Felttest til dokumentation af nedbrydning i umættet zone

Transkript

1 Felttest til dokumentation af nedbrydning i umættet zone Per Loll, Andreas H. Kristensen og Poul Larsen DMR A/S Kaj Henriksen Aalborg Universitet Dias nr. 1

2 Baggrund JAGG 2.0 Med JAGG 2.0 bliver der mulighed for at medtage nedbrydning under transport fra kilde i umættet zone til førstkommende grundvandsmagasin. Ref: Udkast til MST-projekt (NIRAS og DMR). Dvs. der er mulighed for, at der kan ske en reduktion af kildestyrken fra C 0 til C u under transporten igennem umættet zone. Dias nr. 2

3 Baggrund JAGG 2.0 Iht. udkast til JAGG 2.0 kan nedbrydning af oliestoffer inddrages på tre niveauer (NIRAS, 2007): 1. Ingen nedbrydning. 2. Kvalitativ dokumentation af nedbrydningen; f.eks. via dokumentation af iltforbrug og dannelse af kuldioxid (smoking guns), samt brug af en konservativ/lav nedbrydningsrate fra litteraturen. 3. Kvantitativ dokumentation af nedbrydning via en estimering af den aktuelle nedbrydningsrate på lokaliteten, og benyttelse af denne i risikovurderingen. Inddragelse på niveau 2 og 3 skal følges op af en monitering til dokumentation/verificering af den inddragede nedbrydning og langtidsholdbarheden af denne. Dias nr. 3

4 Baggrund For at imødegå behovet for at medtage nedbrydning i risikovurderinger for grundvandet har MST igangsat: Et teknologiprojekt for at belyse feltstrategier til at dokumentere nedbrydning i umættet zone (NIRAS og DMR). Dette projekt med udvikling og indledende feltafprøvning af en helt ny metode, der kan benyttes til påvisning og dokumentation af nedbrydning i UZ (DMR og AAU): Dias nr. 4

5 Baggrund Efter ca. 10 års teoretisk/praktisk arbejde med problemstillingen er grundlaget for projektet følgende erkendelse: Der kan stort set altid forventes en betydelig nedbrydning af oliestoffer i umættet zone når der er aerobe forhold. Nedbrydning af BTEX går hurtigt og massivt i gang efter tilførsel af kulbrinter til en aerob, umættet jordmatrice. Under dynamiske og rumligt variable forhold i UZ kan det være meget svært (og dyrt) at uddrage en eksakt nedbrydningsrate; UZ er notorisk ikke-lineær! Medtagelse af en meget lille nedbrydningsrate i vores risikovurderinger kan ofte medføre en beregningsmæssig risikoeliminering (en meget lille nedbrydning er ofte nok). Dias nr. 5

6 Formål Formålet med projektet er, at opstille og afprøve en idé til en operationel og omkostningseffektiv metode, der kan benyttes til dokumentation og kvantificering af nedbrydningen af oliestoffer i den umættede zone. Den store udfordring er, at dokumentere den aktuelle nedbrydning tilstrækkeligt overbevisende til, at alle er trygge ved at inddrage nedbrydning i en risikovurdering - uden at vi skal op med den store tegnebog hver gang. Jeg mener, at vi har (tegningen til) et godt bud her! Dias nr. 6

7 Testen i hovedtræk Forureningsstoffet (f.eks. benzen) nedblæses på gasform i ét punkt og opsuges i et nabopunkt; en vandret felt-kolonnetest, uden kolonne. Vi kalder den: Dual Point Degradation (DPD) testen Der gennemføres et aerobt og et anaerobt testforløb. Der foretages en simpel analyse af gennembruddet i opsugningspunktet for de to forløb ved steady-state. Derved dokumenteres om der sker aerob in-situ nedbrydning, og der dannes basis for at estimere en konservativ aerob in-situ nedbrydningsrate. Dias nr. 7

8 Udstyr P1 PID-målepunkt omskiftes mellem indløb og udløb PID MiniRAE 2000 P2 Z X SKC Flowretning benzen koncentrat Flowretning benzen mellem konc. Flowretning ren luft Testdybde (middel) LMSxi MULTI GAS ANALYZER O CO 2 2 Afstand mellem poreluftspyd 2 poreluftspyd 2 kugleflowmetre En PID-måler En poreluftpumpe En IR-måler Div. slanger, fittings m.v. Gasflasker; aerob & anaerob Benzen i O 2 og N 2 Benzen i N 2 Z X Udstyr: Gasflaske med metalkapillar Kugleflowmeter (2 stk.) Haneventil påmonteret poreluftspyd (2 stk.) PID-måler (MiniRAE 2000) Flowfelt Poreluftpumpe (SKC 224-PCMTX8) IR-måler (Gas Data LMSxi) Slangeklemme Hovedpointe: Testen kræver kun simpelt udstyr! Dräger kulrør Dias nr. 8

9 Testforløb 1. Først udføres en aerob test testen udføres under betingelser der er relevante for in-situ betingelserne. 2. Dernæst udføres en anaerob test nedbrydningen antages/sættes lig nul (hvis den ikke er nul opnås et konservativt bud på nedbrydningsraten). Der benyttes et konstant og ens flow i P1 og P2 i både den aerobe og anaerobe test (her 1 L/min). Der benyttes samme indløbskoncentration (C 0 ) i den aerobe og anaerobe test (her mg/m 3 ). PID, O 2 og CO 2 måles løbende i P2 (opsugningspunkt). Hovedpointe: Testen kræver simple driftsbetingelser! Dias nr. 9

10 Det aerobe testforløb Den aerobe test køres indtil der opnås konstant PID i P2. Her er der ligevægt imellem masseinput og de dynamiske processer der foregår i den umættede zone (C L, C V, C J, diffusivt tab og nedbrydning). Forskellen imellem det masseinput jordmatricen påføres i P1 og den masse der trækkes ud i P2 er således lig den masse der forsvinder ud af systemet via diffusion og nedbrydning: Diffusivt tab fra det aktiverede volumen. P1 P2 Stiliseret repræsentation af det aktiverede jordvolumen (faktisk form og størrelse ukendt). Dias nr. 10

11 Den anaerobe testforløb Den anaerobe test køres ligeledes til der opnås konstant PID i P2. Her er der igen ligevægt imellem masseinput og de dynamiske processer der foregår i den umættede zone (C L, C V, C J, diffusivt tab og nedbrydning). Forskellen imellem masseinput i P1 og den masse der trækkes ud i P2 er lig den masse der forsvinder ud af systemet via diffusion (nedbrydning =0): Diffusivt tab fra det aktiverede volumen. P1 P2 Stiliseret repræsentation af det aktiverede jordvolumen (faktisk form og størrelse ukendt). Dias nr. 11

12 Dataanalyse Dataanalysen begrænser sig til at se på forskellen imellem massetabet for den aerobe og den anaerobe test ved steady-state. Massetabet (diffusion og nedbryd.) for den aerobe test: T aerob = Q (C ind,aerob C ud,aerob ) Massetabet (diffusion) for den anaerobe test: T anaerob = Q (C ind,anaerob C ud,anaerob ) Estimat på aerob nedbrydningsrate: T nedbrydning = T aerob T anaerob = Q (C ud,aerob C ud,anaerob ) Hovedpointe: Der er tale om en simpel dataanalyse! (Når forudsætningerne for analysen overholdes) Dias nr. 12

13 Dataanalyse Raten er 0. ordens, men har en atypisk enhed [mg/dag]. 0. ordensrater har typisk enheden [mg/kg TS/dag]. 1. ordensrater har typisk enheden [dag -1 ]. Vi kan benytte testen som dokumentation på niveau 2 i JAGG 2.0, men kan ikke verificere aktivitetsniveauet ved at sammenligne med litteraturværdier (størst tryghed). Et estimat på en 0. ordensrate [mg/kg TS/dag] kan dog opnås ved at estimere den masse af jord der har været aktiveret i testen [kg TS] eksempel senere. Der er opstillet perspektiver for opnåelse af 1. ordensrate som er det der benyttes på niveau 3 i JAGG 2.0. Dias nr. 13

14 Pilottest - betingelser Gennemført på en lokalitet, hvor der har været foretaget en afgravning af jordforurening (diesel) med efterladt restforurening under vej; test 15 cm fra gravefront. Restforurening ca. 0,5-2,8 m.u.t.; GV ca. 2,6 m.u.t. Dybde 1,0 m.u.t. i fyldsand afstand ml. spyd 20 cm. Jordtemperatur ca. 7 C (koldt!) Dias nr. 14

15 Pilottest - afvigelser De 2 gasser skulle have indeholdt mg/m 3 benzen i N 2 og mg/m 3 benzen i 21% O 2, balanceret med N 2. Analyser udført ved testen viste imidlertid, at gasserne kun indeholdt ca. 12% benzen og 88% uidentificerede kulbrinter med kogepunkt ca C (lang historie ). Testen er derfor udført overfor (ukendte) TVOC hvilket (om end træls) ikke har principiel betydning. Hovedpointe: Stol ikke på din leverandør! Konc. i P2 fastlægges ved, at akkrediteret kulrørsprøve udtages når PID indikerer steady-state. Aerob flaske løb tør; anaerob test stoppet for tidligt. Dias nr. 15

16 PID (ppm) Pilottest - resultater Resultater (O 2, CO 2 og PID) fra P2 under pilottesten: O 2 Aerob test CO 2 Anaerob test PID O Tid (min) Kulrørsprøve Kulrørsprøve Approximeret steady state Approximeret steady state OBS: PID bruges ikke til at estimere TVOC-koncentrationen direkte da O 2 hæmmer PID-signalet. PID benyttes derfor kun til at finde steady-state, hvor der udtages prøver til akkrediteret analyse Ilt/CO 2 (%) Tegn på nedbrydning fra start. Ilt og PID stiger under det aerobe testforløb; CO 2 falder. Kulrørsprøve udtages ved steady-state (flaske løb tør). Ilt (og CO2) falder under det anaerobe testforløb; PID stiger. Kulrørsprøve udtages ved steady-state (for tidligt). 10 timers forløb nok bedre. De faktiske steady-state konc. er estimeret (+8% og +4%). Dias nr. 16

17 Pilottest - resultater På baggrund af resultaterne for de akkrediterede prøver, og det approximerede steady-state niveau, bliver C ud,aerob og C ud,anaerob hhv. ca. 260 og 360 mg TVOC/m 3. Efterfølgende estimeres det aerobe massetab til nedbrydning (C 0 = mg/m 3 ; Q = 1 L/min = 1,44 m 3 /d): T nedbrydning = Q (C ud,anaerob C ud,aerob ) T nedbrydning = 1,44 m 3 /d ( ) mg/m 3 T nedbrydning = 144 mg TVOC/d Efter testen er der foretaget en PID-afgrænsning af det aktiverede jordvolumen til omkring 0,8 0,8 0,8 m, svarende til ca. 0,5 m 3 eller 800 kg TS: K 0 = 0,18 mg TVOC/kg TS/d (et realistisk niveau ifht. litt.) Dias nr. 17

18 Konklusioner Vi har afprøvet og præsenteret DPD-testen, der har potentiale ifht. anvendelse sammen med JAGG 2.0 på niveau 2 og 3, når nedbrydning inddrages i risikovurderinger for grundvand (oliekomponenter). Billig og operationel test, baseret på: Simpelt udstyr. Simple driftsbetingelser. Simpel databehandling. Der er stadig en række udfordringer ifht. at bringe DPD-testen til rutinemæssig anvendelse på vores risikovurderinger. men vi er langt fremme (også i international optik)! Dias nr. 18

19 Nogle perspektiver (der er mange flere) Forbedring af følsomhed/mass recovery i P2 ved at justere på forskellige driftsparametre. Mulighed for at købe specialgasser der passer til lokaliteten (komponenter og koncentrationer). Estimere 1. ordensrater ved at modellere flowfeltet. Anvendelse af stabile isotoper ( 13 C og 2 H) til yderligere dokumentation af nedbrydningsrater. Status for projektet: Vi er pt. ved at lægge sidste hånd på Miljøprojektet, og vil søge finansiering til at komme videre med metoden. (Der må være mange der kan se potentialet). Dias nr. 19

20 Tak til MST for finansiering. OM for støtte til ansøgningen. Min arbejdsgiver for ikke at se alt for nøje på tidsforbruget. Region Nordjylland for bevilling af en IR-måler til den indledende metodeudvikling på AAU. Studerende, Jakob Skov for indledende laboratorietest. Per Møldrup og Tjalfe G. Poulsen, AAU, for sparring. Nogle meget flinke grundejere på vores testlokalitet. DMR A/S Din rådgiver gør en forskel Dias nr. 20