Rensning af grundvand med aktivt kul for BAM og atrazin

Rensning af grundvand med aktivt kul for BAM og atrazin

Sammenfatning

Den danske drikkevandressource påvirkes i stigende grad af pesticidforurening, navnlig BAM og atrazin, hvilket kan føre til et sådant omfang, at det kan blive nødvendigt at indføre rensning af drikkevandet for pesticider. Rensning med aktiv kul er en oplagt teknologi, som benyttes i vidt omfang verden over, men primært på overfladevand, hvorimod dansk vandforsyning er baseret på grundvand.

Formålet med dette projekt har derfor været at undersøge mulighederne for at benytte aktivt kul (AC) til rensning af dansk grundvand for pesticiderne BAM (2,6-dichlorobenzamid) og atrazin. Hovedformålet har været at bestemme rensningskapaciteten, hvilket er et udtryk for den mængde pesticid, der kan bindes til en given kulmængde samtidigt med, at udløbskoncentrationen holdes under en given værdi. Denne teoretiske størrelse beregnes forskelligt i forskellige fysiske systemer, og vil derfor afhænge af det valgte tekniske system.

Rensningskapaciteten er blevet undersøgt for tre forskellige granulære kultyper (Chemviron Filtrasorb F400, Norit ROW 0.8, og Lurgi, Hydraffin CC 8 x 30), der er baseret på hvert sit råmateriale (stenkul, tørv og kokosnød). Undersøgelserne er baseret på grundvand fra henholdsvis et kalkmagasin (fra Hvidovre Vandværk) og et magasin af smeltevandssand (fra Kisserup Vandværk) begge med et relativt lille indhold af naturligt organisk stof (NVOC = 1,1-1,7 mg/l). Desuden er rensningskapaciteten for disse vandtyper sammenlignet med MilliQ- vand, hvor alle salte og det organiske stof er fjernet.

Indledningsvis blev kultyperne karakteriseret mht. overfladeareal, mikroporeareal, mikroporevolumen og porevolumen bestemt med BET-metoden samt korndiameteren bestemt ud fra sigteanalyser.

Eksperimentelt har der været benyttet tre forskellige forsøgstyper:
Kolonneforsøg i bench-scale (tæt på virkelighedsnær skala (én meter skala)), minikolonneforsøg (cm skala) og endelig forsøg med vandige suspensioner af kul til at bestemme adsorptionsisotermer (batchforsøg). Metoderne for minikolonneforsøg og isotermforsøg (batchforsøg) er uklart defineret i litteraturen, og det var derfor nødvendigt at bruge væsentlige ressourcer på at identificere relevante forsøgsmetodikker.

For at simulere rensningskapaciteter i et fuldskalaanlæg for BAM og atrazin, blev der opsat et bench-scaleanlæg på Hvidovre Vandværk med realistiske hydrauliske opholdstider og filterhastigheder. Under driften af anlægget var der en væsentlig tryktabsopbygning i de øverste få centimeter af kulfilteret, men problemet kunne let løses ved manuel afskrabning af overfladelaget. Dette indikerer, at det i praksis kan være en fordel at indrette kulfiltre med let adgang til manuel afskrabning af kullets toplag. Herved kan der formentlig spares de væsentlige udgifter, der er forbundet med etablering af tilbageskyls-faciliteter. Ved at undgå tilbageskyl forebygges samtidigt, at tunge pesticidholdige partikler vandrer ned gennem filteret under tilbageskylningen og bevirker ”utidigt” gennembrud af pesticid.

