Nedbrydningsrate, umættet zone

Transkript

1 Nedbrydningsrate, umættet zone Definition af nedbrydningsrate, umættet zone Nedbrydningsraten i den umættede zone er i denne beskrivelse defineret som: Massen af stof der nedbrydes pr. dag pr. kg jord i den umættede zone eller som en rate der har enheden. Nedbrydningsraten kan bestemmes ved forskellige tests og forsøg, og typisk vil nedbrydningen følge en 0. eller 1. ordens reaktion: 0. ordens reaktion: 1. ordens reaktion: hvor k er nedbrydningsraten C er koncentrationen t er tiden Der findes flere forsøg til bestemmelse af nedbrydningsraten i umættet zone, men der er her valgt de tests og forsøg, der vurderes mest velegnede i forbindelse med projektering af afværgeforanstaltninger. Nedbrydningsraten i den umættede zone er i det følgende bestemt på 3 niveauer svarende til en kategori 1, kategori 2 og kategori 3 metode. Litteratur 1. Manual, Bioventing Principles and Practice, Volume II: Bioventing Design. United States Environmental Protection Agency, September Opgradering af JAGG til version 2.0, Vertikal transport ned til førstkommende betydende magasin. Anders G. Christensen, Phillip Binning, Mads Troldborg, Peter Kjeldsen og Mette Broholm. Miljøstyrelsen. (Forventes publiceret i løbet af 2009). Forudsætninger for bestemmelse af nedbrydningsrate, umættet zone 1 af 12

2 Olieforurening: Bestemmelsen af projekteringsparameteren er baseret på en olieforurening i umættet zone. Der vurderes ikke at være tilstrækkeligt grundlag for at vurdere nedbrydningen af stoffer som chlorerede opløsningsmidler. Utætheder i testsystem og boringer: Hele testsystemet i form af pumpe, koblinger og slanger tjekkes for utætheder under vakuum. Boringer afproppes med cementstabiliseret bentonit eller lign. sikker afpropning, så der undgås eventuelle lækager langs filterrøret. Filtersætning af boringer: Boringer filtersættes i den umættede zone. Ved opstart af forsøg skal boringen pejles for kontrol af om der er vand i filteret. Det mest optimale er at boringerne filtersættes i en relativ højpermeabel geologisk formation, da det giver de bedst mulige forhold for prøvetagning af poreluft. 2 af 12

3 Kategori 1 - Bestemmelse nedbrydningsrate, umættet zone Princip: Bestemmelse af potentiale for aerob nedbrydning og opsamling af indicier på en igangværende nedbrydning ved måling af indikatorparametre. Feltopstilling: Principskitse: Til målingen benyttes en moniteringsboring filtersat i umættet zone i det forurenede område. Filterdimension og -længde bør overvejes så der fås mindst muligt dødvolumen (typisk kan et ø25 mm pejlerør benyttes). Der kan ligeledes benyttes poreluftspyd. Det er vigtigt at moniteringsboringen/poreluftspyddet er etableret sådan, at der ikke er utætheder o.l., der kan give anledning til at der ved prøvetagningen trækkes falsk luft. Ved etablering af boring er det derfor ligeledes vigtigt, at der afproppes med bentonit. Ved højpermeabelt materiale: På moniteringsboringen eller poreluftspyddet tilkobles en vakuumpumpe eller gasmåler med indbygget pumpe. På slangen mellem boring og pumpe monteres et manometer til registrering af modtryk. Ved lavpermeabelt materiale: En Tedlarpose placeres i et vakuumkammer og vakuumkammeret forbindes til en vakuumpumpe, mens Tedlarposen forbindes til moniteringsboringen eller poreluftspyddet gennem vakuumkammeret. På slangen mellem vakuumkammeret og pumpen monteres et manometer til registrering af modtryk. 3 af 12

