Frakturering

7. Metodens anvendelsesområde

7.1 Vakuum ekstraktion (SVE)
7.2 LNAPL oppumpning
7.3 DNAPL oppumpning
7.4 Dobbeltfaseekstraktion (DPE)
7.5 Biologiske oprensningsmetode (Bioremediering)
7.6 Luftinjektion og -oppumpning
7.7 Dampinjektion
7.8 Elektroosmose (eller elektrokinese)
7.9 Barrierer
7.10 Monitering

Den typiske anvendelse af inducerede sprækker har været i forbindelse med lavpermeable naturligt opsprækkede medier, hvor afværgeboringer i mange tilfælde har vist for ringe effektivitet mht. etablering af influenszoner og nedbringelse af forureningskoncentrationer i jord og grundvand. Erfaringen viser, at frakturering kan forbedre effekten af forskellige in-situ afværgemetoder. Yderligere har frakturering vist sig effektiv til at placere kemisk reaktive materialer (jernspåner, grafit og stærke oxidationsmidler som kalium permanganat) i form af horisontale barrierer. Nedenfor er beskrevet de sædvanlige anvendelser af inducerede sprækker, der har dokumenteret effektforbedring af oprensningen ved demonstrationsforsøg. Endelig er i nærværende beskrevet alternative anvendelser, der indtil videre hverken er demonstreret i laboratoriet eller i felten.

7.1 Vakuumekstraktion (SVE)

Siden 1994 har den hydrauliske fraktureringsmetode været kommercielt tilgængelig, hvor de første kommercielt etablerede sprækker blev udført i forbindelse med SVE projekter. Af almindelig benyttede afværgeteknologier er SVE en af de mest udbredte. I lavpermeable aflejringer har frakturering medvirket til, at øge afværgeeffekten betydeligt på SVE projekter. Det primære formål med at anvende frakturering i forbindelse med SVE er, at opnå en væsentlig forbedring af pumpeydelsen, samt en forøgelse af en borings influensradius. Typisk øges pumpeydelsen med en faktor 10 til 100 og influensradius med en faktor 10 eller mere sammenlignet med en vertikal kontrolboring uden inducerede sprækker (EPA, 1993a og b). En yderligere gevinst kan opnås, hvis afværgeboringen udbygges til at have individuel adgang til de enkelte sprækker, hvorved en fleksibel injektion / oppumpning i de enkelte sprækker kan opnås. Erfaringen viser, at hvis flere inducerede sprækker forbindes med et enkelt filterrør, da vil oprensningen af forureningen være mindre effektiv i områder nær afværgeboringen end i området langs sprækkernes randområder (EPA, 1994).

7.2 LNAPLoppumpning

Inducerede sprækker kan i lavpermeable formationer forbedre oppumpningen væsentlig af forurening med LNAPL (= Light Non Aqueous Phase Liquid, dvs. kemiske stoffer med en vægtfylde lettere end vand, fx olie-forurening). Inducerede sprækker der skal benyttes til LNAPL-oppumpning bør være beliggende i, eller en anelse under, den forurenede zone. Derimod skal sprækker der er beliggende mange meter dybere end den forurenede zone ikke benyttes til oppumpning, da residual fasen af NAPL kan risikere at blive fanget i afsnørrede ender af sprækkesystemet, eller medvirke til en uhensigtsmæssig vertikal spredning af forureningen. En tyk zone forurenet med LNAPL håndteres bedst ved at placere en eller flere inducerede sprækker i den forurenede zone. Størst effekt opnås ved at forbinde alle sprækkerne med et langt filter og pumpe på alle sprækkerne samtidigt. EPA (1994) vurderer, at oppumpningen af LNAPL kan øges med en størrelsesorden i forhold til en almindelig vertikal afværgeboring. Hvis den forurenede LNAPL zone er relativ tynd kan den underliggende NAPL / vand-grænseflade forskydes opefter, som følge af LNAPL oppumpningen. Hvis grænsefladen når pumpefilteret vil forholdet mellem oppumpet LNAPL og vand mindskes, selv om der stadig forekommer betydelige mængder af LNAPL i formationen nær pumpeboringen. For at undgå denne situation etableres en sprække i grundvandet under grænsefladen mellem LNAPL og vand. Ved separat at oppumpe vand fra denne nedre sprække samtidig med, at LNAPL-oppumpningen fortsættes på det øvre sprækkesystem, derved kan LNAPL / vand-forholdet forbedres betydeligt, fordi der herved kan oppumpes LNAPL fra den øvre sprække og vand fra den nedre (Figur 7.1).

