Vakuumventilering - erfaring med monitering og optimering af drift
1 Baggrund
1.1 Oprensningsteknikken vakuumventilering
1.1.1 Principiel virkemåde
Oprensningsteknikken vakuumventilering er primært anvendelig overfor klorerede opløsningsmidler, benzin, petroleum, terpentin og tilsvarende flygtige forureningstyper.
Ved vakuumventilering påføres den umættede zone i jorden et undertryk, således at flygtige stoffer strippes fra jordmatricen. Den væsentligste effekt ved metoden stammer dog fra den løbende udskiftning af poreluften, som vakuumet medfører, snarere end fra selve vakuumet. Udskiftningen af poreluft medfører, at forureningskoncentrationen i poreluften falder, hvorved den opståede koncentrationsforskel skaber en transport af forurening fra jordmatricen og ud i poreluften. I forbindelse med ventileringen sker der endvidere en tilførsel af atmosfærisk luft, der stimulerer en mikrobiel nedbrydning af aerobt nedbrydelige forureningsstoffer.
Den opsamlede luft renses på et aktivt kulfilter eller lignende og udledes til det fri.
Figur 1.1 Principskitse for vakuumventilering
1.1.2 Fordele og ulemper
Fordelene ved vakuumventilering er, at metoden er forholdsvis billig i anlægs- og driftsudgifter, og at tilgængelig forurening i den umættede zone fjernes effektivt. Hvor tilgængelig forureningen er, afhænger blandt andet af, om jorden er sandet eller leret samt af vandindholdet.
I sandjord er forureningen relativt let tilgængelig, idet der er en høj permeabilitet, som betyder, at forurening kan transporteres ved hjælp af konvektiv transport.
I moræneler vil forureningen være svært tilgængelig, idet den først skal transporteres ud af lermatricen ved diffusiv transport, før den kan føres bort med poreluften ved konvektiv transport i sprækkerne i leret. Det lille undertryk, der skabes ved vakuumventileringen, er langt fra tilstrækkeligt til at trække forureningen ud af lermatricen. Ydermere betinger det høje vandindhold i lerjorden, at diffusionstransporten foregår endnu langsommere, end hvis jorden havde været tør.
Ulemperne ved vakuumventilering er, at metoden ikke har nogen direkte oprensningseffekt i den vandmættede zone i jorden, og at metodens effektivitet er begrænset i lerjord og ved inhomogene jordforhold. Ved inhomogene jordforhold, dvs. blandede høj- og lavpermeable zoner i jorden, vil udskiftningen af poreluften hovedsageligt finde sted i de højpermeable zoner, hvorved oprensningseffekten bliver begrænset i de lavpermeable zoner.
1.1.3 Specielle forhold ved anvendelse af vakuumventilering i Danmark
Vakuumventilering har været anvendt meget i USA, også i kombination med andre in-situ oprensningsmetoder, såsom air sparging og termisk oprensning.
I Danmark har metoden også fundet udbredelse, om end de typiske danske geologiske forhold med indslag af moræneler begrænser effektiviteten mange steder. En anden forskel mellem Danmark og USA er, at mange forureninger i Danmark er af mindre omfang og styrke end i USA. Til gengæld kan de danske oprensningskrav være lavere. Disse forhold kan medvirke til, at in-situ metoder, herunder vakuumventilering, bliver relativt dyrere at anvende i Danmark, og at det bliver sværere at opnå en succesfuld oprensning.
1.2 Beskrivelse af lokaliteten og afværgeanlægget
1.2.1 Lokaliteten
Figur 1.2 Geologisk profilsnit (jf. bilag A)
Geologiske/hydrogeologiske forhold
Vandspejlet for det øvre sekundære grundvandsmagasin ligger ca. 17 m under terræn (m u.t.). Magasinet er ca. 16 meter dybt og underlejret af et tyndt lerlag (0,5 – 1 m), som danner adskillelsen til det dybe indvindingsmagasin. Der er en nedadrettet gradient fra det øvre til det nedre magasin. I det øvre magasin er der et grundvandsskel øst for grunden, og strømningen er således vestlig til nordvestlig. I det nedre magasin er strømningen østlig rettet mod Ikast Vandværks indvindingsboringer.