4 Udførelse: Formålet med testen er at undersøge og belyse nedbrydningspotentialet i den umættede zone samt eventuelle indikatorer på igangværende nedbrydning. Inden prøvetagningen renpumpes boringen/poreluftspyddet indtil feltmålingerne ligger på et stabilt niveau. Typisk vil det være tilstrækkeligt at renpumpe et volumen svarende til 3-5 gange volumenet af filter + blindrør. Poreluften prøvetages derefter på boringen. Parametre der bestemmes er: koncentration af ilt, kuldioxid og metan samt modtryk i boringen. De målte værdier for hver måling noteres i skemaet på den tilhørende arbejdsseddel. For begge feltopstillinger gælder at pumpen startes og der registreres modtryk umiddelbart efter opstart. Som tommelfingerregel vil der være tale om en lav permeabel umættet zone, hvis vakuumet er større end 100 mbar ved et flow på L/min. For opstillingen til en højpermeabel umættet zone kan der enten udtages luftprøve i Tedlarpose for analyse på gaschromatograf eller der kan måles direkte på luften med en gasmåler, IR-gasmåler el.lign. For opstillingen til en lavpermeabel umættet zone udtages der prøve i Tedlarpose. Luftprøvens indhold af ilt, kuldioxid og metan kan bestemmes ved analyse på gaschromatograf eller ved måling på fx IR-gasmåler. Måles der direkte på Tedlarposen med IR-måler i felten kan den samme Tedalpaos benyttes flere gange. Prøvetagningen kan udføres i flere niveauer over dybden og gerne i flere punkter inden for kildeområdet af interesse for bestemmelse af potentialet for nedbrydning. Der bør desuden udføres en baggrundsmåling ved prøvetagning i et område udenfor kildeområdet. Det noteres om målingen er udført under stigende eller faldende atmosfæretryk. 4 af 12

5 Data, databehandling og rapportering: Under forsøget opsamles data om tid, modtryk og koncentrationer i poreluften. Det registreres desuden om der under prøvetagningen var stigende eller faldende atmosfæretryk. Der optegnes en situationsplan med angivelse af placering af moniteringsboringer eller poreluftpunkter på lokaliteten samt forureningsudbredelsen. Boreprofiler vedlægges rapporten med angivelse af filterplacering, forureningsbeliggenhed samt evt. vandspejl. Sammensætningen af poreluften vil give mulighed for at verificere, om der er potentiale for nedbrydning. Der vurderes erfaringsmæssigt at være potentiale for en aerob nedbrydning af oliestoffer ved iltkoncentrationer > 5-10 vol% Er der aktiv igangværende nedbrydning pga. mikroorganismer i forureningsområdet vil iltkoncentrationen være svagt til kraftigt reduceret ifht. atmosfære-/baggrundsniveauet typisk 5-15 vol%. Koncentrationen af kuldioxid vil være tilsvarende forhøjet typisk 2-15 vol%. Registreres der metan i poreluften vil iltkoncentrationen typisk være meget lav eller stort set 0 vol% og under anaerobe forhold vil nedbrydningen af oliekomponenter generelt foregå ved en lavere nedbrydningsrate end under aerobe forhold. Er koncentrationerne målt i flere niveauer over dybden, kan de plottes som illustreret nedenfor. Af plottet fremgår, at baggrundskoncentrationerne af ilt og kuldioxid (udtaget et uforurenet sted på lokaliteten) nogenlunde svarer til koncentrationerne i atmosfærisk luft (hhv. 21 og 0,04 %). Koncentrationerne i kildeområdet viser, at iltkoncentrationen er stærkt reduceret fra omkring 3 m.u.t, mens der ligeledes i denne dybde ses et forhøjet kuldioxidniveau. Dette indikerer, at der foregår en nedbrydning i kildeområdet samt, at nedbrydningsraten kan forventes at være størst omkring denne dybde. Ved måling med IR-måler kan tilstedeværelsen af oliekomponenter interferere med metankoncentrationen. Erfaringen viser at dette typisk kan være et problem ved koncentrationer større end mg/m 3 samt især når der er tale om benzinkomponenter. Afhængigt af geologien kan de atmosfæriske trykforhold have betydning for målingerne, da der under faldende atmosfæretryk typisk vil være en opadrettet trykgradient fra den umættede zone til atmosfæren. Betydningen af de atmosfæriske trykforhold bør overvejes hvis målerunder foretaget på forskellige tidspunkter viser meget forskellige resultater eller hvis der mod forventning ikke registreres tegn på nedbrydning i den umættede zone. 5 af 12

