Rensning af grundvand med aktivt kul for BAM og atrazin3 Bench-scaleanlæg opsat på Hvidovre Vandværk3.1 Forsøgsopstilling3.2 Resultater 3.2.1 Sporstofforsøg 3.2.2 DOC-målinger 3.2.3 Jernbelastning 3.2.4 Gennembrudskurver for BAM 3.2.5 Gennembrudskurver for atrazin 3.2.6 Rensningskapaciteter 3.3 Sammenligning med data fra fuldskalaanlæg 3.3.1 Fuldskalaanlægget på Hvidovre Vandværk 3.3.2 Sammenligning af gennembrudskurver 3.4 Sammenfatning For at opnå en realistisk bestemmelse af rensningskapaciteter for BAM og atrazin i aktivt kul, er der opsat et bench-scaleanlæg på Hvidovre Vandværk. Dette anlæg skal simulere rensningskapaciteter i et fuldskalaanlæg for BAM og atrazin. I bench-scaleanlægget er der således anvendt realistiske hydrauliske opholdstider og filterhastigheder, hvorved langtidseffekter af organisk stof (poretilstopning og biologisk vækst) samt effekter af udfældninger kan vurderes. Bench-scaleanlægget udgør dermed et referenceanlæg, der gør det muligt at sammenligne rensningskapaciteter med rensningskapaciteter fra adsorptionsisotermforsøg (kapitel 4) og minikolonneforsøg (kapitel 5). 3.1 ForsøgsopstillingForsøgsopstillingen er skematisk vist på figur 3.1, og et foto af opstillingen er vist på figur 3.2. Data for flow og kolonne dimensioner er vist i tabel 3.1. Figur 3.1 Forsøgsopstillingen forsynes med iltet og sandfilteret vand fra Hvidovre Vandværk. Inden vandet ledes til opstillingen blandes det med pesticidopløsning (BAM og atrazin) i en mixer. Indløbet til opstillingen er sikret med en kontraventil, så pesticiderne ikke kan strømme tilbage til vandværket. I opstillingen er der anvendt 4 stempelpumper, der hver leverer et konstant flow på 800 ml/min, og opereres ved et tryk på 1-1,5 bar. Forsøgsopstillingen består af 4 parallelle kolonneserier med tre typer aktivt kul og en reference med sand. Hver kolonne består af 3 serieforbundne PVC-kolonner, herefter kaldet delkolonner, med en aftapningsventil mellem hver delkolonne. Det vil sige, at der ved prøvetagning udtages 4 prøver pr. kolonne (indløb, udløb efter 1. delkolonne, udløb efter 2. delkolonne og udløb efter 3. delkolonne). En delkolonne består af en 32 cm høj cylinder med en indvendig diameter på 9,85 cm. I toppen og i bunden af hver delkolonne er der en sekvens bestående af et stålfilter, ca. 2 cm glaskugler med en diameter på 2 mm og to stålfiltre. Dette skal sikre et jævnt fordelt indløbs- og udløbsflow. I referencekolonneserien med sand er der anvendt kvartssand med kornstørrelser mellem 0,6 og 2,0 mm og med en middelkornstørrelse på 0,85 mm. For at fjerne eventuelle organiske urenheder er kvartssandet inden anvendelse glødet 1 døgn ved 550 °C. For at undgå luftfyldte hulrum i kolonnerne og luftfyldte porer i kullene, er kullene vasket med destilleret vand i mindst 7 dage. Herefter er kulsuspensionen overført til kolonnerne ved at tilsætte kullene under vandspejlets overflade, samtidigt med at kolonnen rystes let for at sikre ens pakning af kulpartiklerne. Efter pakning kunne der visuelt ikke detekteres luft i kolonnerne. Vægten af kolonnerne blev bestemt før og efter tilsætning af kulsuspension, hvorefter tørvægten er beregnet ud fra kulsuspensionens vandindhold. På hver kolonne er der placeret en spildledning, der gør det muligt at lede vandet til et afløb placeret under forsøgsopstillingen. Spildledningen er koblet på udløbet fra alle delkolonnerne, således at det er muligt at isolere én enkelt delkolonne ved prøvetagning og sporstofforsøg. Ved eventuelle pumpestop sikrer en høj placering af hovedafløbet (svanehals), at kolonnerne ikke drænes.
