CLIP-RENS: DAMPOPRENSNING MED HYDRAULISKE UDFORDRINGER Civilingeniør, ph.d. Thomas Hauerberg Larsen Miljøtekniker Kresten Andersen Projektleder Mette Skov Civilingeniør Jesper Damgaard Orbicon A/S Servicemontør Jørn Boysen Vand-Scmidt A/S Specialarbejder Martin Sørensen Projektchef Kim Jensen Arkil A/S Geolog Niels Just Geolog Lone Dissing Region Syddanmark Hydrogeolog Tom Heron NIRAS Civilingeniør, phd. Jakob Gudbjerg DHI Vand Miljø Sundhed ATV MØDE VINTERMØDE OM JORD- OG GRUNDVANDSFORURENING VINGSTEDCENTRET 6. - 7. marts 2007
RESUMÉ Indlægget omhandler en oprensning med damp udført ned til 12 m under grundvandspejlet i sand med høj hydraulisk ledningevne. Oprensningen havde til formål at reducere en PCE flux med 90 % eller mere. Ved oprensningen er der fjernet ca. 2.000 kg opløsningsmidler, og de foreløbige resultater viser at succeskriteriet er nået, både i forhold til oprensningskriteriet og med hensyn til tid og økonomi. BAGGRUND Det tidligere Sønderjyllands amt gennemførte en screening af renserier og fandt i den forbindelse forurening med PCE og olie på det tidligere centralrenseri Clip-rens, der ligger i Røde Kro. Efterfølgende blev der udført en række undersøgelser, der dokumenterede forureningen i både fane og kilde nærmere. Westergaard og Just (2004) og Dissing og Just (2006) har på tidligere ATV-møder og i AVJ-info beskrevet problemstillingen omkring grunden som helhed i detaljer. Selve renserigrunden er beliggende på den vestlige side af hovedopholdslinien, og er således geologisk set karakteriseret ved et relativt mægtige smeltevandsaflejringer, der går mere end 20 meter ned ved udslipsstederne på arealet. Grundvandet på grunden træffes ca. 3 mut. og udgør et stort magasin, som sandsynligvis er med til at føde den såkaldte Ribe-formation, se Dissing og Just (2006) for yderligere information. Forureningen fra grunden har bredt sig ca. 2,5 km nedstrøms. Baseret på de tilgængelige informationer er der mere end 1000 kg opløsningsmidler og nedbrydningsprodukter i fanen. Undersøgelserne på grunden har bestået i udtag og analyse af poreluft-, vand- og jordprøver til fastlæggelse af forureningens udbredelse og sammensætning. Der er også udført logning (gamma, flow og caliper) samt prøvepumpninger og pejlinger til fastlæggelse af magasinets hydrauliske egenskaber. Undersøgelserne viste, at hoved kildeområdet var lokaliseret nær en tidligere tank til opbevaring af PCE samt selve renseribygningen/maskinerne. Arealet af kildeområdet blev anslået til ca. 800 m² (20 40 m) og hovedparten af forureningen er lokaliseret ned til en dybde af ca. 12 mut. Prøvepumpningerne og de forskellige logs viste en samlet transmissivitet på omkring 6 10-3 m²/s for de øverste 15 meter af magasinet. Herudover viste der sig et lag på ca. 2-3 meters tykkelse, der havde markant lavere ledningsevne ca. 12-15 mut. I de øverste lag observerede vi de største hydrauliske ledningsevner, op til ca. 5 10-3 m/s, med et gennemsnit ca. en størrelsesorden mindre. Gradienten i området er bestemt til knap 2. På denne baggrund er grundvandshastigheden estimeret til ca. 100 m/år i gennemsnit. På figur 1 er vist de fundne koncentrationer af PCE i grundvandet på grunden, som et snit i dybden. Figur 2 viser fordelingen af hydrauliske ledningsevner som funktion af dybden. Et estimat på fluxen, baseret på en kombination af de fundne ledningsevner og koncentrationer, er i størrelsen 50 kg PCE/år. Hertil kommer mindre mængder TCE og cis-dce, der stammer fra reduktiv deklorering forårsaget af en mindre olieforurening, der ligger på en lille del af arealet.
