AFVÆRGEPUMPNING - STATUS, OPTIMERINGS- OG KOMBINATIONSMULIGHEDER Projektleder Niels Ploug Krüger A/S ATV Jord og Grundvand Afværgeteknologier State of the Art Schæffergården, Gentofte 22. oktober 2008
RESUME I forbindelse med forurening af grundvand blev afværgepumpning tidligt introduceret som en i første omgang mulig måde at håndtere og sikre, at den opløste forurening blev oppumpet, renset og afledt (ofte til det kommunale spildevandssystem). Det er efterhånden blevet klart, at disse afskærende foranstaltninger er langvarige, og at driftsperioden fuldstændigt afhænger af stofflux fra kilden. Afværgepumpninger i kildeområder har ofte vist sig at have moderat til lille succes på grund af forskellige forhold som tilgængelighed, stoffers opløselighed i vand, adsorption etc. I den forbindelse er der de senere år arbejdet med forskellige kombinationsmuligheder ved afværgepumpninger som eksempelvis flerfase pumpning, soilflushing og pumpning i forbindelse med reduktiv deklorering. Fælles for alle disse er stadig, at de kan være stærkt begrænsede af lav permeabilitet og inhomogeniteter. INDLEDNING Afværgepumpning har længe været anvendt som middel til at stoppe yderligere spredning af forurening og senere også forsøgt anvendt til fjernelse af forureningen. Ved afværgepumpning er der overordnet set tale om 3 scenarier: Afskærende pumpning, hvor oppumpning sker ved fanens slutning (fig. 1) Oprensning af fanen, hvor oppumpningen sker i hele fanen (fig. 2) Oprensning af kilden, hvor oppumpning sker i kildeområdet Figur 1. Afskærende afværgepumpning/1/ Figur 2. Afværgepumpning i hele fanen/1/ Når der tales om afværgepumpning, er det derfor vigtigt først at fastlægge, hvilken forureningssituation, der ønskes behandlet. Dernæst er der en hel del parametre, der bør overvejes: findes forureningen opløst i vandet er der fri fase i form af LNAPL eller DNAPL geologi, hydrogeologi
geokemi risikoevaluering stopkriterier forventet driftsperiode I det følgende forsøges givet et overblik over de forskellige kombinationer, hvor afværgepumpning indgår. Ligeledes vil optimering af SRO (styring, regulering og overvågning) blive berørt. AFVÆRGEPUMPNING I FANEN Der er god erfaring med traditionel afværgepumpning, hvor målet er at stoppe spredning af forurening ved hjælp af hydraulisk kontrol. Afhængig af magasinets ydelse vil der skulle placeres flere eller færre boringer for at opretholde en hydraulisk kontrol. Afsænkning i magasinet vil være afhængig af magasinets ydeevne. Et lavt ydende magasin vil typisk få en større afsænkning i mindre områder, hvorimod pumpning i et højt ydende magasin vil få en mindre afsænkning i et større område. Magasintykkelsen har ligeledes indflydelse på, hvorledes pumpestrategien og udbygning af boringerne foretages. Afhængig af magasinets kompleksitet etc. kan det være gavnligt at opstille strømningsmodeller til anvendelse under pumpeforløbet./1/ Under etablering af afværgepumpning kan der enten anvendes vertikale boringer eller horisontale boringer, dog typisk vertikale. Horisontale boringer anvendes ofte, hvor det kan være svært at opnå tilstrækkeligt indstrømningsareal i vertikale filtre. Horisontale boringer kan imidlertid næppe installeres meget dybere end 10 15 m.u.t. Afhængig af kompleksitet kan det ofte være nødvendigt at opstille en strømningsmodel til dimensionering og placering af boringer. I det følgende beskrives kort 2 eksempler, hvor der er anvendt henholdsvis vertikale boringer og horisontale boringer. Eksempel 1 vertikale boringer En overliggende kilde forurener kontinuert et nedre sekundært magasin ca. 23 m.u.t. Grundvandsmagasinet har en mægtighed på 1,5 3 meter og er underlejret af et lerlag på 0,5-2 m, der beskytter det primære magasin i kalken 35 m.u.t. Lerlaget forsvinder nedstrøms kilden hvor det nedre sekundære magasin afstrømmer til det primære magasin. I det nedre magasin er der etableret 10 vertikale boringer, der har 2 formål. Det første at stoppe afstrømningen til det primære magasin og efterfølgende fjerne den opløste forurening i det nedre sekundære magasin, når fluxen fra kilden er stoppet. Det oppumpede vand renses som ved traditionel behandling med sandfiltre og aktiv kulfiltrering. Der foretages ikke nogen beluftning af det oppumpede vand. Det rensede vand reinjiceres i det primære magasin nedstrøms fanen. Reinjiceringen foregår i 45 meters dybde i kalken. For at undgå iltning og der-