Figur 3.2 Bench-scaleanlægget i Hvidovre er sat i drift d. 14. maj 2001. Der er udført sporstofforsøg på kolonnerne ved at injicere en puls på 50 ml vand med 6000 mg/l NaCl i hver delkolonne, og derefter måle ledningsevnen (LF 539 Mobro Instrumentering) over tid i delkolonnens udløb. Endvidere er der udført sporstofforsøg med injektion i indløbet til delkolonne 1 og ledningsevnemåling i udløbet fra delkolonne 3, dvs. for alle tre delkolonner samlet. Der er løbende målt DOC på en Total Organic Carbon Analyzer (TOC-5000 A, Shimadzu). 3.2 Resultater3.2.1 SporstofforsøgDer er udført sporstofforsøg inden start af bench-scaleanlægget, og efter 488 dages drift, kort tid før nedlukningen. Forsøgene er udført for at undersøge, hvordan vandgennemstrømningen påvirkes af udfældet kalk, jernoxider og eventuel biomasse. Data fra sporstofforsøgene anvendes til at vurdere strømningsforholdene og til at bestemme modelparametre med modelleringsprogrammet AQUASIM (Se afsnit 6.2.1). Sporstofforsøgene er udført ved at injicere en puls af NaCl i kolonnen, og efterfølgende måle ledningsevnen i kolonneudløbet. Sporstofforsøgene foretaget kort før nedlukning viser, at delkolonne 1 for alle kultyper har tidligere gennembrud, lavere maksimum og større spredning i gennembruddet end de øvrige kolonner (figur 3.4). Det ændrede gennembrudsforløb i delkolonne 1 skyldes udfældninger af jernoxider og kalk i toppen af kolonnerne.
Figur 3.3
Figur 3.4 3.2.2 DOC-målingerDer er målt DOC i prøver udtaget 42 døgn efter opstart og frem til 238 døgn efter opstart (figur 3.5). For F400 og Norit kolonnernes udløb 1 observeres først fuldt gennembrud af DOC efter ca. 120 døgn, mens DOC-koncentrationen i udløbet fra delkolonne 1 med Lurgi-kul allerede ved første prøvetagning er lig med indløbskoncentrationen. Dette betyder, at DOC tilbageholdes væsentlig mere i kultyperne F400 og Norit end i Lurgi-kullene. Udløbene efter delkolonne 2 er første gang prøvetaget 154 døgn efter opstart, og her er der fuldt gennembrud af DOC for alle kultyperne.
