Oprensning af olie- og benzinforurening: Naturlig nedbrydning og biologisk afværge

Oprensning af olie- og benzinforurening: Naturlig nedbrydning og biologisk afværge Per Loll - DMR A/S ATV, Afværgeteknologier - State of the Art, 22. oktober 2008 Dias nr. 1

Indledning Oplægget lød på, at dagens indlæg skulle indeholde en gennemgang af bl.a.: Metodemæssige principper Vigtige parametre for opfyldelse af målsætning Anvendelsesområder Effektivitet og oprensningstider Det vil jeg så selvfølgelig forsøge at komme omkring. ATV, Afværgeteknologier - State of the Art, 22. oktober 2008 Dias nr. 2

Indledning I forhold til oplægget var det også en metodeliste, hvor biologisk nedbrydning af olie- og benzinforureninger ikke var imellem så det er måske ikke denne afværgeteknologi vi har glædet os mest til at høre om? Men, hvorfor er det? Der var jo stor blæst omkring metoden omkring årtusindskiftet; dog med en bekymring om, at der ville blive tale om en laden-stå-til teknologi. I virkeligheden er der i mellemtiden nok sket det diametralt modsatte at det er én af de metoder der kræver megen dokumentation (?) ATV, Afværgeteknologier - State of the Art, 22. oktober 2008 Dias nr. 3

Indledning Hvis jeg var tilhører ville jeg også gerne have hørt lidt om hvor mange sager der er (forsøgt) løst med biologisk afværge, og få lidt statistik omkring dette: F.eks. 100 sager; 99 løst tilfredsstillende på < 3 år. Derfor har jeg forsøgt at lave en litteratursøgning via bl.a. LIX og Google dog uden der dukkede ret meget op fra de sidste 3-4 år. Så jeg vil primært fokusere på mine egne erfaringer og må (som rådgiver) selvfølgelig tage forbehold for, at der formentlig ligger viden derude som jeg ikke kender til. ATV, Afværgeteknologier - State of the Art, 22. oktober 2008 Dias nr. 4

Disposition Afgrænsning og definitioner Mine egne erfaringer Principper Forudsætninger for biologisk afværge Effektivitet og oprensningstider Overordnede vurderinger og strøtanker ATV, Afværgeteknologier - State of the Art, 22. oktober 2008 Dias nr. 5

Afgrænsning og definitioner Jeg omtaler kun olie- og benzinforureninger, og den matrice vi bevæger os indenfor er (metode/medie): Naturlig nedbrydning er uden ingeniørmæssig indblanding, udover det der skal til for at monitere (Moniteret Naturlig Nedbrydning = MNN). Ved stimuleret nedbrydning manipuleres de fysiskkemiske betingelser -> en hurtigere nedbrydning. Augmenteret nedbrydning med tilsætning af mikroorg. ATV, Afværgeteknologier - State of the Art, 22. oktober 2008 Dias nr. 6

Disposition Afgrænsning og definitioner Mine egne erfaringer Principper Forudsætninger Effektivitet og oprensningstider Overordnede vurderinger og strøtanker ATV, Afværgeteknologier - State of the Art, 22. oktober 2008 Dias nr. 7

Mine egne erfaringer X XX X XXX XXX BioGel labundersøgelse (+/- augmentering) BioGel erfaringsopsamling (+ augmentering) FG-olie i felt - inkl. hot-spot FG-olie i felt - eks. hot-spot (stimuleret) M.Proj 1060, 2006 Vintermødet 2007+V&J-artikel Benzin i grundvand; 2 stk. felt (naturlig og bio-ventileret) Ca. 14 specialeprojekter på AAU, herunder nedbrydning af benzen og MTBE (lab) ATV, Afværgeteknologier - State of the Art, 22. oktober 2008 Dias nr. 8

Principper Biologisk omsætning af benzin/olie handler om at visse typer af mikroorganismer får energi og kulstof til vækst ved at nedbryde organiske molekyler. Benzin og olie er blandingsprodukter med meget forskellige fysiske og kemiske egenskaber og nedbrydningshastigheder. ATV, Afværgeteknologier - State of the Art, 22. oktober 2008 Dias nr. 10

Principper Nogle stoffer nedbrydes helt til vand og CO 2 (mineraliseres), mens andre nedbrydes trinvist under dannelse af metabolitter/nedbrydningsprodukter. Generelt nedbrydes små ligekædede alkaner og monoaromater (BTEX er) hurtigere end større og mere komplekse molekyler = forskellige nedbrydningsrater. Forskellige dele af den mikrobielle befolkning nedbryder forskellige komponenter (ændres over tid). Generelt vil bulk raten falde med tiden. ATV, Afværgeteknologier - State of the Art, 22. oktober 2008 Dias nr. 11

