Infiltration af afværgepumpevand

Infiltration af afværgepumpevand Teknik og Administration Nr. 1 2006

Indholdsfortegnelse 1. Indledning 5 2. Litteratur- og erfaringsopsamling 7 2.1 Internationale erfaringer med infiltration 7 2.2 Danske erfaringer med infiltration af afværgevand 8 3. Forudsætninger for infiltration 13 3.1 Clogging betinget af geokemiske processer 13 3.1.1 Redoxprocesser i infiltrationsmagasinet ved mixing af vandtyper 14 3.1.2 Redoxreaktioner ved reaktioner mellem infiltrat og sediment 15 3.1.3 Kalkudfældninger 16 3.1.4 Ionbytning og sorption 16 3.1.5 Udfældning af aluminiumoxider 17 3.1.6 Reaktionskinetikkens betydning for cloggingproblemer 17 3.2 Clogging betinget af biofilmdannelse 18 3.3 Fysisk og mekanisk clogging 19 3.3.1 Partikelclogging 19 3.3.2 Gasclogging 20 3.3.3 Rodindtrængning 21 3.4 Sammenfatning af kvalitetskrav til infiltrationsvandet 22 3.5 Geokemiske modelværktøjer 23 3.6 Hydrauliske og geotekniske forudsætninger 24 3.6.1 Infiltration via boringer 24 3.6.2 Infiltration via dræn 26 3.6.3 Infiltration via bassiner 27 3.6.4 Fastlæggelse af max. infiltrationstryk 29 4. Forundersøgelser forud for etablering af infiltrationsanlæg 33 4.1 Generelle spørgsmål til belysning 33 4.1.1 Principielle afværgekoncepter 34 4.1.2 Nødvendige basisinformationer 35 4.2 Vurdering af følgevirkninger af infiltrationsanlæg på omgivelser 35 4.3 Hydrauliske tests og eksempler på simple modelberegninger 36 4.4 Vandbehandlingen og problemer i relation hertil 38 4.4.1 Luftstripning 39 4.4.2 Aktivt kulrensning 40 4.4.3 Beluftning og fjernelse af jern og mangan på sandfilter 41 4.4.4 Øvrige vandbehandlingsteknikker 41 5. Projektering af infiltrationsanlæg 43 5.1 Godkendelser og tilladelser 43 5.2 Valg af infiltrationsløsning 44 5.3 Pumpe- og infiltrationsboringer 44 5.3.1 Kriterier for fastlæggelse af infiltrationskapacitet 45 5.3.2 Boremetode og boringsudvikling 45 5.3.3 Filtersætning 46 5.3.4 Systemtryk og afslutning af infiltrationsboringer 47

5.4 Infiltrationsdræn, -bassiner og faskiner 48 5.5 Vandbehandlingen lukket eller åbent system? 49 5.6 Krav til SRO og anden procesovervågning 50 5.7 Inddragelse af driftsaspekter i projekteringsfasen 51 6. Anlægs- og indkøringsfasen 51 7. Drift af infiltrationsanlæg 53 7.1 Fastlæggelse af referencetilstand 53 7.2 Drift og overvågning 54 7.2.1 Vandkvalitet 54 7.2.2 Vandbehandlings- og infiltrationsanlægget 54 7.3 Regenerering af boringer og dræn 54 7.3.1 Diagnosticering af årsager til kapacitetsproblemer med infiltrationsanlæg 54 7.3.2 Regenerering af boringer og dræn 56 8. Litteraturliste 58 Appendiks A B Beslutningstræ Nødvendige basisinformationer 4

1. Indledning Drift af afværgeanlæg, hvor der sker oppumpning og rensning af grundvand, kræver bortskaffelse af det rensede grundvand. Bortskaffelse ved infiltration til grundvandszonen er en attraktiv løsning, da det ikke reducerer grundvandsressourcen, og da der ofte vil være en betydelig økonomisk gevinst ved en sådan løsning. Begrundet i fordelene ved infiltration har nogle amter gennem en række år etableret afværgepumpeanlæg, hvor det rensede grundvand infiltreres via dræn, infiltrationsboringer eller på anden vis. Amterne har imidlertid konstateret, at der er en række problemer forbundet med infiltration af grundvand, som der ikke i fornødent omfang er taget hensyn til ved projekteringen af afværgeanlæggene og i planlægningen af driften af anlæggene. Foranlediget heraf har Amternes Videncenter for Jordforurening (AVJ) besluttet at udarbejde en håndbog omhandlende infiltration af behandlet afværgevand til grundvandsmagasinerne. Projektet er af AVJ gennemført i et samarbejde med Københavns Amt. Københavns Amt har parallelt med dette projekt finansieret undersøgelser af deres syv idriftsatte afværgeanlæg, hvor der foretages infiltration af renset afværgevand. Undersøgelserne har omfattet gennemgang af projektforudsætningerne, besigtigelse af anlæggene samt endelig fysiske undersøgelser af infiltrationsanlæggene. Foruden Københavns Amts afværgeanlæg med infiltration er der rettet telefonisk henvendelse til alle amter, Gentofte, Frederiksberg og Københavns kommuner samt Københavns Energi med henblik på at få overblik over antallet af afværgeforanstaltninger, hvor der sker infiltration, og de positive og negative driftserfaringer der er opnået herved. Erfaringerne herfra har sammen med internationale undersøgelser og erfaringer dannet grundlag for nærværende håndbog. Rapporten er udarbejdet af følgende medarbejdere fra Rambøll: Thorkild Feldthusen Jensen Liselotte Krakau Ludvigsen Jan Wodschow Larsen og Michael Boch. Rapporten er blevet til i samarbejde med en følgegruppe, der har været tilknyttet projektet. Følgegruppen bestod af: 5

Johanne Aaberg Andersen, Københavns Amt Jesper Elkjær Christensen, Københavns Amt Torsten Tejlgaard Jensen, Storstrøms Amt Peter Rank, Roskilde Amt ( pr. 1/7 2005 Frederiksborg Amt) Finn Hastrup, NIRAS A/S Arne Rokkjær, Amternes Videncenter for Jordforurening Ingela Karlsson, Amternes Videncenter for Jordforurening Formålet med nærværende håndbog er at systematisere eksisterende viden om forhold af betydning for infiltration af afværgepumpevand. Det videre perspektiv er at effektivisere arbejdet og forbedre videns- og beslutningsgrundlaget for arbejdet med etablering af infiltrationsanlæg hos myndigheder, rådgivere og entreprenører. Håndbogen beskriver tilgangen til en systematisk planlægning, dimensionering og drift af afværgeanlæg, hvor der sker infiltration af renset afværgevand til grundvandsmagasinerne. Håndbogen indeholder fire hovedtemaer. Tema 1 - vedrører de grundlæggende forudsætninger og problemer forbundet med infiltration, der kan have rod i geokemiske og biokemiske forhold, ligesom de teoretiske hydrauliske forudsætninger beskrives. Dette er indeholdt i kapitel 3. Tema 2 - omhandler den viden, der er behov for som beslutningsgrundlag for etablering af infiltrationsanlæg. Disse forundersøgelser er beskrevet i kapitel 4. Tema 3 - omhandler projektering af afværgepumpninger med infiltration med beskrivelse af de forhold ved anlægsdesign, det er særligt afgørende at have fokus på for at sikre en så problemfri infiltration som muligt. Der er dog ikke specifikke anvisninger. Temaet er beskrevet i kapitel 5. Tema 4 - vedrører indkøring og drift af afværgeanlæg med infiltration, og det er beskrevet i kapitel 6 og 7. Det bemærkes, at der hele vejen igennem håndbogen er fokus på de problemstillinger, der har betydning for selve infiltrationen. 6

