HIP-pilot ISCO voor VOCl, afweging twee oxidanten

HIP-pilot ISCO voor VOCl, afweging twee oxidanten

Beschrijving

De aannemer voert een vooronderzoek uit binnen het saneringsplan/bestek voor de sanering van een verontreinigde locatie. De sanering wordt uitgevoerd ter voorbereiding van de toekomstige herontwikkeling van de locatie.

In het traject voor aanvang van de HIP pilot is de keuze gemaakt voor in-situ chemische oxidatie (ISCO). De HIP-pilot heeft tot doel deze saneringingsinspanning te ondersteunen en te optimaliseren. Deze HIP-pilot heeft betrekking op de sanering van de verontreiniging met VOCl met behulp van in-situ chemische oxidatie (ISCO). Conform het bestek wordt gebruik gemaakt van een combinatie van Fenton’s Reagens en kaliumpermanganaat. De werkzaamheden binnen de HIP-pilot zijn een aanvulling op het bestaande saneringsbestek. Voorafgaan aan de full-scale sanering is een vooronderzoek met veldtest uitgevoerd. Binnen het gereserveerde tijdsbestek voor het vooronderzoek werd de kernzone van de verontreiniging ontgraven. De veldtest en HIP pilot vonden daarom plaats buiten de damwanden rondom de kernzone, binnen de contouren van de grondverontreiniging zoals aangegeven in het vooronderzoek.

Onderzoeksdoel

Tijdens deze pilot zijn de volgende kennisvragen beantwoord:

Hoe beïnvloedt de natuurlijke (geo)chemische samenstelling en heterogeniteit van bodem en grondwater de Natuurlijke Oxidant Behoefte (Natural Oxidant Demand, NOD) en de effectiviteit van de permanganaat en Fenton’s toepassing?
De matrixbehoefte tussen de bodemmonsters varieert, dit duidt op verschillende effecten van heterogeniteit in de bodem. De matrixbehoefte is in de kleilagen hoger dan in zand. Het oxidantverbruik in grondwater wordt voornamelijk bepaald door het gehalte aan verontreiniging en natuurlijke reductanten maar is verwaarloosbaar ten opzichte van het oxidantverbruik door de bodem. Door het ontbreken van verontreiniging met VOCl in de grond en de geringe grondwaterverontreiniging is het te verwachten dat het natuurlijke oxidantverbruik door de bodem relatief groot (>95%) is ten opzichte van het oxidantverbruik door de verontreiniging.

Hoe kan een afweging gemaakt worden tussen de toepassing van permanganaat en Fenton’s om de efficiëntie en effectiviteit van de ISCO-sanering te optimaliseren?
Tijdens oxidatie met Fenton’s Reagens is de matrixbehoefte voor oxidanten twee keer hoger dan voor permanganaat als gevolg van de hogere oxidatiepotentiaal van Fenton’s Reagens. De kosten van beide toepassingen kunnen mede met behulp van deze kennis worden afgewogen.

Kan de saneringsaanpak worden geoptimaliseerd door middel van een gescheiden aanpak van de verontreiniging in de bron en pluim?
In-situ saneren van de rest van de bron en behandeling van de pluim via een reactieve zone is de meest effectieve aanpak van de VOCl-verontreiniging op deze locatie.

Studiegebied

De locatie maakt deel uit van een terrein waar van 1904 tot eind 2000 een voormalige wagenbedrijf gevestigd was en thans buiten gebruik is. De bodem ter plaatse van het pilotgebied bestaat tot minimaal 15 m -mv uit zand bestaat. De zandlaag wordt plaatselijk onderbroken door een leem/veen of kleilagen. Regionaal wordt een leemlaag behorende tot de Eemlaag gevonden op een diepte van circa 12 m –mv maar ter plaatse van de onderzoekslocatie voor de veldtest werd deze leemlaag niet aangetroffen. De grondwaterstand bedraagt circa 3,5 m-mv. De zuurgraad (pH) van het grondwater in het pilotgebied varieert van 4,7 (ter plaatse van peilbuis G101-m) tot 7,8 (G116-d) en bedraagt gemiddeld 6,1. De grond en het grondwater zijn sterk verontreinigd met vluchtige gechloreerde koolwaterstoffen (VOCl), voornamelijk tetrachlooretheen (PER). Tevens is onder de laswerkplaats een sterke verontreiniging met polycyclische aromatische koolwaterstoffen (PAK) aangetoond en is plaatselijk een sterke verontreiniging met minerale olie aangetroffen. In deze HIP-pilot wordt alleen de sanering van de verontreiniging met VOCl door middel van ISCO onderzocht.