Geologien i den umættede zone består overvejende af sand med indslag af ler, hvilket muliggør anvendelse af afværgeteknikken vakuumventilering. Udover sandet findes et terrænnært lerlag med varierende tykkelse på hovedparten af grunden. Lerlagets største mægtighed er på ca. 6,5 m og findes på den vestlige del af grunden. Laget savnes helt mod nordøst. Ved pejlinger af boringer filtersat i lerlaget har laget vist sig at være vandmættet, men dette er ikke nødvendigvis tilfældet hele tiden, idet der antagelig er stærke årstidsvariationer.
Udover det terrænnære lerlag findes ler forskellige steder i de dybere dele af den umættede zone. Det drejer sig især om et massivt lerlag i næsten hele den umættede zone vest for grunden, der formentlig danner randen for såvel forureningsudbredelsen som det område, der påvirkes af ventilationen, samt en lerkile i den nedre del af den umættede zone i sydøstlig retning. Lerkilen har størst mægtighed sydøst for det forurenede område, men den når helt ind i forureningens kildeområde. Det forventes, at lerkilen i en vis udstrækning danner en barriere for strømning og forureningsspredning mellem den øvre og nedre del af sandlaget i umættet zone. Se de geologiske profilsnit i bilag A.
Forureningstilstand
Figur 1.3 Situationsplan
Den aktuelle grund er beliggende midt i Ikast by i tæt bymæssig bebyggelse. Lokaliteten har tidligere været anvendt til renseri, hvilket har medført en betydelig forurening i jord, poreluft og grundvand. Forureningen består næsten udelukkende af tetrachlor-ethylen (PCE).
Der er fundet PCE-forurening i den umættede zone fra terræn til grundvandsspejlet. Desuden er der fundet PCE-forurening i såvel det øvre grundvandsmagasin som det dybere indvindingsmagasin, der udnyttes af Ikast Vandværk. Forureningsniveauet er op mod 9.000 mg/m3 i poreluften, 28 mg/m3 i jordprøver og 46.000 μg/l i toppen af det øverste grundvandsmagasin. Oversigtskort med afgrænsning af forurening i jord, vand og poreluft kan ses i bilag B.
En detaljeret beskrivelse af forureningsudbredelsen i umættet zone er vist i bilag C. Poreluftkoncentrationerne er målt i øvre og nedre del af umættet zone, svarende til niveauet over og under den omtalte lerkile. I kildeområdet er forureningsniveauet generelt højest i den øvre del af umættet zone. /2, 3, 4, 5/.
1.2.2 Afværgeanlægget
Det etablerede vakuumventileringsanlæg og tilhørende moniteringsboringer er vist på situationsplan i bilag D. Nedenstående figur viser et principdiagram af afværgeanlægget med tilhørende on-line moniteringsenhed.
Figur 1.4 Principdiagram for vakuumventilering og on-line monitering
Afværgeanlægget består af 6 ventilationsboringer, en renseenhed med vakuumpumper og kulfiltre til oppumpning og rensning af jordluften, et målesystem til on-line måling af forureningskoncentrationen i jordluften, rørledninger fra ventilationsboringer til renseenhed, samt moniteringsboringer til monitering af poreluft og grundvand. De enkelte anlægsdele er nærmere beskrevet i bilag E, og driftsproblemerne er beskrevet i bilag H.
Ventilationsboringerne VB1-VB6 er filtersatte i henholdsvis øvre og nedre del af sandlaget i umættet zone, undtagen VB4 hvor der på grund af udbredt ler kun er et filter. VB1-1 henviser således til det nedre filter i VB1, og VB1-2 henviser til det øvre filter. VB3 er placeret i forureningens kildeområde. VB1, VB2, VB4 og VB5 er placeret omkring VB3. Endelig er VB6 placeret i grundvandets strømningsretning nedstrøms for forureningens kildeområde.
Der er 15 moniteringsboringer, hvoraf de 11 boringer har filtre i både øvre og nedre del af sandlaget, idet det ene filter i alle boringer spænder over grundvandsspejlet, således at det både kan anvendes til poreluftmålinger og grundvandsprøvetagning. De øvrige moniteringsboringer er etableret i undersøgelsesfasen og har kun en filtersætning. 12 af moniteringsboringerne er placeret indenfor en afstand af mindre end 50 m fra VB3, hvor forureningen er kraftigst (kildeområdet), og hvor der især kan forventes en påvirkning ved vakuumventilering fra VB3 eller de øvrige ventilationsboringer.