2. Litteratur- og erfaringsopsamling Infiltration af vand til grundvandszonen finder herhjemme og internationalt sted med en lang række formål for øje omfattende: Infiltration af regnvand med henblik på simpel bortskaffelse eller målrettet øget grundvandsdannelse (ex. stormwater infiltration /1/, /2/, /3/). Infiltration af flodvand med henblik på øget grundvandsdannelse (ex. river bank infiltration /4/, /5/, /6/, /7/). Infiltration af spildevand med henblik på bortskaffelse /8/. Infiltration af opvarmet eller nedkølet vand med henblik på genanvendelse (kulde- og varmelagring ~ ex. aquifer thermal energy storage) /9/, /10/. Infiltration af vand fra grundvandssænkninger ved bygge- og anlægsarbejder med henblik på sikring af omkringliggende bygninger /11/, /12/. Infiltration af renset afværgevand med henblik på bortskaffelse eller forceret udvaskning (ex. soil flushing) /13/, /14/, /15/. Fælles for de første fem teknikker er, at der er en lang række grundlæggende fysiske og kemiske forudsætninger, som er analoge til infiltration af afværgevand. Med henblik på nyttiggørelse af danske og internationale erfaringer i forbindelse med udarbejdelse af nærværende håndbog, er der via Internettet og Danmarks Tekniske Bibliotek (DTB) skaffet dansk og international litteratur til veje, som er anvendt i efterfølgende kapitler til beskrivelse af de grundlæggende forudsætninger for infiltration af afværgevand via bassiner, dræn og boringer og de design og driftsproblemer, der kan være forbundet med anlæggene. 2.1 Internationale erfaringer med infiltration Langt den meste litteratur om infiltration det er lykkedes at skaffe til veje, vedrører erfaringer med infiltration i tilknytning til kunstig grundvandsdannelse (Riverbank infiltration, storm water infiltration). Der findes imidlertid følgende rapporter som er målrettet infiltration af afværgepumpevand: En fortrinlig hollandsk rapport Implementatie beslissystematik ontwerp en onderhoud van infiltratie en onttrekkningsmiddelen om infiltration af afværgepumpevand, som detaljeret redegør for forundersøgelser, projektering og drift af afværgeanlæg, hvor der sker infiltration. Rapporten indeholder relativt fyldige tekniske anvisninger for borearbejder, vandbehandling, cloggingproblemer samt beslutningsskemaer for en lang række forhold vedr. infiltration og drift af afværgeanlæg. Rapporten er den væsentligste til støtte for nærværende rapport og for de beslutningsdiagrammer, der er i appendiks A. Rapporten er på hollandsk. 7

To rapporter fra US Army Corps of Engineers: Design guidance for ground water/fuel extraction and ground water injection systems. Rapporten indeholder fyldige tekniske anvisninger for projektering/bestykning af infiltrationsanlæg og de forhold, der skal tages hensyn til. Også denne rapport indeholder meget detaljerede beslutningsdiagrammer /20/. Rapporten Operation and maintenance of extraction and injection wells at HTRW sites. Den indeholder meget fyldige anvisninger/kontrolskemaer vedrørende drift og vedligehold af afværgeanlæg med infiltration /15/. Partikeltransport og udfældninger med resulterende clogging af rør, pumper, niveaustyr, filtre, filtergrus og formation er de almindeligste problemer forbundet med infiltration af afværgepumpevand. Det er denne type problemer, der i den internationale litteratur angives som de almindeligste problemer med infiltrationsanlæg /2/, /7/, /13/, /16/, /17/. Partikeltransport og udfældninger vil over tid resultere i faldende infiltrationskapacitet, og problemerne vil kun i en periode kunne imødegås ved at påtrykke et større injektionstryk. Materialet der betinger clogging, kan være kemiske udfældninger (jernhydroxider, manganoxider, aluminiumhydroxider eller kalk; se afsnit 3.1), biomasse (biofilm; se afsnit 3.2), materiale i vandet der infiltreres (partikler eller kolloider fra ex. pumpeboringen; eller materiale løsrevet fra sand- og/eller kulfilter; se afsnit 3.3). Endelig kan tilstopning skyldes gasclogging (se afsnit 3.3.2). I mange af de internationale projekter konditioneres infiltratet på forskellig vis med henblik på at optimere på infiltrationen /17/, /18/, /19/. I langt de fleste tilfælde er målet at undgå clogging, eks. ved at UV-belyse eller klore vandet for at undgå biofilmdannelse eller undgå kalkudfældninger ved tilsætning af syre. I de følgende afsnit er sådanne teknikker udeladt, da det må formodes, at det med undtagelse af UV belysning er urealistisk at få tilladelse til permanent kloring og syretilsætning til infiltratet. 2.2 Danske erfaringer med infiltration af afværgevand Som grundlag for udarbejdelse af nærværende håndbog er der foretaget en gennemgang af projektmateriale og overvågningsdata, der vedrører syv af Københavns Amts afværgepumpninger, hvor der sker infiltration af det rensede grundvand. I alle tilfælde er der tale om anlæg, hvor der sker oppumpning og rensning af grundvand, der er forurenet med klorerede opløsningsmidler, og hvor vandet beluftes med henblik på fjernelse af jern og mangan på sandfilter, og hvor forureningskomponenterne fjernes fra vandfasen på kulfilter og/eller ved afblæsning. 8