Den samlede masse i kildeområdet blev ikke bestemt i detaljer. Der blev udtaget et begrænset antal jordprøver, og specielt under grundvandspejlet var prøverne af svingende kvalitet. Der blev konstateret koncentrationer i jordprøverne på op til ca. 2.000 mg PCE/kg, hvilket viser tilstedeværelsen af fri fase. Den samlede masse i området blev på baggrund af de samlede analysedata vurderet til at ligge i intervallet 1.000-5.000 kg PCE. Entrepriseområde 80000 Kote 40 35 30 60000 40000 25-277270 -277260-277250 -277240-277230 -277220-277210 -277200-277190 Figur 1 Koncentrationssnit i grundvandet langs den sydlige rand af Clip rens. De højeste PCE koncentrationer ligger centralt i entrepriseområdet. Kontureringen indikerer, at en del af forureningen ligger uden for entrepriseområdet, dette understøttes ikke af de fysiske forhold på lokaliteten. Skalaen i X og Y aksen er i meter, koncentrationen i ug/l. 20000 0 Kote 40 38 36 34 32 30 28 26 24 Fortolket horisontal hydraulisk ledningsevne B45 22 Vertikale ledningsevner målt på kerner 20 1.00E-07 1.00E-06 1.00E-05 1.00E-04 1.00E-03 1.00E-02 Ledningsevne [m/s] Figur 2 Fortolkede horisontale og vertikale hydrauliske ledningsevner i boring B45 på den sydlige del af entrepriseområdet. Vertikale ledningsevner er målt på kerner, horisontale fortolket fra flowlog og pumpetest.
Orbicon (tidligere Hedeselskabet) udførte en screening af afværgemetoder og anbefalede Sønderjyllands Amt at arbejde videre med en løsning, hvor dampinjektion blev anvendt. Den primære årsag til dette metodevalg var baseret på: Et ønske om høj effektivitet (stor massereduktion) Et ønske om en kort anlægs og driftsperiode Sammenlignelige økonomier for andre metoder med større risiko for fiasko pga. lagdelingen i magasinet Tekniske udfordringer for en række metoder pga. bygninger ovenpå forureningen og de hydrauliske forhold I de følgende afsnit er fremgangsmåde og resultater af det udførte dampprojekt præsenteret. PROJEKT Efter udførsel af de hydrauliske test stod det klart, at der var en række udfordringer i forhold til anvendelse af dampinjektionen under grundvandsspejlet. Bekymringen gik dels på om det overhovedet var muligt at fortrænge vandet ved dampinjektionen, hvilket er en forudsætning for en succesfyldt opvarmning og dermed oprensning, og dels på om eventuelle driftsstop ville forårsage, at vandet omkring grunden ville trænge ind og køle allerede opvarmede volumener af med ekstra økonomiske omkostninger til følge. Dette var en følge af dybden af forureningen under grundvandsspejlet i kombination med relativt høj transmissivitet. Indledningsvis udførte vi beregninger med MODI (Gudbjerg, 2002), der demonstrerede at en injektion af damp under de givne forhold burde være mulig. For at forbedre sikkerheden og modellere kombinationen af både oppumpning og injektion udførte vi i vinteren 2005 en række T2VOC beregninger med de konkret målte hydrauliske ledningsevner som input. Resultaterne indikerede det samme som de allerede udførte MODI beregninger, men gav herudover også et indblik i, hvor store vandmængder der skulle håndteres, og hvordan pumperaterne influerede på den forventede dampzone. I figur 3 er vist et eksempel på hvordan dampzonen blev modeleret i den forsimplede geologiske model, der blev anvendt. Geologien ses at bestå af tre lag, øverst et relativt høj permeabelt lag, herunder en lavpermeabel zone med et høj permeabelt lag under.