6 Forslag til supplement af testen: Etabler en prøvetagningsmulighed ved tilkoblingen af boringen/poreluftspyddet til pumpen. Prøvetagningsmuligheden kan anvendes til; at gennemføre en løbende PID-måling på den opsugede luft for en vurdering af forureningspotentialet (forureningsomfang og vedvarende forureningsstyrke. Dette gælder dog ikke ved forurening med tungere oliekomponenter) at gennemføre prøvetagning på kulrør Udtages poreluftprøverne i Tedlarposer, og analysers disse på gaschromatograf for ilt, kuldioxid og metan, kan der ligeledes analyseres for oliekomponenter. 6 af 12

7 Kategori 2 - Bestemmelse af nedbrydningsrate i umættet zone Princip: In-Situ Respirationstest til bestemmelse af nedbrydningsraten i umættet zone. Ved denne felttest kan nedbrydningsraten i umættet zone for totalkulbrinter estimeres. Testen giver ikke umiddelbart mulighed for bestemmelse af nedbrydningsrater for specifikke enkeltstoffer eller fraktioner. Testen antager, at der er tale om en immobil oliefase sorberet til jordmatricen. Beskrivelsen af testen er primært baseret på Ref. 1. Feltopstilling: Principskitse: Der benyttes filtersatte boringer eller poreluftspyd filtersat i umættet zone i det olieforurenede område. Brug af filtersatte boringer vil give mulighed for at få kendskab til geologien samt fx jordens vandindhold. Findes der ikke dokumentation for geologien i området, bør der etableres filtersatte boringer. På boringen monteres et forgreningsstykke med 3 forgreninger. Herpå monteres en pumpe til atmosfærisk luft, en pumpe til en sporgas samt en studs til luftprøvetagning. Mellem pumpe til atmosfærisk luft og boringen placeres manometer. Udførelse: Testen udføres typisk i flere punkter placeret i det olieforurenede område. Det er vigtigt at punkterne er placeret i områder med høje oliekoncentrationer og lave iltkoncentrationer. Før opstart af test måles indholdet af ilt og kuldioxid i poreluften. Testen bør desuden udføres udenfor det forurenede område som referencemåling. Testen er ikke velegnet hvis den umættede zone består af ler, da det vil være problematisk at tilføre luft til det lavpermeable materiale. En ca. 1-3 vol% koncentration af sporgas (fx CO, helium eller SF6) tilsættes boringen sammen med atmosfærisk luft. Injektionen foregår over en periode på ca. 1 døgn ved et flow på L/min. Med den atmosfæriske luft tilføres ilt til den umættede zone, mens sporgassen tilsættes for at give mulighed for vurdering af diffusion og fortynding. Efterfølgende måles ilt-, kuldioxid- og sporgaskoncentrationen i filtret/spyddet. Der udføres målinger hver 2. time og efter nogle målinger ved dette interval, kan intervallet nedsættes til hver time. Testen afsluttes typisk når iltkoncentration ligger omkring 5 vol%. Inden hver måling renpumpes der kortvarigt, således at luften i filterrøret udskiftes 1-2 gange. De enkelte målinger anføres i skemaet i den tilhørende arbejdsseddel. Testen bør desuden udføres i et uforurenet punkt med tilsvarende geologi som det forurenede område for at få referencedata. Det noteres ved hver måling om der er stigende eller faldende atmosfæretryk. 7 af 12

