Miljøprojekt Nr. 1175 2007 Teknologiudviklingsprogrammet for jord- og grundvandsforurening – Afprøvning af elektrokemisk reaktor til rensning af grundvand indeholdende klorerede opløsningsmidler

Afprøvning af elektrokemisk reaktor til rensning af grundvand indeholdende klorerede opløsningsmidler

10 Konklusion

En elektrokemisk reaktor, der tidligere er blevet afprøvet i laboratorieskala, blev opskaleret til pilotskala, så den havde et samlet vandvolumen på ca. 150 l og et elektrodeareal på 1,9 m². Den opbyggede pilotskalareaktor blev både afprøvet ved optimeringsforsøg i DHI’s forsøgshal og ved forsøg på en udpeget feltlokalitet i Greve. På baggrund af de gennemførte forsøg, kan det samlet set konkluderes, at det var muligt at opskalere fra laboratorieskala til pilotskala, og at den elektrokemiske reaktor er anvendelig til nedbrydning af en lang række organiske stoffer selv ved store variationer i den generelle vandsammensætning.

Grundvandet på den anvendte feltlokalitet i Greve var kalkholdigt med en høj ledningsevne, og det må betragtes som grundvand med en forholdsvis usædvanlig sammensætning. Den høje ledningsevne i vandet betød, at der i forhold til mindre saltholdigt vand blev anvendt en højere strømstyrke for at opnå det nødvendige potentiale og dermed en acceptabel rensningsgrad.

Indledende forsøg

På baggrund af de indledende forsøg med den elektrokemiske reaktor kan det konkluderes, at der med den opbyggede pilotskalareaktor blev opnået nedbrydningskonstanter, der var sammenlignelige, med dem, som tidligere var opnået ved laboratorieforsøg. Forsøgene viste endvidere, at der i almindeligt postevand ikke kom kalkudfældninger på elektroderne ved anvendelse af en frekvens for den vekslende jævnstrøm på 7 minutter. Undersøgelse af nedbrydningsprodukter for PCE og TCE viste endvidere, at der var tale om fuldstændig nedbrydning, og der blev ikke dannet uønskede nedbrydningsprodukter som følge af den elektrokemiske proces. Yderligere blev det fundet, at løbende kontrol af Cl-indholdet kan bruges til at sikre, at strømstyrken holdes på et niveau, hvor der sker en let vandspaltning men ingen målelig og uønsket klordannelse.

Indkøring og optimering af pilotskalareaktor

Den elektrokemiske pilotskalareaktor blev optimeret og indkørt i forhold til grundvandet på den anvendte feltlokalitet. På baggrund af disse optimeringsforsøg kan det i forhold til det aktuelle grundvand konkluderes, at der for TCE generelt blev opnået nedbrydningskonstanter i intervallet 0,3-1 l·min^-1·m^-2, mens nedbrydningen for PCE var langsommere med nedbrydningskonstanter i intervallet 0,2-0,5 l·min^-1·m^-2. For begge stoffer blev den højeste nedbrydningskonstant opnået ved anvendelse af dobbelt elektrodeafstand (1 cm) og dermed halveret elektrodeareal. Ud over elektrodeafstanden blev der på baggrund af de gennemførte optimeringsforsøg anvendt følgende driftparametre for den elektrokemiske pilotskalareaktor til nedbrydning af TCE og PCE i det forurenede grundvand fra feltlokaliteten i Greve: maksimalt flow svarende til 10 m³/time, potentiale på ca. 1000 mV, fordelingsplade i bunden af reaktorenheden og periodelængde på 7 min for den vekslende jævnstrøm.

Forsøg på udpeget feltlokalitet

Der blev udført både batch- og stabilitetsforsøg på en eksisterende feltlokalitet i Greve. På baggrund af stabilitetsforsøgene, hvor den elektrokemiske reaktor kørte kontinuert i 1 uge, kan det konkluderes, at den elektrokemiske proces ikke resulterer i væsentlige ændringer i den overordnede vandsammensætning.

Grundvandskvaliteten ændrede sig væsentligt i løbet af forsøgsperioden. Bl.a. faldt ledningsevnen fra 160 til 141 mS/m. Denne ændring i vandkvaliteten vurderes samlet set at kunne have betydning for den elektrokemiske nedbrydning af TCE og PCE.

Stabilitetsforsøget viste, at reaktor, strømforsyning og PLC fungerede uden behov for regulering og uden tekniske problemer ved længerevarende kontinuer drift, og potentiale, strøm og spænding forblev stabile under hele forsøgsperioden. Der var således ingen tegn på ændringer i elektrodernes funktion i løbet af forsøget. Der blev dog konstateret hvidlige belægninger på elektroderne ved forsøgets afslutning, hvilket er en indikation af, at der i mindre omfang er sket kalkudfældninger i løbet af forsøget.