I tilknytning til afværgetiltagene overfor forurening i umættet zone er der etableret en hydraulisk kontrol af forureningen i det sekundære grundvandsmagasin. Der pumpes med 4 m3/h fra en afværgeboring placeret centralt i forureningens kildeområde. Denne afværgeforanstaltning er ikke en del af Teknologiudviklingsprojektet, men det antages, at den har indflydelse på forureningen i den umættede zone, idet der sandsynligvis foregår en forureningsudveksling mellem poreluften over grundvandsspejlet og den opløste forurening i grundvandet.
1.3 Formål og strategi for teknologiudviklingsprojektet
1.3.1 Formål
Formålet med teknologiudviklingsprojektet er at dokumentere effekten af vakuumventilering under danske forhold, herunder skabe grundlag for optimering af teknikken og tilvejebringe viden om metodens begrænsninger med hensyn til geologi og miljøkemi.
Dette vil kunne danne grundlag for senere udarbejdelse af protokoller for undersøgelser, etablering, drift, optimering og efterkontrol af vakuumventilering. Specifikt på denne lokalitet er det tillige formålet at undersøge effekten af vakuumventilering i sandaflejringer med forekomst af lerlag.
1.3.2 Strategi
Oversigt
Den valgte strategi i forhold til opfyldelse af Teknologiudviklingsprojektets formål er som følger:
- For at dokumentere effekten af vakuumventilering under danske forhold og samtidig skabe grundlag for optimering af teknikken udføres omfattende målinger af vakuumventilering med forskellige ydelser samt tilbageslagsperioder. Der afprøves således forskellige boringskonstellationer og forskellige intervaller mellem scenarierne for at opnå viden om, hvilke boringer, ventilationsydelser, pauselængder / tilbageslagsperioder mv., der giver den største forureningsfjernelse pr. m3 oppumpet luft.
- Til forudsigelse og opfølgning på forureningsfjernelsen ved vakuumventilering udvikles der prototyper på beregningsværktøjer
- For at tilvejebringe viden om metodens begrænsninger med hensyn til geologi udføres en kortlægning af de områder, der påvirkes mere eller mindre ved forskellige pumpescenarier som følge af jordlagenes type og udbredelse. I den forbindelse kortlægges lerlagenes beliggenhed i forhold til de områder, hvor der opnås en ventileringseffekt, for at se effekten af vakuumventilering i sand med forekomst af lerlag.
- For at tilvejebringe viden om metodens begrænsninger med hensyn til de miljøkemiske forhold foretages en indledende undersøgelse af virkningen af sorptions- og diffusionsprocesser på tilbageslaget. Analyse af jord, poreluft og grundvand inddrages i vurderingen. Endvidere sammenlignes afsluttende analyser af jordprøver med det niveau for jordforurening, der skulle forventes ud fra poreluftsmålingerne.
Detailbeskrivelse
Der foretages vakuumventilering i den øvre og den nedre del af det umættede sandlag. Endvidere ventileres under gulv i bygning. I driftsperioden afprøves forskellige pumpescenarier med varierende pumpefiltre, ydelser og driftstider. Pumpescenarierne efterfølges af pauser, hvor tilbageslagseffekten følges.
Der etableres en udvidet kontrol med driften ved hjælp af on-line GC-poreluftmålinger på de enkelte ventilationsboringer. On-line-målingerne skal give et detaljeret billede af udviklingen i forureningskoncentrationen i de ventilationsboringer, der pumpes fra, samt i de øvrige ventilationsboringer, som fungerer som passive observationsboringer. Det detaljerede billede bruges til at optimere driften og vurdere tilbageslagseffekten ved de forskellige driftsscenarier.
Desuden følges koncentrationen i poreluften i 15 moniteringsboringer ved hjælp af manuelle GC-målinger. Poreluftmålingerne skal vise, i hvilke områder og dybder, der kan måles en ændring i forureningskoncentrationen i poreluften som følge af vakuumventileringen ved et givet driftsscenarium. Målinger i moniteringsborin-gerne skal således, som et supplement til målingerne i ventilationsboringerne, medvirke til at give et detaljeret billede af udviklingen i forureningskoncentra-tionerne i området, efterhånden som oprensningen skrider frem.