-2-4 110 C 100 C z [m] -6-8 Øverste sandlag 90 C 80 C 70 C 60 C 50 C -10 40 C 30 C Filtersætning -12 Lavpermeabelt lag 20 C 10 C 0 C -14 Nederste sandlag 2 4 6 8 10 12 14 r [m] Figur 3 Illustration af resultat af en radial modellering af dampzone ved to filtersætninger, over og under lavepermeabelt lag. Anisotropifaktoren er sat til 1 i modellen afbildet her og den horisontale ledningsevne til 5 10-3 m/s i de to lag der injiceres i og 10 gange lavere i det adskillende lag. På baggrund af modelbetragtningerne udarbejdede Orbicon et skitseprojekt. Projektet blev sendt til ekstern kommentering hos NIRAS, som Sønderjyllands Amt brugte til at give en ekstra faglig vurdering. I projektet var der foreslået et koncept med injektion fra randen ind mod center af forureningen. NIRAS var på baggrund af amerikanske erfaringer usikker på, om det ville være muligt at forhindre vand i at trænge ind i dampzonen ved de høje hydrauliske ledningsevner, der var tilstede. En revision af det overordnede koncept blev efter gennemgangen diskuteret og slutteligt vedtaget, således at injektionen i stedet fra skulle foregå centralt og hydraulisk/pneumatisk kontrol opnås via oppumpninger i randen. Dette ville sikre, at den centrale del af området med større sandsynlighed ville blive gennemvarmet. Orbicon udarbejdede på baggrund af revisionen et detailprojekt for oprensningen. På grund af risikoen for ikke at kunne fortrænge grundvandet via injektionen, anbefalede både Orbicon og NIRAS, at der udførtes en test på lokaliteten for at vurdere validiteten af de udførte modelberegninger, inden et fuldskalaanlæg blev bygget. Dette blev indføjet som en del af det
EU-udbudsmateriale, der blev udsendt. Testen blev udført med succes i foråret 2006, i form af injektion i et enkelt filter med tilhørende observationspunkter, umiddelbart nedstrøms for det mest forurenede område. Testen gav anledning til mindre revisioner i forhold til selve designet, primært blev kravet til dampkapaciteten øget og placering af en række boringer justeret. Det komplette anlæg til oprensningen, herunder alle boringerne, blev bygget/udført af Arkil, der vandt tilbuddet, henover sommeren 2006. Primo oktober 2006 blev driften, der blev udført af Arkil og Vand-Schmidt, igangsat. Driften blev styret på baggrund af daglige målinger af temperaturen i jorden, flow af damp og luft, vandspejl og koncentration af PCE i den opsugede luft. Orbicon stod for den daglige opfølgning på data og styring i samråd med Sønderjyllands amt, med Arkil og Vand-Scmidt som udførende på selve anlægget. Driften var inddelt i 6 faser efter følgende plan: Fase 1: Indkøring og hydraulisk kontrol. Forventet varighed 4 dage Fase 2: Opvarmning under lavere permeabelt lag. Forventet varighed 5 dage Fase 3: Opvarmning over lavpermeabelt lav med fjernelse af fri fase. Forventet varighed 20 dage Fase 4: Cyklisk drift med reduktion af opløst stof. Forventet varighed 14 dage Fase 5: Vådoxidation + efterpolering af umættet zone. Forventet varighed 14 dage Fase 6: Afkøling + efterpolering umættet zone. Forventet varighed 14 dage De udførte modelsimuleringer viste, at det var meget kritisk at anlægget havde 100% oppetid, i det selv korte afbrydelser ville resultere i, at vandet omkring ville strømme ind og afkøle entrepriseområdet. Testen afslørede, at dette var knap så kritisk i den virkelige verden, idet afkølingen ikke tog minutter/timer, men nærmere timer/døgn. Arkils drift viste sig at fungere stort set uden afbrydelser i hele perioden, hvilket var en stor tilfredsstillelse for alle involverede parter. Selve anlæggets hovedtal er listet op herunder: 4 injektionsboringer i det dybe lag 7 injektionsboringer i øvre lag 8 boringer til vandoppumpning i det dybe lag 16 boringer til vandoppumpning i det øvre lag 16 boringer til vakuumekstraktion 21 boringer til temperaturmonitering 10 poreluftfiltre umiddelbart under terræn i kombination med termofølere Dampkapacitet op til 10 tons pr. time Vakuumkapacitet op til 4000 Nm³/h ved 400 mbar absolut Vandbehandlingskapacitet op til ca. 25 m³ pr. time fra entrepriseområdet, herudover større kølevandsmængder på op til 200 m³ pr. time. På figur 4 ses et billede af anlægget i opbygningsfasen.
Figur 4 Billede af anlægsarbejdet med opbygning af anlæg. Forrest en af kedlerne bagved kølere, vakuumkondensere, udskillertanke, kulfiltre og yderligere kølere RESULTATER Driften blev startet op den 6. oktober 2006, efter at anlægget forinden var afprøvet. I tabel 1 ses en oversigt over driften i forhold til det planlagte forløb. Tabel 1. Oversigt over faserne i oprensningen, planlagte dage og faktisk forbrugt. Fase nr. Planlagt antal dage Faktisk antal dage Dato for start. 1 4 1 6. oktober 2 5 5 7. oktober 3 20 18 11. oktober 4 14 23 29. oktober 5 14 7 22. november 6 14 9 29. november Samlet 71 63
Som det ses af tabel 1 er der brugt færre dage til opreningen end oprindelig planlagt. I forhold til energimængden er der brugt mere end oprindeligt beregnet. Den samlede dampmængde der skulle injiceres blev estimeret til 4600 tons, det faktiske forbrug var 6700 tons damp. De to primære årsager til det ekstra forbrug er ændringen i konfiguration af dampen, dvs. fra center og udadtil, hvilket har gjort at vi har opvarmet et lidt større volumen end oprindeligt antaget, samt at der pga. ekstremt høje ledningsevner for vand i nogle områder har været nødvendigt med en større injektion for at overkomme tabet af energi. Selve driften har primært været styret af de dagligt indhentede temperaturmålinger fra de 21 boringer. Temperaturen er målt i 32 punkter i hver boring dagligt, svarende til 672 datasæt pr. dag. Temperatur data er behandlet på forskellige måder for at uddrage maksimal information. Der er lavet profiler på samtlige boringer dagligt som illustreret i figur 5, der viser et eksempel på profiler fra boring 12, som er placeret centralt i entrepriseområdet. Boring TB12 Kote [m] 42 40 38 36 34 32 30 28 26 24 10 30 50 70 90 110 130 Temperatur [oc] 01-11-2006 31-10-2006 30-10-2006 29-10-2006 PCE Vand???3 Figur 5 Temperatur profiler for 4 dage for boring 12. Signaturen PCE angiver kogepunkt for blanding af fri fase PCE og vand, signaturen Vand angiver vands kogepunkt. Grundvandsspejlet er beliggende i kote 39 og overfladen i kote ca. 42.
Figur 5 illustrerer den direkte mulighed for at vurdere, om der i det enkelte område er opnået temperaturer der sikrer, at fri fase er fjernet (T større end signaturen PCE ) og om der er opnået damptemperaturer (T større end eller lig med signaturen Vand ). I figur 5 ses en noget højere temperatur end ligevægtstemperaturen for vand/damp, hvilket skyldes at den damp der injiceres er overhedet når den strømmer ud i jorden. 71570 71560 71550 71540 71530 71520 TB20 TB21 TB18 TB19 TB16 TB17 TB13 TB14 TB15 TB10 TB11 TB12 TB9 TB7 TB8 TB5 TB6 TB4 TB3 TB2 TB1 130 125 120 115 110 105 100 95 90 85 80 75 70 65 60 55 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0-277270 -277260-277250 -277240-277230 Plot of Kote_30.7 Figur 6 Surfer plot af temperaturen i et snit i kote 30,7 den 22. oktober 2006 Ud over profilerne er der lavet 2 dimensionale profilsnit med Surfer til evaluering af energibalancen for området. Et eksempel er vist i figur 6, der viser temperaturen i et snit i kote 30,7 den 22. oktober. På baggrund af en antaget varmekapacitet for jorden er det ved integration af de 32 snit dagligt muligt at beregne middeltemperaturen i entrepriseområdet og energitilvæksten i jorden. Slutteligt er temperaturerne også anvendt 3 dimensionalt for at vurdere, om der er zoner, der ikke har opnået en tilstrækkelig temperatur. Et eksempel på et plot af dette er vist i figur 7. Værktøjet Voxler, der er brugt til vurderingen, giver mulighed for frit at rotere billedet og ændre afbildningen således at der kan trækkes meget information ud om temperaturfordelingen på en relativt enkel måde.
