| Forside | | Indhold | | Forrige |
Dampoprensning under en bygning
af Jacob Gudbjerg, Miljø og Ressourcer, DTU
Opstilling af model
For nærmere at undersøge udviklingen af en dampzone ved injektion under
grundvandsspejlet er der ved hjælp af programmet T2VOC opstillet en numerisk model.
Modellering af dampinjektion er meget beregningskrævende, og det er ikke realistisk at
simulere hele oprensningen. I stedet betragtes en mere simpel boringsopsætning, hvor
symmetrien kan udnyttes til at reducere det nødvendige modelområde. Der modelleres en
situation med fire injektionsboringer placeret på en cirkel omkring en central
ekstraktionsboring. Opsætningen er illustreret på nedenstående figur, og det ses, at
det kun er nødvendigt at modellere 1/8 af området.
Figur 1
Skematisk illustration af modelområde.
Resultaterne fra modellen kan ikke sammenlignes direkte med de observerede resultater,
men modellen vil vise de samme tendenser. Modellen giver derfor mulighed for nærmere at
analysere og forklare de observerede resultater.
Geologien i modellen udgøres af et homogent sandlag med en horisontal permeabilitet
på 4 ·10-11 m2 og en vertikal permeabilitet, der er 10 gange
lavere. Vandspejlet træffes 1,7 m.u.t., og i den umættede zone er der initialt
hydrostatiske forhold defineret ved den eksperimentelt bestemte kapillartrykskurve.
Temperaturen er 10 °C. Der injiceres mættet damp med et fastholdt tryk på 130 kPa i en
enkelt boring filtersat fra 2,9 til 3,5 m.u.t., der er placeret 5 m fra
ekstraktionsboringen. Ekstraktionsboringen simuleres ved at angive et fastholdt tryk på
101 kPa i den nederste celle og 70 kPa i cellen 1,5 m.u.t.. Det nederste tryk svarer til
atmosfæretrykket, og det vil sige, at vandspejlet er 3,4 m.u.t. i boringen, og at
boringen dermed pumpes tør. Der er angivet et fastholdt tryk svarende til
initialbetingelsen i afstanden 12 m fra ekstraktionsboringen. De øverste celler i
området har kontakt til en atmosfærecelle med fastholdt tryk, der tillader
gasstrømning. Bunden af modelområdet udgøres af en no-flow grænse, hvilket svarer til
det lavpermeable lerlag. Modelområdet er opløst i 17768 beregningsceller.
Dampzonens udbredelse
Efter 72 timer med dampinjektion er der stort set opnået steady-state, hvilket vil
sige, at den ekstraherede energi svarer til den injicerede. Det kan således ikke
forventes, at dampzonen vil udvikles yderligere. Nedenstående figur viser vandspejlet
defineret ved den dybde, hvor vandmætningen er større end 0,9. Det piezometriske
vandspejl er ikke interessant i dette tilfælde, eftersom den umættede dampzone har et
højere tryk end atmosfæren. Hvis man således målte dybden til vandspejlet i et
piezometer tæt ved injektionsboringen, ville placeringen være bestemt af
injektionstrykket og ikke sige noget om dybden til den umættede zone.
Figur 2
Vandspejl med (venstre) og uden varmetab (højre).
Figuren er symmetrisk omkring y = x og viser det dobbelte af det simulerede område. De
angivne ekstraktions- og injektionsrater svarer til den simulerede situation, hvilket
altså er halvdelen af den afbildede.
Tæt på injektionsboringen har dampen fortrængt grundvandet, men mellem
injektionsboringerne strømmer der fortsat vand ind i det forurenede område. Det er
altså kun tæt ved injektionsboringen, at dampen har et højere tryk end vandet.
Tryktabet i dampzonen skyldes dels, at afstanden til injektionsboringen øges og dels, at
varmetabet medfører kondensation. For at adskille de to processer er der gennemført en
simulering, hvor initialtemperaturen er sat til 100 °C, således at der ikke er noget
varmetab. I denne situation ses en langt mere effektiv fortrængning af vand. Det
bemærkes dog, at der stadig strømmer en betydelig mængde vand til ekstraktionsboringen.
Injektionsraten er lavere end i standardtilfældet, og det skyldes det generelt højere
tryk som følge af den manglende kondensation. Forskellen mellem de to situationer kan ses
som et udtryk for grundvandets kølende effekt.
De næste to figurer viser effekten af at variere injektionstrykket.
Figur 3
Vandspejl ved 125 kPa (venstre) og 135 kPa (højre) injektionstryk.
Som forventet giver et højere injektionstryk en øget fortrængning. Det kan derfor
anbefales at benytte så højt et injektionstryk som muligt. Man bør dog være varsom med
ikke, at overstige trykket svarende til jordens vægt, da der så kan dannes sprækker i
jorden.
I de næste to eksempler er der installeret endnu en boring på symmetriaksen mellem de
to injektionsboringer. I det første tilfælde benyttes boringen til dampinjektion
(figuren til venstre), og i det andet tilfælde benyttes boringen til oppumpning af
grundvand.
Figur 4
Vanspejl ved to injektionsboringer (venstre) og to ekstraktionsboringer
(højre).
Den ekstra injektionsboring giver en meget effektiv fortrængning af vand. En del af
den injicerede damp ekstraheres som gasfase, og derfor er det ikke nødvendigvis et
problem, at der oppumpes langt mindre vand, end der injiceres. Dette eksempel viser, at
det er muligt at opvarme hele det forurenede område, hvis afstanden mellem boringerne er
lille nok.
Den ekstra ekstraktionsboring giver en lidt større dampzone, men der strømmer stadig
meget vand ind i det forurenede område. 44 % af det oppumpede vand kommer fra den
oprindelige boring. Effekten af flere ekstraktionsboringer er meget afhængig af den
aktuelle situation. I dette tilfælde er grænsen med fastholdt tryk meget tæt på, og
derfor ses kun en lille effekt. Generelt kan det siges, at man altid vil opnå en større
dampzone ved at etablere flere ekstraktionsboringer. Man skal dog være opmærksom på, at
dampzonen bevæger sig mod ekstraktionsboringen, og derfor vil det ikke nødvendigvis
være fordelagtigt at etablere boringer opstrøms uden for det forurenede område.
I den næste situation er forholdet mellem den vertikale og horisontale permeabilitet
varieret. I standardtilfældet var forholdet 1:10, og her er vist resultater for 1:5 og
1:20.
Figur 5
Vandspejl ved permeabilitetsforhold 1:5 (venstre) og 1:20 (højre).
Ved et permeabilitetsforhold på 1:5 ses en betydeligt ringere fortrængning af vand,
hvilket skyldes det øgede tryktab i vertikale retning. Til sammenligning ses en øget
fortrængning, når den vertikale permeabilitet sænkes. Det kan altså konkluderes, at jo
lavere permeabiliteten er i vertikal retning, jo bedre fortrængning opnås i dybden.
I den næste situation er der indlagt et lag 2,7 til 3,3 m.u.t. med en permeabilitet,
der er fem gange højere. Det lokale forhold mellem vertikal og horisontal permeabilitet
fastholdes.
Figur 6
Vandspejl med højpermeabelt bundlag(venstre) og ved samtidig injektion af
luft (højre).
Det højpermeable lag i bunden medfører en markant øget fortrængning af vand, fordi
der kan injiceres mere damp. Selvom indstrømningen af koldt grundvand også øges, er det
ikke nok til at begrænse dampzonen. I en lagdelt formation vil det altså være nemmere
at opnå en effektiv fortrængning forudsat, at injektionsboringen er filtersat i det
højpermeable lag. Det skal nævnes, at havde grænsebetingelsen været en fastholdt
injektionsrate og ikke et fastholdt injektionstryk ville det højpermeable lag have
medført en ringere fortrængning.
