Vurdering af naturlig nedbrydning af PCE i grundvandsmagasin ved isotopfraktionering
5 Undersøgelser
5.1 Prøvetagning
En række boringer centralt placeret ud gennem fanen er udvalgt på grundlag af de eksisterende analysedata for PCE og nedbrydningsprodukter. Samtlige filtre i de udvalgte boringer, hvor koncentrationerne af et eller flere af stofferne oversteg den forventede detektionsgrænse på ca. 5 µg/l for bestemmelse af isotopfraktionering, er prøvetaget. Suppleret med prøver fra de 2 boringer længst ude i front af fanen, hvor koncentrationsniveauet var lavere. Prøvetagningen har omfattet følgende boringer/filtre: B5-1, B5-2, B5-3, B11-2, B11-3, B16, B20, B22-1, B22-2, B22-3,B23-1, B23-2, B23-3, B23-4, B28-1, B28-2, B28-3, B34-1, B34-2, B34-3, B34-4, B34-5, B34-6, B47-1, B47-2, B58-2, B58-3, B58-4, B58-5, B58-6, B60-2, B60-3, B61-1, B61-2, B61-3, B64 og B67 (se figur 2.4).
Boringerne er forpumpet og prøvetaget af Orbicon (februar 2006) efter sædvanlig praksis for prøvetagning for flygtige organiske stoffer. For samtlige filtre er målt feltparametre (pH, ledningsevne og ilt) ved prøvetagningen. Prøver til jern og manganbestemmelse er filtreret i felten. Prøver til analyse for chlorerede opløsningsmidler og nedbrydningsprodukter (incl. ethen) samt redoxparametre er udtaget i emballage leveret af Eurofins og opbevaret i køletaske til afhentning af Eurofins.
Prøver til isotopfraktionering er i første omgang udtaget i 40 ml VOC-vials og konserveret ved tilsætning af natriumhydroxid til pH 10, hvorefter de er pakket i køletaske og sendt til University of Neuchatel for analyse.
Neuchatel har i et PhD-projekt sideløbende med analysen af prøverne fra første prøvetagningsrunde udviklet en metode med betydeligt lavere detektionsgrænser for isotopfraktionering for chloroform ved anvendelse af større prøvevoluminer. Da koncentrationerne af vinylchlorid (VC) var for lave til detektion i prøverne fra første runde blev gennemført supplerende prøvetagning (i 2 omgange, juli 2006 og september 2006) af større voluminer for udvalgte filtre til analyse ved den nye metode, som blev videreudviklet for VC analyse i forbindelse med de supplerende prøvetagninger. I forbindelse med den supplerende prøvetagning er også udtaget supplerende prøver til redoxparametre.
Ved de to supplerende prøvetagningsrunder udført af Neuchatel og DTU hhv. Neuchatel og Orbicon er prøver udtaget i 1 eller 2 liters glasflasker, konserveret og transporteret til Neuchatel.
Under projektet opstod via et forskningssamarbejde mellem Neuchatel og University of Waterloo mulighed for at få enkelte prøver analyseret for chlor-isotopfraktioner. Ved den sidste ovenfor nævnte prøvetagningsrunde blev udtaget 6 prøver fra udvalgte filtre (B28-1, B34-2, B58-5, B61-1, B61-2, B64) til analyse for chlor-isotopfraktioner for cis-DCE. Aftale med og forsendelse af konserverede prøver til Waterloo blev varetaget af Neuchatel.
Ved den samlede vurdering af de opnåede resultater i forbindelse med udarbejdelse af første rapportudkast viste dataene sig ikke blot at påvise nedbrydning af de chlorerede ethener men også at give indikationer på nedbrydningstype/vej. Da en nærmere afklaring ved supplerende prøvetagning og analyser, bl.a. for specifikke nedbrydere, vurderedes at være af interesse ikke blot for denne lokalitet men også mere generelt, blev det besluttet at udvide projektet.
I april 2007 er således foretaget en supplerende prøvetagning af 12 udvalgte boringer/filtre (B23-1, B23-3, B23-4, B34-2, B58-2, B58-4, B60-1, B60-2, B60-3, B61-1, B61-2 og B61-3). Ved denne prøvetagning er primært fokuseret på udtagelse af prøver til analyse for Dehalococcoides (Dhc) og Dehalococcoides med genet for Vinylchloridreductase (Vcr) samt til analyse for nedbrydningsprodukterne ethen, ethan og acetylen. Derforuden blev udtaget prøver til supplerende analyser for kulstof-og chlor-isotopfraktionering, chlorerede ethener og redoxparametre for at komplementere datasættet. Endvidere blev udtaget prøver til bestemmelse af sulfat S-isotopfraktionering, som potentielt kan dokumentere pyritoxidation (resultaterne er givet i /78/, men ikke medtaget i denne rapport).