Med udgangspunkt i projekt- og overvågningsdata er afværgeanlæggene efterfølgende besigtiget sammen med Københavns Amts driftsansvarlige personale, og problemerne med infiltrationsanlæggene indledende diagnosticeret. På dette grundlag er der gennemført detailundersøgelser af udvalgte problemstillinger ved anlæggene med henblik på enten verifikation af årsager til driftsproblemer eller blot med henblik på fastlæggelse af mulige fremtidige problemer med infiltrationen. I visse tilfælde betinget af formodninger om udvikling af cloggingproblemer i grundvandsmagasinet, der infiltreres til. I tabel 2.1 ses en oversigt over anlæggene. Anlæg Beskrivelse Proces Driftsproblemer/-løsning Hyllegårdsvej 15, Gentofte Ordrupvej 101, Gentofte Ordrupvej 100, Gentofte Vadstrupvej, Bagsværd Nybrovej 85, Gentofte Gentoftegade 39-49, Gentofte Kongevejen 155, Virum 6 m³/time fra to afværgeboringer. Infiltration til dræn 4 stk. TPE-boringer. Infiltration til dræn 8 m³/time fra 2 boringer. Infiltration til dræn og infiltrationsboring 24 m³/time fra 5 boringer. Infiltration til 2 boringer 10-12 m³/time fra 3 boringer. Infiltration til dræn og 2 boringer 2,8 m³/time fra 2 boringer. Infiltration til 2 boringer 3 m³/time fra 1 boring. Infiltration til 2 boringer Sandfiltrering og kulfilterrensning Sandfiltrering og kulfilterrensning Sandfiltrering og kulfilterrensning Sandfiltrering og kulfilterrensning Sandfiltrering og kulfilterrensning Sandfiltrering og kulfilterrensning. Luftstripning af skyllevand. Luftstripning, sandfiltrering og kulfilterrensning. Nedbrud af pumper som følge af clogging (barometerånding), begyndende clogging af dræn. Tætning af boringer og mekanisk oprensning af dræn (evt. syring) Dårlig Mn-fjernelse. Forbedret vandbehandlingsproces. Nedsat inf.kapacitet - inf.dræn fyldt med kul. Clogging af infiltrationsboring. Barometerånding. Tætning af boringer. Oprensning af dræn. Nedbrud af pumper som følge af clogging. Drift af vandbehandling fejlbehæftet. Luft i afløbsledninger. Clogging af inf.boringer. Tætning af boringer. Optimering af vandbehandling. Overtryk på infiltrationsanlæg. Nedbrud af pumper som følge af clogging. Drift af vandbehandling fejlbehæftet. Luft i afløbsledninger. Clogging af inf.boringer og infdræn. Tætning af boringer. Optimering af vandbehandling. Overtryk på infiltrationsanlæg. Ny trykledning til infiltrationsboring 1. Nedbrud af pumper som følge af clogging. Mindre fejl i driften af vandbehandlingen. Luft i afløbsledning; tilsyneladende uproblematisk! Tætning af boringer. Nedbrud af pumper som følge af Fe og Mn-clogging. Svigtende infiltrationskapacitet ved clogging og resulterende behov for udsyring af infiltrationsboringer. Barometerånding. Styring af recirkulation af stripperluften. Tætning af boringer. Overtryk på infiltrationsanlæg. Tabel 2.1 Oversigt over afværgeanlæg med infiltration i Københavns Amt og de helt overordnede driftsproblemer. For alle Københavns Amts afværgeanlæg med infiltration gælder, at der er større eller mindre problemer med anlæggenes drift, hvilket indebærer, at driften er tidskrævende og dermed omkostningstung. Som udgangspunkt var det forventet, at problemerne med infiltrationsanlæggene ville være forårsaget af 9

enten manglende hydraulisk kapacitet af infiltrationsmagasinet og/eller cloggingproblemer. Det er ved gennemgangen af Københavns Amts anlæg imidlertid konstateret, at de grundlæggende hydrauliske forudsætninger for infiltration af afværgevandet er opfyldt og dokumenteret ved anlæggenes etablering. Alle Københavns Amt afværgepumpninger med infiltration sker fra et regionalt udbredt sekundært magasin af smeltevandssand i den nordlige del af amtet. Magasinet er frit og findes både med og uden dæklag. Det råvand der oppumpes, er ofte kvalitetsmæssigt lagdelt med en nitratholdig vandtype øverst efterfulgt af en jern- og manganholdig vandtype dybere i sekvensen. Der infiltreres langt overvejende til det samme magasin (i et enkelt tilfælde sker infiltration også til kalken). Vandbehandlingen indebærer i alle tilfælde iltning jf. tabel 2.1. Da infiltrationen sker til et overvejende oxideret magasin (nitratholdig), sker der tilsyneladende ikke alvorlig clogging betinget af redoxreaktioner ude i selve magasinet. Denne type clogging kan imidlertid være længe om at manifestere sig. Hvad angår aktuelle cloggingproblemer, er det fundet, at disse langt overvejende er relateret til problemer med selve vandbehandlingen, og den måde hvorpå vandet afledes til infiltration. Resultaterne af undersøgelserne af Københavns Amts afværgeanlæg er rapporteret selvstændigt til Københavns Amt. I denne håndbog benyttes driftserfaringerne og resultaterne af undersøgelserne af Københavns Amts infiltrationsanlæg til at eksemplificere diverse problemer, som der skal tages højde for ved undersøgelse, projektering, anlæg og drift af afværgeanlæg med infiltration. Foruden Københavns Amts infiltrationsanlæg er der telefonisk rettet henvendelse til øvrige amter, Frederiksberg og Københavns kommuner samt Københavns Energi med henblik på at skaffe deres eventuelle driftserfaringer til veje. I tabel 2.2 er vist en oversigt over de anlæg, der er skaffet oplysninger om, og de eventuelle driftsproblemer der er forbundet med disse anlæg, og de pågældende driftsansvarliges vurdering af årsager til eventuelle driftsproblemer. Det fremgår af tabel 2.2, at der findes ganske få idriftsatte infiltrationsanlæg uden for Københavnsområdet. De få driftserfaringer, der er formidlet, er analoge til dem, Københavns Amt har. 10

Amt Frederiksberg kom. Roskilde Storstrøms Anlægsnavn Beskrivelse Proces Nitivej Kronprinsensvej (Frederiksberg Have) Ukendt, men hidtil er al vand pumpet til søerne i Frederiksberg Have efter ønske fra slotsgartneren. Solbjergvej/Howitzvej Stengårdens losseplads Hedeland Hellestedvej 22, Hårlev 4-5 m³/time; inf. via stjerneformet sivedræn 3-4 m³/time (forventes ombygget til 10 m³/time) 2 pumpeboringer, 30 m³/år. Infiltration via dræn. 5-6 m³/time fra en boring 10 m³/time 5 m³/time. Vandet infiltreres via to kalkboringer, og 0,2m 3 /time til to brønde (soilflushing) Bundbelufter med recirkulation, luftrensning på kulfilter, ingen jernfjernelse, infiltration via 7 inf.boringer udboret skråt fra samme brønd En pumpeboring, Sandfiltrering, beluftning m. ren ilt (11 mg Fe/l). Kulfilterrensning for indh. af klorerede forb. Pumpes til infiltrationsboring eller til søer i Frederiksberg have. 30 m³/år; infiltration via dræn og afledning til kloak. H 2 O 2 tilsætning, lameltykner, alm. beluftning, sandfilter, kulfilter, infiltration til grusgravsø. Beluftning, sandfilter, kulfilter, infiltration i grusgravssø 1,7 km borte. Sandfilter (ingen beluftning), 2 kulfiltre i serie. Problemer m. infiltrationsanlæg Trykopbygning i kalkinjektionsboringer (p.t. tryk på 0,3 bar over terræn ved infiltrationsanlæg) For højt sekundært grundvandsspejl Oprindeligt designet faskinelignende anlæg kasseret grundet clogging. Ingen problemer (anlæg etableret 2005) Trykstigning ved opstart (1997). Trykket er siden faldet af uforklarlige årsager. Sønderjylland Vejle Århus Vestergade 27, Åbenrå Hedensted Bøgehøj - Søhusvej; Æbeltoft In-Well aerator (se Mst. projekt 866, 2003). Infiltration til sekundært magasin i fyldlag (se Mst. projekt 866, 2003) Max. 5 m³/time fra 4-5 boringer. Infiltration via 4-5 infiltrationsboringer. Rensning på kulfilter Ingen 1): Der pumpes fra to boringer opstrøms lossepladsen. Vandet infiltreres via 2 separate vifteformede dræn placeret nedstrøms. 2): Der pumpes 9 m3/time fra en boring placeret midt på lossepladsen. 3 m3/time ledes direkte til renseanlæg. 6 m³/time infiltreres via vifteformet dræn (6 strenge) placeret på lossepladsen med henblik på forceret udvaskning. 1) og 2): Ingen vandbehandling Ingen, anlægget stoppet 1): Ingen problemer 2): Tilstopning af samlebrønde og dræn med okker og rødder! Tabel 2.2 Oversigt over afværgeanlæg med infiltration hos amter ud over Københavns Amt. 11