Figur 3.5 3.2.3 JernbelastningDer er under driften af bench-scaleanlægget observeret udfældninger af jernoxider i slanger samt på glaskugler og stålfiltre i toppen af de øverste delkolonner. Dette observeres selv om sandfiltreringen på Hvidovre Vandværk overholder udløbskravet mht. Fe (0,05 mg/l). Det er estimeret, at hver af de fire kolonner i anlægget er blevet belastet med ca. 39 g jernoxider (FeOOH) under forsøgsperioden (det antages, at den gennemsnitlige jernkoncentration er 0,04 mg/l, og at alt Fe udfældes som FeOOH). Sporstofforsøgene viser (se afsnit 3.2.1), at der fra start til nedlukning sker en spredning af gennembrudskurven. Dette kan med stor sandsynlighed skyldes udfældningerne af jernoxider i de øverste delkolonner. For at undgå problemer med store tryktab i aktivt kulfiltre, kan det derfor være en fordel at indrette filtrene således, at det er muligt at fjerne jernoxiderne fra overfladen af kullene ved simpel afskrabning. 3.2.4 Gennembrudskurver for BAMIndløbs- og udløbsprøver er analyseret for BAM fra 42 døgn efter opstart og frem til 417 døgn efter opstart (figur 3.6). Ved opstart af kolonneforsøget blev der taget prøver fra indløb til alle fire kolonner, for at undersøge om kalibreringen af pumperne og opblandingen af den tilsatte mængde BAM var tilfredsstillende. Idet målingerne fra alle indløb ikke var signifikant forskellige (data ikke vist), er der derefter kun prøvetaget i ét indløb (indløb til kolonnen med kultypen F400). Indløbskoncentrationerne af BAM var 0,21-0,34 µg/l (figur 3.6) med en gennemsnitlig indløbskoncentration på 0,28 ± 0,04 µg/l. Idet den tilsatte mængde BAM (0,15 µg/l) må forventes at være konstant, skyldes variationerne i indløbskoncentrationerne sandsynligvis variationer i BAM koncentrationen i grundvandet. BAM-koncentrationen i udløbet fra sandkolonnen er ikke signifikant forskellig fra koncentrationen i indløbet, og der er derfor ikke detekteret en væsentlig sorption af BAM til materialer anvendt i opstillingen eller en signifikant nedbrydning af BAM i forsøgsperioden (figur 3.6). Udløb nr. 1 fra kulkolonnerne er prøvetaget første gang 42 døgn efter opstart, og her er detekteret en signifikant koncentration af BAM i udløbene fra kolonnerne med kultyperne Norit og Lurgi. I kolonnen med kultypen F400 er først et signifikant gennembrud af BAM efter 84 døgn. BAM koncentrationerne stiger langsomt i alle udløb, og ved sidste måling efter 459 døgn er der ca. 80 % gennembrud i F400- og Norit-delkolonne 1 (beregnet i forhold til den gennemsnitlige indløbskoncentration), mens der er 66 % gennembrud i Lurgi-delkolonne 1. Efter 459 døgn er gennembruddet således størst i kolonnerne med Norit kul og F400-kul, mens Lurgi-kullet har en fladere gennembrudskurve og dermed en større sorptionskapacitet ved høje udløbskoncentrationer. Udløbene fra delkolonne nr. 2 er prøvetaget første gang 121 døgn efter start, og her er signifikant gennembrud i kolonnen med Norit-kul. Efter 168 døgn er der signifikant gennembrud i delkolonne 2 med Lurgi-kul, og først efter 221 døgn er der gennembrud i kolonnen med kultypen F400. Målingerne på prøver fra udløb 3 følger samme tendens, idet der detekteres gennembrud i både Norit og Lurgi-kolonnen efter 221 døgn, hvorimod der først er gennembrud i F400-kolonnen efter 417 døgn. F400 kultypen har således den største kapacitet ved lave udløbskoncentrationer, idet gennembruddet kommer senere end for de øvrige kultyper.