Prøvetagningen i 2007 er udført af Orbicon. Analyser er udført af GEUS (Dhc og Vcr), Waterloo (ethen, ethan, acetylen, svovl- og chlorisotoper), Neuchatel (kulstof-isotoper), og DTU (chlorerede ethener, ethen, ethan, redoxparametre). Prøver er konserveret som nævnt ovenfor og sendt i køletasker direkte til analysestedet.
Ved optegningen af resultater i afsnit 6 er overvejende anvendt data fra prøvetagning i 2006. Data fra 2007 er tilføjet, hvor der ikke var data fra 2006. I langt de overvejende punkter, hvor der var data fra både 2006 og 2007 var disse meget ens. I enkelte tilfælde, specielt for B23, hvor der var afvigelse, er data fra 2006 erstattet af data fra 2007, da det gav et mere troværdigt samlet billede. Begge datasæt for B23 er vist i figur 6.13.
5.2 Analyser
Prøver fra samtlige prøvetagede filtre er analyseret for indhold af chlorerede opløsningsmidler og nedbrydningsprodukter. Desuden er eksisterende data for redoxparametre suppleret med analyse af prøver fra udvalgte boringer for redoxparametrene nitrat, mangan, jern, sulfat og methan. Der var ikke tidligere konstateret indhold af ethen i de relativt få analyserede filtre. For supplerende filtre er prøver analyseret for ethen. Akkrediterede analyser er udført af Eurofins for den første prøvetagningsrunde.
For at opnå en lavere detektionsgrænse for ethen blev udvalgte filtre i B60, B61 og B64 prøvetaget til analyse ved gaschromatografi med detektion ved massespektrometri (GC-MS) for ethen på DTU i forbindelse med supplerende prøvetagning til isotopfraktionering. Ved den sidste prøvetagning blev 12 filtre i udvalgte boringer (B23-1, B23-3, B23-4, B34-2, B58-2, B58-4, B60-1, B60-2, B60-3, B61-1, B61-2 og B61-3) prøvetaget og analyseret for ethen og ethan (også omfattende chlorerede ethener) ved GC-MS på DTU og for ethen, ethan og acetylene ved GC-MS på Waterloo. Detektionsgrænser for chlorerede ethener, ethen, ethan og acetylen ved Eurofins, DTU og Waterloo er angivet i tabel 5.1.
Redoxprøver udtaget i forbindelse med de supplerende prøvetagningsrunder er analyseret af Neuchatel eller DTU ved ion-chhromatografi (IC) og atomabsorption (AAS).
Tabel 5.1
Detektionsgrænser for chlorerede ethener og nedbrydningsprodukterne ethen, ethan, og acetylen (µg/L).
| Eurofins | DTU | Waterloo | |
| PCE, TCE, cis-DCE, trans-DCE, 1,1-DCE, VC |
0,02 | 0,2-1 | |
| Ethen | 10 | 0,8 | 0,5 |
| Ethan | 2,6 | 0,4 | |
| Acetylen | 5,0 |
5.2.1 Kulstof-isotoper
Kulstof isotopanalyserne er udført af University of Neuchatel, Schweiz.
Prøverne fra første prøvetagningsrunde er analyseret for 12C og 13C for de specifikke stoffer PCE, TCE, cis-DCE og VC. VC koncentrationerne var dog generelt under detektionsgrænsen ved den anvendte metode. Ved de supplerende runder er analyser for 12C og 13C for VC udført ved en mere følsom metode (se nedenfor).
Analyserne er udført som purge&trap analyse. Gasfasen er analyseret med en TRACETM gas chromatograph koblet til en ThermoFinniganTM Delta Plus XP isotope-ratio mass spectrometer via et ThermoFinniganTM GC combustion III interface, opstilling se figur 5.1. Metoden er beskrevet i /11/. Apparaturet er vist i figur 5.2.
Figur 5.1 Analyseudstyr og – opstilling til måling af isotopfraktioner.
Isotopanalyserne for VC er udført ved en modificeret metode med anvendelse af større prøvevolumen. Opstillingen for purge and trap af prøver i stort volumen er illustreret i figur 5.2.
Figur 5.2 Apparatur til isotopfraktion analyser og opstilling til purge- and trap system for stort prøvevolumen.
