og Soil Mixing/nZV - udviklings- og kombinationsmuligheder

Transkript

1 Jernvægge gge, nano Zero Valent Iron og Soil Mixing/nZV - udviklings- og kombinationsmuligheder Docent Peter Kjeldsen Institut for Vand og Miljøteknologi Danmarks Tekniske Universitet Afværgeteknologier -State of the Art ATV Jord og Grundvand Schæffergården, 22. oktober 2008

2 Baggrund Nul valent jern er reaktivt overfor en lang række forurenende stoffer ZVI = Zero Valent Iron Først benyttet ved faneoprensning i permeable reaktive barrierer ( Jernvægge ) Flere danske erfaringer i Miljøstyrelsens teknologiprogram ( ) Nu også til Kildeoprensning (Soil mixing, ZVI-Clay) Sælges i forskellige størrelser (jernspåner, mikrojern, nanojern)

3 Jernspåner Mikrojern Nanojern (opslemning)

4 Kilde vs fane oprensning Kildeoprensning når Der stadig er en aktiv kilde Man ved hvor kilden er placeret (DNAPL!) Faneoprensning Begrænse forureningsspredning Accept af tilstedeværesle af forurenet volumen

5 Hvad er en reaktiv væg ( PRB)? ETI

6 Anaerob jernkorrosion Opløst ilt fjernes først Processen 2 Fe() s + 2H O() l Fe + + 2OH + H ( g) Der dannes brint 2 Der dannes hydroxylioner ph-stigning mulighed for udfældninger 2

7 Erkendelsen 1989 Reynolds and Gillham, 1985

8 Reaktive vægge med jernspåner ner Både opløsningsmidler (TCE mm) og metaller (bl.a. krom) kan behandles Reaktioner oftest hurtigere end biologisk betingede processer Mange eksisterende erfaringer: Jernspåner har været anvendt ved ca 100 lokaliteter til grundvandsbehandling for udvalgte klorerede stoffer og metaller Også udvalgte pesticider kan fjernes ZVI var meget effektiv til at fjerne de toksiske stoffer på Høfde 42 både i vand og sediment (parathion, methylparathion, malathion m.fl.)

9 Processen - deklorering Den anaerobe korrosion giver et fald i redoxpotentiale: 2+ Fe() s Fe + 2e RX + 2e + H RH + X Fe( s) RX + H Fe + RH + X 1. Ordens proces - halveringstid afhænger af jernspåners overfladeareal (typisk 0,5-8 timer)

10 PCE - Nedbrydningsveje 1,1-DCE (C 2 H 2 Cl 2 ) hydrogenolysi s Ethane (C 2 H 6 ) PCE (C 2 Cl 4 ) TCE (C 2 HCl 3 ) cis-dce (C 2 H 2 Cl 2 ) VC (C 2 H 3 Cl) Ethene (C 2 H 4 ) β- elimination trans-dce (C 2 H 2 Cl 2 ) Chloroacetylene (C 2 HCl) Acetylene (C 2 H 2 )

11 Overvejelser vedrørende rende reaktive væggev Kan man styre strømningsforholdene i en reaktiv væg? Hvor længe holder en reaktiv væg? Kan der ske abiotiske og mikrobielle reaktioner samtidig?

12 PRB Vapokon 4590 M10 M5 M6 Geotextile M Sheet piles (withdrawn) Sheet piles (withdrawn) Iron filings Refilled with aquifer material Gravel 11.9 Clay aquitard

13 Forskning på p Vapokon Strømningsforhold ved sporstofforsøg Væggens funktion Reduktion i forureningsstoffers flux (kg/år) hhv koncentration på opstrøms (A-boringer) og nedstrøms side (F-wells) Væggens tilstand Udfældninger Indhold af mikrober 50 grader NØ, y (m) Placering af A og F-boringer A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 F8 F7 F6 F5 F4 F3 F2 F grader SØ, x (m)

14 Sporstofforsøg Day 15 Day 27 Day 62 Day 101 Day 164 Groundwater Fe 0 PRB

15 Fjernelse af klorerede opløsningsmidler

16 Hvor lang tid holder en jernspånev nevæg? Udfældninger giver tab af porøsitet og reaktivitet Enkelte detaljerede undersøgelser viser holdbarheder > 15 år Hot forskningsemne Der findes pt. ikke et predikteringsværktøj Generelt: Forvent ikke meget lange holdbarheder (>10-15 år)

17 Vapokon - Udtagning af jernkerner

18 Jernprøver forkant vs midt Forkant væg Midt væg Nyt jern

19 Nedbrydningsforsøg g i batch

20 3,E-02 2,E-02 1,E-02 0,E+00 Nedbrydningsrater Nedbrydningsrate - k PCE TCE 1,1,1-TCA Chloroform A 20 Midt væg A 17 Forkant væg B 19 Forkant væg B 19 Midt væg B 17 Forkant væg B 17 Midt væg Nyt Jern A 20 Forkant væg Rate - k (1/h)