Forureningskoncentrationen i det sekundære grundvand moniteres ved vandprøvetagning i 14 moniteringsboringer, hvoraf 4 er placeret i nærområdet ved VB3 (mindre end 10 m fra VB3). De fleste af grundvandsboringerne er identiske med moniteringsboringerne til poreluft. Koncentrationen i grundvandet moniteres, fordi grundvandsforureningen er en integreret del af det samlede forureningsbillede. Samtidig vil en eventuel effekt af vakuumekstraktionen på grundvandsforureningen kunne beskrives.
En luftstrømningsmodel, som er opbygget i programmet ModAir og kalibreret ved hjælp af eksisterende data, benyttes til at øge den fysiske forståelse af strømningsforholdene i forbindelse med tolkning af forureningsdata fra ventilations- og moniteringsboringerne. Med henblik på at validere luftstrømningsmodellen udføres der i forbindelse med det første driftsscenarium en ventilationstest.
Efter afslutning af den samlede driftsperiode udtages jordprøver lige omkring den kraftigst forurenede ventilationsboring. Jordprøverne udtages som helkerneprøver i lukkede stålrør for at forhindre afstripning af forurening under prøvetagningen. Jordprøvernes forureningsindhold analyseres og sammenlignes med det teoretiske indhold, der kunne forventes ud fra indholdet i poreluften omkring ventilationsboringen. Resultatet bruges til at vurdere, i hvilken grad forureningsindholdet i jorden afspejles i poreluften.
1.4 Udførte aktiviteter
1.4.1 Driftsform
Driften af vakuumekstrationsanlægget er opdelt i en række driftsscenarier, hvor forskellige driftsopstillinger og pumpeydelser afprøves. Der er redegjort for de enkelte driftsscenarier herunder. På skemaet i bilag F er varighed og overordnet forløb af driftsscenarierne vist.
Driftsscenarium 1
Der pumpes i ca. 10 uger med 50 m³/h fra VB3-1 for at undersøge effekten af pumpning fra nedre filter i kildeområdet. Pumpningen opretholdes, indtil koncentrationerne i ventilationsboringerne har nået et stationært niveau. Herefter holdes pause i ca. 17 uger, indtil der kan ses en tydelig tilbageslagseffekt, med henblik på at fastlægge hvor lang tid der går, før tilbageslag er opnået. Halvvejs i pauseforløbet bliver der dog udført en ventilationstest med måling af undertryk i nogle boringer under kortvarige pumpninger fra VB3-1 og VB3-2.
Driftsscenarium 2
Der pumpes i ca. 15 uger med 50 m³/h fra VB3-2, for at undersøge effekten af pumpning fra øvre filter i kildeområdet. Pumpningen opretholdes, indtil koncentrationerne i ventilationsboringerne har nået et stationært niveau. Herefter holdes ca. 2 ugers pause for at se en vis grad af tilbageslag, hvorefter ventilering under gulv igangsættes. Denne ventilering fortsætter konstant igennem de efterfølgende driftsscenarier.
Driftsscenarium 3
Der pumpes i ca. 8 uger med 100 m³/h fra VB3-1 for at undersøge effekten af pumpning med høj ydelse i kildeområdet. Pumpningen opretholdes, indtil koncentrationerne igen når et stationært niveau, hvorefter der holdes ca. 5 ugers pause for at opnå et vist tilbageslag.
Driftsscenarium 4
Der pumpes i ca. 11 uger med 50 m3/h fra kildeområdet (VB3-1 og VB3-2) samt i nedre filter i VB5 (VB5-1), hvor koncentrationerne er høje og ikke særligt påvirkede af pumpning i VB3, hvilket sandsynligvis skyldes lerkilen i området, jf. afsnit 1.2.1. Pumpningen opretholdes, indtil koncentrationerne i ventilationsboringerne har nået et stabilt niveau. Herefter holdes ca. 4 ugers pause for at tillade et vist tilbageslag.
