Termisk assisterede oprensninger

6 Behandling af vand og luftstrømme

6.1 Indledning
6.2 Vandbehandlingen
6.2.1 Boringer
6.2.2 Pumper
6.2.3 Varmevekslere
6.2.4 Gravitations separering
6.2.5 Behandling af opløste stoffer
6.3 Luftbehandlingen
6.3.1 Boringer
6.3.2 Pumper
6.3.3 Varmevekslerkondensator
6.3.4 Luftrensning

6.1 Indledning

Store fluktuationer

Fordi oppumpet vand og luft typisk er 80-100 °C varmt, er behandlingsanlægget anderledes end ved vakuumekstraktion og pump-and-treat. Først og fremmest skal den varme luft og det varme vand afkøles, og overskydende vand fjernes fra luften. Dette gøres typisk i en varmeveksler (figur 6.1). Den store udfordring ligger i at både luftens vandindhold og koncentration af forureningskomponenter kan variere meget hurtigt, og over store intervaller. Specielt opstår store fluktuationer, når temperaturen ligger og svinger omkring kogepunktet. Når den er over kogepunktet, presses store mængder damp og stoffer ud af jorden. Når den falder under kogepunktet, falder vandindholdet til niveauer 10-100 gange lavere (Heron et al. 1998a; Brüel & Kjær, 1997).

Ved en normal vakuumekstraktion er det ikke nødvendigt at oppumpe vand. Med henblik på at sikre pneumatisk kontrol med afkastluft ved termiske oprensninger vil det ofte være nødvendigt med en mere intensiv vakuumventilering end ved traditionelle in situ oprensninger.

Figur 6.1. Skitse af anlægsopbygning til behandling af vand og luft

6.2 Vandbehandlingen

6.2.1 Boringer

Boringerne til oppumpning af vand skal udføres i en dimension, der tillader en oppumpning, så der kan opnås en hydraulisk isolering af det område, der ønskes oprenset. Dette betyder, at det vil være nødvendigt at fastlægge hydrauliske parametre som transmissivitet og gradient, før en dimensionering kan finde sted.

Materialer

Valget af materiale til boringerne afhænger af, om den termiske oprensning foretages ved elektrisk opvarmning eller dampinjektion. Som hovedregel ved elektrisk opvarmning bør man ikke anvende elektrisk ledende materialer til boringerne, dvs. ubeskyttet stål er udelukket. Eventuelt kan stål betrækkes med teflon eller PVC.

Under oprensningen på Lawrence Livermore National Laboratory (kombination af dampinjektion og elektrisk opvarmning, jf. afsnit 5.3) blev der anvendt en kombination af stålrør og glasfiberrør, samt beviklede stålrør (Newmark et al. 1994).

Ved dampinjektion er problemet omkring materialevalg udelukkende relateret til temperaturen af vand/luft/jord. Plastmaterialer som varmebestandig PVC (CPVC) og polypropylen kan anvendes til ekstraktion af vand og luft, men stålrør er et mere velegnet materiale.

6.2.2 Pumper

Dykpumper

Pumper til oppumpning af vand - i forbindelse med termisk assisterede oprensningsprocesser - adskiller sig fra traditionelle grundvandspumper ved at skulle anvendes i et varmt medie. Almindelige dykpumper, eksempelvis Grundfos SP serie, er ikke velegnede til varme medier pga. risikoen for kavitation i pumpen. Herudover vil høje koncentrationer af opløsningsmidler, hvad enten det er klorerede eller aromatiske/alifatiske, slide voldsomt på lejer og pakninger, hvis pumperne ikke er fremstillet til formålet, som f.eks. Grundfos LM, LP og CLM serier.

6.2.3 Varmevekslere

Køling vigtig

Oppumpet grundvand ved termisk assisterede oprensninger kan have temperaturer helt op til 100 °C, og det er nødvendigt at afkøle vandet i en varmeveksler. Den mest almindelige type er rørvarmeveksleren, hvor vand og kølemedie løber i parallelle tætpakkede rør i hver sin retning. Typisk vil man integrere luftstrømmen og vandstrømmen, inden de ledes igennem veksleren, for at fjerne så meget væske fra luften som muligt (Figur 6.1). l tabel 6.1, afsnit 6.3 om varmeveksling og kondensering for luftdelen er der angivet nogle størrelser til dimensionering af vandkølere og varmevekslere.