8 Data, databehandling og rapportering: Under testen indsamles koncentrationsdata over tid. Koncentrationen af sporgassen benyttes til at vurdere, om der under testen sker signifikant diffusion af ilt fra jordoverfladen, om der sker fortynding eller diffusion fra/til den omkringliggende jord samt til at tjekke, om der kan have været utætheder i systemet under testen. Ved utætheder i systemet vil der typisk forekomme springende koncentrationer af sporgas. Sporgaskoncentrationen målt i det forurenede område kan sammenholdes med referencemålingen og disse bør tilnærmelsesvis være ens. Ses der et fald i sporgaskoncentrationen, der er større end faldet i iltkoncentrationen bør målingen ikke benyttes. Raten for iltforbrug bestemmes ud fra de målte data som en 0. ordens sammenhæng mellem iltkoncentrationen i vol% og tiden i timer. Der vil typisk findes en lineær sammenhæng indtil iltkoncentrationen er faldet til under 5 vol%. I nedenstående figur ses et eksempel på et datasæt for iltkoncentrationen ved en række respirationstest i umættet zone på en lokalitet forurenet med fyringsolie. Raten for iltforbruget bestemmes ved grafens hældning, ko. Til estimering af nedbrydningsraten for oliestoffer på baggrund af iltforbruget benyttes den støkiometriske sammenhæng for oxideringen af det forurenende stof. For oliestoffer kan hexan benyttes som repræsentativt stof, hvilket giver følgende reaktionsligning: C6H14 + 9½O2 6CO2 + 7H20 Nedbrydningsraten i mg hexan-ækvivalent pr. kg bulk-jord pr. dag kan estimere ved følgende udtryk: hvor: kb er nedbrydningsraten (mg/kg pr. dag) ko er rate for iltforbrug (vol%/time) υa er gasfyldt porevolumen (m 3 gas/m 3 jord) ρo2 er densitet for ilt = 1368 ved 12 C (mg/l) C er masseforhold mellem hexan og ilt ved mineralisering (1:3,5) ρk er bulk densitet for jorden (kg/l) Det gasfyldte porevolumen kan bestemmes på baggrund af målte værdier for vandmætningen i umættet zone (intaktprøver). Findes sådanne målinger ikke, kan en værdi for det gasfyldte porevolumen vurderes/estimeres på baggrund af kendskab til jordens geologi og forventede vandindhold. Jordens densitet kan ligeledes måles på intaktprøver eller alternativt vurderes/estimeres på baggrund af kendskab til geologien. Bud på standardværdier findes f.eks. i JAGG-modellen. De bedste estimater for nedbrydningsraten opnås ved brug af målte værdier for vandmætning og densitet i forhold til estimerede værdier. Raterne for iltforbruget, fundet på baggrund af de tilnærmelsesvise rette linier i figuren ovenfor, har 8 givet af 12 nedbrydningsrater i intervallet fra 0,04 til 0,22 mg/kg pr. dag.

9 Forslag til supplement af testen: Koncentrationerne, der måles i poreluften under respirationstesten, kan logges over testperioden i stedet for at udføre manuelle løbende målinger. Benyttes denne metode skal flowet ved den kontinuerte prøvetagning være lille ca. 1 L/min. 9 af 12

