Oprensning af klorerede opløsningsmidler ved dampstripning.

Sammenfatning og konklusioner

Princip

Dampstripning er en oprennsingsmetode hvor man kombinerer injektion af damp eller damp/luft blandinger i kombination med oppumpning af poreluft og/eller grundvand.

Ved injektion af ren damp dannes en front af kondensat i jorden, således at forureningen først mødes af koldt vand, herefter varmere vand og til sidst damp for herefter at blive ført med dampen frem til kondensationsfronten. Fronten kan således indeholde koncentrationer op til mætning af de stoffer der er tilstede. Injektion af damp kan anvendes både under og over grundvandsspejlet. Ved injektion af ren damp vil langt det meste stof være at finde opløst i vandfasen eller som fri fase i kondensatfronten.

Ved injektion af damp luftblandinger dannes på samme måde som ved injektion af ren damp en kondensationsfront. I modsætning til ved injektion af ren damp er fronten ikke helt så skarp, da den ikke kondenserbare del af injektionsmængden fordeler varmen i fronten mere jævnt. Ved injektion af damp/luftblandinger vil der konstant fjernes masse fra fronten med den ikke kondenserbare del af injektionsmængden. Derfor vil langt det meste stof fjernes på gasform, hvis der i blandes luft ved injektionen. Injektion af damp/luft blandinger har været afprøvet i umættet zone ved pilotskala oprensning/forsøg i Tyskland. Ved injektion af ikke kondenserbare gasser under vandspejlet vil der være opdriftseffekter som kan forhindre eller besværliggøre anvendelsen, afhængig af geologien. Ved iblanding af luft reduceres den energimængde jorden kan tilføres pr. tidsenhed i forhold til injektion af ren damp.

Dampudbredelseshastigheden er styret af jordens permeabilitet. Ved mindre forskelle i permeabilitet udbreder damfronten sig stort set med ens hastighed over hele injektionshøjden af filteret, idet varmeledningen er tilstrækkelig hurtig sammenholdt med dampfrontens hastighed til at udjævne temperaturen i det vertikale plan. Ved store kontraster i permeabiliteterne vil dampen og dermed varmen udbrede sig, der hvor permeabiliteten er størst.

Effekt af temperaturstigning

Effekten af temperaturstigningen på de klorerede opløsningsmidler er højere damptryk, større Henrys lov konstant, mindre sorptionskonstant, svagt stigende opløselighed samt stigende diffusionsskonstanter og øget mobilitet for frie faser (reduceret viskositet). Herudover vil der ved kogning i jorden kunne forekomme "steam drive", dvs. generering af damp i jorden, der strømmer fra varme lav permeable områder med intern kogning ud til mere høj permeable områder, hvor en egentlig luftstrømning forekommer som følge af vakuumventilering. Dette betyder, at det er vigtigt at have hele det forurenede område opvarmet til kogepunktet for at kunne opnå denne effekt. Fuld udnyttelse af "steam drive" effekten opnås ved cyklisk dampinjektion, hvor der alterneres mellem injektion af ren damp, dvs. opvarmning til kogepunkt og herefter påføring af så stort vakuum som muligt for at ekstrahere stof fra de mindre permeable områder og herved komme over de kinetiske begrænsninger, der forårsages af diffusion.

Ved opvarmning til omkring 100 °C og samtidig tilstedeværelse af ilt er det dokumenteret, at der foregår en vådoxidation af klorerede opløsningsmidler, og andre organiske stoffer. Halveringstiden for nedbrydningen er beliggende i intervallet 5-10 dg^-1.

Identificerede problemer

En gennemgang af litteratur om dampstripning som oprensnings metode viser en række potentielle problemer for anvendelsen af metoden. Der kan opstå en spredning af forureningen i horisontal retning, hvis der injiceres damp fra midten af forureningen ud mod randen, dette gælder især hvis der injiceres ren damp. Hvis der injiceres en damp/luft blanding er det vigtigt at have så kraftig vakuum ventilering, at der ikke opstår spredning ud af systemet enten mod overfladen eller i horisontal retning væk fra området. Den optimale boringsplacering er således at injicere fra uforurenet område ind mod det forurenede.

