Chambon, Julie Claire Claudia

Chlorerede opløsningsmidler er en meget udbredt forureningstype i jord og grundvand. I lavpermeable aflejringer, eksempelvis moræneler, vil chlorerede opløsningsmidler især spredes via sprækker og sandlinser og derfra diffundere ind i den omgivende lermatrix. Forureningen er dermed fanget i den lavpermeable matrix og kan derfra langsomt diffundere tilbage til sprækkesystemet, hvilket skaber en langvarig sekundær kilde til forurening af de underliggende grundvandsmagasiner. De komplekse transport- og nedbrydningsprocesser samt diffusionsbegrænsninger medfører, at både risikovurdering og design af oprensning er en udfordring. Denne afhandling præsenterer udviklingen og anvendelsen af analytiske og numeriske modeller til at forbedre vores forståelse af transport- og nedbrydningsprocesser i moræneler, hvilket er afgørende for at kunne vurdere oprensningseffektivitet og risici for grundvand i forbindelse med biologisk oprensning. Der er udviklet et sæt af modelværktøjer, hvilket inkluderer analytiske modeller til risikovurdering, et system af ordinære differentialligninger til reduktiv dechlorering, og numeriske løsninger for reaktiv transport i komplekse lavpermeable opsprækkede systemer. Metoder til parameterestimation er anvendt til kalibrering af modellerne samt til sammenligning med data fra observationer.Eksisterende risikovurderingsværktøjer tager ikke højde for de komplekse transportprocesser i moræneler med hurtigt gennembrud langs præferentielle strømningsveje og en lang udvaskningstid grundet den langsomme tilbagediffusion fra lermatricen. Et risikovurderingsværktøj baseret på analytiske løsninger er udviklet og sammenlignet med eksisterende metoder, og viste sig at være bedre til at gengive de tendenser, der ses i tilgængelige data. Der er dog en mangel på lange tidsserier, som betyder, at en direkte sammenligning af de konceptuelle modeller ikke kan foretages. Avancerede numeriske modeller til risikovurdering er også nødvendige når der skal tages højde for komplekse processer såsom reduktiv dechlorering. Eksempelvis kan dannelsen af mere mobile nedbrydningsprodukter medføre forøget risiko for grundvandsforurening.Reduktiv dechlorering er den vigtigste biologiske nedbrydningsvej for chlorerede ethener og det er en kompleks biologisk proces, hvor mange bakteriepopulationer interagerer. Et omfattende litteraturstudium har vist, at de processer, der kontrollerer væksten af de dechlorerende bakterier, samt interaktionen mellem dechlorering, fermentering og redox-processer stadig er usikre. De kinetiske modeller, der er udviklet til at beskrive og forudsige reduktiv dechlorering, har derfor begrænset anvendelighed, og en bedre forståelse for de mikrobielle og geokemiske processer er nødvendig. Muligvis vil det være bedre som biomarkør for igangværende reduktiv dechlorering at anvende, hvordan de funktionelle gener udtrykkes, end at anvende antallet af dechlorerende bakterier. Dette er illustreret ved udviklingen af en konceptuel model baseret på eksperimentelle data, der sammenkæder, hvordan de funktionelle gener udtrykkes med dechloreringsrater. Den matematiske model er anvendt til at beskrive dechloreringsdynamikken i laboratorieforsøg.Stimuleret Reduktiv Dechlorering (SRD) er blevet foreslået som en lovende afværgeteknologi for morænelerslokaliteter, men viden om nedbrydningsprocesser og betydende processer i moræneler er begrænset. Ved brug af avancerede numeriske modeller er det vist, at det er nødvendigt at overvinde diffusionsbegrænsningerne for at opnå oprensning indenfor rimelige tidshorisonter. Betydningen af diffusionsbegrænsningerne afhænger af udbredelsen af reduktiv dechlorering i matricen (benævnt bioaktive zoner), samt af distancen mellem dem, hvilket afhænger af injektionsintervallet.Numerisk modellering er anvendt på to lokaliteter, hvor intakte kerneprøver blev udtaget i kildeområdet efter SRD. På Sortebrovej understøttede modelleringen, at de bioaktive zoner var begrænset til smalle (5 cm) zoner dannet omkring højpermeable indslag, hvilket resulterede i en begrænset massefjernelse (&lt;20%) efter 4 år. På Gl. Kongevej viste den reduktive dechlorering sig at være meget heterogen med en uensartet fordeling af bioaktive zoner. Modelleringen af massefjernelsen i kildeområdet viste, at oprensningstiden varierer mellem 20 og mere end 50 år afhængig af fordelingen af de bioaktive zoner. Forståelsen for de styrende faktorer for udviklingen af sådanne bioaktive zoner i lavpermeable medier er stadig begrænset. Processer er blevet yderligere undersøgt ved hjælp af en kombineret anvendelse af kemiske analyser, stabile isotop analyser og reaktiv stoftransportmodellering på en lokalitet, hvor nedbrydning har foregået i årtier. Både biotisk og abiotisk nedbrydning blev påvist i zoner inde i lermatricen.Samlet set har dette Ph.d.