med tilklogning af filtret ved reinjiceringen, er der i injektionsboringen monteret en bundventil således, at vandets injektionshastighed og tryk kan styres. Efter gennemførelse af flere pumpeforsøg samt opstilling af en grundvandsmodel blev det afgjort, hvorvidt boringerne skulle placeres som en barriere i strømningsretningen eller som en linie gennem fanen. Se figur 3. Figur 3. Placering af boringer Eksempel 2 horisontale styrede underboringer En kilde strømmer horisontalt ud i fanen. Kilden skal oprenses og afskæres hvorefter fanen skal oprenses ved afværgepumpning. Fanen er cirka 2,5 km lang og op til 400 m bred. Grundvandspejlet er beliggende 5 m.u.t. og underlejret af et lerlag i cirka 6-7 m.u.t. Fanen er beliggende under en by. En simpel model viste, at det ikke ville være muligt at etablere tilstrækkeligt med filterareal ved vertikale boringer, ligesom det logistisk ville være meget vanskeligt at styre disse. Derfor blev der etableret horisontale filtre under fanen i hele tværsnittet. Boringerne etableres ved styret underboring med foringsrør, hvori flere filtre blev installeret. For at sikre mulighed for regulering på tværs i fanen var det vigtigt, at der etableredes flere individuelle filtre i tværsnittet. På denne måde etableredes op til 300 m filter i et tværsnit. Pumpning fra de horisontale filtre ville være vanskeligt med liggende dykkede pumper. Derfor bliver vandet pumpet under vakuum ved hjælp af selvansugende pumper. For at minimere løftehøjden og dermed reducere det anvendte vakuum blev de selvansugende pumper placeret i brønde 1 meter over grundvandsspejlet. AFVÆRGEPUMPNING I KILDEOMRÅDE Når afværgepumpning flyttes fra fanen og ind i kildeområdet er succesen ofte væsentligt mere begrænset, hvilket skyldes flere faktorer. Forureningen findes nu ikke kun opløst i vandet, men også i form af fri fase. Det kan være som let fri fase (LNAPL) eller som tung fri fase (DNAPL).
LNAPL er komponenter med lavere vægtfylde end vand som eksempelvis dieselolie og benzin. Stofferne vil lægge sig ovenpå grundvandsspejlet som eksempelvis fyringsolie. Da LNAPL ligger over/ved grundvandsspejlet vil det være relativt let at lokalisere den. Med hensyn til DNAPL er der tale om komponenter, der er tungere end vand. DNAPL vil derfor synke gennem grundvandsspejlet, indtil det møder et impermeabelt lag, hvor det vil lægge sig som DNAPL pools. Det vil sige, at det er væsentligt mere kompliceret at finde DNAPL, da de kan findes i større eller mindre pools i de forskellige inhomogene aflejringer. En del af den fri fase vil være tilgængelig, men en stor del vil fikseres i sedimentet og ligge i porevolumenet, hvor det skaber en prop med en lavere permeabilitet. Herved vil strømmende vand ledes udenom den fri fase. Samtidig vil den fri fase arealmæssigt have en meget lille overflade med en resulterende langsom opløsning til det forbipasserende grundvand. /2/ I forbindelse med erkendelsen af ovenstående problematikker er der gennem de seneste år udført forskellige kombinationer af afværgepumpninger. I det følgende vil en del af disse blive beskrevet. Flerfase pumpning Ved flerfase oppumpning anvendes der vakuumpumper ved terræn til pumpning af 2 eller flere medier. Det kan være luft/vand, men også luft/vand/olie. Princippet i flerfase pumpning er, at der i en eller flere boringer etableres et sugerør, hvor der påføres et flow højt nok til at rive væske af overfladen af et grundvandsspejl. Det vil sige, at løftehøjden ikke er begrænsende. Metoden anvendes primært til fjernelse af fri fase LNAPL, men finder også anvendelse på fjernelse af forurenet vand i forbindelse med chlorerede opløsningsmidler. Metoden kan bringes til at ekstrahere fra bunden af et grundvandsmagasin ved ændring af droptubens udformning og placering. Da der ikke indgår mekanisk bevægelige dele i boringen, er metoden robust, men afhængig af grundvandsspejlets fluktuationer. Figur 4. Flerfase pumpning med vakuumpumper I forbindelse med en anden sag blev der ved flerfase pumpning fjernet 186.000 l ren fyringsolie fra 30 boringer over 10 måneder. Efterfølgende blev hele det forurenede areal afgravet til ren bund. Analyser af den opgravede jord viste et restindhold på cirka 150 tons fyringsolie.
