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

Sammenfatning og konklusioner

Denne rapport er udfærdiget i forbindelse med et projekt under Miljø- og Energiministeriets Teknologiudviklingsprogram indenfor jord- og grundvandsforurening. Rapporten beskriver videreudvikling og pilotskalaafprøvning af en elektrokemisk reaktor til rensning af grundvand forurenet med klorerede opløsningsmidler. Projektet er udført som et samarbejde mellem DHI – Institut for Vand og Miljø og Rambøll Danmark A/S.

Baggrunden for de gennemførte undersøgelser er, at der tidligere i et projekt i regi af den tidligere Erhvervs Fremmestyrelse i laboratorieskala er udviklet og afprøvet en elektrokemisk reaktor til nedbrydning af organiske forureningskomponenter i vand. Nedbrydningen af organiske forureningskomponenter foregår i den elektrokemiske reaktor ved anvendelse af elektroder, der påføres strøm. Der sker herved en elektrokemisk nedbrydning ved direkte udveksling af elektroner mellem de organiske forureningskomponenter og elektroderne. Den elektrokemiske reaktor har vist lovende resultater i laboratorieforsøg, men den har ikke tidligere været afprøvet i pilotskala og ved reelle feltforsøg, hvilket derfor var formålet med nærværende projekt.

I løbet af projektperioden er der derfor blevet opbygget en elektrokemiske reaktor og tilhørende strømforsyning i pilotskala. Denne reaktor er efter indkøring og optimeringsforsøg blevet afprøvet ved feltforsøg på en lokalitet, der er udpeget af Roskilde Amt. Denne feltlokalitet er en forurenet grund, hvor der har ligget et renseri. Der er derfor forurening med klorerede opløsningsmidler, og der er et fuldskala afværgeprojekt i gang med oprensning ved aktivt kul. Formålet med feltforsøgene var at afprøve den udviklede elektrokemiske reaktor under realistiske betingelser og med ”naturligt” (ikke spiket) forurenet grundvand. Grundvandet ved feltlokaliteten er saltvandspåvirket og har derfor en forholdsvis høj ledningsevne. Dette stiller særlige krav til den anvendte strømforsyning, og der blev derfor opbygget en strømforsyning, som var tilpasset grundvand med høj ledningsevne.

Ved opbygning af pilotskalareaktoren blev erfaringer fra tidligere gennemførte forsøg med elektrokemisk nedbrydning af klorerede opløsningsmidler anvendt. Der er bl.a. tidligere blevet opbygget en pilotskalareaktor, som viste sig at have et uhensigtsmæssigt design. Ved opbygning af den elektrokemiske reaktor blev det tilstræbt at sikre turbulens i reaktoren under drift, da dette vil mindske diffusionslaget på elektroderne og dermed øge nedbrydningshastigheden.

Den opbyggede elektrokemiske reaktor består af en buffertank og reaktorenhed med et samlet volumen på 150 liter, et effektivt vandvolumen på ca. 140 liter og et elektrodeareal på 1,9 m². Til forsøgene er der opbygget en specifik strømforsyning, som omdanner almindelig vekselstrøm til jævnstrøm, og som kan leveres de ønskede høje strømstyrker. Under forsøgene bliver der anvendt vekslende jævnstrøm (dvs. skiftende polaritet (+/-) med en bestemt frekvens), da der ved anvendelse af almindelig jævnstrøm er stor risiko for udfældninger på elektroderne. Dette skyldes, at derunder påførelse af strøm opstår meget sure og meget basiske forhold ved overfladen af henholdsvis anoden og katoden. Det forholdsvis høje kalkindhold i dansk grundvand kombineret med de basiske forhold ved katoden betyder, at der ret hurtigt udfælder karbonater på katodeoverfladen, hvorved de elektrokemiske nedbrydningsprocesser stort set går i stå. Ved jævnligt (her hvert 7. minut) at skifte polaritet (+/-) på elektroderne, så elektroderne skiftevis fungerer som katode og anode, hindres karbonatudfældninger på elektrodeoverfladerne.

De indledende forsøg med den elektrokemiske reaktor viste, at der med den opbyggede pilotskalareaktor blev opnået nedbrydningskonstanter, der var sammenlignelige med dem, som tidligere var opnået ved laboratorieforsøg. Der var endvidere tale om fuldstændig nedbrydning, da der blev ikke dannet uønskede nedbrydningsprodukter i målelige koncentrationer. Forsøgene viste yderligere, at der generelt ikke kom kalkudfældninger på elektroderne ved anvendelse af en pulslængde på 7 minutter.

Efter de indledende forsøg blev den elektrokemiske pilotskalareaktor optimeret og indkørt i forhold til grundvandet på den anvendte feltlokalitet. Disse optimeringsforsøg viste, at der for både TCE og PCE var tale om 1. ordens nedbrydningsprocesser, og at det ved anvendelse af den elektrokemiske reaktor i løbet af et døgn var muligt at fjerne 99,8% af det initielle indhold af TCE og 98% af det initielle indhold af PCE.

Den elektrokemiske reaktor blev efter optimeringsforsøgene, der foregik under kontrollerede forhold, flyttet ud til en eksisterende feltlokalitet i Greve. Her blev der udført både batchforsøg af ½-1 dags varighed og langtidsforsøg (stabilitetsforsøg), hvor den elektrokemiske reaktor kørte kontinuert i 1 uge. Feltforsøgene demonstrerede, at reaktor, strømforsyning, styringsenhed m.m. ved længerevarende kontinuer drift fungerede uden behov for regulering og uden tekniske problemer. Batchforsøg før og efter stabilitetsforsøget viste dog, at rensningskapaciteten var væsentlig mindre efter stabilitetsforsøget sammenlignet med før forsøget. Specielt for PCE, hvor nedbrydningskonstanten faldt med næsten en faktor 3. For TCE var der derimod kun tale om et mindre fald i nedbrydningshastigheden. Faldet i nedbrydningshastigheden for PCE vurderes primært at skyldes et betydeligt fald i startkoncentrationen af PCE fra 910 µg/l ved første batchforsøg til 140 µg/l ved sidste batchforsøg, men også generelle ændringer i vandkvaliteten og udfældninger på elektroderne kan have haft betydning. Samlet viste feltforsøgene, 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 og/eller ved at indføre en fast rengøringsprocedure.

Udover pilotskalaafprøvning af elektrokemisk nedbrydning af klorerede opløsningsmidler, blev processens effektivitet overfor andre stofgrupper undersøgt i laboratorieskala. Her blev den elektrokemiske reaktors effekt overfor nedbrydningen af BAM og MTBE samt overfor bakterier undersøgt, og forsøgene viste, at elektrokemi er en meget effektiv metode til nedbrydning af BAM, mens der ikke blev fundet tilsvarende positive resultater for MTBE. De mikrobiologiske undersøgelser viste endvidere, at den elektrokemiske proces har en desinficerende effekt.

Ved de gennemførte forsøg blev der generelt opnået yderst tilfredsstillende rensningsgrader, men den nødvendige opholdstid i reaktoren var for høj. Muligheden for at øge nedbrydningshastigheden og dermed mindske opholdstiden ved en kombineret anvendelse af elektrokemi og ultralyd (sonoelektrokemi) blev undersøgt i et indledende forsøg. Dette 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 øget 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.