Kvantifikationsgrænsen for PCE, TCE, DCE isomerer og VC for bestemmelse af isotopfraktionering er opgivet til ca. 5 µg/L ved standardmetoden (40 mL prøve, ufortyndet). Det lykkedes dog i nogle tilfælde at bestemme isotopfraktioneringen for PCE, TCE og/eller cis-DCE ved lavere koncentrationer i prøverne fra denne lokalitet. Standardafvigelsen ved dobbeltbestemmelse af isotopfraktionering var for de fleste prøver < 1% og altid < 3%, hvilket for den grafiske afbildning (eksempelvis i figur 6.8) betyder, at standardafvigelsen er mindre end symbolstørrelsen for datapunkterne.
Ved metoden med større volumen blev foretaget bestemmelse af isotopfraktionering for prøver med VC indhold så lave som 0,2-0,3 µg/l. Der er ikke foretaget nogen generel bestemmelse af kvantifikationsgrænsen.
5.2.2 Chlorisotoper
Chlorisotopanalyserne er udført ved University of Waterloo, Waterloo, Ontario, Canada, som led i et forskningssamarbejde med Neuchatel.
Det er muligt at udføre stofspecifikke chlor-isotopanalyser for PCE, TCE, cis-DCE, trans-DCE, 1,1-DCE og VC. I dette projekt er alene udført analyser for chlor-isotopfraktionering for cis-DCE, som var det dominerende stof i de analyserede prøver. VC koncentrationerne var generelt langt under den forventede kvantifikationsgrænse (på ca. 5 µg/L) for bestemmelse af chlor-isotopfraktionering.
Analyserne er udført som ”solid phase micro extraction” (SPME) analyse. Prøven er analyseret med en Agilent 6890 gas chromatograph koblet til en IsoPrime continuous flow isotope-ratio mass spectrometer (CF-IRMS). Metoden er beskrevet i /59/, hvor kvantifikationsgrænsen for bestemmelse af chlor-isotopfraktionering angives til 20 µg/L for PCE og 5 µg/L for TCE og DCE.
5.2.3 Dehalococcoides Sp. celler og vinylchlorid reduktase gener (vcrA)
Analyser for Dehallococcoides sp. celler og vcrA gener er gennemført for prøver fra boringerne/filtrene B23-1, B23-3, B23-4, B34-2, B58-2, B58-4, B60-1, B60-2, B60-3, B61-1, B61-2, og B61-3 udtaget i sidste prøvetagningsrunde.
Prøverne er udtaget i 500 mL prøveflasker fra GEUS, som er fyldt nedefra under overløb.
Analyserne for Dehallococcoides sp. celler og vcrA gener er gennemført af GEUS ved ekstraktion af DNA fra vandprøverne og efterfølgende analyse af antallet af gener ved Real time PCR (polymerase chain reaction).
DNA er ekstraheret fra 200 mL vandprøve efter en modificeret protokol beskrevet af Bælum et al. /74/. DNA’et er testet for renhed ved GFP-test (green fluorescent protein test) og konstateret tilstrækkeligt rent til at kunne anvendes til PCR uden at inhibere reaktionen. Resultaterne af GFP testen er ikke vist i denne rapport. En generel PCR analyse for bakterielt DNA med generelle 16S primere viste det forventede at det amplificerede (forstærkede) DNA var det forventede (resultat i /79/, men ikke vist i denne rapport).
Der er foretaget kvantificering af Dehalococcoides sp. DNA baseret på 16SrRNA og vinylchlorid reduktase A (VcrA) gener. Der er først foretaget en bestemmelse med primer 774-1212 og derefter med det meget følsomme primersæt 1-259 og endelig med Vcr primere. Resultaterne fremgår af kapitel 6.
Kvantifikationsgrænsen for Dehallococcoides sp. celler med primer 774-1212 og primer 1-259 er 2200 henholdsvis 220 celler/mL prøve, og kvantifikationsgrænsen for VcrA er 2200 celler/mL.
5.3 Databehandling
Nedbrydningen af PCE ved reduktiv dechlorering kan illustreres ved sammensætningen af moderstof og nedbrydningsprodukter (koncentrationer i mol eller molandel af enkeltstofferne) eller ved dechloreringsgraden ud gennem fanen. Dechloreringsgraden angiver den andel af de oprindelige chloratomer på moderstoffet, som er fjernet, og beregnes for PCE som:
(5-1)
En dechloreringsgrad på 25% svarer til at alt PCE er omsat til TCE, på 50% til at alt PCE er omsat til DCE, på 75% til at alt PCE er omsat til VC, og på 100% til at alt PCE er omsat til ethen og/eller ethan i et lukket system. En dechloreringsgrad på f.eks. 25% kan dog også afspejle at noget af PCE’en er omsat til TCE, hvoraf noget er omsat videre til DCE.