LNAPL-oppumpning ved henholdsvis enkelt- og dobbeltsprækkedesign (EPA, 1994)

7.3 DNAPLoppumpning

Brugen af inducerede sprækker i lavpermeable formationer har vist sig rimelig effektiv ved oprensning af forurening med DNAPL´s (= Dense Non Aquous Phase Liquid, dvs. kemisk stof der er tungere end vand, f.eks. klorerede opløsningsmidler). Som altid, hvor der påtænkes oprensning af DNAPL´s med en aktiv oprensningsmetode, skal fordele afvejes mod eventuelle alvorlige risici. Det risikeres nemlig, at DNAPL-forureningen spredes til større dybde, når DNAPL mobiliseres som følge af oppumpning fra en induceret sprække. For at undgå denne negative spredningseffekt bør der kun anvendes inducerede sprækker på lokaliteter, hvor svagt hældende sprækker med rimelig sikkerhed kan dannes. Specielt i forbindelse med DNAPL-lokaliteter anbefales det, at udføre forundersøgelser. Det foreslås at etablere en sprække i et uforurenet område , nær det forurenede sted, samt efterfølgende at bestemme sprækkens orientering. Derved kan den sandsynlige orientering af sprækker induceret på det forurenede sted bedre vurderes. Svagt hældende sprækker anses for at have den optimale orientering til at hindre spredning af DNAPL-forurening.

7.4 Dobbeltfaseekstraktion (DPE)

Ved oppumpning af poreluft nær grundvandsspejlet er det nærmest uundgåeligt at oppumpe en blanding af luft og vand. Denne samtidige oppumpning af luft og vand fra den umættede zone benævnes dobbeltfaseekstraktion (Dual Phase Extraction (DPE)) (Figur 7.2). Oppumpningen kan foregå fra enten en almindelig afværgeboring, eller fra en eller flere sprække(r) etableret ved frakturering. Boringen udføres med et lufttæt topstykke og en indre sugeslange med indtag i boringens filter, som er tilkoblet en vakuumpumpe på jordoverfladen. Derved kan en strømning af poreluft (og vand) gennem de boringsnære umættede jordlag opnås. Vand der suges op med luftstrømmen fældes ved jordoverfladen. Så længe oppumpningen udgøres af en blanding af luft og vand vil luftens strømningshastighed blive reduceret. Men når en afsænkning af grundvandstanden omkring vakuumboringen har fundet sted vil raten af oppumpet luft på ny forøges. Dobbeltfase-princippet er det hyppigst benyttede, når sandfyldte sprækker bruges til oppumpning af luft. Resultater fra en amerikansk undersøgelse på Center Hill lokaliteten i Ohio, USA viste imidlertid at DPE i hydraulisk inducerede sprækker etableret i umættet zone i lavpermeable formationer producerer mere vand end almindelige afværgeboringer gør (Wolf og Murdoch, 1993). Center Hill lokaliteten er nærmere beskrevet i kapitel 8. Desuden er kort refereret en TCE oprensning i New Jersey, USA, hvor pneumatisk inducerede sprækker med DPE er blevet benyttet (kap. 8). Endelig diskuteres i kapitel 9 anvendelsen af hydrauliske sprækker kombineret med DPE ved et demonstrationsprojekt på Vestergade 10 i Haslev, Vestsjællands amt.