Den øgede mobilitet af frie faser af klorerede opløsningsmidler og vand, kan i nogle tilfælde udgøre en trussel for vertikal spredning. En analyse af energimængden der er nødvendig til opvarmning af jorden viser, at der typisk skal anvendes i størrelsen 75 kg damp/m³ jord. Dette betyder, at kondensatfrontens tykkelse typisk vil være 8-12 % af afstanden fra boringen, under forudsætning af at vandet ikke synker ned. At der er et fast forhold mellem jordmængden og frontens tykkelse betyder, at opkoncentreringen i fronten kan estimeres. Det kan på denne baggrund udledes, at der vil foregå en opkoncentrering i størrelsen en faktor 4 i fronten i forhold til den jord der opvarmes. Mobiliteten for vand, PCE, TCE, DCE og 1,1,1 TCA forøges omtrentlig lige meget (3-4 gange) i intervallet fra 10 °C og op til blandingernes kogepunkt. For TCM ses en noget kraftigere effekt, idet mobiliteten øges op til 6 gange, eller dobbelt så meget som mobilitetsøgningen for vand. Dette indikerer, at hvis der eksisterer jordkoncentrationer i størrelsesordenen ¹/₄ af residualmætningen eller herover vil der være en potentiel risiko for udsynkning af fri fase. Dette gælder for de fleste af opløsningsmidlerne. For TCM gælder specielt, at det er ¹/₈ af residualmætningen, der er den kritiske værdi. Residualmætningen for klorerede opløsningsmiddel er i størrelsesordenen 1.000-100.000 mg/kg afhængig af jordtype, doseringsmønster og egenskaberne af opløsningsmidlet.

Densitetsforskellen mellem vand og opløsningsmiddel, der indgår i beregningen af nødvendig trykhøjde for indtrængen af den frie fase i vandfyldte sprækker, reduceres også med temperaturen, hvilket reducerer risikoen for indtrængen i sprækker. Da der opbygges mættede forhold for vand i kondensatfronten ved injektion af ren damp, vil en vertikal nedsivning af vandet også kunne forekomme. Dette vand vil indeholde forhøjede koncentrationer af opløsningsmidler, og kan lede til en forøget påvirkning af underliggende magasiner, hvis det ikke oppumpes.

Ved iblanding af luft i dampen kan opkoncentreringen helt undgås under injektion i den umættede zone, ligesom en reduktion af de opløste koncentrationer i fronten vil være en sidegevinst.

Udover disse problemer er der en række uafklarede spørgsmål omkring økologiske korttidseffekter samt mulige geotekniske påvirkninger. Dette er ikke behandlet i rapporten.

Brüel og Kjær grunden

Oprensningen med dampstripning på Brüel og Kjær grunden fandt sted i perioden sommeren 97 til foråret 98 med den endelige slutdokumentering ultimo 98. Forud for oprensningen var der i forsommeren 97 udført et injektionsforsøg med damp i en periode over ca. 14 dg.

Geologi og hydrogeologi

Geologien på lokaliteten består af smeltevandsaflejringer aflejret i et vekslende flodsystem. Kornstørrelsesfordelingen varierer fra silt til finsand over korte afstande såvel vertikalt som horisontalt. De termiske egenskaber for sedimentet er givet ved typiske varmekapaciteter på
0,4-0,6 kWh/m³ °C, ved de vandmætninger prøverne er udtaget under. Der er fundet varmeledningtal i størrelsen 0,3-2,1 W/mK, med de laveste værdier i det tørreste og groveste materiale og de højeste værdier i det mest fugtige og mest finkornede. De konstaterede varmefylder svarer til, at der skal anvendes 55 kWh/m³ til opvarmning af jorden til 100 °C, svarende til ca. 75 kg damp/m³.