12

3. Forudsætninger for infiltration I dette kapitel beskrives resultaterne af vidensindsamlingen om de grundlæggende hydrauliske og grundvandskemiske betingelser for infiltration. Beskrivelserne er overvejende baseret på amerikanske og hollandske erfaringer. Især: USACE s (USA's ingeniørtropper) håndbøger Design guidance for ground water/fuel extraction and ground water injection systems /20/. Operation and maintenance of extraction and injection wells at HTRW (hazardous, toxic, and radioactive waste) sites /15/, og en hollandsk håndbog Implementatie beslissystematik ontwerp en onderhod van infiltratie en onttrekkingsmiddelen /13/. 3.1 Clogging betinget af geokemiske processer De geokemiske problemstillinger, der skal tages højde for ved etablering af et infiltrationsanlæg, er betinget af reaktioner mellem atmosfæren, det injicerede vand, grundvandet og magasinsedimentet. De kemiske ændringer, der finder sted ved infiltration, er således styret af: Partialtrykket (af især kuldioxid) i grundvand og atmosfære. Den kemiske sammensætning af infiltratet. Den kemiske sammensætning af grundvandet i magasinet, hvortil der infiltreres. Mineralogien i magasinet hvor tilder infiltreres. Sammensætningen af infiltratet vil variere fra at være geokemisk stort set identisk med det grundvand, der findes i pumpemagasinet, såfremt der alene sker fjernelse af forureningskomponenterne ved kulfilterrensning, til at være en iltholdig, aerob vandtype, såfremt vandbehandlingen ved afværgen indebærer beluftning. Infiltrationsmagasinet kan indeholde en salt til fersk, aerob til anaerob vandtype med en sammensætning styret af ligevægt med kalk og/eller silica samt ioner bundet til ionbytningskomplekset. Infiltration kan i Danmark principielt finde sted til samtlige magasinbjergarter omfattende kalksten, kvartære og prækvartære sandmagasiner m. fl.. Viden om karakteren af magasinbjergarten (mineralogi, ionbytningsegenskaber, sorberede ioner) er afgørende ved etablering af infiltrationsanlæg. Principielt er infiltration også mulig til de bjergarter, der traditionelt betegnes som akvitarder eller dæklag, ex. moræneler. Permeabiliteten er imidlertid ofte så beskeden, at infiltration til sådanne lag ikke er mulig, eller anden afledning (til recipient eller kloak) økonomisk betydeligt mere attraktiv. 13

3.1.1 Redoxprocesser i infiltrationsmagasinet ved mixing af vandtyper De mest almindelige problemer med clogging af infiltrationsanlæg skyldes redoxreaktioner ved blanding af inkompatible vandtyper med udfældninger i filter, gruskastning og formation som resultat, og heraf afledt reduceret permeabilitet til følge /13/. De væsentligste reaktioner er: (1) 4Fe 2+ + O 2 + 10H 2 O 4Fe(OH) 3(s) + 8H + der resulterer i udfældning af rødlige jernhydroxider (okker, se også boks 3.1). (2) 2Mn 2+ + O 2 + 2H 2 O 2MnO 2(s) + 4H + der resulterer i udfældning af sorte manganoxider. Processen vil teoretisk også kunne foregå med nitrat som oxidationsmiddel. Oxidation og udfældning af både jern og mangan kan finde sted rent kemisk, men processen accelereres mikrobiologisk, hvilket kan resultere i dannelse af belægninger af biofilm i slidser, gruskastning og formation. Processerne finder sted, hvor der ved infiltrationen sker blanding af evt. iltholdigt og/eller nitratholdigt infiltrat med jern- og manganholdigt naturligt grundvand. Det er derfor afgørende vigtigt at kende vandtypen i det magasin, hvortil der ønskes infiltreret. I /13/ bemærkes, at cloggingproblemer af denne art vil kunne optræde ved jern, mangan- og metankoncentrationer på ned til 0,1 mg/l og ved et iltindhold på kun 0,01 mg/l. Eksempel på beregning af mætningsindex ved blanding af råvand i infil-trationsmagasin og infiltrationsvand Andel Mætningsindex SI for mineraler Råvand Infiltrationsvand SI_Calcite SI_Fe(OH) 3 SI_MnCO 3 SI_Jarosit PCO 2 (vol.%) 1 0 0,9-0,6-0,5 0,8 0,2 0,7 3,8 0,4 0,9 0,8 0,6 0,4 0,6 3,7 0,2 0,7 1,1 0,4 0,6 0,5 3,5 0,0 0,4 1,4 0,2 0,8 0,4 3,1-0,2-0,3 1,7 0 1 0,3 - -0,4-2,0[0] Beregnede mulige mineraludfældninger med PHREEQC ved forskellige blandingsforhold mellem råvand i infiltrationsmagasinet og infiltrationsvand. Bemærk at råvandet er kalkovermættet fra start. Råvandprøven er udtaget fra en boring hvori der sker afgasning af CO 2. Alkaliniteten er bestemt i felten. Mætningsindekset for kalcit er langt den vigtigste at få fastlagt. Usikkerheden på fastlæggelsen af SI kalcit vil typisk være 0,2 til 0,3 ved gode feltmålinger af ph og alkalinitet. Boks 3.1 14

Blandingen af forskellige vandtyper kan jf. ovenstående resultere i vækst af mikroorganismer. En proces som alene finder sted mikrobiologisk, er oxidation af opløst metan med ilt. (3) CH 4 + 2O 2 CO 2 + 2H 2 O + biomasse (s) Cloggingproblemer afledt af denne proces er mest sandsynlige, hvor selve infiltratet er metanholdigt ex. som følge af dannelse af metanogene forhold ved nedbrydning af oliekomponenter og hvor infiltratet infiltreres til et aerobt magasin. En analog proces, med biofilmdannelse til følge, vil kunne ske, hvis der infiltreres vand indeholdende reaktivt organisk materiale, ex. kulbrinter. I så fald er vandrensningen imidlertid utilstrækkelig. Der er ikke kendskab til problemer af denne art med de danske infiltrationsanlæg. 3.1.2 Redoxreaktioner ved reaktioner mellem infiltrat og sediment Infiltrationen af typisk iltholdig vand til grundvandsmagasinet vil afstedkomme reaktioner mellem infiltratet og magasinsedimentet, hvis infiltrationsmagasinet i øvrigt er reduceret. De væsentligste processer i relation til clogging er /21/: Fuldstændig oxidation af pyrit med ilt som oxidationsmiddel. (4) FeS 2 + 15/4O 2 + 7/2H 2 O Fe(OH) 3 + 2SO 4 2- + 4H + Hvis der infiltreres nitrat, vil der ligeledes kunne ske fuldstændig oxidation af pyrit med nitrat som oxidationsmiddel. (5) FeS 2 + 3NO 3 - + 2H 2 O 3/2N 2 + Fe(OH) 3 + 2SO 4 2- + H + Som det fremgår, fører processen til udfældning af jernhydroxider (okker), som potentielt kan udgøre et cloggingproblem, men samtidig produceres syre, der vil opløse kalk. Det må imidlertid forventes, at indholdet af pyrit er så ringe i sedimentet, at udfældnings-/opløsningsprocesser volumenmæssigt ikke vil få nogen målbar effekt på permeabiliteten i infiltrationsmagasinet. Ud over reaktioner mellem pyrit og tilført ilt/nitrat er der en række andre redoxreaktioner mellem sediment og infiltratet (se evt. /21/), der imidlertid ikke vurderes at have betydning for clogging. Der knytter sig nogle miljømæssige betænkeligheder til redoxreaktionerne mellem et oxideret infiltrat og reduceret sediment. De væsentligste er risikoen for mobilisering af metaller som arsen og nikkel ved oxidation af pyrit, der indeholder nikkel og arsen i små mængder /16/. Imidlertid vil indholdet af opløst ilt og nitrat næppe alene kunne frigive kritiske mængder af arsen og nikkel. Risikoen opstår, hvor filterudbygningen af infiltrationsboringer (eller pumpeborin- 15

