2 Strategi og fremgangsmåde

Bestemmelse af forureningskoncentrationen i mobilt porevand i den umættede zone

Under projektet er fulgt nedenstående overordnede fremgangsmåde, som uddybes gennem de følgende afsnit.

Indledningsvis er der udarbejdet laboratorieudstyr, valgt jordtyper og hjemtaget jord til forsøgene.

Der er udført laboratorieforsøg med umættet stationær strømning af forurenet vand gennem sandkolonner (20 x 40 cm). Efterfølgende blev der udendørs gennemført lysimeterforsøg i fire lysimetre (70x 100 cm); to med moræneler og to med smeltevandssand. I lysimeterforsøgene blev forureningskomponenterne, som rene stoffer, injiceret i jorden i ca. 15 cm’s dybde (phenanthren blev dog opløst i benzin). Lysimeterforsøgene er udført ved såvel lav som høj hydraulisk belastning.

Af forureningskomponenter er der anvendt trichlorethylen (TCE), blyfri benzin, MTBE og, som en mindre flygtig komponent, phenanthren. Der er udført forsøg med såvel sand som moræneler. En række metoder var i betragtning til udtagning/beregning af koncentrationer af porevandet:

Udcentrifugering af porevand fra en jordkerne.
Sugeceller (af henholdsvis PTFE/kvarts og stål).
Opsamling af udløbsvand fra kolonner og lysimetre.
Jordprøvetagning med analyse og beregning af porevandskoncentrationer ved hjælp af fugacitetsprincippet (regnearket JAGG /8/).
Poreluftprøvetagning med analyse og beregning af porevandskoncentrationer ved hjælp af fugacitetsprincippet (regnearket JAGG /8/).
Udvaskningstest, dvs. udvaskning af jordprøver i vand og efterfølgende beregning af porevandskoncentrationen ved fortyndingsberegninger og beregninger efter fugacitetsprincippet.

Udcentrifugering af porevand udgik som metode allerede under planlægningsfasen, og poreluftprøvetagning med efterfølgende fugacitetsberegning af porevandskoncentrationen udgik efter kolonneforsøgene i laboratoriet.

Resten af de nævnte metoder blev anvendt i de udendørs lysimeterforsøg. Ved disse forsøg var udløbs- og porevandskoncentrationer så lave, at datamængden blev meget lille. Modelsimuleringer viste, at der formentlig var sket et meget stort stoftab ved fordampning fra lysimetrene. Derfor udførtes supplerende lysimeterforsøg under høj hydraulisk belastning, med større udløbs- og porevandskoncentrationer.

Indledende arbejder

Der er konstrueret cylindre til kolonne-eksperimenter og udarbejdet vandingssystemer og bundstykker, hvorfra der kan udtages vandprøver. For at simulere realistiske umættede forhold, er bundstykkerne udformet således, at det har været muligt at påføre et svagt undertryk i bunden af kolonnerne.
Der er konstrueret udstyr således, at der kunne udtages intaktblokke af moræneler til lysimeterforsøg (cylindre med diameter på 70 cm og højde på 100 cm).
Der er udvalgt typelokaliteter for udtagelse af jord til forsøgene; sand fra en lokalitet i Voldby, beliggende vest for Århus, og moræneler, fra lokaliteten Røgen, beliggende nær Gjern, omtrent midt mellem Århus og Viborg.

I forbindelse med de afsluttende lysimeterforsøge ved høj hydraulisk belastning valgte vi, se afsnit 3.5, at skifte overjorden ud med marint sand fra Tylstrup, der ligger nord for Aalborg.

Der blev benyttet specialkonstruerede centrifugeringskopper. De fleste vandanalyser kræver ret store vandmængder, benzinanalyser fx 1,0 l vand, se afsnit 3.3, og med henblik på at mindske stoftab var det derfor nødvendigt at skaffe store og holdbare centrifugeringskopper, således at vandet kunne udcentrifugeres i relativt få portioner.

Kolonneeksperimenter

Der er gennemført kolonneeksperimenter med umættet stationær strømning af forurenet vand under konstante temperaturforhold. Forsøgene, som blev udført af Dansk JordbrugsForskning i Foulum, bestod af 12 laboratorie-eksperimenter (2 pilot-eksperimenter og 2 x 5 kolonne-eksperimenter med henholdsvis TCE og benzin/phenanthren) med forskellige prøvetagningsmetoder:

Opsamling af vand i sugeceller.
Jordprøvetagning med analyse og tilhørende beregning af porevandskoncentrationen ved hjælp af fugacitetsprincippet.
Udvaskningstest, dvs. udvaskning af jordprøver i vand, med efterfølgende analyse af vandet og tilhørende omregning til porevandskoncentration ved såvel simpel opblandingsberegning som ved anvendelse af fugacitetsprincippet.
Opsamling af poreluft på kulrør med tilhørende analyse og omregning til porevandskoncentrationer ved hjælp af fugacitetsprincippet.

Kolonneeksperimenterne er udført på intaktprøver udtaget i Voldby-sand. Undervejs i kolonneeksperimenterne viste det sig, at sugecellerne adsorberede i hvert fald tunge kulbrinter, hvorfor de først anvendte sugeceller af materialet PTFE (fabrikatet Prenart) blev udskiftet med stålsugeceller (af fabrikatet Soil Measurements Systems, Tucson, USA). Stålsugecellerne blev anvendt i forbindelse med de sidste 4 kolonneforsøg (2 forsøg med TCE og 2 med benzin/phenanthren).

Analyser blev udført ved gaschromatografi (GC-FID, GC-MS eller GC-ECD).

Lysimeterforsøg:

To intakte morænelersblokke blev udtaget og opstillet udendørs som lysimetre på Danmarks JordbrugsForsknings semi-field anlæg i Foulum ved Viborg. Her blev der også opstillet to lysimetre, som var pakket med Voldby-sand.

Lysimeterforsøg blev gennemført under lav hydraulisk belastning; en nettoflux på 3mm/døgn – udvandet manuelt. Den aktuelle fordampning på lokaliteten bliver målt dagligt af Dansk JordbrugsForskning. Med automatiske rulletage blev naturlig nedbør afskåret fra lysimetrene.
Ud fra resultaterne af kolonne-eksperimenterne blev det bestemt, at der i lysimetrene skulle udtages porevandsprøver med sugeceller, såvel PTFE- som stål-sugeceller, og at der, i det omfang det ville være muligt, skulle udtages jordprøver til udvaskningstest og til almindelige jordanalyser. Analyser blev udført ved gaschromatografi (GC-FID, GC-MS eller GC-ECD).
I lysimeterforsøgene med lav hydraulisk belastning var udløbs- og porevandskoncentrationerne så lave, at datamængden blev meget lille. Der er derfor gennemført supplerende lysimeterforsøg under høj hydraulisk belastning.

Inden disse forsøg blev overjorden i lysimetrene udskiftet med en anden sandtype (Tylstrup sand) som har en bedre vandtilbageholdelsesevne, hvorved stoftab ved fordampning fra lysimetrene kan mindskes.

Der blev anvendt samme forureningskomponenter som sidst, dog i større koncentrationer, og denne gang blev der endvidere tilsat MTBE til lysimetrene. Analyserne blev udført ved Purge & Trap-metoden (dog GC-MS for phenenthren), som har lavere detektionsgrænser end de tidligere anvendte standard-analysemetoder.