Der træffes et regionalt grundvandsmagasin ca.15 mut. i sandlaget. Dette strækker sig ned til 60 mut., hvor kalken træffes enten direkte under sandet eller under et tyndt morænelerslag. Opstrøms forureningen B&K findes en herreløs forurening med TCE og PCE med niveauer i størrelsesordenen 500 m g/l der transporteres ind under grunden.

Forureningssituation

Forureningen bestod af en blanding af TCE og PCE stammende fra affedtningsbade, et utæt kloaksystem og overflade spild. Der blev i forbindelse med etableringen af boringerne til anlægget udtaget jordprøver fra hver anden meter, i alt 137 jordprøver til kemisk analyse for opløsningsmidler. Gennemsnitskoncentrationen var ca. 5,5 mg/kg totalt med PCE som klart dominerende komponent (83 %). Den maksimale koncentration der blev konstateret var ca. 500 mg/kg i en enkelt prøve. Hovedparten af prøver indeholdt opløsningsmidler i m g/kg niveau. Forureningen blev skønnet til at være fordelt i ca.12.000 m³ jord med hot-spot på ca. 3.300 m³, ned til 15 meters dybde.

Dimensionering

Oprensningen blev dimensioneret på baggrund af et indledende forsøg med dampinjektion centralt i det forventede hot-spot med 3 ekstraktionsboringer placeret i randen. Der blev ikke pumpet vand op til kontrol af eventuel tab nedadtil. På baggrund af jordprøver fra før og efter forsøget blev det vurderet, at oprensning med dampstripning ville være en effektiv løsning på jordforureningsproblemet på B&K. Formålet med oprensningen var en afmelding af grunden som affaldsdepot.

Forud for forsøget og inden anlæggets installation var der ikke udført permeabilitets bestemmelser, eller bestemmelser af de termiske egenskaber for sedimentet. Dette blev gjort som en del af teknologiprojektet efter, at det egentlige anlægsarbejde var udført. Udover bestemmelse af disse parametre indeholdt teknologiprogrammet også et nærmere studie af temperatur, tryk og koncentration af de klorerede opløsningsmidler i tre boringer med filtre i tre dybder, samt med forskellig afstand til en dampinjektionsboring.

Permeabilitetsbestemmelserne viste en forskel i både vertikalt plan og i retning fra den boring, der blev anvendt til pumpeboring. Dette blev i et vist omfang afspejlet i udbredelsen af dampen, idet det kunne observeres, at segmentet med lavest permeabilitet ikke opnåede damptemperaturer til trods for, at de over og underliggende segmenter havde dampgennembrud

Dampkilden var en lejet oliefyret dampgenerator, der under forløbet blev tilkoblet 5 forskellige boringer til injektion, således at der kun blev injiceret fra én boring ad gangen. Behandlingsanlægget bestod at en manifold med flowmålere og reguleringsventiler, tre parallelle vakuumpumper med efterfølgende varmevekslere og cykloner til separation af kondensat og "tør" gas. Kølevandet til vekslerne blev recirkuleret over industrikøleaggregater. Kondensatet blev ledt til tanke for destruktion på Kommunekemi. Gasfasen blev ledt til 2 alternerende aktiv kulfiltre med on-site regenerering. Kondensatet fra regenereringen af kullene blev tilført palletankene for destruktion. Den rensede luft blev ledt til atmosfæren via en høj skorsten.

Drift

Driften forløb i en række faser. I første fase (3 døgn) blev der udelukkende pumpet luft, dvs. en traditionel vakuumventilering. I fase 2-6 blev der injiceret damp i fem forskellige områder. Der blev injiceret i 29 døgn med en samlet injektion på ca. 700 tons damp svarende til en energimængde på 511.000 kWh. I sidste fase blev der igen kørt traditionel vakuumventilation. Totalt varede de 7 faser knap 5 mdr. I fase 1 blev der fjernet 38 kg stof, svarende til en gennemsnitlig fjernelsesrate på 40 g/h boring. I faserne 2-6 blev der i alt fjernet 505 kg med en middel fjernelsesrate på 140 g/h boring. I fase 7 blev der fjernet 275 kg med en middel fjernelsesrate på 8 g/h boring. De maksimale koncentrationer der blev observeret i den opsugede luft var op til godt 50.000 mg/m³ svarende til en fjernelsesrate på godt 3 kg/h boring. Vakuumflowet på de enkelte boringer blev varieret mellem 0 og 100 m³/h, afhængig af tidspunktet. Den samlede stoffjernelse gennem oprensningen var 830 kg. I forbindelse med injektionsforsøget blev der yderligere fjernet omkring 600 kg svarende til en samlet fjernelse på 1400-1500 kg.

Restforurening

Poreluften umiddelbart under overfladen blev målt både før, under og efter oprensningen. Det kunne observeres, at koncentrationen steg voldsomt i poreluften ved opvarmningen pga. af utilstrækkeligt vakuum i disse områder. Koncentrationen i poreluften er generelt blevet nedbragt med en-to størrelsesordener, men det kan samtidig konstateres, at forureningen efter oprensningen er udbredt i et større område end tidligere. De efterladte koncentrationer i poreluften, bedømt på baggrund af middelværdier over to analyserunder, antager værdier i intervallet 0,03-185 mg/m³ med en middelværdi på 23 mg/m³. Til sammenligning var startværdierne 0-400 mg/m³ med et gennemsnit på knap 50 mg/m³. Det skal understreges, at disse målinger blev udført efter injektionsforsøget, hvor der blev fjernet adskillige hundrede kilo opløsningsmidler. I forbindelse med tidligere undersøgelser var der fundet niveauer i 100-1000 mg/m³ over et større område.

Restkoncentrationen i jorden af opløsningsmidler er forsøgt vurderet på baggrund af fasefordelingsberegninger på poreluftkoncentrationer i filtrene i M1-M3. Det vurderes her, at der omkring disse filtre er et restindhold på op til 500 m g/kg TS. Større koncentrationer forekommer sandsynligvis lokalt hvor dampfronterne fra de forskellige injektionsboringer har mødt hinanden.

Konklusioner

På baggrund af den teoretiske gennemgang og den udførte oprensning kan der drages følgende konklusioner om dampstripning som metode:

• Dampstripning er en enkel måde at få opvarmet jord med tilstrækkelig permeabilitet. Dampen udbreder sig langs højpermeable zoner og kan ved varmeledning trænge ind i mindre permeable områder
• Varmeledning er en relativt langsom proces sammenholdt med transport af damp ved strømning. Opvarmning af et 3 meter tykt jordlegeme til kogepunkt ved varmeledning kræver, at der inciceres damp omkring det i en periode af ca. 1 måned. På Brüel og Kjær grunden var injektions tiden i de forskellige områder typisk af en varighed på 1 uge, hvilket medførte at delområder ikke opnåede damptemperatur.

• Dampstripning er en særdeles effektiv metode til accelerering af enoprensning. I den konkrete sag ses ændringer i ekstraktionsraten fra 200 g/h til 3000 g/h svarende til mere end 10 gange forøgelse i de områder hvor der er fuldt dampgennembrud.

