Modelsimuleringer af PCEoprensning ved kemisk oxidation i moræneler
6 Sammenfattende diskussion
- 6.1 Vandfluxens betydning for afværgestrategien
- 6.2 PCE fordelingen i leren ved start på afværge
- 6.3 Diffusionskonstanten
- 6.4 Afstanden mellem sandslirerne
- 6.5 Ændrede reaktionsbetingelser
Ved hjælp af den opstillede model er der udført en række modelsimuleringer med henblik på at vurdere kemisk oxidation som afværgestrategi i lavpermeable aflejringer. Modellens basisopsætning repræsenterer en realistisk beskrivelse af de fysiske forhold omkring lokaliteten Dalumvej 34B ligesom forureningsspredning og kemiske reaktioner svarer til de observerede data. Modellen er i basisscenariet opsat med 82 mg/l i vandfasen, svarende til mellem 15 og 50 mg/kg i jorden. Ud fra basisopsætningen er de fysiske og kemiske parametre varieret med henblik på at vurdere afværgemetodens følsomhed over for:
- Ændringer i vandgennemstrømningen i sandslirerne indlejret i lermatricen.
- Fordelingen af startkoncentrationen af PCE i leren.
- Diffusionskonstanten.
- Varierende afstande mellem sandslirerne.
- Ændrede reaktionsbetingelser.
De udførte modelscenarier viser, at PCE oxideres og nedbrydes i sandsliren i takt med, at permanganaten tilsættes og opbruges. I scenarium 2 (højere ledningsevne), scenarium 6 (øget permanganatdossering) og scenarium 7 (øget reaktionszone) bryder permanganaten igennem 30 m nedstrøms injektionspunktet, og PCE-indholdet i sandsliren omsættes fuldstændigt så længe behandling pågår. I de øvrige scenarier opbruges permanganaten inden for 30 m, og der konstateres PCE i sandsliren i hele oprensningsperioden.
Efter endt tilsætning af permanganat, dvs. efter 10 års behandling, ses et tilbageslag af PCE i sandsliren i alle simuleringer, som er forårsaget af PCE-diffusion ud af lerlaget. Koncentrationsniveauet stiger ved tilbageslaget med mellem 5 og 30 mg/l og topper efter ca. fem år. På længere sigt konvergerer tilbageslaget langsomt mod de tilhørende rene udvaskningskurver. Eneste undtagelse er scenariet med den reducerede afstand mellem sandslirerne, hvor der efter 30 år fortsat er en udtalt forskel mellem afværgescenariet og det rene udvaskningsscenarium. Den langsigtede effekt ved oprensningsmetoden konstateres derfor at være ringe, når afstanden mellem sandslirerne er 1 m eller mere.
6.1 Vandfluxens betydning for afværgestrategien
Simulering af en øget vandgennemstrømning i sandsliren viser, at permanganaten bedre fordeles i sandsliren ved øget vandgennemstrømning og øger omsætningen af PCE. Ligeledes er den øgede vandgennemstrømning med til at opretholde en høj diffusionsgradient ud af leren og øge den samlede massefjernelse. Ved kombinationen af høj vandgennemstrømning og tilførsel af permanganat kan en lav PCE koncentration i sandsliren opretholdes, hvormed uddiffusionen af PCE fra leren maksimeres. En lav vandgennemstrømning vil tilsvarende ikke kunne fordele permanganaten i tilstrækkelig grad til at opnå en tilfredsstillende uddiffusion ud af lermatrix uden for nærområdet til injektionsfeltet med mindre tilførslen sker flere steder i sliren.
Det konservative udvaskningsscenarium med simulering af en vandgennemstrømning i sandsliren, der er fem gange basisscenariet viser, at massefjernelsen efter 15 år omtrentlig svarer til afværgesituationen fra basisscenariet.
6.2 PCE fordelingen i leren ved start på afværge
En ændret fordeling af PCE i leren resulterer i en højere oprensningsgrad, da en relativ større andel af massen er tæt på sandlinsen. Imidlertid betyder den lavere koncentration længere inde i leren af PCE fortsat diffunderer ind i den indre del af leren i takt med at afværgen pågår. Dette forhold betyder, at der den samlede oprensningstid ikke reduceres i forhold til basisscenariet.
