| [Forside] [Indhold] [Forrige]
[Næste]
Vurdering af stødvis ventilering og
pneumatisk opsprækning
2. Beskrivelse af teknikkerne
2.1 Stødvis ventilering
2.2 Pneumatisk opsprækning
Dette udredningsprojekt omhandler de 2 afværgeteknikker, stødvis ventilering og
pneumatisk opsprækning. Teknikkerne anvendes in-situ til at oprense lossepladsfyld eller
forurenet jord i den umættede zone. Pneumatisk opsprækning kan tillige anvendes i den
mættede zone. I de følgende afsnit præsenteres disse to teknikker.
Virkemåde
Som ved almindelig ventilering, virker stødvis ventilering ved at udskifte jordens
poreluft med uforurenet iltholdig luft. Ved at anvende stødvis tilførelse af luft under
højt tryk kan den tilførte lufts udbredelsesmønster muligvis forbedres ved at undgå
dannelse af permanente luftkanaler.
Anvendelser
Der findes flere anvendelser for stødvis ventilering. De vigtigste er (Lange, 1997) på
nuværende tidspunkt:
- lugtstabilisering i forbindelse med bortgravning af lossepladser
- fremskyndet nedbrydning af lossepladsaffald
- in-situ ventilering af forurenet jord.
Formålet med lugtstabilisering er at fjerne risikoen for eksplosion af methangas i
forbindelse med opgravning af affald samt at reducere lugtgener for arbejdere og
omgivelserne. Begge formål kræver blot udskiftning af poreluften, og der er derfor tale
om en kortvarig ventilering (få uger).
Efter lugtstabilisering kan lossepladsaffaldet opgraves og sorteres i fraktioner. Den
del, der kan nedbrydes, kan efterfølgende behandles over en længere periode (adskillige
måneder) med stødvis ventilering. Sorteringen reducerer kraftigt mængden af
behandlingskrævende affald samtidig med, at der sker en homogenisering af affaldet.
Slutresultatet er en volumenreduktion af affaldet samt et renere perkolat med hensyn til
indhold af organiske stoffer.
Nedbrydningen af lossepladsaffald kan også fremskyndes uden en forudgående opgravning
og sortering. Ved denne anvendelse tilføres luft eller iltberiget luft i et behersket
tempo, der er afpasset mikroorganismernes iltforbrug under nedbrydningsprocessen. Hermed
omdannes den organiske fraktion hovedsagelig til kuldioxid og vand.
Den sidste anvendelse er stødvis ventilering af forurenet jord, som kan sammenstilles
med almindelig vacuumventilation (se f.eks. Johnson, et al, 1990) eller bioventilation (se
f.eks. Leeson & Hinchee, 1997).
Formålet med vacuumventilation er at optimere fjernelse af forurening ved fordampning,
mens formålet med bioventilation er at optimere fjernelse af forurening ved
bionedbrydning. Stødvis ventilering kan anvendes til begge metoder ved tilpasning af
design og drift af afværgeanlægget, herunder størrelsen af luftflow.
Processen
Stødvis ventilering omfatter injektion af luft i korte pulser via specialkonstruerede
tryklanser eller filterboringer placeret i den umættede zone. Samtidig kan poreluft
opsuges kontinuerligt i få meters afstand fra tryklanserne via sugelanser eller
filterboringer, der også placeres i den umættede zone. Den opsugede poreluft kan renses
ved f.eks. at lede luften igennem et biofilter bestående af en container fyldt med jord
eller et kulfilter.
Tryklanserne kan f.eks. bestå af stålrør af 1 tomme, der presses ned i jorden.
Vacuumboringerne kan bestå af almindelige filterboringer med en filterdiameter på f.eks.
63 eller 110 mm.
Ved at anvende en passende geometri af tryklanser og sugelanser samt et luftflow på
vacuum-siden, der er større end det injicerede luftflow, sikres det, at gasser og
flygtige forureningskomponenter ikke vandrer urenset bort fra det forurenede område.
Luftinjektion sker via små kugleformede trykbeholdere ved hver tryklanse. I de små
beholdere opbygges et tryk på 2-10 bar. Beholdernes indhold af luft injiceres momentant
ned gennem tryklansen ved hjælp af en hurtigvirkende ventil. Disse luftstød gentages med
passende mellemrum (sekunder/minutter).
Hvis det ønskes, kan luften beriges med ren ilt inden injektion. Ydermere kan luften
tilsættes næringsstoffer, vand og/eller mikroorganismer til at forøge forureningens
nedbrydningshastighed.
Teori
Teknikken stødvis ventilation er baseret på processer, der forårsager transport af
gasser. Disse processer omfatter følgende:
a) advektion forårsaget af en trykgradient
b) diffusion i gasfase
c) advektion forårsaget af densitetsforskelle i poreluften
d) diffusion af gasser i vandfase
På grund af de relative høje trykgradienter anvendt i stødvis ventilation vurderes
proces a) ovenfor at overskygge proces c). Da diffusionskoefficienter i gasfasen typisk er
en faktor 30-40 større end i vandfasen, vil proces b) ligeledes overskygge proces d).
