Miljøprojekt, 1059; Teknologiudviklingsprogrammet for jord- og grundvandsforurening – Forceret udvaskning på Hjørring Gasværk - Afslutningsrapport

Forceret udvaskning på Hjørring Gasværk - Afslutningsrapport

Sammenfatning og konklusioner

Forceret udvaskning, som den er gennemført på Hjørring Gasværk, er et forsøg på at udvikle en lavteknologisk in-situ teknologi til at reducere grundvandsforureningen fra de store områder med diffus tjæreforurening i lave koncentrationer, som findes på mange tidligere kulgasværker rundt omkring i landet.

Hovedideen bag teknologien er følgende:

At introducere grundvand ad de samme transportveje, som forureningen i sin tid er spredt dvs. fra terræn og nedefter.
At forøge udvaskningen af forureningskomponenter fra restforureninger i den umættede zone (primært tjærestoffer).
At forbedre de naturlige nedbrydningsforhold i den umættede og mættede zone ved at anvende behandlet grundvand som bæremedie for ilt, alternative iltningsmidler, næringsstoffer mv.

Videreførelsen af projektet med forceret udvaskning på Hjørring Gasværk er en udløber af et forsøgsprojekt, der blev gennemført i perioden 1993-1996, som et led i Miljøstyrelsens daværende program for oprensning af gasværksgrunde. Forsøgsprojektet skulle afklare og dokumentere mulighederne for in-situ oprensning ved forceret udvaskning, og resultater og konklusioner herfra kan læses i afslutningsrapporten "Hjørring Gasværk, In-situ oprensning ved biovanding" /7/.

Med henblik på at underbygge en række af de vurderinger, som er foretaget på grundlag af de første 2½ års drift af den forcerede udvaskning på Hjørring Gasværk under "Gasværkspakken" (projektets fase 1), er formålet med videreførslen af projektet under teknologiprogrammet (fase 2) følgende:

At udbygge dokumentationsgrundlaget for nedbrydningsprocesserne i den øvre del af grundvandszonen ved at følge udviklingen i de kemiske parametre i grundvandsprøver.
At dokumentere, at de dominerende forureningskomponenter nedbrydes biologisk i grundvandszonen over en afstand svarende til transporten fra forureningskilden til den ydre moniteringsrand.
At dokumentere transport og fortynding af stof i grundvandszonen ved udførelse af tracerforsøg med måling af tracer og forureningskoncentrationer i forskellig afstand fra kilden.
At dokumentere nedbrydningspotentialet i grundvandszonen for udvalgte stoffer under forskellige redoxbetingelser ved hjælp af laboratorieforsøg.
At afprøve en geniltningsmodel, der kan forudsige den tid, det tager at opnå geniltning i en given dybde.
På grundlag af ovennævnte at udarbejde anbefalinger, som kan anvendes i forbindelse med andre projekter.

Som led i projektets 2. fase er der gennemført følgende hovedaktiviteter fordelt på hhv. umættet og mættet zone:

Aktiviteter i umættet zone

Måling af iltdiffusion på uforstyrret og pakket jord.
Afdræningsforsøg på jordsøjler.
Udvikling af en iltdiffusionsmodel.
Måling af sorption og desorption for ammonium og naphthalen i sediment fra gasværket.
Vurdering af aerob- og anaerob nedbrydningspotentiale i forskellige jordtyper ved høje og lave stofkoncentrationer (BTX, phenol og methylphenoler).

Aktiviteter i mættet zone

In-situ stoftransportforsøg med bromid som tracer.
Vurdering af vand- og stoftransport.
Vurdering af aerob og anaerob nedbrydningspotentiale i forskellige sedimenttyper ved høje, moderate og lave stofkoncentrationer (BTX, phenol og methylphenoler).
Monitering af udviklingen i grundvandskemien under drift af forceret udvaskning.

På grundlag af ovennævnte undersøgelser og aktiviteter kan der sammenfattes følgende vedr. laboratorieforsøgene i hhv. umættet og mættet zone, grundvandsmoniteringen og forceret udvaskning som oprensningsteknologi:

Sammenfattende vurderinger, umættet zone

Eksperimentel bestemmelse af iltdiffusions-koefficienter kræver målinger på intakte (uforstyrrede) jordprøver, med minimum 100 cm³ prøvevolumen. Det er modsat gængs opfattelse ikke tilstrækkeligt at måle på pakkede jordprøver.
Iltdiffusions-koefficienten (D_P) er både vandindholds- og jordtype-afhængig. Den næsten universelt anvendte Millington & Quirk (1961) formel, der bl.a. er del af beregningsgrundlaget i JAGG modellen, er upræcis og vil typisk underestimere D_P med op til en faktor 10, især ved højere vandindhold. Dermed vil beregnede ilt- eller gas-fluxe også blive underestimerede. En bedre formel til beregning af D_P er foreslået i kap. 4. (Til orientering kan det oplyses at D_P svarer til udtrykket N x D_L i Miljøstyrelsens JAGG-model jf. /8/).
Vurdering af iltdiffusions-koefficienter og geniltningshastigheden i et naturligt, uforstyrret jordsystem kræver en jordtypeafhængig beregningsmodel. I forbindelse med projektet er der udviklet og afprøvet en simpel model til overslagsberegning af iltpenetreringstider med henblik på at opnå et hurtigt overblik over den relevante tidsskala for diffusionsstyret geniltning for en given kombination af jordtyper og jorddybder.
De gennemførte modelberegninger og vandafdræningsforsøg viser, at afdræningen på Hjørring Gasværk foregår langsomt med afdræningstider på minimum 5-6 uger pr. meter jord, før der er etableret et tilstrækkeligt luftfyldt porehulrum for naturlig geniltning.
Grunden til de høje afdrænings- og geniltningstider er, at jorden på Hjørring Gasværk er næsten uden grovsand (> 500 μm partikler). Den dominerende jordtype er finsand (< 500 μm) med indslag af silt og ler, hvilket giver lavere iltdiffusionshastigheder og vandafdræningshastigheder end normalt for en typisk sandet jord.
Idet Hjørring jorden i det meste af profilet er meget finsandet og næsten uden grovsand, vil jorden typisk have (i) et forholdsvist lavt indhold af luftfyldte porer ved markkapacitet (under 15 vol.% ∼ 0.15 cm³ cm^-3), hvilket giver langsom iltdiffusion i jordens gasfase og (ii) en høj vandretentionsevne, hvilket giver langsom afdræning af jordprofilet. Ud fra et kriterium om en rimelig hurtig geniltning efter infiltration, er forceret udvaskning kun egnet på jorde, der har et luftfyldt porehulrum > 20 vol. % ved markkapacitet (typisk svarende til jorde med et betydeligt indhold af grovsand og et indhold af ler + silt under 10%). Detailleret tekstur (ler, finsilt, grovsilt, finsand, grovsand, grus, organisk stof) samt luftfyldt porehulrum ved markkapacitet og/eller afdræningstid for at opnå 20 vol. % luftfyldt porehulrum bør måles på samtlige jordtyper/jordlag på en lokalitet, før det vurderes, om lokaliteten er egnet til forceret udvaskning.
Ud fra de gennemførte sorptions- og desorptionsmålinger på ammonium og naphthalen kan det konkluderes, at ammonium kun tilbageholdes til en vis grad i jorden, ligesom naphthalen kun sorberer i ringe omfang til Hjørring jorden. Dette skyldes hovedsageligt jordens lave indhold af organisk kulstof. Sorberet naphthalen vil kun i mindre omfang frigives pga. udpræget hysterese.
Der er under aerobe forhold konstateret en hurtig mikrobiel nedbrydning af phenol og methylphenoler i de forskellige jordlag i den umættede zone, som vil kunne omsætte stofferne under transporten mod den mættede zone.
Under denitrificerende forhold stiger nedbrydningstiden markant (typisk en faktor 5-10). Ved høje infiltrationsrater vil den umættede zone blive vandmættet, og der opstår hurtigt denitrificerende forhold, da den iltmængde, der tilføres med vandet kun rækker til en begrænset omsætning af tjærestofferne.
En rimelig dræning og geniltning af den umættede zone (ca. 10 m) efter ophør af infiltration forventes at tage 9-12 måneder. Med den anvendte infiltrationsstrategi på Hjørring Gasværk er det derfor sandsynligt, at nedbrydningen i den umættede zone størstedelen af tiden er forløbet under denitrificerende forhold.