ger) skaber mulighed for advektiv gastransport ved barometerånding /30/. Risikoen bør under alle omstændigheder være vurderet som grundlag for etablering af afværgepumpning med infiltration (se afsnit 4). 3.1.3 Kalkudfældninger Langt det meste danske grundvand vil være i ligevægt med calcit ved et partialtryk af kuldioxid på nogle få vol. % (typisk i intervallet 0,5 til 5 vol. %). Ved oppumpning og infiltration vil dette oprindelige grundvand flere steder risikere at blive kalkfældende, som følge af afgasning af kuldioxid til atmosfæren (hvor kuldioxidpartialtrykket er 0,036 vol. %) hvorved karbonatligevægten forskydes. En følge af kuldioxidafgasning er en stigning i ph ved forbrug af syre (H + ) ved følgende reaktion: (6) H + + HCO 3 - CO 2 (g) + H 2 O efterfulgt af: (7) Ca 2+ + HCO 3 - CaCO 3(s) ) + H + Nettoreaktionen ved forskydning af kalkligevægten er: (8) Ca 2+ + 2HCO 3 - CaCO 3 (s) ) + CO 2 (g) + H 2 O Processen foregår rent kemisk uden biofilmdannelse. Det er denne proces, som ofte sammen med oxidation af jern og mangan giver anledning til clogging i pumpeboringer. Problemet vil imidlertid også ofte optræde i infiltrationsanlægget (boringer, dræn mv.), hvis grundvandet beluftes kraftigt. Eksempelvis i luftstrippere eller hvis infiltratet beluftes ved at få lov at plaske ned i en udluftet infiltrationsboring (se afsnit 4.4 og boks 3.3). Reaktionsligning (8) er imidlertid også temperaturafhængig, og en temperaturstigning vil gøre kalkmættet vand kalkfældende. Erfaringer med grundvandskøleanlæg viser dog, at processen ikke giver problemer ved moderate temperaturer på op til 20 til 25 C /9/. 3.1.4 Ionbytning og sorption Lermineraler, organisk materiale og oxider/hydroxider har alle en vis ionbytningskapacitet. Disse ionbyttere må formodes at være i ligevægt med det naturlige grundvand i den uforstyrrede situation. Ved infiltration af ex. en calciumbikarbonat vandtype i et magasin indeholdende en natrium-bikarbonat vandtype vil calcium blive udbyttet med natrium på ionbytterne efter følgende reaktion /21/: (9) ½ Ca 2+ + Na + -X ½ Ca-X 2 + Na + 16

Konsekvensen er, at opløselighedproduktet for calcit falder (idet der fjernes calcium), hvorved der opløses kalk i magasinet indtil ligevægt. Den modsatte ionbytning vil finde sted, hvor der infiltreres natrium-bikarbonat vandtype i et magasin indeholdende en calcium-bikarbonat vandtype: (10) Na + + ½ Ca-X 2 Na + -X + ½ Ca 2+ Resultatet er, at koncentrationen af calcium stiger i infiltrationsmagasinet med en overskridelse af opløselighedsproduktet til følge, hvorved der sker udfældning af kalk med clogging til følge. Kvældning af lermineraler med clogging til følge er også en potentiel risiko ved infiltration af en natrium-bikarbonat vandtype /13/, /21/. Fælles for ionbytningsprocesserne er imidlertid, at de næppe vil give anledning til cloggingproblemer under danske forhold, med mindre særlige forhold gør sig gældende. Problemer i tilknytning til ionbytning vil måske kunne optræde i kystnære områder. 3.1.5 Udfældning af aluminiumoxider I Holland kan udfældning af aluminiumhydroxider være et problem, der skal tages højde for ved infiltrationsprojekter /13/. Problemet opstår, hvor der pumpes fra forsurede, kvartære, overfladenære frie grundvandsmagasiner indeholdende vand med lavt ph. Ved infiltration til dybere magasiner med højere ph sker der udfældning efter følgende reaktion: (11) Al 3+ + 3H 2 O Al(OH) 3(s) + 3H + Analoge problemer er tænkelige ved etablering af infiltrationsanlæg på hedesletten i Vestjylland ved oppumpning af forsuret grundvand og infiltration til dybere, kalkbuffrede magasiner. Der er ingen kendte danske eksempler på dette cloggingproblem. 3.1.6 Reaktionskinetikkens betydning for cloggingproblemer Reaktionskinetikken (hvor hurtigt kemiske reaktioner foregår) er vigtig at inddrage i vurderinger af muligheden for cloggingprocesser i akviferen. Specielt i de tilfælde hvor infiltrationen foregår ved høje flowhastigheder, vil opholdstiden for det infiltrerende grundvand blive mindre, og reaktionskinetikken kan her være den styrende faktor for visse langsomme processer. Kinetikken er således vigtig for reaktionernes forekomst i akviferen, men i praksis er det svært at forudsige/beregne dens præcise betydning, da kinetikken er meget kompleks. Dels fordi de dominerende kemiske processer varierer med tiden, og dels fordi tilstedeværende bakterier fungerer som katalysatorer for visse reaktionsmekanismer til sideløbende mikrobiologisk betingede processer (som fx oxidation/udfældning af jern og mangan). Ved infiltration af oxideret 17