Methoden

De totale reductie capaciteit (TRC) van de bodemmonsters is bepaald op basis van organisch koolstof- en zwavelbepalingen. Chemisch zuurstof verbruik (CZV) bepalingen zijn gebruikt als indicatie voor de matrixbehoefte aan Fenton’s Reagens -oxidatie. Daarnaast is in het laboratorium de matrixbehoefte voor permanganaat in veldmonsters bepaald. De afbraak van de verontreiniging is gemonitord met behulp van VOCl-analyse, redoxchemie en isotopenfractionering.

Resultaten

Invloed van matrixbehoefte op de effectiviteit van de sanering
Tijdens de CZV-bepaling werd gemiddeld de helft van de TRC geoxideerd en bij permanganaat-oxidatie een kwart. Dit geeft aan dat tijdens oxidatie met Fenton’s Reagens een twee keer hogere matrixbehoefte voor oxidanten verwacht kan worden dan voor permanganaat als gevolg van de hogere oxidatiepotentiaal van Fenton’s Reagens. Naast verschillen tussen de matrixbehoeften voor de oxidanten permanganaat en Fenton’s Reagens, is er ook op onderscheid in matrixbehoefte getest bij meerdere bodemmonsters. Hieruit blijkt dat de matrixbehoefte tussen de bodemmonsters varieert, met een factor 2, tussen de kaliumpermanganaatmonsters onderling, en een factor 4,5 voor monsters in de CZV bepalingen. Dit duidt op verschillende effecten van heterogeniteit in de bodem. De matrixbehoefte is in de kleilagen hoger dan in zand. Het oxidantverbruik in grondwater wordt voornamelijk bepaald door het gehalte aan verontreiniging en natuurlijke reductanten maar is verwaarloosbaar ten opzichte van het oxidantverbruik door de bodem. Hoewel de TRC een redelijke bovengrens vormt voor de gemeten oxidantverbruikwaarden, valt op dat er geen duidelijk relatie is tussen TRC en het gemeten permanganaatverbruik en CZV. Dit geeft aan dat het schatten van oxidantverbruik op basis van organisch-koolstof- en zwavelgehalten onbetrouwbaar is. De TRC-waardes voor twee kleimonsters die lager zijn dan de CZV geven mogelijk aan dat hier naast gereduceerde zwavelverbindingen en organische stof ook nog andere gereduceerde bestanddelen aanwezig zijn, zoals bv. Sideriet (FeCO3) of het kleimineraal Fe(II)-glauconiet. 

In het veldtestgebied bleek er geen sprake van verontreiniging met VOCl in de grond en de grondwaterverontreiniging was geringer dan verwacht. Hierdoor is het te verwachten dat het natuurlijke oxidantverbruik door de bodem relatief groot (>95%) is ten opzichte van het oxidantverbruik door de verontreiniging. Dit wordt verder versterkt doordat het verontreinigde grondwater geen optimale uitwisseling heeft met het geïnjecteerde volume aan oxidanten, doordat het grondwater voornamelijk wordt weggedrukt. Hierdoor vindt de reactie tussen het verontreinigde grondwater en de oxidanten slechts plaats aan de ‘rand’ van het geïnjecteerde volume.

Resultaten van isotopen fractionering: afbraak of geen afbraak van VOCl?

Het is op basis van de laboratoriumtesten zeker te stellen dat, als gevolg van de injectie van Fenton’s Reagens en kaliumpermanganaat, oxidatie van de bodemmatrix en de VOCl verontreiniging plaatsvindt. Ondanks het feit dat tijdens de injectierondes 2, 3 en 4 ruim voldoende oxidant geïnjecteerd is om aan de matrixbehoefte en de oxidantbehoefte van het grondwater te voldoen, zijn ter plaatse van de monitoringspeilbuizen geen aanwijzingen gevonden voor afbraak van VOCl. De waargenomen concentratieverhogingen en -verlagingen van PER, TRI of CIS kunnen niet in verband gebracht worden met de injectie van Fenton’s Reagens of kaliumpermanganaat. De afwezigheid van koolstofisotopenfractionatie in de VOCls bevestigd dat de afnames in concentraties niet het gevolg zijn van oxidatie. Ook zijn er geen effecten waargenomen die wijzen op reacties tussen de geïnjecteerde oxidanten en de matrixbehoefte van de bodem. De waargenomen variatie in VOCl-concentraties tussen de injectierondes wordt dan ook waarschijnlijk veroorzaakt door het verplaatsingen van verontreinigd grondwater, waardoor een peilbuis ofwel dichter of wel verder in de kern van de pluim bemonsterde. Deze pluimverschuivingen kunnen het gevolg zijn van de injecties of door achtergrondvariatie in de grondwaterstromingsrichting in de omgeving.  