Figur 7 3-dimensional Voxler figur, der illustrerer områder med 70 C eller mere den 9. oktober. En lagdeling ses af temperaturen pga. forskelle i permeabiliteten. Figur 7 illustrerer lagdeling af dampen, der indledningsvist kunne konstateres pga. lagdelingen i injektionen og lagdelingen i geologien. Det lagpermeable lag, der blev konstateret på den sydlige del af arealet i forbindelse med undersøgelsen, viste sig ikke at have en udbredelse over hele grunden. På den nordlige del (skala 40 m) var laget ikke så udbredt, derimod var der her nogle tunger med meget høj ledningsevne, som var meget vanskelige at opvarme på grund af tilstrømning af vand. Selve opvarmningen af området har haft udfordringer i enkelte områder pga de høje ledningsevner, men dette er håndteret dels ved at justere injektionsmængderne i dampboringerne, der blev etableret fra start, og dels ved at der blev etableret nogle ekstra injektionspunkter undervejs, så de problematiske områder også blev opvarmet. På figur 8 er gennemsnitstemperaturen i entrepriseområdet og koncentrationen af PCE i den opsugede luft vist. Koncentrationen i poreluften var ved opstarten ca. 1.300 mg/m³ i gennemsnit, baseret på en målerunde udført efter test af anlægget. Koncentrationen i det opsugede luft faldt derefter til 3-400 mg/m³, mens fase 2 stod på. I forbindelse med at området begyndte at blive opvarmet ses, at koncentrationen steg i den opsugede luft. I fase 3 blev der injiceret en blanding af damp og luft, hvilket forårsagede en mobilisering af masse lokaliseret
Temperatur og koncentration i opsuget luft 6.00 120.00 PCE koncentration 5.00 Middeltemperatur 100.00 Koncentration [g/m³] 4.00 3.00 2.00 Fase 1 Fase 2 Fase 3 Fase 4 Fase 5 Fase 6 80.00 60.00 40.00 Temperatur [ C] 1.00 20.00 0.00 0.00 01-10-06 11-10-06 21-10-06 31-10-06 10-11-06 20-11-06 30-11-06 Dato Figur 8 PCE koncentration i opsuget luft og gennemsnitstemperatur i entrepriseområdet igennem oprensningen under grundvandsspejlet. Den sidste del der blev opvarmet i fase 3 var den umættede zone. Den masse der var tilstede her, ses at komme som en meget kraftig puls, der toppede den 28. oktober med målte koncentrationer på op til ca. 5.000 mg PCE /m³. I dette døgn kom der ca. 250 kg PCE op. Den samlede fjernelse har totalt set været ca. 2.000 kg opløsningsmidler, heraf er 1.5-1.600 kg PCE fjernet via vakuumventilationsdelen. På figur 9 er massefjernelsen i vakuumdelen vist som funktion af tiden. 1600 Vakuumekstraktion Kg PCE 1400 SUM Kg PCE 1200 1000 800 600 400 200 0 30-09-06 10-10-06 20-10-06 30-10-06 09-11-06 19-11-06 29-11-06 09-12-06 Figur 9 Akkumuleret PCE fjernelse ved vakuumekstraktionen
Den samlede massefjernelse svarer til et gennemsnitligt indhold på ca. 100 mg opløsningsmidler pr. kg jord. I forhold til den endelige vurdering af oprensningen er der endnu ikke udtaget dokumentationsprøver, idet det afventer yderligere afkøling og mulighed for at vurdere tilbageslag. Der skal laves nye boringer nedstrøms kildeområdet til niveauspecifik prøvetagning i foråret 2007. Der er imidlertid udtaget poreluftprøver og vandprøver fra samtlige pumpeboringer i forbindelse med afslutning af driften. De overordnede resultater er vist i tabel 2. Tabel 2. PCE koncentrationer i luft og vand efter oprensningen. Medie Gennemsnitskoncentration Maksimal koncentration Vand (ug/l) 130 600 Luft (mg/m³) 20 85 I forhold til udgangspunktet er der tale om reduktioner på mere end 90 % på koncentrationsniveauerne, dog er der stadig mindre mængder stof tilbage efter oprensningen. KONKLUSION Der er udført en oprensning med dampinjektion fra dybt under grundvandsspejlet til terræn i sand med høj hydraulisk ledningsevne. Oprensningen har resulteret i fjernelse af ca. 2.000 kg opløsningsmidler fra et ca. 10.000 m³ stort volumen, svarende til en fjernelse på ca. 100 mg/kg. Basis var en række undersøgelser, matematisk modellering af dampinjektionen og sluttelig en test inden opstilling af fuldskalaanlæg. I forhold til den opstillede plan er tidsplanen og de økonomiske forudsætninger overholdt. De foreløbige undersøgelser af restforureningen indikerer, at den fastsatte målsætning på en reduktion på 90 % eller mere af fluxen af PCE er opnået ved indgrebet. Den endelige dokumentation udføres i foråret 2007. REFERENCER Dissing, L, Just, N. (2006): Dampoprensning i Sønderjylland. AVJ-info nr.3, 2006, p. 2-5 Gudbjerg, J. (2002): Modellering af opvarmning ved dampinjektion (Modi). Miljøprojekt nr. 679; Teknologiudviklingsprogrammet for jord- og grundvandsforurening, Miljøstyrelsen.. Westergaard, C., Just, N. (2004): Undersøgelse af forurening med klorerede opløsningsmidler ved centralrenseri i Rødekro med vurderinger af, hvad naturlig nedbrydning betyder for forureningsfanens videre fremrykning. Indlæg på ATV Vintermødet marts 2004.