Hermed er det alene de første 2 processer ovenfor, der i praksis er væsentlige.
Diffusion i gasfase beskrives af Fick’s første lov, se nedenfor:
J = - D dc / dx,
hvor J er flux med enheden mol/(cm2 · s)
D er diffusionskoefficienten med enheden cm2/s
c er koncentration med enheden mol/cm3
x er afstand med enheden cm.
Hvis formålet med ventileringen er at forøge transport af ilt ind i mindre permeable
lag, hvor transport ved advektion ikke er signifikant, kan man ifølge Fick’s lov
forøge koncentrationsgradienten dc / dx.
Dette kan gøres i praksis ved at anvende iltberiget luft til injektion.
Hvis der er tale om jordlag med et stort vandindhold, vil udtørring/dræning forøge
det luftfyldte tværsnitsareal, hvori diffusion kan foregå.
Advektion i porøse medier beskrives ofte af Darcy’s lov, en form for Fick’s
første lov. Midt i 1800-tallet fandt Darcy, at strømning af vand i et springvand i
Dijon, Frankrig, kunne beskrives af følgende udtryk:
Q = A · Dp/L
hvor Q er flow,
A er tværsnitsarealet,
Dp er trykforskellen mellem enderne af en cylinder med længde
L.
Selv om Darcy’s lov oprindelig beskrev transport af vand, gælder den også for
luft. Loven er grundlaget både for strømningsmodeller, der anvendes til grundvand og til
luft ved f.eks. bioventileringsprojekter. Massmann (1989) fandt f.eks., at
grundvandsmodeller baseret på Darcy’s lov gav en god approksimation af luftflow
under forudsætning af en trykforskel på mindre end 0,5 atm.
Til det foreliggende formål kan Darcy’s lov beskrives således i ord:
- luftflow stiger lineært med det tryk, der anvendes til injicering af luften
- luftflow stiger lineært med jordporernes tværsnitsareal.
Afvigelser fra loven fremkommer først ved store flowhastigheder, der forårsager
turbulent flow. Da stødvis ventilering anvender et tryk fra 2 til 10 atm, vil der
forventes et turbulent flow, således at der vil forekomme afvigelser fra Darcy’s
lov. Der er ikke i litteraturen fundet en udredning af den gældende teori bag luftflow
ved stødvis ventilering.
Anlæg
Der er 5 hovedkomponenter i et anlæg til stødvis ventilering.
- Kompressor med tilhørende trykbeholder.
- Vacuumpumpe til at suge poreluft op til overfladen.
- Lanser eller boringer, evt. specialkonstruerede.
- Decentral trykbeholder med hurtigvirkende ventil ved hver tryklanse til udløsning af
luftstød til jorden.
- Luftrensning af afkastluft ved et biofilter eller kulfilter.
En principskitse af stødvis ventilering ses på figur 2.1.
Virkemåde
Teknikken pneumatisk opsprækning anvender injektion af luft ved højt tryk til at danne
sprækker, enten i den umættede eller mættede zone, og hermed forbedre jordlagenes
permeabilitet. I denne rapport medtages kun den umættede zone samt evt. zoner over
grundvandet med frifase eller et hængende grundvandsspejl. Ved opsprækning i den
umættede zone fås et bedre resultat ved efterfølgende in-situ afværgeløsninger såsom
bioventilering og vacuumventilering, og driftstider kan forkortes. Desuden udvides
anvendelsesområderne for disse metoder til at omfatte mere vanskelige, dvs. mindre
permeable geologiske lag. Teknikken må opfattes som en forberedelsesteknik frem for en
egentlig oprensningsteknik.
Anvendelser
Teknikken pneumatisk opsprækning kan bruges til en række meget forskellige anvendelser,
især i lerede formationer. De tre hovedanvendelser er:
- forbedring af vacuumventilering og bioventilering
- forbedring af oppumpning af frifase på grundvandsspejlet
- afvanding af hængende grundvandsspejl (Leonard & Liskowitz, 1997)
Desuden er det nævnt i litteraturen, at teknikken kan anvendes til tilsætning af
sporstoffer, mikroorganismer eller vand samt til at opnå en hurtig beluftning af
permeable lag.
Processen
Opsprækningsprocessen er baseret på injektion af korte pulser (dvs. under et minut) af
luft under højt tryk i specialkonstruerede boringer. Der afskærmes typisk et
filterinterval på ca. 1 m ved hjælp af en pakker inden luftinjektionen. Erfaringer
viser, at opsprækningen hovedsagelig sker i horisontalt plan ud fra
injektionsintervallet. Pulsen gentages ved forskellige dybder i samme boring ved at flytte
pakkeren, og i flere boringer for at sikre, at hele det ønskede jordvolumen behandles.