Sammenfattende vurderinger, mættet zone

Der er lige som i den umættede zone konstateret en hurtig nedbrydning af BTX og phenoler i grundvandszonen på Hjørring Gasværk under iltede forhold ved koncentrationer > 1 mg/l. Phenoler nedbrydes hurtigere end BTX. Ved lave koncentrationer (< 200 μg/l) er nedbrydningsraten stadig høj for benzen, mens den for methylphenolerne falder markant og er omkring en faktor 10 lavere end for benzen.
Benzen og toluen nedbrydes ikke eller kun meget langsomt under denitrificerende forhold. Nedbrydningspotentialet for phenoler reduceres omkring en faktor 5-15 i forhold til iltede forhold ved koncentrationer > 1 mg/l og falder til meget lave værdier ved koncentrationer < 0,2 mg/l.
Der er denitrificerende forhold i de mest forurenede dele af den mættede zone med iltindhold < 0,5 mg O₂/l og nitratkoncentrationer varierende fra < 1 til 250 mg NO₃-N/l. I resten af moniteringsboringerne er iltkoncentrationen højere end 2 mg O₂/l i den øvre del af grundvandsmagasinet.
Nedbrydningen forventes på baggrund af de gennemførte undersøgelser at gå langsomt i de anaerobe zoner og benzen vil slet ikke blive omsat. Grundvandet i toppen af magasinet geniltes, inden det når ud til boringerne i randzonen, og under disse aerobe forhold vil omsætningen af de undersøgte BTX 'er og phenoler være tilendebragt inden for få meter.
De relativt høje aerobe nedbrydningspotentialer på Hjørring Gasværk kombineret med en overvejende aerob grundvands-aquifer kan derfor forventes at give gode betingelser for in situ nedbrydning af restforureningen i den mættede zone.

Sammenfattende vurderinger, grundvandsmonitering

Udviklingen i forureningskoncentrationerne i toppen af grundvandsmagasinet ved opstart af den forcerede udvaskning i fase 2 kan sammenlignes med forureningsudviklingen ved opstart af projektets fase 1 i 1993. Koncentrationerne faldt således efter genopstart af infiltrationen over de første ca. 12 måneder, hvorefter der blev konstateret en væsentlig stigning for samtlige hovedkomponenter i toppen af magasinet.
Dybere i magasinet blev der konstateret et markant gennembrud af specielt benzen efter blot 3 måneders drift i fase 2.
I de nedstrøms boringer er der imidlertid heller ikke i fase 2 konstateret organisk forurening med de nævnte hovedforureningskomponenter (BTEX, phenoler og NSO) i toppen af magasinet, selv om der er etableret flere nedstrøms moniteringsboringer.
De konstaterede forureningsforhold i det kraftigst forurenede område indikerer, at der ikke blev opnået et stabilt forhold mellem den øgede udvaskning af tjærekomponenter og nedbrydningen i den umættede zone i dette område gennem driftsperioden.
Der er imidlertid ikke konstateret organisk forurening i moniteringsboringerne nedstrøms for den forurenede zone. At de nedstrøms boringer faktisk er påvirket af vand fra gasværket underbygges af, at der er konstateret forhøjede koncentrationer af de uorganiske forureningsparametre, bl.a. sulfat som er en typisk indikatorparameter for gasværksforurening.
Resultaterne indikerer således, at infiltrationen af grundvand har medført en væsentligt forøget udvaskning af forurening fra den umættede zone af både tjærekomponenter og uorganiske komponenter så som sulfat, men at tjæreforureningen i grundvandet sandsynligvis begrænses til en zone omkring den mest forurenede boring.
At den organiske forurening ikke er konstateret i de nedstrøms moniteringsboringer indikerer, at forureningen nedbrydes i den umættede zone inden grundvandsspejlet eller i toppen af den mættede zone inden for en relativ kort afstand fra kilden.
Dokumentationsgrundlaget for benzenforureningen i den dybere anaerobe del af magasinet er dog ikke tilstrækkelig til en endelig konklusion vedr. transport og nedbrydning af dette stof i større dybde.

Sammenfattende vurderinger vedr. forceret udvaskning som oprensningsteknologi på gasværker

Oprensningsprojektet på Hjørring Gasværk har vist, at traditionel afgravning af gasværksrelaterede terrænnære hotspots kombineret med forceret udvaskning af den vandopløselige og nedbrydelige del af restforureningen kan være en anvendelig teknologi til at reducere grundvandsforureningen fra nedlagte gasværker.

Idet infiltrationsvandet sandsynligvis introduceres af de samme transportveje, som forureningen oprindeligt er spredt, giver teknologien mulighed for en væsentlig mobilisering/udvaskning af den vandopløselige del af restforureningen i den umættede zone i forhold til en situation med naturlig infiltration.

Metodens svaghed er imidlertid, at vands naturlige evne som transportmedie for ilt er meget begrænset set i forhold til iltforbruget ved nedbrydning af den forurening, der mobiliseres under drift af den forcerede udvaskning. Teknologien er derfor som udgangspunkt afhængig af en effektiv naturlig geniltning/iltdiffusion ned i jordprofilet efter hver infiltrationsperiode for at bevare eller genoprette aerobe forhold i den umættede zone.

