forureningskomponenter.

9.2 Elektriske forhold

Høje spændinger

Spændinger, der anvendes til opvarmning af jorden, antager værdier, der strækker sig fra 200 til 3000 V (Gauglitz et al. 1994, Newmark et al. 1994). Spændinger i denne størrelse er ved direkte berøring af spændingsførende dele livsfarlige. I Danmark er anvendelsen af høje spændinger og de sikkerhedsmæssige aspekter beskrevet i Stærkstrømsbekendtgørelsen (Elektricitetsrådet, 1993). Af indirekte risici kan der være følgevirkninger i form af udvikling af magnetfelter og overførsel af elektrisk støj (EMC, Electro Magnetic Current) til tele- og datakommunikation.

9.2.1 Sikkerhed mod direkte berøring af strømførende genstande

Sikring mod stødrisiko

Under planlægning og dimensionering af et termisk assisteret anlæg, skal det sikres at mennesker (og dyr) ikke kan komme i direkte kontakt med ledende materialer. I Stærkstrømsbekendtgørelsen angives, at der skal udføres sikring, såfremt der er mulighed for spændinger større end 25 V. Dette skal sikres ved følgende sikkerhedsforhold:

	Området, hvori der er spænding, skal være forsvarligt indhegnet med advarselsskilte om højspænding.
	Der etableres et relæ over indgangslågen til området, således at strømmen automatisk afbrydes, når lågen åbnes.
	Alle materialer til ledninger/relæer/tavler skal vælges efter forskrifterne i stærkstrømsbekendtgørelsen.
	Forud for alt arbejde i det spændingspåvirkede område skal der følges en procedure, hvor strømmen afbrydes manuelt, og der måles spændingsfelter på jorden, inden der arbejdes på installationerne.
	Under arbejde i området skal der altid være mindst to personer til stede.

9.2.2 Sikkerhed imod indirekte spændingspåvirkning

Fælles nul

Ud over risikoen for at berøre direkte ledende materialer er der også en mulighed for at få indirekte spændingspåvirkning. Dette kan dels opstå som følge af fejl (overgang) fra en leder til et andet materiale, dels som følge af spændingspåvirkning forårsaget af felter på overfladen, gennem rør etc. For at imødegå disse problemer er det nødvendigt at etablere én fælles potential udligningsforbindelse/jording. Ved at følge nedenstående punkter vil der være en stor sikkerhed for, at der ikke opstår faresituationer som følge af indirekte spændingspåvirkning.

	Alle ikke spændingsførende metalinstallationer jordes til samme jordpol/udligningsforbindelse, placeret i en stor afstand (> 30 m) fra området, hvor spændingen påføres.
	Rør, der føres ind i området, forbindes til samme udligningsforbindelse.
	Armeringsjern i bygninger forbindes til udligningsforbindelsen.
	Skærme på kabler, der føres ind i området, forbindes til udligningsforbindelsen.
	Hegn forbindes til udligningsforbindelsen.
	Alle ikke strømførende boringer med metalforing forbindes til udligningsforbindelsen.

Observerede spændinger

Hvis disse forholdsregler tages, vil det ikke være muligt at finde spændinger mellem upåvirket jord og jord, ledninger mv. indenfor det påvirkede område på mere end 5-10 V (Newmark et al. 1994), hvilket overholder bestemmelserne i Stærkstrømsbekendtgørelsen.

9.2.3 Magnetfelter og EMC støj

Magnetfelter

Når der føres relativt høje spændinger gennem jorden, udvikles der, jf Ørsteds lov, et magnetisk felt. Feltets størrelse er dog ikke særlig stort. Det observerede felt ved 6-fase oprensninger er i driftsituationen mindre end, hvad der kan måles ved en EDB-skærm (Bergsman, 1997).

EMC støj

Påvirkning af telefon og datalinier (EMC belastningen) er ikke nærmere undersøgt i forbindelse med de oprensninger, der har fundet sted. Både Bergsman (1997) og Newmark og Aines (1997) anser imidlertid ikke dette problem for at være af større karakter. Såfremt ledninger går igennem, eller tæt på (< 10 m) de højspændingsførende dele, er der en forventning om, at der kan opstå støj (brum) som følge af frekvensen i vekselspændingen (50 Hz i DK). Til at undgå en påvirkning kan det derfor i en periode være nødvendigt med en midlertidig omlægning af kabler, der kan påvirkes.

9.3 Termiske aspekter

Høje temperaturer

Ved ekstraktion af luft og vand kan der optræde temperaturer på op til 140 °C. Ved injektion af damp kan der være tale om endnu højere temperaturer. Disse temperaturer vil, såfremt man kommer i direkte kontakt med mediet, give skoldninger og forbrændinger. For at imødegå dette skal det være trænet personel, der arbejder med etablering og drift af anlæg.

Trykklasser

Sikring af direkte påvirkning kan ske ved at anvende et fornuftigt materialevalg til rørinstallationerne. Der skal arbejdes i minimum trykklasse 10, hvor der injiceres damp og minimum trykklasse 6, hvor der ekstraheres damp. Installationen bør trykprøves ved normal temperatur, inden der påtrykkes damp/strøm til opvarmningen. Det bør ved anlægsopbygningen også sikres, at der ved samlinger er mulighed for at aflæse temperatur/tryk i den relevante ledning.

Berøring

Herudover kan der opstå forbrændinger som følge af indirekte påvirkning ved berøring af rør, ventiler etc. Stærkstrømsbekendtgørelsen angiver følgende maksimum temperaturgrænser for emner, der er beregnet til at berøre, men ikke at fastholde: 70 °C for metalliske komponenter, og 80 °C for ikke metalliske komponenter. Det er derfor anbefalelsesværdigt at isolere rør mv., såfremt overfladetemperaturen overstiger grænserne. Ud over de sikkerhedsmæssige fordele der er ved isolering af rør mv., undgås kondensering af vand i rørene, der ellers kan lede til problemer i driften.

9.4 Eksplosionsrisiko

Eksplosionsrisiko

Ved håndtering af dampe af specielt olie/benzinprodukter kan der opstå så høje koncentrationer i gasfasen, at luftens indhold overstiger den nedre eksplosionsgrænse. Hvis denne grænse forventes overskredet, skal anlægget indrettes herefter, dvs. der skal anvendes EX-sikrede produkter overalt i proceslinien, hvor der kan forekomme EX-tilstande. Dette gælder både sensorer, pumper mv.

10 Geotekniske forhold

Under termiske oprensninger udsættes jordlagene for ekstreme påvirkninger, som kan have betydning for formationernes geotekniske egenskaber.

I de publicerede termiske forsøg og fuld skala oprensninger foreligger ingen nærmere beskrivelser af geotekniske forhold under opvarmningen. Den efterfølgende diskussion af emnet er således baseret på generelle betragtninger frem for aktuelle felterfaringer.

10.1 Joule heating

Kogning ønskes

Elektrisk opvarmning anvendes typisk over for forurening i lerede jordlag. Ved opvarmningen kan der i områder med stor energitæthed forekomme dampudvikling og udtørring af jordlagene. Dette vil oftest ske omkring elektroderne, og det vil af oprensningsmæssige årsager desuden være attraktivt at opnå kogning i formationen, med heraf følgende mulighed for hel eller delvis udtørring af de forurenede jordlag.

Det er velkendt, at de fleste lertypers volumener afhænger af vandindholdet, og det må forventes, at udtørring vil medføre en vis volumenændring i lerlag i oprensningsområdet.

Lerlags svind ved udtørring

For danske lertyper er der vist en sammenhæng mellem plasticitetsindexet, IP og det potentielle maksimale svind ved udtørring til markkapacitet. Sammenhængen er illustreret ved værdier i tabel 10.1, hvor der endvidere er angivet omtrentlige plasticitetsindex for typiske danske lere.

Jordtype	Plasticitetsindex, IP %	Maksimal, potentielt svind, %
	10 30 70 120	7 24 40 46
Stærkt sandet og siltet moræneler Sandet og siltet moræneler Fed ler Meget fed ler	4-7 7-10 > 10 > 25

Tabel 10.1. Maksimalt potentielt svind ved udtørring afh. af plasticitetsindex, IP og typiske IP for dansk ler (Geoteknisk Institut, 1994).