grundvand til en som udgangspunkt mere reduceret akvifer er det dog langt fra sikkert, at de mikroorganismer, som kan accelerere oxidationen af fx jern og mangan, er til stede i akviferen som udgangspunkt, men en sådan population vil sandsynligvis langsomt dannes, i takt med at redoxforholdene skifter til mere oxiderede forhold. Samlet er reaktionskinetikken ofte vanskelig at inddrage i kvantitativ modellering. Erfaringer med hvordan processerne skifter med tiden, er beskrevet i /16/. Under forskellige geokemiske forhold og tidsintervaller er det vist, at der efter kort tids infiltration typisk ikke er opnået ligevægt mellem det infiltrerende vand og akviferen, hvorfor overfladereaktioner som ionbytning og adsorptionsprocesser i startfasen er dominerende. Efter længere tid (måneder eller år) vil der langsomt dannes ligevægt og langsommere processer som opløsning af silikatbjergarter (og dermed opløsning af bl.a. jern(ii)) vil herudover blive af betydning. Såfremt jern og mangan findes i akviferen som opløst Fe 2+ og Mn 2+, og der infiltreres rigeligt med ilt til akviferen, må man gå ud fra, at udfældning af jernog manganoxider sker relativt momentant. Det mere begrænsende led for udfældningsprocesserne af jern og manganoxider er derimod opløsningen af sedimentbundet Fe(II) og Mn(II) til efterfølgende udfældning. Hollandske erfaringer viser, at i flere situationer med aquifer storage and recovery er oxidationen af pyrit (og dermed frigivelse af fx jern(ii)) begrænset reaktionskinetisk. Der er observeret en reaktionstid (målt ved forbrug af ilt og nitrat) på mellem 10 og 100 dage, hvor det ser ud til, at ilt reagerer hurtigere med pyrit end organisk stof, hvor det modsatte var gældende for nitrat /16/. Sammenfattende må konkluderes, at reaktionskinetikken er vigtig for forståelsen af de dominerende processer i akviferen, men er meget svær at beskrive ved bl.a. modellering, idet det kræver erfaringer og data til valg og vurderinger af såvel den tilstedeværende kinetik som termodynamik. 3.2 Clogging betinget af biofilmdannelse Clogging som følge af biofilmdannelse er overfladisk nævnt som et problem i forbindelse med oxidation af jern, mangan og metan i afsnit 3.1. I det følgende redegøres mere detaljeret for problemets årsag på baggrund af hollandske undersøgelser /13/. Risikoen for clogging af infiltrationsanlæg som følge af biofilmdannelse afhænger af de fysiske og kemiske egenskaber af infiltrationsmagasin og vandet, og de ændringer der er en følge af oppumpning, vandbehandling og infiltration. Hastigheden hvormed den biologiske aktivitet udvikler sig, er afhængig af fysiske forhold (temperatur og redoxpotentiale) og mængden og tilgængeligheden af biologisk nedbrydeligt materiale, næringsstoffer og elektronacceptorer. 18

Ved oprensningsprojekter kan forureningskomponenterne (især kulbrinter) være årsag til biofilmdannelse i infiltrationsanlæg, hvis ikke renseprocessen fungerer tilfredsstillende. Følgende biologiske processer kan være årsag til cloggingproblemer /13/: Vækst og vedhæftning af celler af bakterier, protozoer og svampe (biofilmdannelse). Dannelse af extracellulære polymerer (hovedbestanddel af biofilm). Dannelse af gas (se afsnit 3.3.2). Udfældning af jern- og mangansulfider under indflydelse af sulfatreducerende bakterier. Udfældning af Fe(III)-hydroxider som resultat af oxidation af opløst Fe(II). 3.3 Fysisk og mekanisk clogging 3.3.1 Partikelclogging Fysisk clogging skyldes fint suspenderet materiale (kolloider til silt-fin sand), der lukker porehalsene i infiltrationsmagasinet, gruskastningen eller filterslidser med et stigende infiltrationstryk som resultat /2/, /16/, /17/. Størrelsen af dette problem afhænger af kvaliteten af råvandet (boringen) samt af vandbehandlingsanlæggets evne til at filtrere råvandet. I /17/ beskrives problemet, der opbygges i tre steps. Første step indebærer udfyldning af porehalse i filtermediet eller i formationen. I andet step dannes en decideret filterkage. I tredje step sker der kompression af selve filterkagen, hvilket indtræffer på et tidspunkt, hvor filterkagen har nået en sådan tykkelse, at injektionstrykket resulterer i sammentrykning af filterkagen. Det sidste step er kendetegnet ved en ikke lineær kraftig stigning i injektionstrykket (ved fastholdt ydelse), og fortsat udbygning af filterkagen og kompression gør hurtigt infiltration umulig. Effekten af returskylning eller regenerering af boringen vil, hvis tredje step er nået, ofte være ringe eller resultatløs. Partikelclogging i infiltrationsboringer vil i henhold til /13/ som oftest kunne undgås, hvis membranfilterindekset er mindre end s/l 2. Membranfilterindekset er stigningen i modstanden mod gennemstrømning som funktion af opbygning af en filterkage på en 0,45 µm membran ved et trykfald på 2 bar over filteret og ved temperaturen T = 10 C. Enheden er s/l 2, /22/. Analysen kan bestilles hos KIWA, Holland. Det er vanskeligt at vurdere, hvor anvendelig analysen er. Umiddelbart forekommer det ikke logisk at definere cloggingpotentialet til en bestemt filterstørrelse (0,45 µm), da cloggingpotentialet også må være afhængig af porehalsenes størrelse og dermed af kornstørrelsen i magasinet. 19

Partikelclogging er naturligt nok mest almindelig, hvor der ikke sker filtrering af vandet, og optræder derfor hyppigt i forbindelse med ASR projekter (aquifer storage and recovery - kunstig grundvandsdannelse ex. ved infiltration af overfladevand). Nogle ASR-infiltrationsboringer må således returskylles dagligt for at undgå partikelclogging, og er ofte monteret fast med pumper for nem returskylning /17/. Erfaringerne fra danske grundvandskøleanlæg siger, at selv ubehandlet grundvand (råvand) fra en veludført boring indeholder så lidt suspenderet materiale, at partikelclogging er meget længe om at opstå, og er pumpeboringer konservativt udbygget, vil problemet næppe være afgørende for infiltrationskapaciteten. I grundvandskøleanlæg og ved infiltration i forbindelse med anlægsprojekter er det sædvane at filtersætte og gruskaste pumpeboringer konservativt for at undgå partikeltransport til infiltrationsboringen. 3.3.2 Gasclogging Der findes to årsager til gasclogging: Afgasning som følge af ændringer af kemiske ligevægte i det vand, der infiltreres. Indfangning/infiltration af gas sammen med infiltratet. Resultatet af begge processer er en fysisk clogging i infiltrationsmagasinet. Problemet er størst, hvor der infiltreres til frie magasiner med dæklag eller til artesiske magasiner. Effekten er stigende modtryk og et gradvist aftagende udstrømningsinterval, idet porehalse blokeres af mikrobobler eller dele af magasinet gradvist gasfyldes. Afgasning Afgasning kan forekomme som en følge af forskydninger af opløseligheden af gasser i væskefasen som funktion af ændringer i partialtrykket af gasserne i den gasfase, hvormed væsken er i ligevægt. Der kan forekomme afgasning af kuldioxid (CO 2 ), kvælstof (N 2 ), svovlbrinte (H 2 S) og metan (CH 4 ) /13/. Resultatet er dannelse af små gasbobler, som med infiltrationsvandet føres ud i formationen, hvor de dels kan blokere porehalse, dels kan føre til dannelse af en gaspude under et evt. dæklag med reduceret udstrømningsinterval som resultat. Afgasningen forstærkes, hvis vandet får lov at kaskade/plaske ned i en infiltrationsboring. I forbindelse med afværgepumpninger med vandbehandling og infiltration vil afgasningen ofte alene være et resultat af, at råvandet bliver bragt i kontakt med atmosfæren. Dette kan finde sted i pumpeboringen, hvis den ikke er gastæt, under vandbehandlingsprocessen, eller under afledning og infiltration. En yderligere accelereret afgasning vil opstå, såfremt trykket i ledningsanlæg falder til under atmosfæretrykket (analogi kapslen af dansk vand flasken). Dette vil kunne opstå i infiltrationsboringer, hvor der er langt til vandspejlet, og 20