6.3 Diffusionskonstanten
En øget diffusionskonstant giver en øget flux af PCE ud i sandsliren. Dermed muliggøres en øges stofomsætning. Hvorvidt en høj uddiffusion kan opretholdes afhænger af PCE omsætningen og -udvaskningen i sandsliren. Såfremt PCE’en ikke omsættes eller udvaskes fra sandsliren i samme takt som uddiffusionen fra matrix vil det resulterer i en lavere diffusionsgradient og dermed lavere stofflux ud i sandsliren.
Den udførte simulering viser, at den øgede diffusionskonstant resulterer i en øget PCE-koncentration i sandsliren, men pga. begrænset tilsætning af permanganat er den samlede massefjernelse ikke optimal. Den konstaterede massefjernelse er dermed kun marginalt større end basisscenariet.
Da diffusionskonstanten er velbeskrevet i litteraturen forventes usikkerheden på denne parameters aktuelle værdi at være beskeden. Det udførte scenarium med en tredobling af parameterværdien er derfor et ekstrem tilfælde.
6.4 Afstanden mellem sandslirerne
Efter 15 år viser de præsenterede massebalancer, at der fortsat er op mod 75% af PCE-massen tilbage i systemet i scenarierne med 1 meters afstand mellem sandslirerne. Efter 30 år reduceres denne del til godt 65%. I det præsenterede scenarium, hvor afstanden mellem sandslirerne mindskes til 30 cm, konstateredes en væsentlig massefjernelse ved afværgetiltaget og afstanden mellem sandslirene antydes derfor at have afgørende effekt.
Med henblik på at vurdere sammenhængen mellem oprensningsgraden og afstanden mellem de horisontale sandslirer, er der udført supplerende modelsimuleringer, hvor alle andre parametre end sprækkeafstanden er fastholdt. Resultatet herfor er præsenteret i Figur 6-1 med den resterende PCE mængde tilbage i systemet til tiden 15 år optegnet som funktion af sprækkeafstanden.
Figur 6-1: Resterende PCE masse i systemet efter 15 år som funktion af sprækkeafstanden.
Figuren viser, at den resterende PCE-mængde i systemet ved en sprækkeafstand på 1 m ligger på 75% for situationen med afværge og 82% for det tilsvarende udvaskningsscenarium. De to kurver falder herfra gradvist i takt med at afstanden mellem sandslirerne reduceres. Af figuren erkendes det, at afstanden mellem sandslirerne skal reduceres til 20 cm før en fuldstændig oprensning nås efter 15 år. Uden tilsætning af permanganat skal afstanden helt ned på ca. 10 cm. Forskellen mellem de to kurveforløb viser at den samlede massefjernelse blot er 10-20 procentpoint større med aktiv afværge i forhold til ren udvaskning. Det erkendes, at uddiffusionen ikke sker med en tilstrækkelig hastighed til at opnå en tilfredsstillende oprensning, når afstanden mellem sandslirerne er med den givne beskrivelse af systemet.
De præsenterede kurver skal samtidig holdes op i mod de præsenterede koncentrationsprofiler på tværs af strømningsretningen, som viser en betydelig forskel på koncentrationsfordelingen i gennem den betragtede system. I profilsnittet igennem injektionsfeltet er der sket en væsentlig større massefjernelse end profilsnittet 30 m nedstrøms injektionsfeltet. Dette forhold tager de opstillede massebalancer ikke højde for, da massebalancen er beregnet for den samlede mængde stof tilbage i systemet. En udregning af arealet under kurverne med hensyntagen til sorptionsledet viser, at der er 30 % mere PCE i det nedstrømsliggende profilsnit end i profilet gennem injektionsfeltet.
Endelig noteres her at den resterende PCE-masse i systemet efter 15 år for scenarium 2, 6, 7 og 8, som alle repræsenterer en sprækkeafstand på 1 m, er 69 - 73% ved afværge, altså marginalt forskellig fra basisscenariet.
6.5 Ændrede reaktionsbetingelser
De udførte simuleringer viser at den tilførte permanganat effektivt omsætter PCE i reaktionszonen bestående af sandsliren og den oxiderede del af leren. Samtidig hermed opretholdes en høj diffusionsgradient ud af leren, hvormed den samlede massefjernelse af PCE maksimeres. De udførte simuleringer har fokuseret på uddiffusion af PCE fra leren mens udbredelsen af reaktionszonen, dvs. zonen hvor PCE kan omsættes af permanganat, er fastholdt gennem hele oprensningsperioden.