6.2.4 Gravitations separering

NAPL skilles fra

Når vandtemperaturen er sænket til ca. 30 °C, er det muligt at udføre en separering af en eventuel fri fase. Afhængig af om produktet er en LNAPL (lettere end vand) eller en DNAPL (tungere end vand), vil produktet flyde eller synke, hvis det forurenede vand ledes igennem et bassin med tilstrækkelig stor opholdstid. Den nødvendige opholdstid i bassinet er afhængig af densitetsforskellen mellem den fri fase og vandet. Jo større forskel jo mindre opholdstid i bassinet.

Gravitationsseparatorer for olieprodukter leveres som standardvare (olie- og koalescensudskillere), hvorimod produkter til separering af tungere produkter ikke findes som standard. For dimensionering af udskillere henvises til Hansen og Søltoft (1980).

Mere sofistikerede processer som hydrocykloner og flotation kan tages i anvendelse, hvis en gravitationsseparering ikke er tilstrækkelig til at fjerne den fri fase.

Som udgangspunkt vil det vand, der forlader en separator, have en koncentration af forureningskomponenter, der svarer til opløseligheden af stofferne, såfremt der forekommer fri fase i systemet.

Nedkøling af vandet fra 90 °C til 30 °C reducerer typisk opløseligheden af forureningskomponenterne med en faktor 2 (se afsnit 3), hvilket reducerer belastningen ved behandlingen af opløst stof og leder til udskillelse af mere fri fase.

6.2.5 Behandling af opløste stoffer

Parametre som opløselighed, bionedbrydelighed og koncentrationen samt flowet vil være dimensionsgivende for den videre vandbehandling inden udledning til recipient. Aktiv kulfiltrering kan fjerne en lang række komponenter fra vandet, men dette er ikke altid økonomisk optimalt, da driftsomkostningerne er relativt høje. Der må derfor udføres cost-benefit analyser på de enkelte metoder i hvert enkelt tilfælde for at vælge den mest rentable.

6.2.5.1 Biofiltre

Biofiltre

Biologiske filtre er velkendte fra bl.a. spildevandssektoren, hvor de ofte anvendes til omsætning af organisk stof. Anvendelsen i forbindelse med en termisk assisteret oprensning er primært relateret til aerobt letomsættelige stoffer såsom benzin, olie og de fleste opløselige tjærekomponenter. Det er en fordel at vandtemperaturen kan holdes på et højt niveau (f.eks. 30 °C), så den biologiske aktivitet er størst mulig.

Anaerobe filtre kan også anvendes, men kræver væsentligt mere tilsyn og regulering.

De generelle fordele ved et biologisk filter er:

De generelle ulemper ved biologiske filtre er:

6.2.5.2 Kemiske filtre

Kemiske filtre

Kemiske filtre til vandbehandling i afværgesammenhæng er et relativt nyt og ubeskrevet emne. Eksempelvis er filtre til kemisk omdannelse af TCE og PCE til ethen, ethan og klorid over frie jernoverflader et eksempel på et kemisk filter.

Økonomien i denne type filtre er heller ikke undersøgt til bunds. Det vurderes dog, at kemiske filtre såvel økonomisk som miljømæssigt kan være et gunstigt valg til behandling af opløste forureningskomponenter.

De generelle fordele ved et kemisk filter er:

De generelle ulemper ved kemiske filtre er:

6.2.5.3 Adsorptive filtre

Kulfiltre

Adsorptive filtre er anvendt i mange sammenhænge i forbindelse med vandbehandling. Det mest almindelige i afværgesammenhæng er anvendelse af aktivt kul til fjernelse af klorerede opløsningsmidler, pesticider samt benzin, men også andre adsorptionsmidler kan anvendes.

Kulfiltre er kendetegnet ved en simpel opbygning og drift. Der er ikke mange ting at tage stilling til ud over den hydrauliske belastning og risikoen for udfældninger af jern og kalk. Effektiviteten af filteret falder med temperaturen på mediet, der skal renses. Køling til 25-30 °C er derfor tilrådeligt, hvis der anvendes kulfilter.