Driftsscenarium 5
Der pumpes i ca. 8 uger med ca. 100 m3/h fra VB1-1, VB2-1, VB3-1, VB3-2, VB4-1, VB5-1 og VB6-1, for at opnå størst mulig påvirkning af forureningsmassen i den nedre del af det umættede magasin i og udenfor kildeområdet. Pumpningen i VB3-2 udføres for at undgå at trække den kraftige forurening fra den øvre del af den umættede zone i kildeområdet dybere ned. Når koncentrationen har nået et stabilt niveau, holdes pause i ca. 8 uger for at opnå et tilbageslag.
Driftsscenarium 6
I driftsscenariet pumpes i ca. 17 uger med 50 m3/h fra alle filtre, der har koncentrationer på over 10 mg/m3 ved afslutningen af driftsscenarium 5 henholdsvis i starten af driftsscenarium 6. Det inkluderer følgende boringer i kildeområdet: VB3-1, VB3-2, VB5-1 samt de lidt fjernere boringer udenfor kildeområdet: VB1-1, VB4-1, VB6-1. Derved afprøves den driftsform, der udfra den aktuelle forureningsmængde er vurderet at være den optimale driftsopstilling. Når koncentrationerne har nået et stabilt niveau, slukkes pumpen, og tilbageslaget afventes, idet der holdes pause i ca. ½ år.
Driftsscenarium 7
Der pumpes med 50 m3/h fra følgende boringer: VB1-1, VB3-1, VB3-2,
VB4-1, VB5-1, og VB6-1. Efter 7 døgns pumpning holdes pause i 7 dage. Denne driftscyklus er gennemført 2 gange for at undersøge effekten af alternerende drift.
1.4.2 Poreluftmålinger i ventilationsboringer
Der er foretaget automatiske GC-målinger fra alle ventilationsfiltre samt før, mellem og efter kulfiltre 1 gang i døgnet. Der er jævnligt udført laboratorieanalyser af kulrørsprøver fra 3 udvalgte ventilationsboringer til kontrol af GC-målingerne. Endvidere er der udført PID-målinger på poreluftboringerne i forbindelse med poreluftsmålingerne til kontrol af GC-målingerne.
Kontrolanalyser og problemer ved drift af gaschromatografen er beskrevet i bilag G.
1.4.3 Poreluftmålinger i moniteringsboringer
Der er udført poreluftmålinger på de 15 moniteringsboringer før opstart og inden afslutning af hvert driftsscenarium. Endvidere er der gennemført en målerunde (med felt-GC i stedet for on-line GC-systemet) 15 måneder efter afslutningen af det sidste driftsscenarium. Poreluftmålingerne skal supplere de daglige målinger fra ventilationsboringerne. Poreluftanalyserne er udført ved hjælp af manuelle GC-målinger. Tidspunkterne for prøvetagning fremgår af skema i bilag F. Resultaterne fremgår af bilag L.
1.4.4 Grundvandsprøver
I driftsperioden er der 7 gange udtaget og analyseret grundvandsprøver fra 14 moniteringsboringer, som er filtersat i toppen af det sekundære magasin. Tidspunkterne for prøvetagning fremgår af skema i bilag F. Prøverne er analyseret på godkendt analyselaboratorium. Resultaterne fremgår af bilag L.
1.4.5 Jordprøver
Før oprensningen er der i forbindelse med forureningsundersøgelserne analyseret 16 jordprøver for PCE. Efter afslutningen af driftsscenarium 6 er der umiddelbart omkring boring VB3 udført 5 boringer, hvorfra der er udtaget i alt 10 helkerneprøver i 4,5 og 5,5 m u.t. til analyse for PCE. Resultaterne fremgår af bilag L.
1.4.6 Modelarbejde
Luftstrømningsmodellen er anvendt til fastlæggelse af placeringen af ventilationsboringerne samt forud for driftsscenarium 4 for at klarlægge effekten af lerlag på luftens strømningsveje. Efter driftsscenarium 1 er der gennemført en ventilationstest. Testen er udført under pumpning fra henholdsvis VB3-1 og VB3-2 og efterfølgende pauser ved at logge trykændringer i nærliggende observationsboringer.
Version 1.0 Marts 2004, © Miljøstyrelsen.