Stort svind muligt

Af værdierne for det maksimale potentielle svind i tabel 10.1 fremgår, at der i forbindelse med udtørring af lerede jordlag ved opvarmning kan være væsentlige sætningsrisici for konstruktioner i oprensningsområdet. Specielt stor risiko vil der være ved opvarmning af tykke lag af fed ler. Det må således anbefales, at der i designfasen for termiske oprensninger udføres svindforsøg på prøver af de jordlag, som søges oprenset.

Fysiske ændringer ved opvarmningen

Ved elektrisk opvarmning til kogepunktet for porevæsken opnås endvidere, at der udvikles dampe af vand og forureningskomponenter. For vands vedkommende medfører dette en volumenforøgelse på ca. 1.000-1.700 gange afhængig af dybden (Heron et al., 1998a). Denne drastiske volumenændring vil i første række forekomme, hvor opvarmningen er kraftigst, altså i de lerede jordlag. Dampudviklingen, og den heraf følgende trykopbygning i forskellige dele af lermatricen, må forventes ved et passende tærskeltryk at danne sekundære sprækkestrukturer i leren, hvorigennem vanddampene (og gasformig forurening) frigives. Desuden vil udtørringen lokalt medføre et lavere hydrostatisk tryk i formationen, hvilket også kan indvirke på den geotekniske stabilitet.

Retablering

Efter endt oprensning, vil infiltrerende nedbør og grundvand med tiden genoprette den oprindelige vandmætning, og det må forventes, at jorden volumenmæssigt retableres fuldstændigt. De udtørringsbetingede sprækkedannelser i lerede lag vil dog formentlig udgøre permanent ændrede strukturer efter retableringen af vandindholdet.

Bæreevne

Hvilken betydning disse sprækker har for bæreevnen af formationen, kan ikke fastlægges nærmere. Overordnet vurderes sprækkedannelserne dog at kunne medføre en varig reduktion i bæreevnen, selv om der vil være tale om lokale, afgrænsede sprækker.

Som led i oprensninger med elektrisk opvarmning anbefales, at terrænforholdene følges ved præcisionsnivellementer før, under og efter opvarmningen med mulighed for driftstop ved uacceptable ændringer.

10.2 Dampinjektion

Kontrollerede tryk

Dampinjektion foretages i relativt højpermeable sandede jordlag. Ved injektionen påføres et moderat overtryk (typisk ca. 100-600 mbar), som driver en dampfront gennem formationen. Som håndregel for størrelsen af det nødvendige indblæsningstryk kan anvendes en værdi på 11,3 kPa gange dybden (i m) fra jordoverfladen til toppen af filteret (Udell, 1997b). Passagen af dampfronten medfører markante ændringer i formationens temperatur og vandindhold, mens ændringerne i formationstrykket, som nævnt, er moderate i forhold til trykændringer ofte påført ved grundvandssænkning og vakuumekstraktion.

Begrænset udtørring

Vandindholdet på injektionssiden af dampfronten bestemmes af hvor homogene kogepunktstemperaturer, der er opnået i formationen (i områder under kogepunktstemperatur vil dampen kondensere og porevandet fortsat være som væske). Da der under injektionen tilføres vandmættede dampe, vil der dog aldrig forekomme udtørring i samme grad som ved elektrisk opvarmning til kogepunktstemperatur over længere tid.

Der er ikke publiceret data om geotekniske påvirkninger ved dampinjektion, men som nævnt i kapitel 6 kan dampfrontpassager moniteres ved hjælp af ekstremt følsomme tiltmetre installeret in situ. Disse måler små forskydninger i jorden, terrænnært (Newmark et al. 1994).

Små forskydninger

Eventuelle små forskydninger viser, at dampinjektionen medfører målbare fysiske ændringer i jordlagene i oprensningsområdet, selv om disse ændringer tilsyneladende er meget små i relation til effekten af naturlige klimabetingede variationer i grundvandsstand, vandmætning i umættet zone etc.

10.3 Samlet vurdering

Overordnet vurderes dampinjektion mindre risikobetonet end Joule heating mht. uønskede geotekniske ændringer. Dette skyldes, at dampinjektion udnytter de naturlige højpermeable zoner i jorden, mens elektrisk opvarmning medfører dampudvikling in situ - også i lavpermeable lag - og herved påtvinger en sekundær frakturering af jordlagene.

Ved dampinjektionsoprensninger terrænnært, dvs. inden for ca. 10 m.u.t., anbefales at de geotekniske forhold moniteres ved præcisionsnivellementer før, under og efter oprensningen. Disse forslag bør følges, indtil en større erfaring om disse forhold er opbygget i Danmark. Herefter vil moniteringsbehovet kunne vurderes mere konkret i de aktuelle tilfælde.

11 Effekt på økosystemer

Overfladenære økosystemer under muld- og fyldlagene (>1 m.u.t.) er typisk næringsfattige miljøer med et lavt antal mikroorganismer. Disse består af bakterier (anaerobe og aerobe), gær, svampe og protozoer (typisk aerobe). I små dybder lever orme, insekter og mindre dyr såsom gnavere.

11.1 Økologiske forstyrrelser ved forhøjede temperaturer

Potentielt kan opvarmning af undergrunden påvirke disse økosystemer, idet:

	Mikroorganismer enten dør, overgår til hvilestadier (e.g. bakterielle sporer) eller opformeres (f.eks. termofile bakterier).
	Opvarmning og forhøjede tryk kan føre til revnedannelser i jordlag, og derved til dannelse af makroporer, hvor udveksling af f.eks. ilt kan accelereres.
	Næringsstofbalancen i jorden kan ændres via afdampning af opløste gasser (f. eks. NH₃) eller opkoncentrering af opløste stoffer, når jordvandet fordamper.
	Opvarmning kan føre til acceleration af eksisterende processer, idet enzymatiske processer generelt foregår 2-3 gange hurtigere for hver 10 °C opvarmning, dog først efter adaptation.
	Hvis opvarmningen fører til fjernelse af fri fase forurening, som oftest virker toksisk på organismerne, kan dette medvirke til at øge mikrobiel vækst og omsætning.

Opnåede temperaturer

Under en effektiv opvarmning opnås temperaturer på 100 °C og højere i større dybder under grundvandsspejlet. I 10 m's dybde under grundvandsspejlet kan f.eks. opnås et samlet tryk på 2 atm og en temperatur på 120 °C, hvilket svarer til forholdene ved autoklavering. Herved dræbes potentielt alt undtagen meget tolerante sporedannere eller termofile bakterier, gær eller svampe.

11.2 Effekt på aerob naturlig nedbrydning

Påvirkning af naturlig nedbrydning

I en forureningsmæssig sammenhæng er et spørgsmål særlig relevant: Ødelægger opvarmningen potentialet for naturlig selvrensning ved at sterilisere jorden? Der findes tre typer bevis for, at dette ikke sker:

	Under Dynamic Underground Stripping projektet, hvor 30.000 liter benzin blev fjernet fra lerede og sandede lag over og under grundvandsspejlet, blev det påvist at BTEX-nedbrydende bakterier overlevede opvarmningen til 100 °C (Newmark et al., 1994; Krauter et al. 1995). Det totale celletal (målt ved Acridin Orange Direct Count metoden), og antallet af heterotrofe koloniformere (på agar-plader) faldt en faktor 5-30 ved opvarmningen, og alle gramnegative bakterier forsvandt, da de har mindre temperaturtolerante fedtsyrer i membranerne. Analyse af de bakterielle fedtsyrer viste en sortering, hvor bakterier med mættede fedtsyrer dominerede totalt efter opvarmningen. Mættede fedtsyrer er termisk mere stabile end umættede fedtsyrer (Krauter et al. 1995). Ved afslutning af opvarmningen fandtes mikroorganismer af samme type som fundet i gejsere (termofile), domineret af grampositive, sporedannende kokker og svampetyper (Psedomonas, Aspargillus, Rhodococcus, Streptococcus, Rhodutorula, Micrococcus). Disse blev isoleret og viste potentiale for nedbrydning af benzen og toluen ved 60 °C.
	Ud over at nogle mikroorganismer overlever opvarmningen, kan et steriliseret område relativt hurtigt genvinde sin oprindelige flora. Når temperaturen falder, og grundvand og luft strømmer gennem de påvirkede lag, transporteres mikroorganismer udefra ind i området. En stor del af f.eks. grundvandsbakterierne er suspenderet i porevandet og kan bevæge sig med dette (Holm et al. 1992), og hurtig rekolonisering af sterilt sand nedsat i grundvandssystemer er påvist. Transport og vandring af mikroorganismer i den umættede zone er mindre beskrevet, men nedsivende vand og trykforskelle kan føre til rekolonisering i disse områder. Den generelle opfattelse er, at rekolonisering foregår i løbet af få uger eller måneder (Newmark & Aines, 1997b).
	Overlevelse af mikroorganismer under autoklavering blev demonstreret på US EPA (Hendrix, 1997). Efter en 100 gange reduktion i celleantallet under autoklaveringen blev det vist at aktiviteten og celletallet steg under langsom afkøling.

Der er altså begrundet håb om, at den aerobt baserede naturlige selvrensningsevne kun midlertidigt undertrykkes under termisk oprensning. På langt sigt kan opvarmningen have en stor gavnlig effekt på denne, idet fjernelsen af frie faser, som virker toksisk på mikroorganismer, kan føre til bedre forhold for opvækst af mikroorganismer, som nedbryder evt. efterladte opløste stoffer (Krauter et al. 1995).

11.3 Forstyrrelse af anaerobe økosystemer

Redoxforholdene påvirkes

Sterilisering

Endnu er forholdene for anaerobe mikroorganismer og disses potentiale, for f.eks. reduktiv deklorering af klorerede opløsningsmidler, ikke studeret under opvarmning. Potentielt kan redoxforholdene ændres ved indblæsning af iltholdig luft eller damp, hvilket blev demonstreret under Dynamic Underground Stripping. Hvis et anaerobt område, hvor reduktiv deklorering foregår (f.eks. i perkolatet fra en losseplads), bliver opvarmet og iltet af damp, kan de anaerobe organismer udkonkurreres. Genetablering af disse kan være langvarig, idet den tilførte ilt skal forbruges, før de anaerobe organismer vender tilbage. Hvis sterilisering af jorden forekommer, vil det være ekstra problematisk i finkornede aflejringer, idet transporten af bakterier - gennem f.eks. ler - er meget langsom sammenlignet med sandede aflejringer (Krauter et al., 1994).

11.4 Feltstudier

Savannah River Site

Mikrobiologien på Savannah River Site blev studeret før og efter opvarmning af et 3 m tykt lerlag - ved hjælp af en radiofrekvens antenne i en vandret brønd (Eddy-Dilek et al. 1994). Lerlaget var forurenet med TCE og PCE, formodentlig med fri fase. Lerlaget blev opvarmet til mellem 30 og 80 °C. Der blev observeret en stigning af det totale celletal i lerlaget (AODC) på i gennemsnit fra 1,3 10⁷ til 9,6 10⁷ (egen beregning ud fra tabulerede værdier i Eddy-Dilck et al. 1994). Desværre blev inkuberingerne af levende mikroorganismer udført alene under aerobe forhold, hvilket udelukker muligheden for at studere de anaerobe bakterier, som formodentligt var til stede i lerlaget. Der blev fundet forhøjede indhold af Legionella pneumophila, en bakterie med termofile egenskaber (gror indtil 63 °C), som forårsager legionærsyge. Ingen væsentlige effekter kunne ses på en række nitrogen-omdannere.

11.5 Sammenfatning

Bakterierne udtyndes

Hurtig retablering

Opvarmningen fører på kort sigt til et fald i antallet af arter og diversiteten af bakterier. Enkelte termofile bakterier vil dog kunne øges i antal både relativt og absolut. Vurderet ud fra tidligere sager sker der tilsyneladende en relativ hurtig retablering af den naturlige fauna i takt med at temperaturen falder. Her er volumenet af det opvarmede område af stor betydning, idet store områder nedkøles endog meget langsomt (grundvandet på Dynamic Underground Stripping grunden (opvarmet ca. 100.000 m³) var stadig mellem 45 og 75 °C 2 år efter opvarmningen). Anaerobe processer i finkornede aflejringer vil formentlig påvirkes mest. Sammenlignet med den positive effekt af opvarmningen (fjernelse af toksiske frie faser og høje opløste koncentrationer) synes effekten på økosystemet dog ikke betænkelig. Særlige hensyn skal dog tages, såfremt en senere fase af oprensningsstrategien beror på biologiske processer. F.eks. kan dampinjektion ilte anaerobe områder, og elektrisk opvarmning kan koge opløste gasser såsom ilt af, hvorved aerobe områder gøres anaerobe.

12 Økonomi

Dette kapitel omhandler de økonomiske aspekter af termisk oprensning. Først gives en oversigt over energiforbrug ved opvarmning af jord og grundvand til hhv. 100 og 200 °C. Hernæst præsenteres resultaterne af et cost-benefit studie, der sammenligner udgifterne ved hhv. termiske og traditionelle oprensningsteknikker for 5 tænkte forureningssituationer. Endelig resumeres de relativt sparsomme publikationer, der foreligger vedrørende totale omkostninger ved gennemførte og afsluttede termiske oprensninger.

12.1 Energiforbrug ved opvarmning

Mængden af energi, der er nødvendig for de ønskede temperaturstigninger og udtørringsgrader, er vist i tabel 12.1. Alle beregninger og diskussionen nedenfor beror på antagelse om forsvindende energitab ved tilførsel af varmen.

Varmekapacitet

Vands varmekapacitet er 4,18 kJ/(kg K), og varierer mindre end 1 % mellem 0 og 100 °C (CRC, 1994). Varmekapaciteten for jord varierer med indholdet af organisk stof og lermineralogien. De fleste sedimentære bjergarter er dog domineret vægtmæssigt af kvarts, og derfor kan varmekapaciteten estimeres rimeligt præcist til 1,0 kJ/kg K (Falta, 1997).

Antages en porøsitet på 0,35, og en fordampningsvarme for vand på 40,7 kJ/mol (2260 kJ/kg) ved 100 °C (CRC, 1994), fremkommer tallene i tabel 12.1.

	Start-vandindhold
Scenario	100%	50%	10%	0%
Opvarmning til 100 °C, vådt Opvarmning til 100 °C + fordampning af alt porevand Opvarmning til 200 °C og udtørring	80 299 347	61 171 219	47 69 117	43 43 91

Tabel 12.1 Energiforbrug ved opvarmning af jord i kWh/m³.

Energi til opvarmning.

Nogle simple konklusioner kan drages ud fra disse tal. I umættet zone med typiske vandindhold på under 50 % (sandede aflejringer) vil jordens varmekapacitet dominere, så længe der ikke foregår væsentlig fordampning af vand. Jord med 50 % vandindhold kan varmes op til 100 °C med et forbrug på 61 kWh/m³, men udtørring af jorden vil kræve yderligere 110 kWh/m³.

Under grundvandsspejlet vil opvarmningen til 100 °C kræve 80 kWh/m³, med halvdelen til opvarmning af porevandet. Hvis alt vandet skal fordampes, stiger behovet til i alt 299 kWh/m³, hvoraf under 15 % går til opvarmning af jorden.

Temperatur og udtørring bestemmer energiforbruget

Det fremgår derfor klart, at både den ønskede behandlingstemperatur og den ønskede udtørringsgrad er nøgleparametre for økonomien i termisk accelereret oprensning. Hvis grundvandsspejlet kan sænkes til under behandlingszonen, og vandindholdet dermed falder fra 100 til 10 %, vil man spare 230 kWh/m³ ved udtørring af formationen, svarende til en reduktion af energibehovet med 75 %. Med andre ord, god økonomi i termisk oprensning afhænger af god hydraulisk kontrol og minimering af vandstrømme ind i behandlingszonen.

Over 100 °C er svært at opnå

Under specielle omstændigheder kan det ønskes at opvarme til over 100 °C. Elektrisk opvarmning er ikke praktisk for opvarmning til højere temperaturer, idet jordens elektriske ledningsevne er domineret af vandets bidrag, og falder til lave værdier i tør jord. Dette umuliggør opvarmning væsentligt over 100 °C, fordi elektroderne bliver overophedet (Newmark et al. 1994).

12.2 Cost-benefit studium for 5 tænkte oprensninger

l 1996 er der i USA gennemført en større sammenlignende undersøgelse af de totale udgifter til oprensning af 5 tænkte forureninger med henholdsvis den bedst egnede traditionelle og termiske teknik (Bremser & Booth, 1996).

Energipriser

Prissætningen er foretaget ud fra amerikanske forhold og kan ikke overføres direkte til danske forhold. Elprisen i USA er 10-12 cent pr. kWh, svarende til 70-80 øre. Dette er ca. 30 % lavere end i Danmark. Prisen på olie og naturgas til dampproduktion er tilsvarende lavere. Da energiforbruget i termiske oprensninger typisk udgør under 25 % af de samlede omkostninger, vil den samlede pris på oprensningen være højst 7,5 % lavere i USA. Derfor kan den amerikanske sammenligning, bruges som rettesnor, også i Danmark.

Rensningsgrad

Sammenligning af teknologier er altid behæftet med stor usikkerhed og skal tages med forbehold. F.eks. er det svært at sammenligne vakuumekstraktion med Joule heating i leret jord, hvor man erfaringsmæssigt ved at vakuumekstraktion ikke fjerner forureningen. Der er i de følgende scenarier foretaget nogle grove skøn over oprensningstiden for hver teknik. Disse skøn bliver vigtige for driftstiden, og dermed prisen.

Et sidste forbehold er, at udgifterne til forureningskortlægningen - samt skitse- og detailprojekteringen i kildeområderne - ikke er medregnet i prisen. Disse kan i nogle tilfælde være højere for termisk oprensning, idet denne kræver bedre kontrol.

I det følgende gennemgås de 5 tænkte forureningsscenarier og de sammenlignede oprensningsteknikker kortfattet. Ved omregningen til danske kroner er anvendt en dollarkurs på 7 kr.

12.2.1 Scenarium 1, Umættet zone, terrænnær blandet forurening

Typisk terrænnær forureningssituation i umættet zone - bestående af sand - forårsaget af spild ved terræn. Forureningskomponenterne er flygtige organiske stoffer (defineret som TCE og BTEX'er) og mindre flygtige organiske stoffer (defineret som PCB'er og pesticider). Forureningen omfatter 4.510 m³ med en maksimal dybde på 6 m.

De to teknikker der er sammenlignet er:

	Konventionel teknik: Afgravning og off-site behandling.
	Termisk teknik:Termisk forceret jordventilation (elektrisk- eller radiofrekvensopvarmning).

Scenarium 1	Termisk	Konventionel
Ikke genbrugelige materialer Genbrugeligt materiel Afskrivning af udstyr Drift og vedligeholdelse	3.254.000 696.000 1.505.000	1.015.700 1.053.500 22.236.900
Sum, kr. Oprenset volumen, m³ Udgift, kr./m³ Oprensningsperiode (skønnet)	5.455.000 4.510 1.210 6 måneder	24.306.100 4.510 5.400 12 måneder

Tabel 12.2 Nøgletal for økonomisk analyse, scenarium 1.

"Genbrugeligt materiel" omfatter samtlige anlægsdele, som skønnes at kunne genbruges ved efterfølgende oprensninger på lignende lokaliteter. Her tænkes på pumper til vand, damp, dampgeneratorer, transformere, varmevekslere, køletanke, renseenhed for grundvand og afkastluft, fase separatorer, opsamlingstanke mv.

"Ikke genbrugelige materialer" i ovenstående og følgende tabeller omfatter samtlige anlægsdele, som ikke praktisk kan genanvendes på andre oprensninger. Dette drejer sig typisk om boringer og underjordiske ledningsanlæg.

12.2.2 Scenarium 2, Umættet zone, dybtliggende letflygtig forurening

Forurening med flygtige organisk stoffer fra 6-30 m's dybde forårsaget af utæthed i en nedgravet tank. Forureningen omfatter sandlag og et 6 m tykt lerlag fra 18-24 m.u.t. Forureningen omfatter i alt 22.200 m³ jord.

De to teknikker der er sammenlignet er:

	Konventionel teknik: Jordventilation.
	Termisk teknik: 3- og 6-fase elektrisk opvarmning kombineret med radiofrekensopvarmning.

Scenarium 2	Termisk 3-fase	Termisk 6-fase	Konventionel
Ikke genbrugelige materialer Genbrugeligt materiel Afskrivning af udstyr Drift og vedligeholdelse	3.747.000 509.000 712.000	3.747.100 629.300 711.900	4.443.600 6.219.500
Sum, kr. Oprenset volumen, m³ Udgift, kr./m³ Oprensningsperiode (skønnet)	4.968.000 22.200 224 6 måneder	5.088.000 22.200 229 6 måneder	10.663.000 22.200 481 5 år

Tabel 12.3 Nøgletal for økonomisk analyse, scenarium 2.

12.2.3 Scenarium 3, Umættet zone, dybtliggende sværtflygtig forurening

Forurening med sværtflygtige organiske stoffer fra 6-30 m's dybde forårsaget af utæthed i en nedgravet tank. Forureningen omfatter sandlag og et 6 m tykt lerlag fra 18-24 m.u.t. Forureningen omfatter i alt 22.200 m³ jord.

De to teknikker der er sammenlignet er:

	Konventionel teknik: Jordventilation.
	Termisk teknik: Radiofrekensopvarmning.

Scenarium 3	Termisk	Konventionel
Ikke genbrugelige materialer Genbrugeligt materiel Afskrivning af udstyr Drift og vedligeholdelse	2.660.000 797.000 755.000	4.444.000 11.600.000
Sum, kr. Oprenset volumen, m3 Udgift, kr/m3 Oprensningsperiode (skønnet)	4.212.000 22.200 190 6 måneder	16.044.000 22.200 724 10 år

Tabel 12.4 Nøgletal for økonomisk analyse, scenarium 3.

12.2.4 Scenarium 4, Umættet og mættet zone, dybtliggende forurening

Forurening med sværtflygtige organiske stoffer fra 6-36 m's dybde forårsaget af utæthed i en nedgravet tank. Forureningen omfatter sandlag og et 6 m tykt lerlag fra 18-24 m.u.t. Grundvandszonen træffes 30 m.u.t., og de øverste 6 m er ligeledes omfattet af forureningen. Det totale forurenede volumen er 22.200 m³ jord og grundvand.

De to teknikker der er sammenlignet er:

	Konventionel teknik: Jordventilation og afværgepumpning.
	Termisk teknik: Dampinjektion.

Scenarium 4	Termisk	Konventionel
Ikke genbrugelige materialer Genbrugeligt materiel Afskrivning af udstyr Drift og vedligeholdelse	4.927.000 785.000 1.924.000	5.432.000 6.219.000
Sum, kr. Oprenset volumen, m3 Udgift, kr./m3 Oprensningsperiode (skønnet)	7.636.000 22.200 344 6 måneder	11.651.000 22.200 526 5 år

Tabel 12.5 Nøgletal for økonomisk analyse, scenarium 4.

12.2.5 Scenarium 5, Umættet zone, forurening under bygning

Forurening med svært flygtige organiske stoffer umiddelbart under en bygning forårsaget af utæthed i en spildevandsledning. Bygningen begrænser adgangsmulighederne til den terrænnære forurening, som omfatter et mindre volumen i den umættede zone (382 m³).

De to teknikker der er sammenlignet er:

	Konventionel teknik: Jordventilation.
	Termisk teknik: Radiofrekvensopvarmning med dipol antenne.

Scenarium 5	Termisk	Konventionel
Ikke genbrugelige materialer Genbrugeligt materiel Afskrivning af udstyr Drift og vedligeholdelse	1.812.000 557.000 755.000	&NBSP; 3.903.000 6.219.000
Sum, kr. Oprenset volumen, m³ Udgift, kr./m³ Oprensningsperiode (skønnet)	3.124.00 382 8.180 6 måneder	10.122.000 382 26.500 5 år

Tabel 12.6 Nøgletal for økonomisk analyse, scenarium 5.

Af cost-benefit studiet resumeret ovenfor fremgår det, at oprensningen i samtlige 5 scenarier kan udføres med termiske oprensningsteknologier med væsentligt lavere omkostninger end den bedst egnede konventionelle teknik. Således viser beregningerne, at oprensning med konventionelle teknikker vil være mellem 1,5 (scenarium 4) og 4,5 (scenarium 1) gange så dyre som med termiske metoder.

Som det ses af scenarierne, er det hovedsageligt større omkostninger til "Drift- og vedligeholdelse", som gør de konventionelle teknikker dyrere.

I den forbindelse er oprensningsperioden, som er skønnet, afgørende.

Studiet viser desuden, at oprensningsomkostningerne pr. kubikmeter jord for scenarium 1-4, hvor de forurenede områder er relativt let tilgængelige, ligger mellem 190 og 1.210 kr. I scenarium 5, hvor forureningen er lokaliseret under en bygning, er prisen ca. 8.200 kr/m³.

Til sammenligning er de totale oprensningsomkostninger ved ukompliceret afgravning af terrænnær forurening typisk 500-1500 kr/m³.

12.3 Økonomi i gennemførte oprensninger

Der foreligger ganske få publikationer vedrørende totale oprensningsomkostninger for aktuelt gennemførte termiske oprensninger.

Lawrence Livermore National Laboratory

Ved dampinjektions- og 3-fase elektrisk opvarmning på Lawrence Livermore National Laboratory er der ved projektet beskrevet i afsnit 5.3 (Newmark et al. 1994) oprenset i alt 90.000 m³ jord. Oprensningen er foretaget ved en indledende elektrisk opvarmning over 2 måneder efterfulgt af dampinjektion i 2,5 måneder. Forureningsdybden var indtil 40 m, og der blev fjernet i alt 35.500 l benzin. De totale udgifter til undersøgelser, rådgiver, entreprenører, indkøring, drift og rapportering svarer til en udgift på kr. 1010 pr. m³ jord. Dette var et udviklings- og demonstrationsprojekt med store udgifter til udvikling og afprøvning af forskellige teknologier. Fremtidige oprensninger forventes at kunne udføres for cirka det halve (Aines & Newmark, 1997).

Visalia Pole Yard

Hvor undergrunden er permeabel, og dampinjektion alene er tilstrækkelig til opvarmningen, kan storskala oprensning gøres for under 300 kr/m³ . Dette gøres i efteråret 1997 på Visalia Pole Yard, hvor ca. 300.000 m³ kreosot-forurenet jord oprenses (SCE & S, 1997). Foreløbige resultater viser, at denne pris kan overholdes, og at hele det forurenede område på grunden er opvarmet til 100 °C (Aines & Newmark, 1997).

Savannah River Site

Ved 6-fase elektrisk opvarmning på Savannah River Site (Gauglitz et al. 1994) er der ved kombineret elektrisk opvarmning - med en cirkulær elektrodeopstilling og vakuumekstraktion - opnået en 99,7 % oprensning i det primære oprensningsområde indenfor elektroderne, og en 93 % oprensning i tilstødende områder. Det samlede oprensede volumen jord som opnåede temperaturer over 70 °C var 1.100 m³. Energiforbruget pr. kubikmeter oprenset jord er angivet til 90 kWh, omtrent svarende til en udgift til energi på 100 kr./m³ . Der er ikke publiceret opgørelser over de øvrige udgifter til projektet.

12.4 Sammenfatning

Energien koster under 200 kr./ton jord

Energibetragtninger viser, at det med et forbrug på typisk mellem 70 og 300 kWh/m³ (afhængig af vandindholdet) er muligt at opvarme jord og grundvand til 100 °C og fordampe alt porevand. I kapitel 3 og 5 er det vist, at der i tilknytning til denne opvarmning og udtørring kan forventes at ske en omtrent fuldstændig oprensning af jordlagene. Den rene eludgift ved en sådan oprensning vil således være ca. 80-330 kr./m³.

Termisk oprensning er billigere

Sammenlignende studier af konventionelle og termiske oprensningsteknikker har for 5 undersøgte (tænkte) forureningsscenarier vist, at de termiske metoder er økonomisk meget favorable. De estimerede totale oprensningsomkostninger på de 5 sager er således 1,5-4,5 gange højere ved den bedst egnede konventionelle teknik - ved sammenligning med den optimale termiske metode. Den væsentligste besparelse ligger i den korte behandlingstid ved termisk assisteret oprensning (under 1 år), hvilket giver meget lavere driftsomkostninger. Sammenligningen er foretaget med amerikanske energipriser, som er ca. 30% lavere end de danske. Dette hindrer dog ikke overførsel til danske forhold, fordi energien typisk har udgjort under 25% af den samlede pris.

For aktuelt gennemførte fuld skala oprensninger er der angivet totale oprensningsomkostninger pr. m³ jord på mellem 260 og 1.010 kr.

13 Konklusioner og perspektiver

Hurtig rensning

Denne gennemgang viser, at termisk assisteret oprensning af forureninger med frie faser olie og opløsningsmidler er en lovende teknologi. Ved at opvarme undergrunden til 100 °C opnås der oprensning til meget lave niveauer i løbet af få måneder, hvilket kan føre til afslutning af sager, som det ellers ville vare mange år at rense ved anvendelse af traditionelle in situ afværgeforanstaltninger.

Termodynamikken hjælper til

Den hurtige stoffjernelse skyldes de termodynamiske ændringer som følge af opvarmningen. Når temperaturen stiger til op imod 100 °C, stiger stoffernes flygtighed 1-2 størrelsesordener, og områder med forureningskomponenter på væskeform vil begynde at koge ved temperaturer mellem 70 og 90 °C. Denne kogning fører til dampproduktion og oprensning af de mest forurenede områder, inden temperaturen når 100 °C, dvs. inden fordampning af alt porevandet. Da dampen delvis produceres in situ ved kogning af porevand, gennemskylles alle opvarmede jordlag, selv lavpermeable lag som ler og silt, med damp. Denne mekanisme sikrer, at heterogene sedimenter oprenses på lige fod med homogene.

Gode feltresultater

Fuld skala demonstrationer i USA har vist, at benzin, kreosot og klorerede opløsningsmidler kan oprenses fra mættet og umættet zone, og både fra permeable og lavpermeable lag. Forudsætningen for effektiv oprensning er at opnå tilstrækkelig homogen opvarmning, at overstige kogepunktet i hele behandlingsområdet, samt at undgå forureningsspredning til omkringliggende, koldere områder. Derfor varmes det forurenede område udefra og ind, hvorved stofferne skubbes ind mod midten, hvor de opsamles ved vakuumekstraktion og vandpumpning. Dette er opnået både ved Joule heating (elektrisk opvarmning), ved dampinjektion, og ved kombination af disse (Dynamic Underground Stripping).

Behandling af varmt vand og luft

Termisk oprensning er typisk kombineret med vakuumekstraktion. Behandlingsdelen er kompliceret af strømme af varmt vand, damp og luft. Dette kræver særlig fokus på valg af materialer til anlægget og i særdeleshed anlæggets fleksibilitet, idet sammensætningen af afkastet afhænger af de opnåede temperaturer, forureningens rumlige udbredelse (som oftest ikke er kendt i detaljer) og ændringer i undergrundens permeabilitet som følge af opvarmning og udtørring. Dette stiller krav til fleksibilitet på behandlingssiden. Anlægget skal kunne klare store udsving i stofkoncentrationer og fluxe af damp.

Kontrol og monitering vigtig

Succes med termisk oprensning opnås kun ved detaljeret monitering af temperaturer, tryk og stoffluxe i felten, og deraf afledt optimering af processen ved justering af opvarmningen og de påtrykte undertryk i ekstraktionsboringer. Herved kan strømningsretningen for både vand og luft kontrolleres, unødig stofspredning undgås, og oprensningen optimeres. Automatisk opsamling af temperatur- og trykdata og anvendelse af geofysiske teknikker såsom ERT vil styrke kontrollen med termisk oprensning.

Sikkerhed

Sikkerheden ved termisk oprensning skal varetages ved valg af temperatur-resistente materialer, grundig kontrol og neutralisering af elektriske spændinger, samt speciel træning af personel til omgang med høje temperaturer. Dette er hidtil håndteret meget strengt ved oprensningeme i USA, og der er ikke oplyst om alvorlige uheld.

Geoteknik

Opvarmningen og produktion af damp kan føre til dannelse af sprækker i ler- og siltlag, med heraf følgende nedsat bæreevne af formationen. Elektrisk opvarmning medfører større risiko end dampinjektion, idet den afsatte energi vil tvinge damp ud af jordlagene, hvilket kan føre til tryk, som overstiger lagenes tærskeltryk. Ved dampinjektion er de maksimale trykgradienter givet ved det påtrykte injektionstryk og vakuum i ekstraktionsboringerne. Hvor den forurenede grund er bebygget, eller skal benyttes til bebyggelse, anbefales det, at de geotekniske forhold overvåges nøje.

Økosystemet påvirkes

Det naturlige økosystem på grunde, som oprenses med termiske metoder, vil blive forstyrret kortvarigt. Opvarmning til 100 °C fører til delvis sterilisering af jorden med forskydning af den økologiske balance mod termofile, grampositive bakterier. Amerikanske erfaringer viser dog, at potentialet for aerob naturlig selvrensning ikke fjernes, idet bakteriel nedbrydning er påvist på flere grunde efter oprensning. Termisk oprensning vil potentielt kunne ændre undergrundens redoxforhold enten ved iltning ved dampinjektion, eller ved fjernelse af ilt ved elektrisk opvarmning til kogning. Hvis restforureninger efterlades, bør redoxforholdene og potentialet for naturlig selvrensning derfor overvåges nøje.

Økonomi

Beregningseksempler udført på 5 teoretiske forureningssituationer, og amerikanske erfaringer fra 5 fuld skala oprensninger viser, at termisk oprensning er økonomisk endog meget konkurrencedygtig. Beregningerne viser besparelser på en faktor 1,5-4,5 i sammenligning med den bedste traditionelle teknologi. Dette understøttes af feltdemonstrationer, hvor priser mellem 260 og 1.010 kr./m³ er opgivet ved oprensning af benzin- og kreosotforurenede grunde. Energiforbruget til opvarmning har typisk udgjort under 25 % af de totale sagsomkostninger, hvorfor de 30 % højere danske energipriser ikke er kritiske for overførsel til danske forhold.

Termisk oprensning robust og lovende

Sammenfattende vurderes det, at termisk assisterede oprensningsmetoder kan have en lovende fremtid i Danmark. Der er tale om en innovativ teknologi, som udnytter nogle meget simple termodynamiske fænomener til acceleration af stoffjernelse. Med god kontrol og overvågning af processerne i jorden kan hidtil utilgængelige forureninger, primært i ler- og siltlag, renses i løbet af få måneder. Teknologien sigter specielt mod oprensning af områder med væskeformig forurening, og svækkes ikke i tilfælde af heterogeniteter i undergrunden. På denne baggrund synes termisk assisteret oprensning at være en meget robust løsning på de ellers uovervindelige forureninger med fri fase forurening i lerlag og under grundvandsspejlet.

14 Referencer

Aines, R.D. (1997): Lawrence Livermore National Laboratory, CA, personlig kommunikation.

Aines, R.D.; Newmark, R.L. (1997): Seminar på US EPA-RSKERL, Ada, Oklahoma, Sept. 20.

Bergsman, T. (1997): Pacific Northwest Laboratory, Richland, WA. Personlig kommunikation.

Bergsman, T.; Roberts, J.S.; Lessor, D.L.; Heath, W.O. (1993): Field test of six-phase soil heating and evaluation of engineering design code. In R.G. Post (ed.) Working Towards a Cleaner Environment. Symposium on Waste Management at Tucson, AZ. WM Symposia, Inc., Tuscon, AZ, February 28-March 4, 861-865.

Brüel og Kjær (1997): Upublicerede data fra oprensning under injektion af damp. Personlig kommunikation.

Buettner, H.M.; Daily, W.D.; Ramirez, A.L. (1992): Enhancing cyclic steam injection and vapor extraction of volatile organic compounds in soils with electrical heating. Proceedings of Nuclear and Hazardous Waste Management Conf., Spectrum 92, pp. 1321-1324.

Buettner, H.M.; Daily, W.D. (1995): Cleaning contaminated soil using electrical heating and air stripping. Journal of Environmental Engineering, Aug., 580-589.

Clarke, A.; Wilson, D.; dePercin, P. (1994): Chapter 5. Thermally enhanced vapor stripping. p. 243-264. In D. Wilson, and A. Clarke (eds.) Hazardous Waste Site Soil Remediation. Marcel Dekker, New York.

CRC (1994): CRC Handbook of Chemistry and Physics, The Chemical Rubber Company, Cleveland, Ohio.

Cummings, M.; Booth, S.R. (1997): A summary of the cost effectiveness of innovative off-gas treatment technologies, Los Alamos National Laboratory, USA.

Dablow, J. (1997): Steam sparging and enhanced bioremediation for heavy fuel oil remediation. In Situ and On-Site Bioremediation. Vol. 5, Proceedings of the Fourth International In situ and On-Site Bioremediation Symposium, New Orleans, Apr. 28-May 1, pp 439-444.

Davis, E.L. (1997): How heat can accelerate in situ soil and aquifer remediation: important chemical properties and guidance on choosing the appropiate technique. US EPA Issue paper EPA/540/S-97/502.

Davis, E.L. (1998): Hot water injection for enhanced oil recovery. US EPA issue paper, in preparation.

Dev, H.; Sresty, G.; Bridges, J.; Downey, D. (1988): Field test of the radio frequency in situ soil decontamination process. Superfund '88. The 9th National Conference. The Hazardous Materials Control Research Center, Washington, D.C., November 28-30.

Eddy-Dilek, C.A.; Jarosch, T.R.; Fliermans, C.B.; Looney; B.B.; Parker, W.H. (1994): Characterization of the geology, geochemistry, and microbiology of the radio frequency heating demonstration site at the Savannah River Site. Report WSRC-RD-93-459, Savannah River Technology Center, Aiken, SC.

Edelstein, W.A.; Iben, I.E.T.; Mueller, O.M.; Uzgiris, E.E.; Philipp, H.R.; Roemer, P.B. (1994): Radiofrequency ground heating for soil remediation: Science and engineering. Environmental Progress, 13, 4: 247-252.

Elektricitetsrådet (1993): Stærkstrømsbekendtgørelsen, Elektriske installationer, Elektricitetsrådet, København.

Elståbi (1996): Teknisk forlag. København, Danmark.

EPA(1991): Toxic Treatments, ln Situ Steam/Hot-Air Stripping Technology. Report EPA/540/A5-90/008, United States Environmental Protection Agency.

EPA (1995a): Radio Frequency Heating, KAI Technologies, Inc. Report EPA/540/R-94/528. United States Environmental Protection Agency.

EPA (1995b): IITRI Radio Frequency Heating Technology. Report EPA/540/R-94/527. United States Environmental Protection Agency.

EPA (1995c): Rainbow Disposal Site steam report. United States Environmental Protection Agency.

Falta, R. (1997): Steam Flooding for Environmental Remediation. Submitted for publication in ASCE, Monograph on Remediation.

Gauglitz, P.; Roberts, J.; Bergman, T.; Schalla, R.; Caley, S.; Schlender, M.; Heath, W.; Jarosch, T.; Miller, M.; Eddy-Dilek, C.; Moss, R.;

Geologisk Institut (1994): Informationsblad 4.8, 24. januar.

Hansen, L.A.; Søltoft, P. (1980): Kemiske Enhedsoperationer, Akademisk Forlag, København.

Hedeselskabet (1997): Håndbog for etablering af SRO-anlæg i forbindelse med afværgeanlæg. Udarbejdet for Amternes Depotenhed, Teknik & Administration Nr. 2.

Heilmann, T. (1992): Reguleringsteknik, Akademisk Forlag, Danmark.

Hendrix, M.D. (1997): Effects of high temperature over time on indigenous microbial populations. Draft report, US EPA, Ada, Oklahoma.

Heron, G. (1997a): Upublicerede laboratoriedata, US EPA, Ada, Oklahoma.

Heron, G. (1997b): Using elevated temperatures to enhance in situ remediation in low-permeable soils and groundwater: Technology and science. Paper and oral presentation at ATV Vintermoede om Grundvandsforurening, Vingsted, Denmark, March.

Heron, G.; van Zutphen, M.; Christensen, T.H.; Enfield, C.G. (1998a): Soil heating for enhanced remediation of chlorinated solvents: A laboratory study on resistive heating and soil vapor extraction in a silty, low-permeable soil contaminated with trichloroethylene. Environmental Science and Technology, in press.

Heron, G.; Christensen, T.H.; Enfield, C.G. (1998b): Henry's Law Constant for Trichloroethylene between 10 and 95 °C. Environmental Science and Technology, in press.

Heron, G.; Heron, T.; Larsen, T.H.; Christensen, T.H. (1998c): Thermally enhanced remediation at DNAPL sites: The competition between downward mobilization and upward volatilization. Platform presentation and paper accepted for The First International Conference on Remediation of Chlorinated and Recalcitrant Compounds, May 18-21, Monterey, CA.

Holm, P.E.; Nielsen, P.H.; Albrechtsen, H.J.; Christensen, T.H. (1992): Importance of unattached bacteria and bacteria attached to sediment in determining potentials for degradation of xenobiotic organic contaminants in an aerobic aquifer. Appl. Environ. Microl., 58, 3020-3026.

Iben, I., Edelstein, W.; et al. (1995): Thermal blanket for in situ remediation of surficial contamination: A pilot test. Environ. Sci. Technol., 30, 3144-3154.

Imhoff, P.T.; Frizzell, A.; Miller, C.T. (1997): Evaluation of thermal effects on the dissolution of a nonaqeous phase liquid in porous media. Environ. Sci. Technol., 31, 1615-1622.

Itamura, M.T; Udell, K.S. (1995): An analysis of optimal cycling time and ultimate chlorinated hydrocarbon removal from heterogeneous media using cyclic steam injection. Proceedings of the ASME Heat Transfer and Fluids Engineering Divisions, ASME, HTD-Vol. 321/FED-Vol. 233.

Knauss, K.G.; Aines, R. D.; Dibley, M.J.; Leif, R.N.; Mew,D.A. (1997): Hydrous Pyrolysis/Oxidation: In-Ground Thermal destruction of Organic Contaminants. American Institute of Chemical Engineers 1997, Spring Meeting, Houston, Texas, March 10-12.

Krauter, P.; McConachie, W.A.; Medeiros, L.; Huben, P. (1994): Effects of subsurface sediment characteristics on microorganism populations in a gasoline contaminated area. Report UCRL-JC115073 (preprint), Lawrence Livermore National Laboratory, Livermore, CA.

Krauter, P.; MacQueen, D.; Bishop, D. (1995): Effect of subsurface electrical heating and steam injection on the indigeneous microbial community. Report UCRL-JC-122299 Abs, Lawrence Livermore National Laboratory, Livermore, CA.

Kueper, B.H.; Frind, E.O. (1988): An overview of immiscible fingering in porous media. J. Contam. Hydrol., 2, 95-110.

Looney, B. (1994): Six-phase soil heating for enhanced removal of contaminants: Volatile organic compounds in non-arid soils. Integrated demonstration, Savannah River Site. Report No. PNL10 184, UC-406. Pacific Northwest Laboratory, Califomia, USA.

Bremser, J.; Booth, S.R. (1996): Cost studies of Thermally enhanced in situ soil remediation technologies. Report LA-UR-96-1683, Los Alamos National Laboratory, USA.

Mercer, J.W.; Cohen, R.M. (1990): A review of immiscible fluids in the subsurface: properties, models, Characterization and remediation. J. Contam. Hydrol., 6, 107-1631.

Morrison Knudsen Inc. (1995): Enhanced deep soil vapor extraction process (EDSVEP) treatability study report. Report 95201R01, Denver, CO.

Newmark, R.L. et al. (1994): Demonstration of Dynamic Underground Stripping at the LLNL Gasoline Spill Site, Final Report UCkL-ID-116964, Vol. 1-4. Lawrence Livermore National Laboratory, Livermore, Califomia.

Newmark, R.L.; Aines, R.D. (1997a): Dumping pump and treat: rapid cleanups using thermal technology. Lawrence Livermore National Laboratory report UCRL-JC-126637, Livermore, California.

Newmark R.L.; Aines, R.D. (1997b): Lawrence Livermore National Laboratory, personlig kommunikation.

Newmark., R.L.; Daily, W.D.; Kyle, K.R.; Ramirez, A.L. (1997): Monitoring DNAPL Pumping Using Integrated Geophysical Techniques. UCRL-ID-122215. Lawrence Livermore National Laboratory, Livermore, California.

Phelan, J. et al. (1997): Design, demonstration and evaluation of a thermal enhanced vapor extraction system. Report SAND97-1251 UC-2010, Sandia National Laboratory, Albuquerque, New Mexico.

Phelan, J., Webb, S. (1994): Thermal enhanced vapor extraction systems - design, application, performance prediction, including contaminant behavior. In G. Gee, and N. Wing (eds.) Proceedings of the Thirty-Third Hanford Symposium on Health and the Environment: In situ Remediation: Scientific Basis for Current and Future Technologies, Battelle Press, Columbus, OH, 1994.

SCE & S (1997): Field demonstration of DNAPL cleanup using steam injection at Visalia Pole Yard. Southern California Edison and Steamtech Environmental Services. Fuld skala oprensning, besøg og interview.

Shah, R.R.; Jeffs, J.T.; Heath, W.O.; Garcia, R.E.; Wirden, J.W. (1995): Initial field test of high energy corona process for treating a contaminated soil-offgas stream, Pacific Northwest Laboratory, PNL9224.

Skov- og Naturstyrelsen (1987): Geofysik og råstofkortlægning.

Snow, R.H. et al. (1993): Test of radio frequency in situ heating for treatment of soil at Rocky Mountain Arsenal. SUPERFUND XIV Conference and Exhibition, Nov. 30-Dec. 1.

Udell, K.S. (1996): Heat and mass transfer in clean-up of underground toxic wastes. In Annual Reviews of Heat Transfer, Vol. 7, Chang-Lin Tien, Ed.; Begell House, Inc.: New York, Wallingford, UK, pp. 333-405.

Udell, K.S. (1997a): Upubliceret laboratoriedata, University of California, Berkeley, California.

Udell, K.S. (1997b): Personlig kommunikation, University of California, Berkeley, California.

Udell, K.S.; McCarter, R. (1997): Treatability tests of steam enhanced extraction for the removal of wood treatment chemicals from Visalia Pole Yard soils. Final Report. Internet site http://abacus.me.berkeley.edu/BERC/.

Udell, K.S.; Stewart, L.D. (1989): Field study of in situ steam injection and vacuum extraction for recovery of volatile organic solvents. UCB-SEEHRL Report No. 89-2, University of California, Berkeley, CA.