Principper Mikroorganismerne opnår energi ved, at de forurenende stoffer oxideres under forbrug af elektronacceptorer: ilt - nitrat- mangan(iv) - jern(iii) - sulfatog kuldioxid. Grundvandets strømningsretning Kildeområde Methanogenese Sulfatreduktion Jern- og manganreduktion Nitratreduktion Aerob repiration Mikroorganismernes energiudbytte og nedbrydningshastigheden følger rækkefølgen (ilt -> kuldioxid). Naturlig nedbrydning af olie og benzin kan finde sted under alle redox-betingelser, men stimulering/augmentering finder primært anvendelse under iltede forhold. ATV, Afværgeteknologier - State of the Art, 22. oktober 2008 Dias nr. 12

Afgrænsning og definitioner Mine egne erfaringer Principper Disposition Forudsætninger for biologisk afværge mikroorganismer næringssalte ilt Effektivitet og oprensningstider Overordnede vurderinger og strøtanker ATV, Afværgeteknologier - State of the Art, 22. oktober 2008 Dias nr. 13

Forudsætninger (mikroorganismer) Naturlige mikroorganismer der kan nedbryde benzin- og oliestoffer findes næsten alle vegne. Forsøg på AAU igennem de sidste 10 år viser, at mikroorganismer der kan nedbryde f.eks. BTEX altid vokser op i betydende antal (indenfor 2-14 dage). Ifht. den praktiske anvendelse af naturlig nedbrydning er det derfor primært spørgsmål om: hvor hurtigt (eller langsomt) går nedbrydningen? Kan den holde i længden? Kan vi fremlægge en betryggende dokumentation herfor? ATV, Afværgeteknologier - State of the Art, 22. oktober 2008 Dias nr. 14

Forudsætninger (mikroorganismer) I forhold til tilsætning af mikroorganismer (augmentering) er det min overbevisning, at man i bedste fald kan tyvstarte nedbrydningsforløbet lidt (2-8 uger) ifht. en tilsvarende stimulering (muligvis eks. MTBE). Jeg mener ikke, at augmentering kan betale sig ifht. de oprensningstider vi typisk taler om (år)! Det der virkelig har betydning er en tilstrækkelig og effektiv tilførsel og fordeling af næringssalte og ilt (eller andre oxidationsmidler). så lad os se lidt nærmere på det ATV, Afværgeteknologier - State of the Art, 22. oktober 2008 Dias nr. 15

Forudsætninger (næringssalte) Densiteten på hhv. benzin og dieselolie er ca. 0,75 kg/l og ca. 0,85 kg/l (gns. 0,8 kg/l). Benzin og olie består af ca. 87% C (w/w). Et spild på 100 L benzin/olie svarer til ca. 70 kg C; en kulstofkilde som mikroorganismerne gerne vil udnytte. Men biomassen består af ca. (w/w): 50% C, 20% O, 14% N, 8% H, 3% P, 4,7% mikronæringsstoffer (S, K, Na, Ca, Mg, Cl, Fe) og 0,3% andet. Derfor kræves også næringsstoffer; primært N og P, før væksten (og nedbrydningen) går i gang! ATV, Afværgeteknologier - State of the Art, 22. oktober 2008 Dias nr. 16

Forudsætninger (næringssalte) Mikroorganismerne har en udbyttekonstant (g biomasse dannet pr. g stof omsat) på i størrelsesordenen 0,2 0,6. Generelt kan man regne med et masseforhold mellem C:N:P på i størrelsesordenen 100: 12: 2,5. Hvis man vil sandsynliggøre en fuldstændig biologisk oprensning af 100 L benzin/olie (ca. 70 kg C) bør man kunne redegøre for hvordan mikroorganismerne får fat i ca. 8,5 kg N og 1,8 kg P på den ønskede oprensningstid. Til sammenligning har AAU i studier af nedbrydning i den umættede zone fundet i omegnen af 1-15 mg N/kg TS og 0,02-1,9 mg P/kg TS. svarende til 50-100 mg olie/kg TS! ATV, Afværgeteknologier - State of the Art, 22. oktober 2008 Dias nr. 17