In de monitoringspeilbuizen zijn dus geen aanwijzingen voor afbraak van VOCl onder invloed van chemische oxidatie waargenomen. Dit wordt hoogstwaarschijnlijk veroorzaakt doordat het volume van de injecties ontoereikend was om de geanticipeerde afstand van 3,5 meter tussen injectiepunt en monitoringspeilbuis te overbruggen (primair bereik van de injectie). Inzicht in de lokale grondwaterstromingssnelheid en -richting ontbreekt op het moment maar zou duidelijkheid kunnen verschaffen over de de mate waarin het secundaire bereik van de injectie reikt tot de monitoringspeilbuizen die zich in de richting van de grondwaterstroming bevinden.

Conclusies en aanbevelingen

Deze eerste fase van deze HIP-Pilot heeft nieuwe inzichten opgeleverd in de reactiviteit van de ondergrond en dimensionering van de ISCO-toepassing in deze veldsituatie. Daarmee zijn de mogelijke toepassingsvarianten (in-situ saneren van de rest van de bron en behandeling van de pluim via een reactieve zone) duidelijk geworden.  TRC vormt een redelijke bovengrens voor de gemeten oxidantverbruikwaarden maar het schatten van oxidantverbruik op basis van organisch-koolstof- en zwavelgehalten is onbetrouwbaar. Laboratoriumproeven kunnen hier beter inzicht in geven. Omdat NOD zowel tussen verschillende bodemlagen als tussen monsters binnen 1 laag verschillen, is het van belang voldoende monsters te analyseren om een bandbreedte voor NOD vast te kunnen stellen.  Door het ontbreken van verontreiniging met VOCl in de grond en de geringe grondwaterverontreiniging is het te verwachten dat het natuurlijke oxidantverbruik door de bodem relatief groot (>95%) is ten opzichte van het oxidantverbruik door de verontreiniging. Tijdens oxidatie met Fenton’s Reagens is de matrixbehoefte voor oxidanten twee keer hoger (en is de variatie tussen monsters uit dezelfde bodemlaag groter) dan voor permanganaat als gevolg van de hogere oxidatiepotentiaal van Fenton’s Reagens. De kosten van beide toepassingen kunnen mede met behulp van deze kennis worden afgewogen. Het injecteren van grote volumes oxidantoplossing in de pluim is weinig effectief voor het oxideren van de verontreinigingen in het grondwater. Het verontreinigde grondwater wordt namelijk weggedrukt tijdens injectie en afbraak van de verontreiniging vindt slechts plaats aan de randen van het geïnjecteerde volume. Bij actieve in-situ sanering van verontreinigd grondwater door middel van chemische oxidatie adviseren wij dan ook om meer kleinere injectievolumes te gebruiken om het contact tussen verontreinigd grondwater en geïnjecteerd volume zo groot mogelijk te maken. Gedacht kan worden aan een reactieve zone, waarin meerdere kleine oxidantvolumes worden geïnjecteerd in de pluim en meegevoerd door de grondwaterstroming. Door de instabiliteit van Fenton’s Reagens in vergelijking tot permanganaat, is deze laatste oxidant geschikter voor dergelijke verspreiding.  Het verkrijgen van een goed beeld van de grondwaterstroming (richting, verhang, snelheid) op de saneringslocatie voorafgaand aan de dimensionering van de sanering is echter noodzakelijk. Indien sprake is van een variabele stromingsrichting van het grondwater en/of de snelheid van de grondwaterstroming gering is, wordt voor een goede verspreiding van de geïnjecteerde oxidanten een gereguleerde grondwaterstroming door middel van pompen aanbevolen.

Toegevoegde rapporten:
rapport1hippilotisco

Gerelateerde technieken en cases
Gerelateerde technieken:
2017-10-21T18:48:13+00:00