Udell, K.S.; Itamura, M.; Alvarez-Cohen, L. (1997): NAS Lemoore JP-5 cleanup demonstration. Internet site http://abacus.me.berkeley.edu/BERC/projects/Lemoore.

Vinegar, H.; Stegemeier, R.; de Rouffignac, E.; Chou, C. (1993): Vacuum method for removing soil contaminants utilizing thermal conduction heating. United States Patent no. 5,190,405. Mar. 2.

Appendiks 1: Diverse logningsmetoder

Elektrisk Resistivitets Tomografi, ERT

ERT er en geofysisk målemetode baseret på traditionel geoelektrik. Lodrette moniteringsboringer (udført i isolerende materialer CPVC eller glasfiber) såvel i som uden for det forurenede område udstyres med elektroder for hver ca. 0,5-4,0 m.

Ved geoelektriske målinger for samtlige mulige kombinationer af strøm- og potentialeelektroder, og efterfølgende computerbearbejdning af dataene, opnås en 2-D beskrivelse af resistivitetsforholdene i planet mellem boringerne.

Disse resistivitetsforhold afhænger overordnet af jordlagenes geologiske sammensætning, vandindholdet (høj resistivitet i tørt sand, moderat i grundvandsførende sand, lav resistivitet i lerede sedimenter), grundvandets kemiske sammensætning (lav resistivitet ved høj saltholdighed og omvendt), forekomst af forurening på fri fase (chlorerede opløsningsmidler og olieprodukter har høj resistivitet i relation til naturligt jord- og grundvandsmiljø) samt temperaturen af formationen (generelt faldende resistivitet ved stigende temperatur, dog stærkt afhængig af eventuel udtørring ved opvarmning til kogepunktet for formationsvæsken).

Til dato er der ikke redegjort entydigt for resistivitetsforholdenes afhængighed af samtlige parametre i jord- og grundvandsmiljøet.

Ved kombination med andre geofysiske målemetoder (gamma- og neutronlogs) er det muligt ved hjælp af ERT at identificere større mængder fri fase, f.eks. ansamlet over lavpermeable jordlag. Ved gentagne målinger under oprensning er det endvidere muligt at monitere reduktionen af området omfattet af fri fase.

ERT-metodens temperaturfølsomhed gør den desuden egnet til - i kombination med termofølermålinger - at dokumentere temperaturudviklingen i jordlagene mellem moniteringsboringerne under elektrisk opvarmning samt til lokalisering af dampfronter ved oprensning med dampinjektion. Ved at sammenholde baggrundsmålinger før opvarmning med hyppige målinger under oprensningen kan temperaturudviklingen i jordlagene i forskellige planer gennem lokaliteten samt eventuelle dampfronter følges, og der er mulighed for at identificere og korrigere for eventuelle uønskede forløb inden for tidsperioder på 1/2 - 1 dag, (Newmark et al. 1994).

ERT-målingernes resistivitets- og temperatur data kan kalibreres ved hjælp af borehulslogs og målinger med termofølere i boringerne.

Der er rapporteret om afstande mellem ERT-boringer på op til ca. 50 m, og det er angivet at forholdet mellem moniteringsboringernes indbyrdes afstand og dybde skal være omkring 1:2 for at opnå et passende detaljeringsniveau i datamaterialet (ved 13-48 m mellem boringerne og 10 elektroder pr. boring), (Newmark et al. 1994).

Fiber optiske sensorer

Fiber optiske sensorer anvendes til identifikation af fri fase forurening med komponenter, som fluorescerer ved påvirkning med laserlys.

I Newmark et al. (1997) er de optiske fibre, som opsamler og overfører signalet fra fluorescensen til en FotoDiode Detektor, fast installeret på moniteringsboringer umiddelbart over et lavpermeabelt lag med indbyrdes afstande på fra få centimeter til ca. 0,5 m. Til opnåelse af fluorescens fra de frie faser er der anvendt en Argon laser, som er ført ned gennem boringen.

Gamma- og neutronlogs

Gammaloggen anvendes som led i den litologiske beskrivelse af lokaliteten, og er særlig velegnet til identifikation af lerrige jordlag.

Neutronloggen anvendes til detektion af zoner med fri fase, idet tælletallene i sådanne intervaller vil være relativt lave. Der kan desuden forventes formindskede udslag i grundvandsførende lag.

For en nærmere gennemgang af disse borehulslogs henvises til Skov og Naturstyrelsen (1987).

Borehulslogging med infrarød sensor

På University of California, Berkeley er der i tilknytning til LLNL-projektet Dynamic Underground Stripping Project (Newmark et al. 1994) udviklet et system til temperaturprofilering i boringer. Metoden er baseret på måling af varmestrålingen fra borerøret ved hjælp af en infrarød sensor, som føres ned gennem boringen. Målingen er ufølsom over for termisk betinget konvektion i boringen, og målingen påvirker ikke i sig selv temperaturen nævneværdigt. Metoden er nærmere beskrevet i Newmark et al. (1994).

Med systemet var det muligt at logge detaljerede temperaturprofiler i 11 boringer á 50 m inden for 1 time. I særlig interessante perioder af opvarmningen - ved opvarmning nær kogepunktet for porevandet eller ved dampgennembrud - er det således muligt at følge forløbet i nær "real time".

Endvidere er det muligt i boringer med strømelektroder hurtigt at kontrollere om udtørring omkring elektroderne medfører temperaturer, som overstiger tolerancen for de anvendte materialer.

Appendiks 2 : Tabelværdier for vand og luft (CRC, 1994)

Tabel 1: Luftens mættede vandindhold som funktion af temperaturen

Temperatur °C	Damptryk Pa	Vandindhold g/m³
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 115 120 125 130 135 140 145 150	610 872 1228 1705 2338 3167 4243 5623 7376 9583 12334 15737 19916 25003 31157 38543 47343 57809 70096 84513 101325 120790 143188 168919 198517 231981 270111 312908 361304 415433 475961	5 7 9 13 17 23 30 40 51 65 83 104 129 160 197 240 290 350 418 497 588 692 809 943 1094 1262 1451 1661 1894 2152 2436

Varmekapacitet af vand: 4,2 kJ/kg K

Varmekapacitet af tør luft: 1 kJ/kg K

Fordampningsvarme for vand: 2450 kJ/kg

Appendiks 3 : Patenter.

Hovedparten af de amerikanske patenter er nationale, dvs. ikke gældende for Europa. Her er en liste over de vigtigste:

Lawrence Livermore National Laboratory, Livermore, Californien:

US Patent # 5,495,175-Using Electrokinetic Phenomena and Electrical

Resistance Tomography to Characterize the Movement of Subsurface Fluids.

US Patent # 5,346,307-Using Electrical Resistance Tomography to Map Subsurface Temperatures.

US Patent # 5,449,251-Dynamic Underground Stripping: Steam and Electric Heating for In Situ Decontamination of Soils and Groundwater.

US Patent # 5,325,918-Optimal Joule Heating of The Subsurface.

US Patent # 5,681,130-Active Cooling-Based Surface Confinement System For Thermal Soil Treatment.

Desuden har LLNL et internationalt patent på vej for Hydrous Pyrolysis: Thermisk accelereret oxidation af organiske stoffer ved tilførsel af ilt. Dette vil ikke berøre en eventuel anvendelse af termisk assisteret oprensning i Danmark, som beskrevet i denne rapport.

Pacifie Northwest National Laboratory, Richland, Washington:

US Patent # 5,316,411-Apparatus for In Situ Heating and Vitrification.

US Patent # 5,347,070-Treating of Solid Earthen Material and a Method for Measuring Moisture Content and Resistivity of Solid Earthen Material.

US Patent # 5,545,803-Heating of Solid Earthen Material, Measuring Moisture and Resistivity.

EPC 92925177.5. Dette patent omfatter de to ovenfor, og er gyldigt i Europa. Patentet omfatter 6-faset elektrisk opvarmning og samtidig bestemmelse af jordens resistivitet og fugtighed.

PNL har derudover ingen internationale patenter af betydning for termisk assisteret opvarmning i Dammark.

[Forside] [Top]