ATV Vintermøde 2017 Brug af permeabel reaktiv barriere med nulvalent jern (ZVI) som afskæringsløsning Torben Højbjerg Jørgensen, Lars Nissen og Bjarke Neiegaard Hoffmark, COWI Andrzej Przepiora og Neal D. Durant, Geosyntec Ole Mikkelsen, Region Syddanmark 1
Projektorganisation Rolle Firma Person Bygherre Region Syddanmark Ole Mikkelsen Hovedrådgiver COWI A/S Lars Nissen, Bjarke Neiegaard Hoffmark, Torben Højbjerg Jørgensen Underrådgiver Geosyntec Consultants Andrzej Przepiora, Neal D. Durant Laboratorieforsøg Entreprenør, pilotforsøg 2 Entreprenør, Fuldskala Sirem, Canada Frisesdahl, Probing Arkil Miljøteknik A/S Kim Jensen
Case - Rugårdsvej i Odense Vandværk Kilde Spedning, prim. magasin Spedning, sek. magasin Kilde med TCE i moræneler Spredes til det primære magasin og udgør en risiko mod ressource og indvinding Region Syddanmark har valgt afværge med en afskæringsløsning forventet billigere løsning Kildeoprensning er ikke cost effektivt - diffus kilde over stort område Naturlig nedbrydning af kilde (reduktion på ca. 80 % over 15 år) 3 Særlige udfordringer: Vinylklorid og cdce
Kommercielle ZVI typer til afværge Scale Size Range SSA (m 2 /g) Cost (US$/kg) * Vendors Connelly, Peerless, RioTinto, Millimeter 0.1mm - 2mm 1-2 $0.9 - $1.3 GMA, Gotthard Maier 20 m - 200 m $1.3 - $2.2 Hepure, RioTinto, Hoganas Micrometer 3-5 1 m - 20 m $11 - $22 ISP, BASF OnMaterials, Nano Iron Nanometer 20nm - 200nm 1-58 $44 - $165 s.r.o., Crane Company SSA specific surface area; *Unit costs obtained in 2015 Millimeter Micrometer Colloidal Geosyntec, 2016
Princip af afværge med afskæring Horisontal afskæring Vertikal afskæring Sekundære magasin ca. 12-14 m u.t. 5
Design betragtninger af PRB Tykkelse af PRB (W) Afhænger af: krav til opholdstid (RT) grundvandshastighed (V PRB ) Source Area GW Plume Treated GW W = (V PRB ) x (RT) ZVI PRB Skal være robust overfor: Faldende reaktivitet over tid Faldende permeabilitet over tid Kræver en vis overdimensionering
Laboratorieforsøg 2015/16 (SIREM, Canada) Resultater af laboratorieforsøg Ferox-Flow er den mest egnede jerntype Design "Half lifes": cdce = 20 timer og VC = 25 timer 4 jerntyper undersøgt: Ferox-Flow (Hepure, USA) FeH4 (Högnäs, Sweden) Atomet 86 (Rio Tinto, Quebec, Canada) EHC [mzvi-carbon combination], (Peroxychem, USA Anbefalet 1.5% ZVI (%vv) til jorden 7
Pilottest - resultater Test af Geoprobe Injektion Sonde Injektionstryk typisk på 1-8 bar Injektionsradius > 1,5 m Kerneprøver viste god fordeling af ZVI 8 Kerneprøver
Fastlæggelse af injektionsinterval med MiHPT, HPT Udfordring: Heterogen geologi (moræneler med sandindslag eller sandstriber) indsatsområde kan være usikkert I områder med usikker injektionsdybde er der forud for injektion udført MiHPT og/eller HPT til fastlæggelse af injektionsdybde 9
Fastlæggelse af injektionsinterval med MiHPT og HPT sonderinger HPT Permeable aflejringer, ca. 12,5-13,5 m u.t MiHPT 10 m u.t. Forurening 15 m u.t. 10 Injektion
Beregning af "vægtykkelse" VC er den kritiske komponent 11.000 ug/l 90 ug/l Komponent Max. concentration Kriterie, oprensing Halveringstid Opholdstid i barriere Grundvandshastighed Tykkelse af barriere* 11 (mg/l) (µg/l) timer dage m/dag m VC 13.000 90 25 7,5 0,24 7,2 *: Sikkerhedsfaktor = 4 99 % reduktion