Figur 3.6 3.2.5 Gennembrudskurver for atrazinIndløbs- og udløbs prøver udtaget fra bench-scaleanlægget opsat på Hvidovre Vandværk er endvidere analyseret for atrazin (figur 3.7). Den gennemsnitlige indløbskoncentration af atrazin er 0,21 ±0,03 µg/l. Målingerne for atrazin i udløb nr. 3 fra sandkolonnen er i 3 ud af 4 prøvetagninger ikke signifikant forskellige fra indløbskoncentrationen, og der er derfor ikke væsentlig adsorption af atrazin til materialer anvendt i opstillingen. Efter 333 døgn er atrazin-koncentrationen i udløb nr. 3 fra sandkolonnen lavere end indløbskoncentrationen, men dette tilskrives analyseusikkerheder, idet målingen ved slutningen af forsøget (459 døgn) igen er identisk med indløbskoncentrationen. Der er således ikke detekteret en signifikant nedbrydning af atrazin i forsøgsperioden. Den første prøvetagning i udløbene fra delkolonne 1 er efter 42 døgn, og her er signifikant gennembrud af atrazin i kolonnerne med Norit- og Lurgi-kul. Først efter 84 døgn er der signifikant gennembrud i delkolonne 1 med kultypen F400. Det vil sige, at atrazin bryder igennem delkolonne 1 på stort set samme tidspunkt som BAM. Gennembruddet for atrazin i kultypen Lurgi kommer endda tidligere end gennembruddet for BAM. Dette er overraskende, idet det ud fra stoffernes hydrofobicitet var forventet, at sorptionen af atrazin var væsentlig større end sorptionen af BAM. Ved den sidste prøvetagning (459 døgn efter start) er der 72 % gennembrud i udløb nr. 1 fra kolonerne med både Norit og Lurgi kul (beregnet på baggrund af den gennemsnitlige indløbskoncentration), mens der er 58 % gennembrud i F400 delkolonne 1. Gennembrud i udløb fra delkolonne 2 er for Lurgi- og Norit-kullene observeret efter hhv. 121 døgn og 168 døgn, mens gennembruddet i F400 først kommer efter 252 døgn. I udløb nr. 3 er der ved forsøgets afslutning endnu ikke detekteret atrazin i udløbet fra F400 kolonnen, mens der detekteres gennembrud i både Lurgi og Norit kolonnerne efter hhv. 221 døgn og 298 døgn.
Figur 3.7 3.2.6 RensningskapaciteterRensningskapaciteterne for BAM og atrazin i bench-scaleanlægget er estimeret ud fra de målte gennembrudskurver (figur 3.6-3.7). Kapaciteterne beregnes ved udløbskoncentrationer på hhv. 0,01 µg/l (detektionsgrænsen) og 0,1 µg/l (grænseværdien for drikkevand). Belastningen af BAM og atrazin på kolonnerne i dette tidsrum kan herefter beregnes ud fra de gennemsnitlige indløbskoncentrationer og flow. Herefter beregnes kapaciteten ved at trække arealet under gennembrudskurven fra den samlede belastning i det givne tidsrum (tabel 3.2-3.3). Overordnet følger kultypernes rensningskapacitet for BAM ved en udløbskoncentration på 0,1 µg/l rækkefølgen: Lurgi > F400 > Norit, mens tilsvarende rækkefølge for atrazin er: F400 > Norit > Lurgi. Kapaciteterne beregnet for en udløbskoncentration på 0,01 µg/l er generelt lavere end kapaciteterne beregnet for en udløbskoncentration på 0,1 µg/l. Denne forskel skyldes, at adsorptionen af pesticid foregår i en massetransportzone (boks 3.1). Dette understøttes af de meget flade gennembrudskurver (figur 3.6 & 3.7), der indikerer en lang massetransportzone. Massetransportzonen vil have stor betydning for kapaciteten beregnet ved udløbskoncentrationen på 0,01 µg/l, mens den vil have mindre betydning ved en udløbskoncentration på 0,1 µg/l. Dette skyldes, at forholdet mellem massetransportzonens længde og kolonnens samlede længde vil være størst ved en udløbskoncentration på 0,01 µg/l. Ydermere er det især kapaciteten bestemt for delkolonne 1, der påvirkes af massetransportzonen. For alle kultyperne er kapaciteterne for udløb 1 ved en udløbskoncentration på 0,01 µg/l ca. en faktor 2 mindre end for udløb 2 og 3. Ved en udløbskoncentration på 0,1 µg/l er det dog kun Norit, der har en lavere kapacitet for udløb 1 end for udløb 2 og 3.
3.3 Sammenligning med data fra fuldskalaanlæg3.3.1 Fuldskalaanlægget på Hvidovre VandværkResultaterne fra bench-scaleforsøget sammenlignes med gennembrudsdata for et fuldskalaanlæg i drift på Hvidovre Vandværk. På figur 3.8 ses foto af fuldskalaanlægget.