Forudsætninger (ilt) Der bruges 3,1 kg O 2 til nedbrydning af 1 kg benzin/olie: 1 L benzin/olie Vand: 10 mg O 2 /L kræver 250 m 3 Atm. luft: 280 mg O 2 /L kræver 9 m 3 Ren ilt: 1.300 mg O 2 /L kræver 2 m 3 ORC: 170 g O 2 /kg kræver 15 kg Vel at mærke ved 100% biologisk udnyttelse! Hvis man vil sandsynliggøre en fuldstændig biologisk oprensning af 100 L benzin/olie bør man redegøre for hvordan mikroorganismerne får tilført 250 kg O 2 (900 m 3 luft; 250.000 m 3 vand) på den ønskede oprensningstid. ATV, Afværgeteknologier - State of the Art, 22. oktober 2008 Dias nr. 18

Forudsætninger (overordnet) Er det realistisk at opnå en passende masseoverførsel indenfor en realistisk/acceptabel tidshorisont (naturligt eller stimuleret) kan det gøres på mindre end år? Jeg mener at det er mangel på disse overvejelser (ingeniørmæssige dyder) der gør, at mange forsøg på biologisk afværge fejler! Og at jeg generelt er skeptisk overfor biologiske udbydere. Endelig skal næringssalte og ilt fordeles i behandlingszonen men det er en problemstilling der er generel for de fleste in-situ metoder. ATV, Afværgeteknologier - State of the Art, 22. oktober 2008 Dias nr. 19

Effektivitet og oprensningstider Er mest effektiv og oplagt i lette (hydro)geologier ifht. kontrol og dokumentation. Ikke oplagt til oprensning af hot-spots, da der hurtigt opstår mangel på et eller andet = begrænsning. Har typisk god effektivitet uden for hot-spots, hvor forureningen tilføres via diffusion evt. overfor restforureninger efter afgravning (<5.000 mg/kg TS). Kan have god effektivitet i grundvandszonen, hvor der er god balance imellem kildestyrke/nedsivning og tilførslen af næringssalte og ilt/elektronacceptorer (men det kan være svært at dokumentere). ATV, Afværgeteknologier - State of the Art, 22. oktober 2008 Dias nr. 21

Effektivitet og oprensningstider Har generelt god effektivitet overfor BTEX og lettere benzin-/oliekomponenter (risikoreduktion). Man skal ikke have for travlt med biologiske oprensninger (mine gæt): Total oprensning (stimuleret) 5-20 år Mindre restforurening eller risikored. (stimuleret) 2-5 år MNN i grundvand >10 år ATV, Afværgeteknologier - State of the Art, 22. oktober 2008 Dias nr. 22

Overordnede vurderinger/strøtanker En akilleshæl ved metoden er, at det pt. ikke er muligt direkte at bestemme in-situ nedbrydningsrater på en lettilgængelig og (gerne) billig måde; vi må oftest ty til indirekte dokumentation: Redoxændringer, nedbrydningsprodukter, ilt og kuldioxid, estimater på restmasse, koncentrationsfald langs en strømlinje, massefluxe, etc. Disse parametre påvirkes af andre forhold og/eller er forbundet med store variationer og usikkerheder. En anden ulempe kan være, at der ikke opsamles noget forurening hvorfor vi gerne vil have ekstra sikkerhed (= flere moniteringsdata) for at forureningen ER væk? ATV, Afværgeteknologier - State of the Art, 22. oktober 2008 Dias nr. 24

Overordnede vurderinger/strøtanker Jeg tror også, at det er et principielt problem for metodens udbredelse i grundvandssammenhæng i DK (ifht. USA), at attenuation ikke accepteres. Man kan komme i den (teoretiske) situation, at der ikke kan måles noget i et nedstrøms filter (som sidder korrekt) pga. naturlig fortynding (= ingen overskridelse). Samtidig vil der være en beregningsmæssig risiko, da det ikke kan dokumenteres at nedbrydningen er stor nok til at reducere koncentrationen tilstrækkeligt (selvom vi kunne måle den rigtige nedbrydningsrate). ATV, Afværgeteknologier - State of the Art, 22. oktober 2008 Dias nr. 25

Overordnede vurderinger/strøtanker Endelig kræver grundvandsscenariet en vurdering af balancen imellem nedbrydning og kildestyrke; Hvis kilden ligger i den umættede zone eller i sekundært grundvand over moræneler (dem har vi mange af) findes der kun meget usikre estimater på kildestyrken. Og nedbrydningsraten kan vi ikke bestemme direkte. så er det ikke let ATV, Afværgeteknologier - State of the Art, 22. oktober 2008 Dias nr. 26

Tak for opmærksomheden ATV, Afværgeteknologier - State of the Art, 22. oktober 2008 Dias nr. 27