På lokaliteter med en stor umættet zone og relativ lavpermeabel geologi er det ikke altid muligt at fastholde aerobe forhold i hele den umættede zone under forceret udvaskning. Dette hæmmer den naturlige nedbrydning af de udvaskede stoffer, og der kan forekomme uønskede gennembrud af stofferne til den mættede zone.

På den aktuelle lokalitet indikerer resultaterne, at perioden mellem infiltrationerne skal være urealistisk lange, hvis den naturlige iltdiffusion ned i de forurenede jordlag skal optimeres. Fuld geniltning af et jordprofil på 10 m med vekslende lavpermeable lag vil dog i praksis kræve urealistisk lange pauser i infiltrationen (9-12 måneder).

For at opnå et rimeligt forhold mellem udvaskning og geniltning efter infiltration vurderes forceret udvaskning således primært egnet på sandjordslokaliteter med en relativ homogen geologi dvs. uden indslag af lavpermeable zoner i den umættede zone.

Teknologien er således ikke egnet på lokaliteter med overvejende lavpermeabel geologi.

På gasværker er forceret udvaskning primært rettet mod de stofgrupper, som typisk giver anledning til grundvandsforurening, dvs. stoffer med en relativ høj vandopløselighed som BTEX'er, phenoler mv.

Forceret udvaskning er således ikke egnet, hvis total oprensning er målsætningen, idet en typisk tjæreforurening bl.a. indeholder væsentlige mængder svært nedbrydelige stoffer. En gasværksgrund vil således typisk stadig være forurenet med bl.a. PAH forbindelser efter forceret udvaskning.

Med metodens geologiske og oprensningsmæssige begrænsninger vurderes det sammenfattende, at forceret udvaskning kombineret med naturlig geniltning som oprensningsteknologi kun har begrænsede anvendelsesmuligheder på danske gasværker og lignende tjæreforurenede lokaliteter.

Fordele ved teknikken

Forceret udvaskning har følgende fordele:

Enkelt og lavteknologisk oprensningskoncept.
Infiltrationsvandet introduceres på samme måde og sandsynligvis ad samme transportveje, som forureningen i sin tid er spredt i jordmatricen. Infiltrationsvandet og de stoffer, som vandet danner bæremedie for, har således gode muligheder for at nå de aktuelt forurenede partier i den umættede zone.
Kan også anvendes på områder med stor umættet zone afhængig af de geologiske betingelser.
Kan drives parallelt med anden aktivitet på området, idet eneste synlige tegn er en mindre behandlingsbygning/container samt en række dæksler mv. Kan med fordel etableres i kombination med afdækningsløsninger som en del af de rene materialer, som indbygges inden for anvendelsesdybden.
Lavt tilsynsbehov og mulighed for fuldautomatisk drift.

Ulemper ved teknikken

Forceret udvaskning har følgende ulemper:

Teknologien er ligesom en række andre oprensningsteknologier ikke egnet over for massivt tjæreforurenet jord på grund af tjærens indkapslende virkning og er i øvrigt kun egnet over for rimeligt vandopløselige- og aerobt nedbrydelige stoffer.
Forceret udvaskning af gasværksforurening giver ikke mulighed for fuldstændig oprensning af de behandlede arealer. Idet en typisk tjæreforurening bl.a. indeholder væsentlige mængder svært nedbrydelige stoffer med lav vandopløselighed, må det forventes, at der efter forceret udvaskning efterlades restforurening med bl.a. PAH forbindelser på de behandlede områder.
Idet udvaskningen af forureningskomponenter fra tjæreforureninger typisk er diffusionsstyret, må der forventes relativt lange behandlingstider i forhold til mere radikale oprensningsteknologier.
Forceret udvaskning giver som udgangspunkt kun mulighed for begrænset ilttilførsel til jorden med det infiltrerede vand og via naturlig geniltning. Ud fra et kriterium om en rimelig hurtig geniltning efter infiltration, er forceret udvaskning primært egnet på sandjordslokaliteter med et betydeligt indhold af grovsand og et lavt indhold af ler + silt.
Teknologien vurderes ikke egnet på lokaliteter med overvejende lavpermeabel geologi.
Hvis metoden anvendes i sårbare indvindingsoplande er det vigtigt, at der etableres et lukket hydraulisk kredsløb med henblik på at undgå utilsigtet forureningsspredning.
Arealanvendelsen påvirkes væsentligt i anlægsfasen på grund af omfattende jordarbejde.