10 Kategori 3 - Bestemmelse af nedbrydningsrate, umættet zone Princip: Bestemmelse af nedbrydningsrate i den umættede zone ved fuldskalamonitering og modelberegninger. Nedbrydningsraten kan bestemmes for såvel specifikke enkeltstoffer som for fx totalindholdet af kulbrinter. Den beskrevne procedure er kun egnet til at estimere nedbrydningsrater under en nedadrettet transport fra en residual olieforurening beliggende i umættet zone. Beskrivelsen af testen er primært baseret på Ref. 2. Feltopstilling: Principskitse: Til moniteringen benyttes en eller flere moniteringsboringer filtersat i 4-5 niveauer i umættet zone. Moniteringsboringerne skal være placeret ved kildeområdet. Til moniteringen benyttes: - Vakuumpumpe - Kulrørspumpe - Gasmåler/Tedlar pose til luftprøve - PID-måler Udførelse: Før moniteringen renpumpes filteret. Det er her vigtigt at der ikke pumpes mere end ca. 3 gang volumenet af blindrør + filter, da den luftprøve der ønskes gerne skal repræsentere filterdybden. Typisk bør der renpumpes et volumen svarende til 1,5-3 gange volumenet af filter + blindrør. På hvert filter måles koncentrationen af ilt og kuldioxid. Desuden udføres en PID måling og der udtages et kulrør for senere analyse af udvalgte stoffer. Målingerne noteres i skemaet i den tilhørende arbejdsseddel. Under moniteringen udføres løbende registrering af atmosfæretrykket. Moniteringen bør gentages kvartalsvis gennem ca. 2 år. 10 af 12

11 1D-modellen dækker området umiddelbart ved kilden og er relevant når kildeområdet har en diameter på Data, databehandling og rapportering: De målte koncentrationer af ilt og kuldioxid plottes over dybden (se eksemplet kategori 1). Desuden plottes PID-niveauet og koncentrationerne for de analyserede stoffer fra kulrøret over dybden. Til bestemmelse af nedbrydningsraten for stofferne kan der fittes en stationær 1D-model, der inkluderer vandtransport, gasdiffusion og nedbrydning. Dette kan gøres ved at benytte nedenstående formel, hvor nedbrydningsraten varieres for at tilpasse modellen til de målte data. Det er vigtigt, at parametrene i formlen indsættes således, at der er overensstemmelse mellem enhederne. Beregningen foretages i forhold til porevandskoncentrationen. Målte koncentrationer i poreluften kan omregnes til koncentrationer i porevandet vha. Henrys lov. I det nedenstående er enhederne angivet i SI-enheder selvom flere af parametrene ofte angives i en anden enhed. (Ref. 2) hvor: C0 er kildestyrkekoncentrationen i porevandet (målt i forureningens hot-spot) (g/m 3 ) vw er porevandshastigheden (m/s); jf. formel nedenfor z er vertikal afstand under forureningskilden (m) k er 1. ordens nedbrydningsrate (s -1 ) Dz er den langsgående dispersionskoefficient (m 2 /s); jf. formel nedenfor Porevandshastigheden kan bestemmes ved: (Ref. 2) hvor: N er nettoinfiltrationen (m/s) υw er den vandfyldte porøsitet (-) Den vandfyldte porøsitet bestemmes ved måling af jordens vandmætning, men kan også vurderes/estimeres på baggrund af kendskab til jordens geologi og forventede vandindhold, standardværdier kan f.eks. findes i Jagg-modellen. Ved etableringen af moniteringsboringerne bør der udtages jordprøver til bestemmelse af vandindhold til brug for estimering af vandmætning. Den langsgående dispersionskoefficient kan bestemmes ved: (Ref. 2) hvor: υw er den vandfyldte porøsitet (-) υa er den luftfyldte porøsitet (-) Dw * er den effektive diffusionskoefficient i vand (m 2 /s); jf. formel nedenfor Da * er den effektive diffusionskoefficient i luft (m 2 /s); jf. formel nedenfor vw er porevandshastigheden (m/s) αl er den langsgående dispersivitet (m), standardværdier kan findes i JAGG version 2.0 (Ref 2.) KH er den dimensionsløse Henrys konstant (-) (Ref. 2) (Ref. 2) hvor: υa er den luftfyldte porøsitet (-) Dd,a er den frie diffusionskoefficient i luft (m 2 /s); værdier findes f.eks. i JAGG-modellen n er den totale porøsitet (-) 11 af 12

12 Forslag til supplement af testen: Der kan under etableringen af moniteringsboringerne, udtages intakte kerneprøver til brug for bestemmelse af porøsitet og vandmætning. 12 af 12