hvor infiltrationsboringen er udbygget med et dykket injektionsrør uden modtryksventil. Hvis vandet i denne situation føres til infiltrationsboringen ved gravitation, vil trykket i injektionsrøret falde til markant under 1 atm. med yderligere afgasning og dannelse af små gasbobler til følge. Det samme cloggingproblem kan optræde i infiltrationsdræn. Afgasning kan også opstå som følge af blanding af vand med forskellig temperatur /17/. Problemstillingen er imidlertid næppe relevant i forhold til afværgeanlæg med infiltration, hvor der stort set ikke sker ændringer i temperaturen af vandet mellem pumpemagasinet og infiltrationsmagasinet. Afgasning af kuldioxid vil stige med stigende temperatur. I Københavns Amts infiltrationsanlæg er der ikke fundet problemer med gasclogging. Indfangning af gas Indfangning af gas i væskefasen er et simpelt mekanisk fænomen. Gasclogging af denne karakter kan opstå, hvor vand får lov at plaske/kaskade ned i en boring, enten i selve borehullet eller i et injektionsrør forsynet med vakuumbryder, der tillader, at der indfanges bobler af atmosfærisk luft i væskefasen. I borehullet når luftboblerne ikke at stige til vandoverfladen, men bliver ført ud i formationen med clogging til følge. Gasclogging som følge af ovenstående to mekanismer kan relativt let imødegås ved at holde hele systemet under overtryk, hvilket forudsætter, at et evt. injektionsrør er forsynet med en modtryksventil (se afsnit 5.3) /13/, /17/. 3.3.3 Rodindtrængning Infiltrationsdræn i afværgeprojekter er stort set kontinuerligt vandførende. Drænene vil af denne årsag tiltrække rødder. I /23/ er det angivet, at roddybder for forskellige gartneri- og landbrugsafgrøder er mere end 2 meter. For vedholdige planter endnu dybere. Som følge heraf vil det ofte være vanskeligt både at lægge drænet i umættet zone (se afsnit 3.3.3) og at undgå rodindtrængning, med mindre området, hvor drænet lægges, er befæstet, eller der er en tyk umættet zone. Rodindtrængning I alle Københavns Amts infiltrationsdræn (tre lokaliteter undersøgt ved TVinspektion) er der rodindtrængning. Ved den ene lokalitet er det et spørgsmål om tid, før end drænet er helt lukket af rødder. Det fjerde anlæg med infiltration er placeret i en park med store træer. Drænet er ikke TV-inspiceret, men det er formentlig et spørgsmål om tid, før end drænet lukkes af rødder. Boks 3.2 21

3.4 Sammenfatning af kvalitetskrav til infiltrationsvandet I tabel 3.1 er listet hollandske erfaringer med tilladelige indhold (grænseværdier) af diverse stoffer, som kan give anledning til clogging som følge af kemiske reaktioner /13/. I /13/ understreges det, at overholdelse af disse grænseværdier ikke er nogen garanti for, at der ikke kan opstå cloggingproblemer. I Københavns Amts infiltrationsanlæg overholdes værdierne for Mn (der har tidligere været problemer), Fe og metan. Da der er tale om iltet vand, er iltindholdet naturligvis større end 0,01 mg/l, og vil kunne give clogging i selve formationen sammen med Fe og Mn, som måtte findes heri. Årsag til clogging Risiko for clogging når? Udfældning af mangan, jern, og/eller biomasse Mn > 0,1 mg/l; Fe > 0,1 mg/l; CH 4 > 0,1 mg/l; O 2 > 0,01 mg/l Aluminiumhydroxid Al > 0,3 mg/l; ph > 6,5 Kalk Opløselighedsproduktet SI kalk > 0 Biomasse Assimilerbart organisk kulstof, AOC > 10 µg/l Tabel 3.1 Kritiske stofindhold som vil kunne betinge clogging ved kemiske reaktioner /13/. I tabel 3.2 er listet hollandske erfaringer vedrørende kritiske indhold af stoffer, som kan resultere i clogging som følge af biofilmdannelse. Grundvandskøleanlæg, hvor der oppumpes og infiltreres rent grundvand, er lukkede systemer, der kan være i drift i flere år uden biofilmdannelse og behov for regenerering. Biofilmdannelse og kemiske reaktioner undgås ved at holde systemet fuldstændigt gastæt og under tryk, således at der ikke tilføres ilt. Udenlandske erfaringer viser, at biofilmdannelse ofte kan undgås ved at klore infiltrationsanlægget /13/, /17/. Parameter Kritisk grænseværdi; Et problem i kombination med mg/l AOC 0,01 Ilt eller nitrat Jern(II) 0,1 Ilt eller nitrat Mangan(II) 0,1 Ilt eller nitrat Ilt 0,1 AOC, jern(ii) eller mangan Nitrat 1 AOC, jern(ii) eller mangan Sulfat 1 AOC Tabel 3.2 Kvalitetskrav til infiltrationsvandet med henblik på at undgå clogging som følge af biofilmdannelse. I Københavns Amts afværgeanlæg er værdierne i tabel 3.2 i flere tilfælde overskredet. Det gælder indhold af nitrat og ilt, som i henhold til tabellen vil kunne 22

føre til biofilmdannelse sammen med jern(ii) og mangan, som ofte findes i infiltrationsmagasinet. 3.5 Geokemiske modelværktøjer Geokemiske modelværktøjer benyttes til at simulere processer i grundvandsmiljøet. For at modellere et system korrekt er der behov for ret omfattende, men ikke uoverkommelig, viden om vandkvaliteten og grundvandsmagasinets mineralogiske sammensætning. Til beskrivelse af vandets sammensætning kræves hvad der svarer til analyse af indhold af hovedbestanddele samt feltmålinger af alkalinitet og ph. Magasinbjergartens mineralogiske sammensætning, med hvilken vandet modelmæssigt forudsættes i ligevægt med, vil som regel kunne bestemmes af en geolog/geotekniker ud fra almen viden om danske magasinbjergarters mineralogi. Modeller til speciering Disse benyttes til beregning af fordelingen af hovedbestanddele mellem forskellige specier, og til beregning af om en given vandprøve er over- eller undermættet i forhold til mineral- og gasfaser. Et eksempel er WATEQF. Massebalance modeller Benyttes til beregning af massen af gas eller mineraler der opløses eller udfælder (afgasser) ved blanding af to vandtyper. Et eksempel er NETPATH. Massetransport modeller Ud over beregning af specieringen kan disse modeller beregne ændringer i sammensætningen af vand, der skyldes massetransport betinget af opløsning/udfældning af mineraler; afgasning/indgasning; ionbytning; fordampning; temperatur-/trykændringer og blanding af vandtyper. Det mest kendte eksempel er PHREEQC. Alle de nævnte modeller kan downloades fra www.usgs.gov. I forbindelse med infiltration af afværgevand er især PHREEQC nærmest uundværlig til beregning af opløsnings-/udfældningsreaktioner ved blanding af vandtyper og ved reaktioner med magasinsediment; til beregning af ionbytningsreaktioner samt beregning af udfældning ved kuldioxidafgasning. I boks 3.1 og 3.3 er præsenteret beregningseksempler med PHREEQC baseret på data fra Københavns Amts infiltrationsanlæg - hvor der dels er foretaget blanding af infiltrat og uberørt råvand, dels beregnet udfældning af kalcit ved at bringe grundvand i ligevægt med en atmosfære med varierende indhold af kuldioxid. En oversigt over flere modelværktøjer og deres anvendelse er givet i /16/ samt /21/. 23