I den sidste situation injiceres der både damp og luft. Injektionstemperaturen er
fastsat til 90 °C, hvilket ved det pågældende tryk giver et blandingsforhold på 1,5 kg
luft til 1 kg damp. Injektionen af luft medfører en langt højere fortrængning af vand
end injektion af ren damp. Det skyldes, at luften ikke kondenserer, og derved svarer det
til situationen uden varmetab. Det skal dog siges, at injektion af luft medfører en
række andre problemer. Eksempelvis vil størstedelen af den injicerede luft, og dermed
forureningen, strømme ud til atmosfæren gennem jordoverfladen. På figur 6 til højre
strømmer der luft ud i arealet mellem de to tykke sorte streger. Influensradius for
ekstraktionsboringen er altså meget lille, og slet ikke tilstrækkelig til at kontrollere
den injicerede luftmængde. Ydermere er det usikkert om modellens forudsætninger er fuldt
ud opfyldt ved injektion af så store mængder luft under grundvandsspejlet, og derfor er
der en vis usikkerhed på beregningsresultatet. Det kan ikke umiddelbart anbefales at
injicere luft for at opnå en øget fortrængning af grundvand.
Oprensning af DNAPL
Opvarmningen i dybden har meget stor betydning for oprensningens effektivitet. Det er
illustreret ved at tilføje en pulje på 200 kg immobilt PCE i bunden af modelområdet
mellem injektions- og ekstraktionsboringen. Det svarer til den observerede frie fase PCE
på toppen af lerlaget. Den første situation, situationen med injektionstryk på 135 kPa
og situationen med to injektionsboringer er simuleret med forurening. Tilstedeværelsen af
PCE har kun meget lille betydning for temperaturudbredelsen. Nedenstående figur viser
fjernelsen af PCE fra modelområdet for de tre forskellige situationer.
Figur 7
Fjernelsesrater ved to forskellige injektionstryk og med to
injektionsboringer.
Den fuldt optrukne linje viser fjernelsesraten ved den første situation, og der
observeres en meget langsom fjernelse. Ved det højere injektionstryk blev der som
tidligere beskrevet fortrængt mere vand, og temperaturen i det forurenede område blev
derved højere. Det medfører en periode med markant højere fjernelsesrate, hvorefter
raten falder til samme niveau som ved det lave tryk. Det skyldes, at noget af den
forurenede jord i denne periode er opvarmet til det fælles kogepunkt for vand og PCE. I
tilfældet med de to injektionsboringer blev stort set alt vandet fortrængt, og der ses
en meget høj fjernelsesrate, der skyldes kogning af den frie fase PCE. Det er altså
meget vigtigt, at temperaturen for det fælles kogepunkt opnås, da man ellers kun får en
meget begrænset effekt af opvarmningen.
Konklusion
Simuleringerne har ligesom oprensningen vist, at det kan være vanskeligt at opvarme
under grundvandsspejlet med dampinjektion, idet grundvandet ikke fortrænges. En meget
dominerende faktor er forholdet mellem den vertikale og horisontale permeabilitet eller
graden af lagdeling. Terrænnære sandmagasiner kan ikke forventes at være
tilstrækkeligt lagdelte til, at man kan opnå en effektiv fortrængning af grundvand. Ved
oprensninger i den type formationer bør man derfor overveje muligheden af at lave en
generel grundvandssænkning ved en opstrøms oppumpning eller eventuelt etablere en fysisk
barriere mod indtrængende grundvand. For denne oprensning ville det svare til at hele
sandlaget havde været umættet ved dampinjektionens påbegyndelse. Simuleringerne viser
som forventet, at effektiviteten af fortrængningen stiger med injektionstrykket. Derfor
bør man altid benytte så højt et injektionstryk som muligt under hensyntagen til, at
trykket i jorden ikke overstiges. Det er ikke muligt at komme med nogle generelle
retningslinjer for, hvor tæt boringerne skal stå eller, hvor højt et injektionstryk der
kræves. Den optimale injektionsstrategi vil afhænge af den aktuelle permeabilitet,
lagdeling, afstand mellem boringer, ekstraktion og muligheden for at sænke
grundvandsspejlet. Den eneste måde at vurdere alle disse faktorer er ved at opstille en
3D-model, hvilket kræver en god beskrivelse af de hydrogeologiske egenskaber.
Simuleringerne viser yderligere vigtigheden af at opvarme hele det forurenede
jordvolumen til temperaturen for det fælles kogepunkt. Hvis ikke denne temperatur opnås,
fjernes forurening under grundvandsspejlet ikke væsentligt hurtigere end ved traditionel
grundvandsoppumpning.
| Forside | | Indhold | | Forrige | | Top | |