En isotopbalance for sekventiel nedbrydning ved reduktiv dechlorering af PCE til ethen er foretaget ved at addere isotopfraktionerne for hvert stof:
(5-2)
hvor c er koncentrationerne (molær) af de chlorerede ethener.
Selvom beregningsprincipperne for dechloreringsgrad og isotopbalance gælder for et lukket system, eks. batchforsøg, kan det med fordel også anvendes til beskrivelse/illustration af nedbrydningen i åbne systemer, eks. for feltdata.
Andelen af PCE, som er nedbrudt et givent sted i fanen, kan estimeres på basis af Rayleigh’s ligning og rapporterede berigelseskonstanter (se tabel 4.1):
(5-3)
Hvis PCE omsættes helt til et af nedbrydningsprodukterne (f.eks. DCE) inden dette nedbrydes videre, vil nedbrydningsproduktet have δ13C = δ13C0 for PCE, når den videre nedbrydning deraf starter. Forløbet vil så svare til nedbrydning af stoffet som et moderstof, og ovenstående sammenhæng kan anvendes.
Hvis nedbrydningsproduktet dannes og nedbrydes samtidig vil brug af ovenstående sammenhæng føre til undervurdering af andelen af stoffet, som er nedbrudt.
En 1. ordens nedbrydningsrate (k12) for PCE kan estimeres på basis af sammenhængen udledt af Morrill et al. /68/ på basis af Rayleigh’s ligning, se afsnit 4.4 ligning 4-7, her omskrevet for isolering af k12:
(5-4)
hvor t er transporttiden for stoffet fra kilden (eller det sted, hvor nedbrydningen starter) til målepunktet. Ved konstant partikkel-strømningshastighed (vp) er t = vp/L, hvor L er afstanden. Der er ikke taget højde for sorption.
Ved beregninger er anvendt en partikkelhastighed på 100 m/år, som angivet i /1/. De samme betragtninger mht. nedbrydningsprodukterne, som beskrevet ovenfor for bestemmelse af nedbrudt andel, gør sig gældende her.
5.4 Modellering af stoftransport og nedbrydning
I et M.Sc.-projekt af Jeannotat /60/, som udføres ved University of Neuchatel, er udført modellering af nedbrydning, incl. isotopfraktionering, for PCE i fanen ved Rødekro.
Modelleringen er udført efter metoden IF-RTM (Isotopic Fractionation – Reactive Transport Model) udviklet af Van Breukelen et al. /56/ med en 1D PHREEQC-2 reaktiv transport modelkode.
Der er udført simuleringer både med og uden retardation af stofferne ved sorption (varieret for bedst mulig fit). Den afsluttende modellering blev udført uden retardation ved sorption.
Resultaterne (både med og uden sorption) er efterfølgende anvendt i 2-D simulering i MODFLOW med RT3D.
I IF-RTM simuleres 12C og 13C for hver af de chlorerede ethener som individuelle stoffer. Der muliggør bestemmelse af fraktioneringskonstanter for hvert trin i den sekventielle nedbrydning af PCE til ethen ved reduktiv dechlorering.
I modellen er anvendt et flow (partikkelhastighed) på 84 m/dag (svarende til middelhastigheden bestemt ved partikkelbane-simuleringer i 2D-MODFLOW efter kalibrering), og fanen er inddelt i 2 områder med forskellige redoxforhold:
- 0-1150 m: aerobe, nitratreducerende og manganreducerende forhold
- 1150-1650 m og 1650-2020 m: jernreducerende forhold
De reelle afstande fra kildeområdet ud gennem fanen er anvendt. De svarer til følgende afstande på det geologiske tværsnit i figur 2.3: 1150 m ~ ca. 1200 m, 1650 m ~ ca. 1700 m, 2020 m ~ ca. 2125 m. Det sidste interval repræsenterer alene øvre del af fanen.
Geologiske og hydrogeologiske parametre anvendt i MODFLOW er baseret på informationer fra undersøgelser /1, m.fl./, bl.a. pumpetest, udført i Rødekro af Orbicon for Sønderjyllands Amt (nu Region Syddanmark).
Version 1.0 Marts 2009, © Miljøstyrelsen.