Termisk assisterede oprensninger

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:

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.