De generelle fordele ved et adsorptivt filter er:

De generelle ulemper ved adsorptive filtre er:

6.2.5.4 UV-oxidation

UV-oxidation

UV-oxidation af komponenter er ikke nogen ny teknologi, selv om den i afværgesammenhæng indtil nu har fundet en begrænset anvendelse herhjemme. Anlæggene kan deles op i to delprocesser: Ozonfremstilling og oxidation i vandet.

Ozon kan fremstilles ved to metoder dels ved belysning af atmosfærisk luft eller ren ilt med UV-lys med en specifik bølgelængde, dels ved udladning af et elektrisk felt i luft.

Den dannede ozon/luftblanding tilføres vandet, og ved bestråling af vandet med en UV kilde med en specifik bølgelængde dannes frie ilt radikaler, der er ekstremt reaktive. Processen kan yderligere stimuleres ved tilsætning af hydrogenperoxid.

De frie radikaler reagerer villigt med de organiske forbindelser, der nedbrydes til mindre bestanddele, og hvis opholdstiden er lang nok, til vand og kuldioxid.

Blandt problemerne hører, at de frie radikaler kan forbruges, inden de kan omsætte målkomponenterne, og dels at vandets indhold af jern og kalk kan udfælde på de lysstofrør, der skal initiere processen. Herudover kan en utilstrækkelig opholdstid i anlægget medføre dannelsen af uønskede mellemprodukter.

Dette betyder, at der skal udføres egentlige forsøg med det specifikke vand forud for en dimensionering af et fuld skala anlæg. Ligeledes er det en god idé at have forberedt installationen for en "afkalkning" af rørene, såfremt belægningsproblemer opstår.

De generelle fordele ved UV oxidation er:

De generelle ulemper ved UV oxidation er:

6.3 Luftbehandlingen

6.3.1 Boringer

Stort flow

Boringerne til termisk assisterede oprensninger skal dimensioneres til større luftmængder end ved traditionelle vakuumekstraktionsanlæg. Dette hænger sammen med, at der her introduceres meget store gradienter og volumenudvidelse for porevandet i områder, hvor der foregår lokal kogning. For at opsamle den dannede damp/luft skal der derfor være et stort flow.

I figur 6.1 er vist 2 boringer med hver sin reguleringsventil. Det er her, som ved traditionelle vakuumekstraktionsanlæg, af største vigtighed, at der er en mulighed for at regulere flowet fra de enkelte boringer, så der kan opnås en jævn vakuumfordeling over det område, der skal behandles. Da der opnås høje koncentrationer af forurenings­komponenterne i gasfasen, skal der kunne måles en nedadrettet trykgradient i poreluften overalt ved overfladen i det påvirkede område, så luften ikke stiger op.

In situ test

Til dimensionering af boringerne er det af stor betydning at få fastlagt de hydrauliske/pneumatiske parametre i jorden. Disse fastlægges bedst ved en vakuumekstraktionstest med måling af vakuumudbredelsen i tid og sted i en række observationsboringer, helt analogt til en grundvandsprøvepumpning. Temperaturen i den opsugede luft kan forventes at være helt op til in situ temperaturen, dvs. op til 140 °C. Med henblik på materialevalg henvises til afsnittet om boringer i vandbehandlingsdelen (afsnit 6.2.1).

6.3.2 Pumper

Pumperne skal vælges ud fra ønsket om at etablere et tilstrækkeligt vakuum og flow overalt i systemet. I figur 6.1 er pumpen placeret efter varmeveksleren. Denne placering er at foretrække, da de fleste vakuumpumper ikke er velegnede til at pumpe meget varme luftmedier indeholdende høje koncentrationer af vanddampe og opløsningsmidler.

Valg af vakuumpumpe

Typiske vakuum, der skal påføres boringerne, vil være i størrelsen 200-500 mBar, og flowet vil være meget afhængigt af jordens permeabilitet og forureningens volumen. Herudover er det vigtigt at vurdere den elektriske effektivitet af pumpen i det forventede arbejdsområde. Gode vakuumpumper anvender op til maksimalt 40 % af den tilførte energi til flytning af luften, hvor de resterende 60 % bliver til varme. Hvis der vælges en pumpe, der ikke er effektiv i arbejdsområdet, kan så lidt som 5-10 % af energien gå til flytning af luften.