Det er vist at mellem 70% og 90% af den tilførte permanganat omsættes af organisk stof i den reducerede ler, men simuleringerne tager ikke hensyn til en eventuel udvidelse af reaktionszonen i afværgeperioden. Dette forhold er dog ikke afgørende, da den tilførte mængde permanganat ikke er tilstrækkelig til at udvide reaktionszonen væsentligt. Dette erkendes af, at der i laboratorieundersøgelserne af materiale fra lokaliteten er fundet at 10-15 g kaliumpermanganat kan oxidere organisk materiale fra 1 kg jord /1/. Det nøjagtige forhold er afhængigt af permanganatkoncentrationen. Ved at antage en rumvægt på 1,9 kg/l og et oxidationsforhold på 10 g permanganat/kg jord skal der tilsættes omkring 19.000 g permanganat for at oxidere 1 m³ jord. Til sammenligning skal der blot anvendes knap 100 g permanganat til at oxidere PCE-mængden i 1 m³ jord forudsat en væskekoncentration på 82 mg/l og ligevægt mellem jord- og vandfase samt et reaktionsforhold på 0,96 g permanganat/g PCE.
I det opstillede basisscenarium er der tilført en samlet mængde kaliumpermanganat på ca. 1.400 g, hvilket er ækvivalent til oxidation af 140 kg reduceret ler eller ca. 2 mm ler i kolonnens længde. Dette svarer til, at reaktionsfronten potentielt set kan forøges med 1 mm på hver side af sandsliren i afværgeperioden, under forudsætning af, at den tilførte permanganat udelukkende reagerer med organisk stof. Antagelsen om en fastholdt udbredelse af den oxiderede zone i simuleringsperioden er derfor rimelig.
Med henblik på at perspektivere de udførte modelsimuleringer til andre afværgeteknikker er der som supplement til de præsenterede scenarier udført en modelsimulering, hvor det tilførte oxidationsmiddel alene reagerer med PCE. Det modellerede regime er her identisk med scenarium 6, hvad angår startkoncentrationer, tilsætning af oxidationsmiddel, diffusionskonstanter o.a., dog fjernes det organiske stof fra leren. Det tilførte oxidationsmiddel omsættes dermed alene af PCE eller udvaskes. Resultater for dette regime er sammenfattet i Figur 6-2a og b.
Figur 6-2a: Gennembrudskurver for PCE og kaliumpermanganat ved 5-dobbelt tilsætning af permanganat og ingen reaktion med organisk stof.
Figur 6-2b: Massebalanceopgørelse for PCE og permanganat med hhv. uden afværge efter 15 år ved 5-dobbelt tilsætning af permanganat og ingen reaktion med organisk stof.
PCE-koncentrationen reduceres i denne situation til nul allerede inden for to år, og der ses intet tilbageslag af PCE efter endt afværge. 86% af den samlede PCE mængde i systemet er omsat af det tilførte oxidationsmiddel efter 15 år og kun 12% resterer, mens 2% er udvasket.
Af det tilførte oxidationsmiddel er 49% udvasket efter 15 år og 38% er reageret med PCE. De resteresterende 13% er fortsat tilbage i systemet. I sandslirens nedstrøms ende er der i hele perioden et betydeligt overskud af oxidationsmiddel.
Den udførte simulering viser, at en meget stor del af forureningsfanen kan renses op, såfremt det tilførte oxidationsmiddel ikke reagerer med andre stoffer end PCE. Det tilførte oxidationsmiddel trænger ind i den inderste del af leren og omsætter PCE. Dermed antydes det, at en effektiv oprensningsstrategi potentielt set er mulig såfremt de reaktionskemiske begrænsninger i form af permanganatomsætning ved organisk stof eller lign. kan omgås. Den konstaterede reaktionskemiske barriere er dermed i lige så høj grad styrende for oprensningsmetodernes effektivitet som PCE-diffusionen ind og ud af leren, når afstanden mellem sandslirerne er, som angivet.
Version 1.0 November 2007, © Miljøstyrelsen.