Fuldskala - Etablering ca. 25 m bred ca. 8 m tyk Influensradius (ROI) = 1,5 m Fane, horisontal afskæring 30 injektionsboringer i fane (horisontal afskæring) 12 injektionsboringer i kilde (vertikal afs.) 5 injektionspunkter i hvert boring med injektion for 0,3 m = samlet 210 injektionspunkter Forventet mindst 5 års levetid og måske op til 10 år 12 Kilde, vertikal afskæring
https://www.youtube.com/watch?v=hjno_ozlvz8 13
Fuldskala: mzvi og Guar blanding 14 micro ZVI Guar blanding
Fuldskala: Blandeudstyr Slurry: 300 g ZVI/l og 6 g guar/l = ialt tilsat 12.000 kg ZVI 15
Injektionsudstyr 16
Monitering Baseres på vandprøver: Boringstrace: Opstrøms, Sidestrøms Indsatsområde Nedstrøms Frekvens: Baseline, 3, 6, 12, 18, 24 mdr (årligt?) ANALYSEPROGRAM Klorerede opløsningsmidler Opløste kulbrinte-gasser (ethen, ethan, methan) Uorganiske hovedstoffer samt metaller 17 (Boringskontrol) Feltmålinger
Monitering efter 2-3 mdr "drift" Udtaget vandprøver i: Behandlingszone (vurdering af processer + spredning af Jern) M201 AV1 M202 M203 Nedstrøms (til vurdering af afskæringseffekt) M103 M3 B705 18
Foreløbige resultater Opløst jern - Vurdering af udbredelse af ZVI: Behandlingszone Kraftig forhøjelse i 2 ud af 3 boringer Nedstrøms Behandlingszone Også forhøjet indhold (evt. spredning af ZVI hertil) = influensradius på op til 6 m M103 M201 AV1 M3 B705 M202 M203 19
Foreløbige resultater Opløst jern - Vurdering af udbredelse af ZVI " Behandlingszone 50 % reduktion i kilde Stor reduktion i fane (>95 %) M201 AV1 M202 M203 Nedstrøms behandlingszone M103 M3 Reduktion på mellem 50-99 % Afværgekriterie nået i 3 ud af 4 boringer B705 Kriterie for acceptabel flux er nået 20
Konklusion Vigtig med forudgående laboratorieforsøg og pilottest Vigtigt med en god forurenings- og hydrogeologiske model MiHPT/HPT er et godt redskab til fastsættelse af vertikal indsatsområde God udbredelse af mzvi med den valgte injektionsmetode Foreløbige resultater viser lovende resultater fluxkríterie er allerede nået Usikkerheder: Varighed af mzvi (forventet > 5 år) Tab af reaktivitet og porøsitet med tiden 21
Tak for opmærksomheden 22
cvoc Dechlorination Pathways with ZVI 1 PCE C=C 2 Redox Stoichiometry (PCE): 4Fe 0 4Fe 2+ + 8e - C 2 4 + 4H + + 8e - C 2 H 4 + 4 - Dichloroacetylene C C 2 1 2 TCE C=C H 2 2 Chloroacetylene C C H 2 1 cis 1,2-DCE H 2 C=C H 2 trans 1,2-DCE H C=C 1,1-DCE C=C H H Pathways: Acetylene H C C H 1 Reductive ß-elimination 2 Hydrogenolysis 3 Hydrogenation 4 Reductive -elimination 3 VC H C=C H H 2 Ethene H H C=C H H 3 Ethane H H H C C H H H 4 Reaction is abiotic reductive dechlorination It follows first-order kinetics It requires direct contact with ZVI surface b-elimination is the prominent pathway (>90%), therefore breakdown formation is minimal and these also degrade
Nedbrydningsveje af PCE/TCE med ZVI Abiotisk reduction 1. Ordens proces - halveringstid afhænger af jernspåners overfladeareal (typisk 0,5-8 timer) b-elimination er den dominerende nedbrydningsvej (>90%), generering af nedbrydningsprodukter er derfor lille 24 Slide lånt af Kjeldsen, 2008
Hvilke stoffer kan behandles med ZVI Ethenes: PCE; TCE; 1,2-DCE isomers; 1,1-DCE; VC Methanes*: CT; TCM (CF); TBM Ethanes*: 1,1,2,2-TeCA; 1,1,1,2-TeCA; 1,1,2-TCA1,1,1-TCA 1,1-DCA; 1,1-DCA Propanes: 1,2,3-TCP; 1,2-DCP Other Halogenated: NDMA; DBCP; Lindane; CFC-113; CFC-11; 1,2- EDB; DDT Redox-active Metal(loid)s: Cr(VI); As(III,V), U(VI), Se(IV,VI) * 1,2-DCA, CA, DCM, CM not treated by ZVI alone Geosyntec, 2016
Pilotforsøg 26