• Der kan opstå så høje koncentrationer i kondensatfronten, at fri fase kan bevæge sig vertikalt. Forudsætningen er, at der i forvejen eksisterer høje jordkoncentrationer. Formentlig skal koncentrationerne være 1000 mg/kg eller mere for at der er tilstrækkelig koncentration til at den frie fase kan blive mobil. TCM viser ud fra de teoretiske beregninger at have det største potentiale for mobilisering. På baggrund af de fundne koncentrationer vurderes der ikke at have været stor risiko for vertikal transport af fri fase ved oprensningen på Brüel og Kjær grunden.
• Det mest sikre placering af boringer til dampstripning er injektion fra randen af forureningen ind mod centrum kombineret med oppumpning fra centrum af både vand og luft. Herved forhindres en spredning væk fra området hvor der foretages oppumpning. På Brüel og Kjær grunden benyttede man injektion inde i centrum af forureningen med vakuumventilation i randen af injektionen – den omvendte strategi. Der blev ikke oppumpet vand fra det underliggende magasin direkte i centrum af behandlingsområdet. Grundvandsoppumpning blev foretaget via eksisterende afværgeboringer umiddelbart øst for området. Dette har resulteret i en mindre spredning af forurening hvilket er afspejlet i forhøjede poreluftkoncentrationer under overfladen efter oprensningen i områder der tidligere var mindre påvirket, ligesom der sandsynligvis har været et tab til grundvandet.
• Man kan til dels styre hvilken fase stofferne fjernes på ved at blande dampen med luft i injektionen. Herved opnås to ting, opkoncentrering i kondensatfronten undgås samtidig med, at stoffet kommer over på gasfasen og bliver umiddelbart tilgængelig for vakuumventilering. Ved injektion af ren damp vil det meste af stoffet blive i vandfasen og skal herfra diffundere til gasfasen for at blive transporteret væk med vakuumventilation. Under vandspejlet kan det ikke umiddelbart anbefales at injicere luftblandet damp. Efter gennembrud i ekstraktionsboringerne af luft/damp blandingen injiceres ren damp så kogepunktstemperaturer opnås. Denne teknik blev ikke anvendt på Brüel og Kjær grunden, hvilket betød at efter, at opvarmningen var standset, var der en relativt lang efterfølgende fase med vakuumventilation, hvor der var kinetiske begrænsninger for fjernelseshastigheden. Da der ikke blev oppumpet vand direkte i centrum af forureningen under oprensningen, kan det ikke vurderes præcist hvilken mængde, der er transporteret ned som opløst stof. Af den mængde opløsningsmidler, der er oppumpet via vakuumekstraktionen, er knap 25 % fjernet sammen med kondensering af vandet i køleren og 75 % fjernet i kulfilter.
• Cyklisk dampinjektion kan med fordel anvendes når jorden er opvarmet til kogepunktet. Ved denne teknik alterneres mellem injektion af damp og påtrykning af vakuum således, at der ved trykfaldene opnås kogning i jorden. Den producerede damp kan virke som transportvej for stof indelukket i mindre permeable områder af jorden samt stoffet der eventuelt er efterladt i kondensatfronten. Denne teknik blev ikke anvendt på Brüel og Kjær grunden, hvilket var en medvirkende årsag til en relativ lang periode med vakuumventilation efter opvarmningen var afsluttet.
• Ved injektion i dybe områder er varmetabet til omgivelserne beskedent. På Brüel og Kjær grunden blev det konstateret, at ca. 5 % af den injicerede energi over opvarmningsperioden blev tabt til overfladen. Det typiske tab sås at være i størrelsen 1-5 kWh/m³ måned afhængig af temperaturgradienten. Til sammenligning skulle der med de fundne varmekapaciteter bruges 55 kWh/m³ til opvarmning til 100 °C. Varmefjernelsen ved ekstraktionen var i størrelse 1-5 kWh/m³jord måned, altså af nogenlunde samme størrelsesorden som det passive tab til omgivelserne.
• De indledende vurderinger af forureningsmassen var underestimeret. Der blev inden opstart udtaget 137 jordprøver, hvilket er relativt mange. Gennemsnitsindholdet af klorerede opløsningsmidler var 4,5 mg/kg. Der blev ved oprensningen fjernet 1400-1500 kg totalt. Med et samlet påvirket jordvolumen på ca. 12.000 m³ svarer den fjernede mængde til en gennemsnitskoncentration på ca. 70 mg/kg, eller mere end 10 gange den anslåede værdi, til trods for det store antal analyser.