Dobbeltfaseekstraktion (EPA, 1994).

7.5 Biologiske oprensningsmetode (Bioremediering)

Forskellige biologiske oprensningsmetoder har været anvendt med held i lavpermeable formationer, hvor inducerede sprækker var etableret. I Dayton, Ohio i USA har injektionraten af opløsninger med næringssalte og ilt (typisk som hydrogen peroxid, H₂O₂ ) i en olie/benzin-forurening kunne øges i inducerede sprækker med næsten 100 gange. Opløsningerne injiceredes gennem sandfyldte hydrauliske sprækker i en finkornet aflejring til stimulation af mikrobielle nedbrydningssprocesser (Vesper med flere, 1994 a & b). Undersøgelsen er nærmere beskrevet i kapitel 8. Yderligere viser laboratorieundersøgelser, at in-situ kemisk oxidation af TCE kan finde sted ved brug af H₂O₂ (Gates and Siegrist, 1995). Teknikken er så vidt vides ikke demonstreret ved feltskalaforsøg endnu. En anden biologisk oprensningsmetode omhandler injektion af natrium percarbonat (Na₂CO_3× 1.5H₂O₂) som fast stof i en sandfyldt sprække. Natrium percarbonat har den egenskab, at stoffet langsomt afgiver ilt til sine omgivelser. I denne anvendelse afgives ilten til de omgivende jordlag, hvor ilt fungerer som elektronaccepter til stimulation af mikrobielle nedbrydningsprocesser. Laboratorieforsøg er gennemført med brug af natrium perkarbonat til nedbrydning af propylene glycol (Vesper med flere, 1994a).

7.6 Luftinjektion eller -oppumpning

Strømningshastigheden af injiceret eller oppumpet luft, samt influensradius i umættet zone af lavpermeable aflejringer, kan øges væsentlig ved etablering af inducerede sprækker. Derved kan blandt andet en stimulation af mikroorganismers aktivitet øges betydeligt, således at en aerob omsætning af visse organiske stoffer stimuleres (f.eks. olie/benzinkomponenter). Ved yderligere at opvarme den injicerede luft eller gas fremmes fordampningen af flygtige organiske stoffer (VOC), så en betydelig VOC stoffjernelse øges.

7.7 Dampinjektion

Dampinjektion (Steam injection) er en metode, hvor varm luft (damp) injiceres i en almindelig boring eller induceret sprække, hvorved flygtige organisk stoffer kan fordampe til gasfasen. Dampinjektion har mest været anvendt i sandede aflejringer, mens erfaringer fra finkornede aflejringer, herunder specielt sprækket moræneler, er meget sparsomme (EPA, 1998).

I lavpermeable formationer er foreslået en beskrivende model, hvor tre eller flere sprækker etableres over hinanden (EPA, 1994). En dampfase injiceres i den midterste sprække og vakuum påføres en eller flere sprækker over og under. Derved etableres en strømningsudbredelse af varm damp opefter og nedefter i den finkornede formation (Figur 7.3). Langs dampfrontens kanter kondenseres den varme damp ved mødet med koldere luft- og vandpartikler. Kondenseringsprocessen fremmes yderligere af, at de over- og underliggende sprækker evakueres ved sug.

Det anbefales af EPA (1998), at det injicerede damptryk ikke overstiger 0,11 atm. pr. dybdemeter for at undgå frakturering, og dermed præferentielle strømningsveje, som resultat af dampinjektionen.

Ekstraktionsboringerne i de(n) nedre og øvre sprække(r) skal således indrettes til både at kunne suge luft og vand (kondensat). Der er et specielt krav til injektionsboringen, der skal være lavet af stål og ikke af plastik grundet dampens høje temperatur. I de tilfælde hvor dampinjektionen sker i en DNAPL-zone får de(n) nedre sprække(r) en yderligere funktion idet de(n) skal opsamle mobiliseret DNAPL i kondeseringsfronten.