Figur 3.8 Fuldskalaanlægget består af to parallelle filtre på hver 15 m3 (kulvolumen) med dimensionerne 3,0 × 2,6 m (højde × diameter) med kultypen Chemviron Filtrasorb F400. Hver delkolonne opereres ved et flow på 45-50 m3/time, hvori BAM koncentrationen er 0,10-0,23 µg/l, med en gennemsnitlig koncentration på 0,18 ±0,05 µg/l. Data for ét filter ses i tabel 3.4. På hvert filter er placeret tre prøveudtag i ca. 0,3; 1,3 og 2,15 m’s dybde under kuloverfladen (figur 3.9). Der er udtaget prøver til analyse for BAM fra udtagene i 0,3 og 1,3 meters dybde. Figur 3.9 3.3.2 Sammenligning af gennembrudskurverDe målte BAM-koncentrationer i prøver udtaget fra fuldskalaanlægget sammenlignes med de målte gennembrudskurver for F400 fra bench-scaleanlægget (figur 3.10). Opholdstiderne efter fuldskalaanlæggets udtag nr. 1 og 2 er henholdsvis 1,3 og 7,7 minutter, hvor opholdstiderne efter udløb nr. 1 og 2 i bench-scaleanlægget er henholdsvis 3 og 6 minutter. Der er således opholdstider i samme størrelsesorden efter udtag nr. 1 (fuldskala) og udløb nr. 1 (bench-scale), samt efter udtag nr. 2 (fuldskala) og udløb nr. 2 (bench-scale). På figur 3.10 ses, at der er en god sammenligning mellem gennembrudsdata for bench-scaleanlæggets udløb nr. 2 og fuldskalaanlæggets udtag nr. 2, mens der ses en dårlig sammenligning mellem bench-scaleanlæggets udløb nr. 1 og fuldskalaanlæggets udtag nr. 1. Dette skyldes sandsynligvis, at der er væsentlige usikkerheder forbundet med bestemmelse af kullagets nøjagtige højde og placering i fuldskalaanlægget, og dermed også store usikkerheder på bestemmelse af kullagets tykkelse indtil udtag 1 (figur 3.9). Endvidere udtages prøverne fra fuldskalaanlæggets udtag 1, 2 og 3 gennem et filter placeret på siden af kolonnen, hvorfor prøverne ikke nødvendigvis er repræsentative for hele kolonnens diameter.
Figur 3.10 3.4 SammenfatningMassetransportzonen har stor indflydelse på de målte gennembrudskurver af BAM og atrazin i bench-scaleanlægget, hvilket ses af de meget flade gennembrudskurver. Rensningskapaciteterne beregnet ved 0,01 µg/l er derfor også lavere end kapaciteterne beregnet ved 0,1 µg/l. Denne effekt af massetransportzonen er mest udtalt ved rensningskapaciteter beregnet for delkolonne 1, hvor massetransportzonens længde vil være størst i forhold til den samlede kolonnelængde. Resultaterne viste, at der ikke var stor forskel på kapaciteterne beregnet for de forskellige kultyper. For BAM er rækkefølgen på kapaciteterne ved 0,1 µg/l: Lurgi>F400>Norit og rækkefølgen for atrazin er: F400>Norit>Lurgi. Lurgi havde dermed den største kapacitet for BAM, men den mindste kapacitet for atrazin. Ydermere viste resultaterne at gennembruddet i F400 kolonnerne kommer senere end for Norit og Lurgi, og F400 har derfor en større kapacitet ved detektionsgrænsen (0,01 µg/l) end Norit og Lurgi. Selv om atrazin forventedes at sorbere kraftigere til aktivt kul end BAM sås kun lidt hørere kapaciteter for atrazin med kultyperne F400 og Norit, mens Lurgi kultypen havde lavere kapacitet for atrazin end for BAM. Ses der bort fra de usikre data fra fuldskalaanlæggets udtag 1, er der med den valgte skalering god overensstemmelse mellem udløb 2 i bench-scaleanlægget og udtaget i fuldskalaanlægget, hvor der er opholdstider af samme størrelsesorden. |
