Miljøprojekt, 1050 – Afprøvning af jernspånefilter til rensning af grundvand forurenet med klorerede opløsningsmidler

Afprøvning af jernspånefilter til rensning af grundvand forurenet med klorerede opløsningsmidler

2 Beskrivelse af jernspåneanlægget

2.1 Procesgrundlag
2.2 Jernspåneanlægget
2.3 Resume af det samlede driftsforløb

2.1 Procesgrundlag

Det er beskrevet i litteraturen, at der sker en abiotisk reduktiv dehalogenering af vandopløste klorerede alifater, herunder PCE, ved kontakt med jernspåner (oxidationstrin 0). Dette blev dokumenteret ved en række laboratorie- og pilotforsøg /11/, /12/ og /13/. Metoden er patenteret af Waterloo University, og rådgivning vedrørende den praktiske anvendelse af metoden varetages af firmaet EnviroMetal Technologies Inc. (ETI).

Dehalogeneringen sker efter en 1. ordens proces. Følgende ligning for processen kan opstilles:

2 Fe + 3 H₂O + RCl → 2 Fe²⁺ + 3 OH^- + H₂ + RH + Cl-

PCE nedbrydes til ethaner og ethener og i mindre omfang andre kulbrinter. En delmængde omdannes til lavere klorerede alifater (TCE, DCE og vinylchlorid), som efterfølgende også vil blive omdannet. DCE og vinylchlorid omdannes væsentligt langsommere end PCE og TCE, men kun få procent omdannes til disse nedbrydningsprodukter. Der er derfor ikke taget hensyn til dette ved dimensionering af filteret.

De i litteraturen anførte halveringstider for nedbrydningen af PCE varierer betydeligt - typisk fra 0,5 til 3 timer. Der er ved dimensioneringen skønnet en halveringstid på 1,5 timer.

Det blev af Teknologiudviklingsprojektet/Roskilde Amt besluttet at jernspånefilteret skulle etableres som et mobilt anlæg, der var forberedt for efterfølgende montering af sandfilter. Det samlede filtervolumen af jernspåner blev fastlagt til ca. 5 m³.

Der blev i skitseprojektet planlagt en afprøvning af anlægget i 2 driftsperioder /14/:

Rensning af en delstrøm af den samlede vandmængde parallelt til kulfilteret.
Rensning af den samlede vandmængde, ved anvendelse af jernspånefilteret som forfilter til kulfilteret.

Under forudsætning af at udledningskravet på 10 µg/m³ skulle overholdes, blev det maksimale flow beregnet efter følgende formel:

Q beregnet flow
T½ PCE's halveringstid i filtrene, 1,5 time
V samlet volumen af jernspånefiltre, 5 m³
ε porøsiteten i filtrene, 0,4 (ubenævnt)
C_i indløbskoncentrationen, 3.000 µg/m³
C_u udledningskravet, 10 µg/m³.
Der blev således beregnet et maksimalt vandflow på 0,16 m³/time.

Der er ved laboratorieforsøg målt en brintudvikling fra jernspåners reaktion med vand på 0,6 mmol/ kg x døgn, svarende til 3,5 g/m³ x døgn /15/ og /16/. Dette må betragtes som et absolut maksimum, da forsøget blev udført ved 25 °C /15/ og temperaturen i jernspåneanlægget var på omkring 10 °C.

I jernspåneanlægget i Lyndby ville den teoretiske brintproduktion således maksimalt være omkring 17,5 g brint/døgn eller 0,729 g brint/time.

Det forventedes, at der ved 10-15 °C kunne opløses omkring 1,7 mg H₂/l vand, ved et samlet tryk over vandet på 1 atm /17/. Det betød at der skulle et vandflow gennem anlægget på mindst 0,429 m³/time, for at den beregnede brintproduktion kunne opløses i vandet.

Blev der udviklet mere H₂, end der kunne opløses i vandet, ville der opstå en brintlomme øverst i filtrene.

Ved vandflow i anlægget på under 429 l/time måtte der derfor forventes en brintudvkling, der ikke kunne transporteres væk med vandet.

2.2 Jernspåneanlægget

Ved etablering af jernspåneanlægget blev råvands- og udledningsfaciliteterne i det eksisterende anlæg (aktivkul-anlægget) benyttet i den daværende form med mindre ændringer.

Jernspånefilteret blev etableret i en separat container, hvor en delstrøm af den samlede mængde afværgevand kunne behandlet i serie eller parallelt med det eksisterende aktivkul-anlæg. På figur 2.1 er vist procesdiagram for jernspåneanlægget, som det så ud på etableringstidspunktet. På figur 2.2 ses påfyldning af jernspåner under etablering af anlægget.

Jernspånefilterenheden bestod af 5 separate (tryk-)beholdere som var serieforbundet. Hver beholder indeholdt ca. 1 m³ jernfiltermateriale. Anlægget blev etableret som 5 serieforbundne jernspånefiltre frem for at samle hele filtermassen i ét filter af flere årsager. Dels ville såvel etablering som demontering af et anlæg med ét stort filter være kompliceret, på grund af filtermaterialets store massefylde, dels gav opdelingen i 5 mindre filtre langt bedre muligheder for at udtage vand- og jernspåneprøver undervejs i anlægget.

Der blev etableret by-pass rørforbindelser omkring hver beholderenhed, så disse enkeltvis kunne kobles ud af systemet.