-arbejde bidraget til en forbedret forståelse for transport- og nedbrydningsprocesser for chlorerede opløsningsmidler, som er anvendt til at udvikle modelleringsværktøjer til risikovurdering over for grundvand og effektiviteten af biologisk oprensning i lavpermeable aflejringer.Chlorinated solvents are widespread contaminants in the subsurface. In lowpermeability fractured media, such as clay tills, chlorinated solvents are transported downwards along preferential pathways, formed by fractures and sand lenses, and diffuse into the adjacent clay matrix. These contaminants are trapped in the low-permeability matrix and can then slowly back diffuse to the fracture network, forming a long-term secondary contamination source to the underlying aquifers. Because of the complex transport and degradation processes and the mass transfer limitations, risk assessment and remediation design are challenging. This thesis presents the development and application of analytical and numerical models to improve our understanding of transport and degradation processes in clay tills, which is crucial for assessing bioremediation performance and risk to groundwater. A set of modelling tools was developed, which includes analytical models for risk assessment, system of ordinary differential equations for reductive dechlorination, and numerical solutions for reactive transport in complex low-permeability fractured systems. Parameter estimation methods were used to calibrate and compare the model to various observations.The risk assessment tools available do not take into account the complex transport processes occurring in clay tills, with fast breakthrough along preferential pathways, and long tailing because of slow back diffusion from the large storage capacity matrix. A risk assessment tool based on analytical solutions was developed and compared with existing approaches, and was shown to better reproduce trends observed in available data. However, the lack of longterm monitoring data prevents a thorough comparison of the conceptual models. Advanced numerical models for risk assessment are also required when complex processes, such as reductive dechlorination, are considered. For example, the formation of more mobile daughter products might increase the risk to the groundwater.Reductive dechlorination is the major biotransformation pathway for chlorinated ethenes, and is a complex biological process where many bacterial populations interact. A thorough literature review has revealed that the processes controlling the growth of dechlorinating bacteria associated with dechlorination and the interaction of dechlorination with fermentation and redox processes are still uncertain. Therefore, the kinetic models developed to describe and predict reductive dechlorination have limited applicability, and a better understanding of the microbial and geochemical processes is needed. For example, the expression of functional genes might be a better biomarker for ongoing reductive dechlorination than the number of dechlorinating bacteria. This is illustrated with the development of a conceptual model based on experimental data that links expression level of functional genes with dechlorination rates. The mathematical model was used to describe dechlorination dynamics in microcosm experiments.Enhanced Reductive Dechlorination (ERD) has been suggested as a promising remediation technology for clay till sites, but knowledge of degradation processes in clay till and controlling processes is limited. The use of advanced numerical models has shown that it is necessary to overcome mass transfer limitations in order to achieve remediation in reasonable timeframes. The importance of mass transfer limitations depends on the extent of the reductive dechlorination in the matrix (termed bioactive zones), and the spacing between them, which is controlled by the injection interval.Numerical modelling was applied to two ERD sites where discrete core sampling was performed in the source zone after injection of donor and bacteria. At Sortebrovej, modelling supported that bioactive zones were limited to narrow (5 cm) zones formed around high permeability features, which resulted in limited mass removal (&lt; 20%) after 4 years. At Gl. Kongevej, reductive dechlorination was shown to be heterogeneous in the source zone, with an uneven distribution of bioactive zones. Modelling of mass removal in the source zone revealed that remediation timeframes vary between 20 and more than 50 years, depending on the distribution of biomass. The factors controlling the development of such bioactive zones in low-permeability media are still uncertain; and have been further investigated at a site where natural degradation has occurred for decades. The degradation processes have been identified and localized by employing an integrated approach combining chemical and compound specific isotope analysis of core samples, with reactive transport modelling. Biotic and abiotic degradation of chlorinated ethenes was documented in several zones inside the clay matrix, providing valuable knowledge which can be used to aid in the design of future remediation of chlorinated ethenes in low-permeability settings.In conclusion, this PhD-project has developed our understanding on transport and degradation processes of chlorinated solvents in clay tills, and this knowledge was used to develop modelling tools for assessment of risk to groundwater and bioremediation performance in low-permeability media

Online Research Database In Technology

Modelling tools for assessing bioremediation performance and risk of chlorinated solvents in clay tills

http://orbit.dtu.dk/ws/files/7940555/Julie_C_Chambon_PhD_thesis_WWW_Version.pdf

Modelling tools for assessing bioremediation performance and risk of chlorinated solvents in clay tills

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Online Research Database In Technology