Af hensyn til fleksibiliteten i et anlæg bør man anvende én vakuumpumpe pr. boring, således at reguleringsventilerne undgås. Der er reguleringsmæssige fordele forbundet med denne metode. Imidlertid vil det kræve at der etableres separate varmevekslere/kondensatorer og vandudskillere. I de fleste tilfælde vil omkostningerne til dette gøre, at en løsning med én pumpe med reguleringsmuligheder vil være at foretrække ud fra en økonomisk synsvinkel.

Afhængig af valg af pumpe, og rensningsteknologien til luften, kan det være nødvendigt med en efterfølgende køling af luften, når denne har passeret vakuumpumpen.

6.3.3 Varmevekslerkondensator

Den varme luft der ekstraheres indeholder meget store mængder vand. I Appendiks 2 er vandindholdet ved mætning som funktion af temperaturen vist.

Tænkt eksempel

Som eksempel kan angives, at afkøling af en luftstrøm på 500 m³/t fra 100 °C til 25 °C vil medføre kondensering af 565 g vand/m³, eller en vandmængde på 283 l/t under forudsætning af, at luften er vandmættet.

Energien, der skal fjernes, er dimensionsgivende for kondensatoren. I tabel 6.1 er angivet de enkelte bidrag i et teoretisk eksempel, hvor det antages, at der oppumpes 500 m³ luft /t ved 100 °C og 5 m³ vand/t ved 70 °C. Begge processtrømme køles samlet til 25 °C.

Tabel 6.1. Eksempel på energien, der skal fjernes i en varmeveksler og kondensator.

Det fremgår af tabel 6.1, at de to helt dominerende processer - energimæssigt set - er kondensering af vandet i luften og afkøling af det oppumpede vand. Hvis der ikke oppumpes store mængder forurening med vandstrømmen, er der derfor al mulig grund til at reducere denne strøm mest muligt.

Hvis det antages, at der i eksemplet var anvendt en rørvarmeveksler med en indløbstemperatur på 15 °C og udløbstemperatur på 30 °C og en effektivitet på 100 %, vil den nødvendige kølevandsmængde være 28 m³/t.

Ved anvendelse af en luftkøler med indløbstemperatur på 15 °C (luftfugtighed 80 % RH/relativ fugtighed) og udløbstemperatur på 30 °C, er den tilsvarende luftstrøm ca. 90.000 m3/t.

Teorien omkring dimensionering af varmevekslere er meget velbeskrevet. For en simpel indføring henvises til Hansen og Søltoft (1980).

6.3.4 Luftrensning

Fugtig luft, store udsving i koncentrationerne

Luften, der kommer fra veksleren/kondensatoren, vil være 20-40 °C afhængig af driftbetingelserne for anlægget. Luftfugtigheden vil være 100 %, og der vil forekomme vandaerosoler i luften. Koncentrationen af komponenter vil variere voldsomt fra starten af oprensningen, til dampfronten (dette er uafhængigt af opvarmningsformen) når frem til ekstraktionsboringerne. Disse betingelser vil influere kraftigt på mulighederne for anvendelsen af forskellige rensningsteknologier. Eksempelvis vil biologiske filtre til luftrensningen ikke være særligt anvendelige, da koncentrationsændringerne i tiden ikke tillader bakterierne at opformere sig hurtigt nok.

6.3.4.1 Direkte forbrænding

Direkte forbrænding

Ved direkte forbrænding fjernes komponenterne i luften ved forbrænding i et brændkammer, specielt designet til formålet, eller i en ombygget forbrændingsmotor. Direkte forbrænding er en god metode over for meget høje koncentrationer af oliestoffer, vandblandbare opløsningsmidler, som ketoner og aldehyder, men ikke umiddelbart anvendelig over for de klorerede opløsningsmidler. Anvendeligheden er direkte relateret til brændværdien i luftstrømmen, der ønskes renset, således at desto højere koncentrationer desto mindre støttebrændsel og derved billigere rensning. Såfremt metoden anvendes til oxidation af de klorerede opløsningsmidler kræves, ud over meget støttebrændsel, også en efterbehandling af luften pga. den dannede saltsyre. Forbrændingen foregår ved højere temperaturer (900-1000 °C).