21 ZVI og biologisk nedbrydning Anaerob korrosion danner støre mængder brint Brint spiller en vigtig rolle i mikrobiel reduktiv deklorering Anaerob korrosion giver ofte høje ph-værdier som kan være inhiberende for mikrobiel vækst Udfældninger kan modvirke ph-stigninger Kerneprøvetagning på Vapokon Analyseret mineralogisk og mikrobielt hos VITO, Belgien Høj anaerob mikrobiel aktivitet i område med mange udfældninger

22

23 Erfaringer med brug af nanozvi Der er set meget høje nedrydningsrater i laboratoriet med brug af nano-zvi Idé: Injektion af høj-reaktive partikler til forurenet grundvand Svært af få partiklerne spredt i grundvandet Sammenklumpning Bortfiltrering Seneste forskning: Overflademodificering af nano- ZVI ved tilsætning af organiske stoffer til imødegåelse af sprednings-nedsættende processer

24 ezvi Emulsified ZVI Udviklet af University of Central Florida og NASA Dannelser af miceller af vegatabilsk olie og nzvi Blandbar med DNAPL Klorerede stoffer fra DNAPL diffunderer ind i micelle og nedbrydes af nzvi Den vegetabilske olie kan eventuelt stimulere biologiske reduktiv deklorering NASA

25 Kritiske spørgsm rgsmål l til kildeoprensning med nanozvi Kan der leveres nok jern med nzvi til en effektiv kildeoprensning (fri fase)? Kan de almindelige kendte Mass transfer limitations overvindes?

26

27 Soil mixing/zvi Kildeområder er komplekse og svære at afgrænse Mange års erfaring med Soil Mixing fra andre ingeniørmæssige områder Metode udviklet med indblanding af jernpartikler og ler (bentonit) = ZVI-Clay Metoden også afprøvet uden ler med guar gummi i stedet

28 Metodens princip

29

30 Martinsville, Virginia Oprensning af 20 tons CT med op til mg/kg Final Column Location As-Built

31 Fordele og begrænsninger Homogenisering medføre en mere jævn nedbrydning Mindre behov for eksakt lokalisering af DNAPL pools Mulighed for også at opblande forurenede lerlag i akviferen Leret sikrer en kraftig nedsættelse af hydraulisk konduktivitet (1-2 størrelsesordener) Stor masse- og flux reduktion kan opnås Mindre migration af reaktivt materiale fra området, samt elektronmodtagere (f.eks. ilt) til området Leret virker emulgerende på DNAPL, hvilket medfører bedre kontakt til jernet Relativt billigt afhængig af lokalitet ( kr/m 3 ) Skønt mindre behov for eksakt lokalisering af DNAPL pools, så skal forureningen dog stadig være afgrænset Behov for forankring i et lavpermeabelt lag af tilpas tykkelse, så DNAPL ikke migrerer dybere ned i magasinet Efterfølgende arealanvendelse bør overvejes Endnu ikke afprøvet på så mange lokaliteter Bedst ved dybder under 15 m

32 Afprøves i Skuldelev i samarbejde med NIRAS og Region Hovedstaden Maskin- og elektronikvirksomhed (metal bearbejdning) med klorerede forbindelser siden Kraftig jord- og grundvandsforurening med PCE. Lækage fra kloaksystemet. Fri fase i bunden af det sekundære magasin. Feasibility study er afsluttet

33 Treatability test (batch kolonne)

34 Soil Mixing: Effect on DNAPL distribution 9/28 - Initial 9/28 Post Mixing 9/30 Two Days 30 cm 2 cm

35 Resultater (PCE) Koncentration [mg PCE/kg] Tid [d] Kontrol 1 % P % P % P % NF % Peerless

36 Resultater (Cl - ) Cl- produktion Koncentration [mg Cl - /kg] Koncentration [mg/kg] Tid [dage] Tid [dage] Control 1 % P % P-100 Kontrol 4 % 1 P-100 % P % P % NF % P % NF % Peerless 2 % Peerless

37 Batch tests

38 ZVI og Treatment Trains Kan kombineres med naturlig nedbrydning Efterpolering nedstrøms jernvæg Rest masse i fane efter kildeoprensning TCE Concentration Permeable Barrier Compliance Point C d Design Basis C t Target Concentration

39 Konklusioner Jernvægge fungerer men de skal dimensioneres grundigt, og levetiden er svær at forudsige Faneoprensning med nanozvi kræver mere udvikling usikkert om teknologien kan blive omkostningseffektiv til kildeoprensning Soil mixing med mikrojern synes meget lovende er under afprøvning i Danmark