Termisk assisterede oprensninger

5 Feltdemonstrationer

5.1 Joule heating demonstrationer
5.1.1 Eksempler på fuld skalaoprensninger
5.1.2 Eksempler på pilot skala oprensninger
5.1.3 Fuld skala oprensninger
5.2 Dampinjektion
5.2.1 Pilot skala demonstrationer
5.2.2 Fuld skala oprensninger
5.3 Kombineret Joule heating og dampinjektion
5.4 Samlet vurdering

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:

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:

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:

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:

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:

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 jordkoncentrationerne 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 jordkoncentrationer, og jorden var knastør.

De vigtigste konklusioner er:

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:

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:

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:

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.