For at påbegynde opsprækningen skal der anvendes et tilstrækkeligt højt tryk, som
ofte er på omkring 5 atmosfære i lerede aflejringer og noget højere i f.eks. skifer.
Det aktuelle tryk, der skal anvendes, beregnes ud fra kendskab til lokalitetens geologi
samt massen af de overliggende jordlag (dvs. dybden af injektionsboringen).
Efter at opsprækningen er påbegyndt, skal der injiceres et luftflow, der overskrider
formationens permeabilitet. Hermed forplanter sprækkerne sig ud fra injektionsboringen.
Luftinjektionen menes at forårsage udvidelse og forlængelse af eksisterende sprækker
i jorden.
I ler vil dette hovedsageligt ske langs lagfladerne, bl.a. på grund af svagheder
imellem jordlagene. Herudover menes luftinjektionen at forårsage dannelse af nye
sprækker, hvor jordlagene er dårligst konsoliderede og hærdede. Figur 2.2 viser
konceptet for pneumatisk opsprækning.
Ved afslutning af luftinjektionen kan sprækkerne falde sammen igen. De fleste
jordtyper udviser dog en karakteristik, der her kaldes for egenafstivning. Egenafstivning
(på engelsk self-propping) er den egenskab, der holder sprækkerne åbne efter afslutning
af luftinjektion, og menes at skyldes ujævnheder langs sprækkeplanet samt bevægelse af
jordpartikler under luftinjektion. Hårde geologiske materialer udviser egenafstivning i
større grad end f.eks. blødt ler. Ved udpræget mangel på egenafstivning kan injektion
af afstivningsmaterialer såsom sand være nødvendig.
En væsentlig bivirkning af sprækkedannelse er hævning af jordoverfladen. Under
injicering af trykluften er der observeret hævning fra 0,3 til 5 cm. Den største
hævning sker i umiddelbar nærhed af injektionsboringen og reduceres med afstanden fra
boringen. Efter afslutning af injektion er den tilbageblivende hævning typisk på 10 til
20 % af det maksimale under injektionen. Der skal naturligvis altid tages stilling til
risikoen for skader på bygninger mm. inden anvendelse af pneumatisk sprækkedannelse.
Hvis de forurenede jordlag har en permeabilitet svarende til finsand eller højere, kan
metoden anvendes til at frembringe en hurtig beluftning. Desuden kan næringsstoffer,
mikroorganismer eller vand tilsættes under luftinjektionen for at forbedre
nedbrydningsbetingelserne. I litteraturen er omtale af denne anvendelse dog ikke udbredt
på nuværende tidspunkt.
Flere oplysninger om processen findes i Schuring, et al., (1995).
Teori
Efter at der er foretaget en pneumatisk opsprækning på en grund, udføres der normalt en
traditionel in-situ oprensning med teknikker som vacuumventilering eller bioventilering.
Denne efterfølgende oprensning er baseret på advektions- og diffusionsprocesser, der
forårsager transport af gasser.
Som tidligere beskrevet kan diffusion i gasfase beskrives af Fick’s første lov.
Med hensyn til advektiv transport af luft i sprækkerne, dannet af pneumatisk
opsprækning, menes Darcy’s lov (der gælder for strømning i porøse medier) ikke at
gælde. Da de dannede sprækker er åbne frem for at være fyldt med et porøst materiale,
gælder kubikloven i stedet for. Denne lov kan udtrykkes som følger:
Q µ b3,
hvor Q er flow,
b er sprækkens størrelse.
Hermed kan en sprække med en åbning på 0,1 cm yde samme flow som en sandfyldt
sprække med åbning på 58 cm (Liskowitz, et al., 1993; Keffer, et al., in press). Da de
sprækker, der dannes under pneumatisk opsprækning, ikke dækker hele jordvoluminet, kan
den langsomme diffusion af gas inde i jordlagene uden sprækker dog stadig være
afgørende for oprensningens succes.
Anlæg
Der er 3 hovedkomponenter i et anlæg til pneumatisk sprækkedannelse:
- Kompressor/trykbeholder: der er enten behov for en kompressor, der kan opbygge et tryk
op til ca. 35 bar samt en tilhørende trykbeholder eller et batteri af trykcylindre, der
kan opbevare et tilstrækkeligt luftvolumen for at sikre, at sprækkerne forplanter sig ud
fra injektionspunktet. Tryk og flow under injektionen skal kunne kontrolleres.
- Injektionsanordning: der skal være en speciel anordning til injektion af trykluft
f.eks. baseret på en øvre og en nedre lufttæt pakker placeret i filtret i en almindelig
boring. Pakkerne afgrænser injektionen til et bestemt dybdeinterval.
- Moniteringssystem: dette skal kunne måle hævningen af jordoverfladen adskillige steder
for at dokumentere påvirkningsradius.
Efter at pneumatisk opsprækning er udført, er der behov for et anlæg til f.eks.
vacuumventilering eller bioventilering.
|