Det vil sige, at der ved flerfase pumpningen blev fjernet omkring 50% af forureningen, hvilket sandsynligvis er en høj succesrate. Metoden vil i forbindelse med DNAPL have lille eller ingen succes, da det vil være tvivlsomt, om boringerne sættes, hvor der umiddelbart findes DNAPL. I den forbindelse må metoden stort set være at ligestille med traditionel afværgepumpning. Flushing Flushing er en teknologi baseret på afværgepumpning. Teknologien dækker over gennemskylninger af det forurenede område med forskellige kemikalier. Alle har de til formål at overkomme de tidligere omtalte barrierer knyttet til tilgængeligheden af forureningskomponenterne. I praksis injiceres kemikalier i en række vertikale eller horisontale boringer. Nedstrøms afværgepumpes, hvilket fortsættes efter injektionen er tilendebragt. Det oppumpede vand kan derefter renses, genanvendes eller afledes til kloak som vist i figur 5. Målet med flushing teknologien er at optimere afværgepumpningen ved at øge opløseligheden eller mobiliteten af fri fase stoffer i det forurenede område. Figur 5. Pumpning i forbindelse blandt andet flushing /2/ Surfactant flushing Surfactants er overfladeaktive stoffer med en polær ende og en upolær ende. Ved tilsætning af de overfladeaktive stoffer samles de med den upolære ende i den fri fase og den polære i vandfasen. Herved opnåes dannelser af forskellige mikroemulsioner og miceller. Miceller er en kugle af fri fase omkranset af molekyler af de overfladeaktive stoffer. Disse miceller og
mikroemulsioner er på grund af den polære overflade vandopløselige og kan pumpes ud af sedimentet. Typiske koncentrationer af overfladeaktive stoffer til dannelse af miceller ligger i området 0,1 1%. /2,3,4/ Co-solvent flushing En anden flushing teknologi er co-solvent flushing. Her tilsættes co-solventer som alkoholer (methanol, ethanol etc). Ved co-solvent flushing opløses disse i den fri fase. Ved opløsning ændres overfladespænding, viskositet etc., og herved øges mobiliteten af den fri fase. Densiteten af den fri fase kan ændres afhængig af den anvendte co-solvent. Co-solventer skal oftest tilsættes i langt større mængder end de overfladeaktive stoffer. I flere tilfælde vil en udskiftning af vandindholdet med co-solventen være at foretrække. På samme vis som ved surfactant flushing sørger afværgepumpningen for, at den mobiliserede forurening oppumpes, ligesom co-solventerne oppumpes og genanvendes. Udover overfladeaktive stoffer kan også kompleksbindere anvendes. Kompleksbindere er større molekyler, der har et polært ydre og et upolært indre. De vil være istand til at binde forureningsstoffer og gøre dem tilgængelig i vandfasen. /2,3,4/ Generelle overvejelser og begrænsninger ved soil flushing er blandt andet: Anvendelse af en opløsning, der passer til kemien i området Inhomogeniteter kan besværliggøre kontakt til forureningsstofferne Lavpermeable aflejringer er vanskelige at behandle Risiko for utilsigtet spredning ved mobilisering af fri fase Overfladeaktive stoffer kan bindes til jorden og dermed reducere porøsiteten Afværgepumpning i forbindelse med reduktiv deklorering Også i forbindelse med levering af elektrondonorer, substrat og bakterier ved reduktiv deklorering kan afværgepumpning anvendes. Typisk placeres der injektions- og ekstraktionsboringer i området. Ved evt. oppumpning af vand tilsættes dette de nødvendige stoffer, og vandet recirkuleres i oprensningsfanen. Herved kan opblandingen effektiviseres og forceres ved eksempelvis at etablere en større gradient på grundvandspejlet. Typisk kan en række nedstrøms placerede ekstraktionsboringer være etableret som afskæring af fanen. Under driften af pumpesystemerne vil der være risiko for tilklogning af filtre grundet biofilm. Ligesom de øvrige pumpeteknikker er også denne betinget af tilstrækkelig permeabilitet i de forurenede områder. /5/ OPTIMERING AF STYRING Afhængigt af afværgeforløbet og kompleksiteten etableres der normalt en form for styring og overvågning af processen. Det kan være alt fra blot at sikre en pumpe med en niveau-alarm til mere kompliceret styring og overvågning.