Tilgang af vand blev etableret i toppen af beholderen, og afgang i bunden af beholderen. Beholderne var serieforbundne med 2” rør, hvorpå der var monteret en prøvetagningshane samt manometer.

I hver beholder var desuden monteret adgang for prøveudtagning, studs til påmontering af kvælstof inden prøveudtagning samt afgang i toppen for brint. Denne afgang var monteret i filteret med en luftudlader (svømmeventil) som skulle sikre, at der ikke kunne afledes vand gennem denne afgang.

Klik her for at se Figur 2.1

Figur 2.1 PI-diagram for jernspåneanlægget.

Figur 2.2 Påfyldning af jernspåner

Figur 2.2 Påfyldning af jernspåner

I bunden af hver beholder var ilagt drænslange (tilsluttet afgangen) dækket af ca. 150 mm filtersand (0,4-0,8 mm). Herover var ifyldt jernspåner. Der blev udtaget en blandingsprøve af jernspåner fra de 5 filtre til analyse for overfladebelægninger, før der kom vand på anlægget. Resultatet af dette omtales i afsnit 4.4. Over jernspånerne var der frihøjde til dels den monteret luftudlader, dels til et frirum som blev holdt vandfyldt.

Efter sidste beholder blev etableret en rør-sløjfe, som skulle sikre at jernspånefiltrene til alle tider var dækket med vand. Denne rør-sløjfe blev ligeledes påmonteret en luftudlader. På vandudledningen blev monteret en trevejsventil, så vandstrømmen kunne ledes til kulfilter, alternativt til afløb (recipient).

Luftudladeren i hver beholder og rør-sløjfen, blev tilsluttet til et luftafkast, hvor der respektivt blev monteret en kontraventil, så der ikke kunne dannes tilbageslag af atmosfærisk luft til systemet. Afkastet blev ført over container-taget.

Jernspåneanlægget var udstyret med manometer samt pressostat og vandmåler til måling af den vandstrøm som blev ledt gennem jernspånefiltrene og med alarmer til registrering af brint i luften samt vand på gulv. Anlægget var tilsluttet SRO-systemet i aktivkul-anlægget /14/.

2.3 Resume af det samlede driftsforløb

Jernspåneanlægget blev etableret i november 1999 og var i drift indtil oktober 2001, hvor anlægget blev demonteret. I dette afsnit beskrives kort det samlede projektforløb. I kapitel 4, 5 og 6 beskrives de enkelte delperioder mere detaljeret.

Det blev i forbindelse med skitseprojekteringen planlagt, at anlægget skule afprøves i 2 driftsperioder:

Jernspåneanlægget skulle rense en mindre delstrøm af den samlede vandmængde ned til udledningskravene. I denne periode skulle jernspåneanlægget tilkobles parallelt til aktivkul-anlægget.
Jernspåneanlægget skulle fungere som forfilter til aktivkul-anlægget. I denne periode skulle den samlede vandmængde ledes gennem jernspåneanlægget, som i perioden skulle tilkoblet i serie med aktivkul-anlægget.

Efter etableringen i november 1999 blev anlægget afprøvet af entreprenøren frem til den 21. december 1999, hvor den egentlige indkøring af anlægget begyndte. Under indkøring af anlægget blev der foretaget en del anlægsmæssige ændringer. Dette er beskrevet i bilag A.

Da der var hård frost i perioden december 1999 til januar 2000, og varmeapparatet i jernspåneanlægget ikke fungerede i starten af indkøringsperioden, blev det besluttet at starte med at afprøve den driftsperiode, hvor jernspåneanlægget skulle fungerede som forfilter. I denne periode blev det tilstræbt at behandle omkring 0,7 m³/time i jernspåneanlægget.

Halveringstiden for PCE i anlægget steg i løbet af en måned til et konstant niveau på omkring 10 timer.

Under driften blev der observeret en stigning af trykfaldet over filter 1 i anlægget allerede i løbet af den første måned. Efter 2 måneders drift begyndte der også at ske trykopbygning i filter 2 og 3 og i mindre grad i filter 4 og 5.

I april 2000 var trykfaldet i filtrene så højt, at flowet måtte reduceres for at undgå at trykalarmen på sandfilteret i det gamle anlæg skulle slå fra.

Da der tidligt i driftsperioden blev konstateret ophobning af luft i visse filtre, og det var uafklaret hvorvidt der var tale om brint eller atmosfærisk luft, der kom ind gennem en utæt ventil, kunne muligheden for iltning af de øverste dele af filtrene ikke udelukkes. Det blev derfor ved et følgegruppemøde den 7. september 2000 besluttet at udskifte filtermaterialerne. Dette skete i november 2000, hvorefter anden del af forsøgsperioden, driftsperiode 2, der løb frem til oktober 2001, blev afholdt.

I denne periode blev en delstrøm på 100 l/time ledt gennem jernspåneanlægget.

Halveringstiden for PCE i anlægget steg i driftsperiode 2 også til omkring 10 timer, det er dog usikkert hvorvidt den var stabil på dette niveau.

Der sås i denne driftsperiode også en trykopbygning på jernspånefiltrene, der i efteråret 2001 blev så kraftig, at anlægget måtte tages ud af drift, da pumperne i afværgeboringerne ikke kunne holde til det store tryktab i anlægget.