Vurdering af effektiviteten af den elektrokemiske reaktor før og efter stabilitetsforsøget viste, at der var sket en væsentlig forringelse af rensningskapaciteten efter stabilitetsforsøget sammenlignet med før forsøget. Faldet i nedbrydningshastigheden vurderes primært af skyldes ændringerne i den generelle vandkvalitet samt udfældninger på elektroderne.

Samlet må det konkluderes, at en længerevarende driftsperiode med direkte gennemstrømning kan medføre udfældninger på elektroderne med nedsatte nedbrydningskonstanter til følge. Det vurderes dog, at disse udfældninger kan undgås eller minimeres ved enten at sænke den anvendte pulslængde på 7 minutter og/eller ved at indføre en fast rensningsprocedure, hvor der jævnligt under drift foretages en renskylning af reaktorenheden med en svag syreopløsning.

Testning af andre stofgrupper i laboratorieskala

På baggrund af laboratorieforsøg til undersøgelse af den elektrokemiske reaktors effekt overfor nedbrydningen af BAM og MTBE samt overfor bakterier kan det konkluderes, at elektrokemi er en meget effektiv metode til nedbrydning af BAM. Efter 24 timer var mere end 99,9% af det initielle indhold af BAM nedbrudt ved en 1. ordens proces. Der blev ikke fundet tilsvarende positive resultater for MTBE, idet der efter 48 timers reaktionstid kun var fjernet 38% af det initielle MTBE-indhold. Elektrokemi er således ikke umiddelbart en specielt velegnet metode til nedbrydning af MTBE. Der er dog kun udført helt indledende screeningsforsøg for MTBE og en nærmere undersøgelse af muligheden for elektrokemisk nedbrydning af MTBE vil være interessant.

Mikrobiologiske undersøgelser viste, at den elektrokemiske proces har en desinficerende effekt, også ved rimeligt lave strømstyrker, hvor der ikke dannes frit klor.

Der er behov for en forøgelse af nedbrydningshastigheden. Muligheden for at anvende en kombination af elektrokemi og ultralyd (sonoelektrokemi) til dette formål blev undersøgt i et indledende forsøg. Dette indledende forsøg viste, at anvendelse af sonoelektrokemi resulterede i en forøgelse af nedbrydningshastigheden med en faktor 3. Ligeledes viste forsøg med variation af flowhastigheden, at øget flow og dermed turbulens gav øget nedbrydningshastighed. Disse resultater indikerer, at en yderligere optimering af strøm- og flowforhold samt en optimeret anvendelse af sonoelektrokemi, vil kunne øge nedbrydningshastigheden af både TCE og PCE væsentligt. På baggrund af de opnåede resultater vurderes det, at det vil være muligt at øge nedbrydningshastigheden med mindst en faktor 10.

Strømforbrug og økonomi

Anvendelse af den elektrokemiske reaktor til grundvandsoprensning er en ”pump-and-treat” teknologi i lighed med traditionel og bred anvendt filtrering gennem aktivt kul. Driftsudgifterne for den elektrokemiske reaktor er derfor sammenlignet med driftudgifterne for aktivt kul. Med den nuværende nedbrydningseffektivitet i den elektrokemiske reaktor, er aktivt kul generelt den billigste oprensningsteknologi. Ved en fjernelsesgrad på 90% for TCE nærmer driftudgifterne for den elektrokemiske reaktor sig dog udgifterne til oprensning med aktivt kul. Yderligere forventes det, at stoffer der er svære at tilbageholde på aktivt kul, som f.eks. nedbrydningsprodukterne af PCE og TCE (diklorethylen og vinylklorid), ved en fjernelsesgrad på 90% vil være billigere at fjerne elektrokemisk.

Udviklingen af den elektrokemiske reaktor er endnu på et indledende stade, og det forventes, at pilotskalaanlægget kan optimeres så reaktionstiden bringes væsentligt ned. En væsentlig øgning af nedbrydningshastigheden vil betyde, at driftsudgifterne til elektrokemisk rensning vil falde betydeligt, og driftudgifterne til elektrokemisk rensning kan vise sig at blive væsentligt lavere end driftudgifterne ved brug af kulfilter. Vandrensning baseret på den elektrokemiske proces har desuden den væsentlige fordel, at processen nedbryder stoffer fremfor at overføre dem til et nyt medie som i tilfældet med aktivt kulfiltrering.