Ofte er styring og overvågning begrænset til en række driftsparametre med høj/lav alarmer samt visning af en række procesværdier. Disse har normalt til hensigt direkte at beskytte anlægget og processen, men ikke så meget til at tolke processen og anlægget. Ved at indføre mere intelligent styring og måleudstyr er det muligt at få rapporter og meldinger om trends, slitage af pumper, tilkogning af filtre etc. I eksemplet på figur 6 nedenfor trues et indvindingsfelt af en grundvandsforurening. Det er vigtigt, at grundvandsstrømning indenfor et interval holdes i en bestemt retning således, at der ikke er fare for indvindingsfeltet. Derfor er der etableret en overvågning baseret på et sæt tryktransducere placeret i 4 boringer. Disse følger grundvandsspejlet on-line, og ved hjælp af styringen er det muligt at tolke strømningsretningen. Overvågningen kan derefter sættes til at acceptere en vis variation i strømningsretningen. Figur 6. On-line monitering af strømningsretning Overvågningen kan yderligere udbygges med kunstig intelligens. Det vil sige, at softwaren sættes til at sammenligne værdier over tid og på den måde opstiller trends og rapporterer dette. Eksempelvis kan man forestille sig at sammenholde pumpeflowet i boringen med grundvandsspejlet i og omkring boringen samt pumpens energiforbrug og pumpetrykket. Ved at lade sammenligningen ske over definerede tidsperioder vil det være muligt at få overvågningen til at genere trends for pumpestand, mulighed for tolkning af indstrømningsflow i boringen, rørsystemer og anlæggets tryktab. For at undgå kun at anvende høj og lav alarmer vil det være en fordel at arbejde med eventbaseret overvågning. Det vil sige overvågning, der sammenligner procesværdien i forhold til det normale i afværgen. På den måde opdages unormale hændelser, hvilket ikke nødvendig-
vis vil ske, såfremt der udelukkende anvendes høj og lav alarmer. I figur 7 er gengivet et screendump fra en eventbaseret overvågning. Af figuren fremgår 4 events, der ikke nødvendigvis ville udløse en høj/lav alarm. Ydermere ses en trend på turbiditeten. Denne ville heller ikke umiddelbart afsendes som alarm. Figur 7. Eventbaseret overvågning Fremtidige online målinger For tiden arbejdes der intensivt med on-line måleudstyr til vand. Eksempelvis er scannere i meget kraftig udvikling. Scannerne virker ved eksempelvis at sende lys gennem vandprøven ved flere end 200 bølgelængder. Absorbans- og/eller fluorescens-målinger vil derefter lave et fingeraftryk af det pågældende vand. Software er under udvikling til tolkning af målingerne. Hvorvidt det vil blive muligt at se på enkeltstoffer, vil afhænge af koncentrationer af stofferne, deres absorbans, fluorescens og vandets øvrige kvalitet. Men det vil være muligt at se ændringer i vandets kvalitet og dermed være i stand til at reagere på dette. Scanner og software anvendes allerede nu i spildevandsbranchen og er stærkt på vej indenfor drikkevandsforsyning. Teknologien er i rivende udvikling og hardwaren er billig, så der er ingen tvivl om, at den senere vil blive introduceret. LITTERATURHENVISNING /1/ Design, indkøring og drift af afværgepumpning, Miljøstyrelsen, Projekt nr. 1-1995 /2/ Afværge af grundvandsforurening ved kombination af Flushing og MPPE-vandrensning, Miljøstyrelsen, Projekt nr. 725-2002 /3/ In-situ flushing with Surfactants and Cosolvents, US EPA July 2000 /4/ Guidance document for In-situ Soil Flushing, FHWA/IN/JTRP-2006/28 /5/ Stimuleret In-situ reduktiv deklorering, Videnopsamling og screening af lokaliteter, Miljøstyrelsen, Projekt 983-2005