Dampinjektion (EPA, 1994)

7.8 Elektroosmose (eller elektrokinese)

Grafit kan benyttes som fyldmateriale i inducerede sprækker, således at et elektrisk spændingsfelt kan påtrykkes jorden, hvis to grafitfyldte sprækker etableres med få meters afstand over hinanden (Figur 7.4). Derved vil vand og visse forurenende stoffer strømme i retning mod katodesprækken ved den proces der benævnes elektroosmose eller elektrokinese (Shapiro og Probstein, 1993). Hvis kemisk eller biologisk reaktive sprækker er induceret imellem de to grafitlag kan en egentlig immobilisering, sorption eller biologisk nedbrydning af det mobiliserede stof finde sted. Processen er analog til hydrauliske trykforskelle mellem sprækker der skaber vandbevægelse. Forskellen er blot at strømningshastigheden ved elektrokinese kan blive væsentlig større end ved hydraulisk strømning i finkornede aflejringer. Konceptet er blevet testet i forbindelse med et feltstudium i USA. Undersøgelsen benævnes Lasagne-projekt og er nærmere beskrevet af Ho med flere (1995) & Murdoch og Chen (1997).

7.9 Barrierer

I årevis har fraktureringsteknikken været benyttet til jordstabilisering under byggeanlæg. Barrierermetoden har i nyere tid desuden fundet begrænset anvendelse som fysisk barriere under lossepladser og kemikaliebassiner, hvor der er rejst tvivl om lossepladsmembraners tæthed. Mens der har været en intensiv forskningsindsats i gang til udvikling af vertikale permeable reaktive barrierer (f.eks. O´Hannesin og Gillham, 1998; Miljøstyrelsen, 1996), har der først for nyligt været forskningstiltag i gang på at udvikle horisontale barrierer i lavpermeable formationer (Murdoch med flere, 1997; Siegrist med flere, 1999). Horisontale barrierer designes til med kemiske, biologiske og fysiske processer at nedbryde eller fjerne en vertikalt nedhængende forurening. To metoder er indtil nu blevet undersøgt i laboratoriet og under kontrollerede feltskalaforhold (pilotskala) i USA, hvor henholdsvis et granulært materiale af jernspåner, samt kalium permanganat er blevet injiceret i hydrauliske sprækker, med det formål at undersøge disse to reaktive stoffers evne til in-situ nedbrydning af TCE i en lavpermeabel aflejring. Hydrauliske sprækker blev etableret i to forsøgsceller i Ohio, USA. To sæt med hver fem sprækker blev fyldt med sand kombineret med henholdsvis jernspåner (Fe⁰) som reduktionsmiddel, subsidiært det stærke oxidationsmiddel kalium permanganat (KMnO₄) til oprensning af en 25-30 år gammel TCE forurening. Forsøget er nærmere beskrevet i afsnit 8.1.4.

7.10 Monitering

Til monitering af generelle strømning og stoftransportforhold i moræneler, er der anvendt mange forskellige moniteringsprincipper de seneste 10-15 år. For de fleste instrumenteringssystemer gælder at moniteringsmålingerne er vanskelige at benytte til vurdering af for eksempel pesticid eller nitratbelastningen af de danske grundvandsmagasiner. Instrumenteringsprincipper eller –systemer, der bedre afspejler nedsivningsforholdene af vand og forurening fra sådanne større arealer (gerne hektarskala) findes ikke i dag. En fremtidig anvendelse af fraktureringsteknikken kunne overvejes, hvor cm-dm tykke sandfyldte sprækker, i princippet på størrelse med en fodboldbane, kunne etableres i nedre dele af den umættede zone eller toppen af grundvandszonen til integreret opsamling af nedsivende porevand på markskala (early warning system). Fremtidige forskningsundersøgelser må vise om fraktureringsteknikken har et potentiale til denne anvendelse.