Forsøgene med bench-scalekolonnerne blev udført ved en indløbskoncentration på 0,27 µg/l af BAM og 0,21 µg/l af atrazin, et indhold af NVOC på 1,1 mg/l og ved en kolonnelængde på mindst 64 cm. Under disse forhold var rensningskapaciteten 48-57 µg BAM/g AC og 43-66 µg atrazin/g AC, såfremt udløbskoncentrationen skulle være under 0,1 µg/l. Den højeste kapacitet for BAM blev observeret i kultypen fremstillet af kokosnødder (Lurgi, Hydraffin CC 8 x 30), mens den højeste kapacitet for atrazin blev observeret i kultypen fremstillet af stenkul (Chemviron Filtrasorb F400). Såfremt udløbskoncentrationen skulle være under 0,01 µg/l, var kapaciteten 20-34 µg BAM/g AC og 15-27 µg atrazin/g AC, hvor den højeste kapacitet for både BAM og atrazin blev observeret med kultypen Chemviron Filtrasorb F400. Generelt var kapaciteterne beregnet for de forskellige kultyper dog overraskende ens, set i lyset af de forskellige fremstillingsmaterialer og forskellige porestrukturer. Endvidere var rensningskapaciteten for BAM i samme størrelsesorden som rensningskapaciteten for atrazin, hvilket er overraskende, idet BAM er væsentlig mere polær (hydrofil) end atrazin.

I adsorptionsisotermforsøg med vand fra Hvidovre Vandværk var kapaciteten 170-250 µg BAM/g AC og 110-180 µg atrazin/g AC og med vand fra Kisserup 160-175 µg BAM/g AC og 270-560 µg atrazin/g AC. Rensningskapaciteten med disse naturlige vandtyper er imidlertid langt mindre end med MilliQ-vand, idet der her er målt en kapacitet på 2700-3600 µg BAM/g AC og 3900-6300 µg atrazin/g AC. Det betyder, at et indhold på 1-2 mg NVOC/l af naturligt organisk stof, der konkurrerer om adsorptionen med BAM og atrazin, reducerede rensningskapaciteten væsentligt for både BAM og atrazin. Det skal her bemærkes, at leverandør-informationer normalt stammer fra sådanne isotermforsøg udført med MilliQ-vand.

Adsorptionsisotermforsøgene krævede overraskende 2-3 uger før der blev opnået ligevægt. Det betyder, at diffusionen af pesticid ind i det aktive kuls porer er meget langsom. Normalt udføres sådanne målinger med ligevægtstider på timer eller få dage, hvorved de opnåede fjernelseskapaciteter bliver mindre.

Adsorptionsisotermforsøgene resulterede i væsentligt større rensningskapaciteter end målt ved hjælp af bench-scaleforsøgene. For BAM var rensningskapaciteten bestemt ud fra adsorptionsisotermer 3-4 gange højere og for atrazin 2-3 gange højere end i de mere virkelighedsnære bench-scaleforsøg.

Rensningskapaciteten bestemt i minikolonneforsøg stemte godt overens med værdierne fra bench-scaleanlægget beregnet ved en kolonnelængde på 32 cm. Ved en kolonnelængde på 64 cm gav minikolonneforsøgene dog ca. en dobbelt så høj kapacitet som beregnet ud fra bench-scaleanlægget. Dette kan skyldes, at bench-scaleanlægget forbelastes (preloades) med naturligt organisk stof, hvilket pga. den korte forsøgstid ikke ses i minikolonneforsøg. Det vurderes derfor, at det på nuværende tidspunkt er for usikkert at anvende minikolonner til opskalering til fuldskalaanlæg. Ydermere er anvendelsen af minikolonner problematisk, da det ikke er muligt at fastlægge, hvilken skaleringsteori der skal anvendes uden at data verificeres med et bench-scale- eller fuldskalaanlæg.

Modellering af gennembrudskurver med programmet AQUASIM for sporstofforsøg i bench-scalekolonner samt adsorption af BAM i minikolonnerog bench-scaleanlæg viste potentiale for en modelbaseret opskalering. Det var muligt at modellere adsorption af BAM i bench-scaleanlægget og i minikolonnen på basis af adsorptionsisotermen (K_d = 1,15 m³/g AC) bestemt i batchforsøg. For bench-scaleanlægget kunne de data for massetransport, som var nødvendige for modelleringen, udledes af sporstofforsøg med bench-scaleanlægget.

Overordnet viste projektet, at aktivt kul kan anvendes til effektivt at fjerne BAM fra grundvand, og at rensningskapaciteten for BAM overraskende er i samme størrelsesorden som mindre polære stoffer som f.eks. atrazin. Det har ligeledes vist sig, at rensningskapaciteten for forskellige kultyper og grundvandstyper er nogenlunde ens.