Eksempel på beregning af mætningsindex og kalkudfældning Anlæg Prøvested ph Alkalinitet; mækv HCO 3 /l SI, kalcit P CO2 (%) Kalkudfældning, g/l; v. ligevægt med P CO2 = 0,15 vol.% Ordrupvej 101 2. kulfilter 7,76 7,329 0,94 0,6 0,27 Ordrupvej 100 1. kulfilter 6,99 6,557 0,05 3,2 0,22 Kongevejen 155 2. kulfilter 7,3 4,799 0,18 1,1 0,15 Gentoftegade 2. kulfilter 7,06 6,992 0,11 3,0 0,23 Nybrovej 85 2. kulfilter 7,05 7,162 0,31 2,3 0,27 Med PHREEQC er beregnet mætningsindeks for behandlet vand (SI) og partialtrykket af CO 2 i vandfasen. Ved Ordrupvej 101 sker der en kraftig beluftning før vandbehandling, og vandet er overmættet med kalcit. Ved øvrige anlæg er kalkovermætningen mere beskeden. I sidste kolonne er beregnet, hvor meget kalcit der vil blive udfældet, hvis vandet får lov at blive bragt i ligevægt med en atmosfære med et indhold af CO 2 på 5 x atmosfærens indhold. Beregningen illustrerer den massive kalkudfældning, der kan blive resultatet, hvis CO 2 får lov at afgasse i infiltrationsboringen eller på vej der til. Boks 3.3 3.6 Hydrauliske og geotekniske forudsætninger I efterfølgende afsnit beskrives de hydrauliske og geotekniske forhold som skal være belyst som grundlag for infiltration. 3.6.1 Infiltration via boringer Infiltrationsboringer er i princippet analoge til indvindingsboringer. I stedet for en sænkningstragt opbygges en kegle i trykniveauet omkring boringen som vist på figur 3.1. 24

Q r Terræn 2r w Grundvandsspejl r R ø(r ) w Spændt magasin ø(r) H=ø(R) B Figur 3.1 Infiltration via boring. Keglens udvikling kan beskrives med de tilsvarende udtryk for sænkning i pumpeboringer blot med omvendt fortegn. Vandspejlstigningen kan ved stationære forhold svarende til figur 3.1 beskrives ved: (12) φ ( r ) φ( R) = w Qr ln 2πBK R r w hvor R = påvirkningsradius, Q = injektionsflow, B = magasintykkelse og r w = boringens effektive radius. Grundvandsmagasinets transmissivitet (BK) er således, når der ses bort fra cloggingproblemer, den begrænsende parameter for infiltrationskapaciteten. Det vand der infiltreres, vil derfor teoretisk kunne infiltreres med en kapacitet i samme størrelsesorden, som der oppumpes. I praksis er der dog nogle særlige forhold, der gør sig gældende for infiltrationsboringer i forhold til indvindingsboringer, og som bevirker, at infiltrationsboringer har lavere effektivitet end indvindingsboringer. Det betyder, at det normalt er nødvendigt at etablere infiltrationsboringer med overkapacitet. Hvor strømningshastigheden er tilstrækkelig høj, nær boringen, mobiliseres fine partikler. I indvindingsboringer fjernes disse partikler fra grundvandsmagasinet med det oppumpede vand, og der skabes en zone med højere permeabilitet rundt om boringen. Dette udnyttes ved oparbejdning af nye boringer, hvor 25

der ved renpumpning pumpes med betydeligt højere ydelse end boringens planlagte driftsydelse. Når det gælder infiltration, kan det ikke undgås, at der tilføres urenheder til boringen. Dette kan være fine partikler, organisk stof eller opløst gas (luft). Analogt til indvindingsboringer falder strømningshastigheden i en vis afstand fra boringen. I en given afstand når strømningshastigheden et niveau, hvor partikler og organisk stof udfældes, eller luftbobler dannet på grund af trykfald blokerer små porer. Resultatet er dannelsen af en zone med nedsat permeabilitet, som skal tages i betragtning ved beregning af trykniveaustigninger forårsaget af infiltration. Boremetoder, hvor borehullet under etablering stabiliseres ved at opretholde et højt tryk med boremudder, kan også medføre nedsat permeabilitet nær boringen, i det omfang boremudderet efterfølgende ikke kan fjernes fuldstændigt fra formationen (se afsnit 5.3) 3.6.2 Infiltration via dræn Infiltration via dræn kan betragtes ud fra to forskellige konceptuelle opfattelser. Ligger drænene tilpas tæt, kan de tilnærmet opfattes som et stort bassin, og infiltrationskapaciteten estimeres som beskrevet i afsnit 3.6.3. Er der længere afstand mellem drænene, kan infiltrationen sidestilles med strømning til en horisontal boring. K 2 K 2 D 0 D 0 K x K x h e 2r w Z w L/2 L Figur 3.2 Infiltration via dræn. Strømning til en horisontal boring er analytisk set meget kompliceret at håndtere. Kaweci har i /44/ udledt følgende udtryk for infiltration via en horisontal boring i et frit magasin, som vist på figur 3.2, gældende for lange tidsrum. 26

h e h w = πk Q ( D + h h 0 1,5 ( D0 + h ) ln e K ) L / 4 t / 2S D0 K x 180 zw σ ln 0,25ln ln sin 2π z = + rw K z D0 Q D0 = hw + ( σ z + σ ) 2πL K K x e z y y + 2πL Q K x K z ( σ z + σ ) hvor h e -h w =stigning, Q=infiltrationsflow, D 0 =mættet tykkelse af magasin ved boringen, σ=skin faktor, r w =boringsradius, K=hydraulisk ledningsevne, S y =specifik ydelse, L=filterlængde. Som det ses, er filterlængden og den hydrauliske ledningsevne afgørende for trykniveaustigningen som følge af infiltrationen. Horisontale boringer fremhæver sig i forhold til vertikale boringer ved at være betydeligt højere ydende ved tynde magasiner. I et 10 m tykt magasin vil der kunne infiltreres med mere end dobbelt så høj ydelse i en 150 m lang horisontal boring som i en vertikal boring filtersat over hele magasinets tykkelse. 3.6.3 Infiltration via bassiner Infiltration via bassiner indebærer strømning i både umættet og mættet zone. Figur 3.3 illustrer de hydrauliske principper for infiltration via bassiner. Terræn Infiltrationsbassin Hævet vandspejl Naturligt vandspejl Grundvandsmagasin Figur 3.3 Infiltration via basin. Strømning i umættet zone beskrives ved Richard s ligning /35/, der kun kan løses med iterative numeriske metoder. Green & Ampt /36/ har opstillet følgende udtryk til beregning af infiltrationshastighed: 27