Fordelene ved direkte forbrænding er:

Ulemperne ved direkte forbrænding er:

6.3.4.2 Katalytisk oxidation

Katalytisk oxidation

Katalytisk oxidation er også en forbrændingsteknik. Forskellen på denne forbrænding og den direkte forbrænding er, at den katalytiske oxidation forløber ved en langt lavere temperatur (400-600 °C).

Det optimale koncentrationsområde for katalytisk oxidation er bredt, ligesom der findes forskellige katalysatorer, der er anvendelige over for de komponenter, der ønskes fjernet. Da metoden foregår ved en lavere temperatur, skal der ikke anvendes nær så meget støttebrændsel som den direkte forbrænding. Dette bevirker, at denne metode er langt mere attraktiv over for de klorerede opløsningsmidler.

Der skal dog stadig udføres en efterbehandling til fjernelse af den dannede syre, ligesom materialevalget i oxidationsenheden skal modvirke korrosion som følge af syrepåvirkningen.

Fordelene ved katalytisk forbrænding er:

Ulemperne ved direkte forbrænding er:

6.3.4.3 Corona oxidation

Corona oxidation

Oxidation af gasstrømme ved hjælp af corona-teknik er en ny og endnu ikke kommercielt tilgængelig metode. Kommercielle reaktorer forventes dog i handelen i løbet af 1998. Der etableres et højspændingsfelt mellem to elektroder over et dielektrisk medie. Der løber en relativt svag strøm igennem luften hen over mediet, og som følge heraf dannes der frie iltradikaler og ozon i luften. Disse radikaler reagerer med de organiske stoffer i luften, der herved oxideres. Klorerede opløsningsmidler oxideres til CO₂, H₂O og Cl^-. Corona oxidationen foregår ved lave temperaturer, ca. 100 °C, hvilket gør at energiforbruget er meget lavt sammenholdt med katalytisk oxidation.

I Shah et al. (1995) gennemgås teori og økonomi ved disse reaktorer, og teknikken er vurderet meget konkurrencedygtig i forhold til katalytisk oxidation. Den samme erkendelse er Cummings et al.

(1997) kommet til. Ud over katalytisk oxidation er prisen på metoden sammenlignet med et antal andre metoder. I næsten alle tilfælde er metoden økonomisk overlegen. Aktiv kulfiltrering kan i tilfælde af meget små flow med lave koncentrationer være et bedre økonomisk alternativ.

På baggrund af de indledende forsøg med denne metode forventes det, at den i løbet af en kort årrække vil spille en stor rolle i luftbehandlingen.

6.3.4.4 Aktiv kulfiltrering

Kulfiltrering

Aktiv kulfiltrering er en teknologi, der anvendes i bredt omfang til fjernelse af forskellige organiske komponenter i luft, både industrielt og i forbindelse med in situ oprensninger. Kullet har forskellig affinitet over for forskellige stoffer. Generelt gælder at jo lavere kogepunkt et stof har, desto dårligere tilbageholdes det i kullet. Ydermere spiller lufttemperaturen og fugtigheden en dominerende rolle på kullenes evne til at optage de organiske stoffer. Luftfugtigheden bør ikke være over 80 % RH, relativ fugtighed, og temperaturen skal være så lav som muligt.

Dette betyder, at man i modsætning til de andre rensningsteknologier ofte er nødt til at indføre en køling/varmeveksling efter vakuumpumpen for at nedbringe lufttemperaturen. Temperaturen efter vakuumpumpen kan være helt op til 100-120 °C afhængig af driftsbetingelserne, og denne temperatur er alt for høj for en effektiv udnyttelse af kullene. Temperaturer mindre end 30-40 °C er at foretrække, hvis de kan opnås.

Fordelene ved aktiv kulfiltrering er:

Ulemperne ved aktiv kulfiltrering er: