Valg af afværge med inddragelse af livscyklusvurdering (LCA) … · Gobal opvl armning Ozondannelse Forsuring Terresrtisk eutroferi ing Akvatisk eutrofiering Partikelforurening Økotoksicitet

Valg af afvValg af afvæærge med inddragelse af rge med inddragelse af livscyklusvurdering (LCA) livscyklusvurdering (LCA) Fokus pFokus påå mormoræænelerneler

Gitte Lemming, Julie C. Chambon, Philip J. Binning, Poul L. Bjerg

ATV møde18. januar 2012

Mål: Sammenligning af miljøeffekter ved at opnå en bestemt funktionel enhed

“Vugge til grav”-perspektiv

Normaliserede effekter:

Omregnet til personækvivalenter (PE) ved at dividere med den årlige belastning fra en gennemsnitsperson

Hvad er livscyklusvurdering (LCA)? Hvad er livscyklusvurdering (LCA)?

EffektkategoriOpgørelse

Global opvarmning

Ozonnedbrydning

Photokemisk ozondanndelse

Forsuring

Eutrofiering

Partikelforurening

Økotoksicitet

Humantoksicitet

Resourceforbrug

Enhed

kg CO2-eq.

kg CFC11-eq.

kg C2H4-eq.

kg SO2-eq.

kg NO3--eq.

kg PM2.5-eq.

CTUe

CTUh

kg

Udvinding af råstoffer

Produktion

Brugsfase

Bortskaffelse

Afværge-projekt

Resso

urcer

Emission

er

Livscyklusvurdering af afvLivscyklusvurdering af afvæærgerge

Primære effekterLokale toksiske effekter

grundet forureningskilden

(lokale)

Sekundære effekterMiljøeffekter genereret af

afværgeaktiviteterne

(lokale, regionale, globale)

Tertiære effekterMiljøeffekter relateret til den fremtidige brug af

grunden(lokale, regionale, globale)

LCA af afværge af forurenet grund

Trade-off

Tidsramme for oprensning

Trae-off

Grundvandsmagasin

Opsprækket moræneler

Opsprækket morænelerSand

Dyb

de (m

.u.t.

)

Opsprækket moræneler~ 24 kg TCE i kildeområde

Drikkevands-indvinding 200 m nedstrøms

Forsyner ca. 1.800 personer

Indvindingsrate: 133.000 m3/år

Studier iStudier imormoræænelerneler

Distance (m)

Gl. Kongevej, Frederiksberg

~ 40 kg TCE i kildeområde



Indvindingsrate: 2.500.000 m3/år

Activated carbon

Monitering

Stimuleret reduktiv deklor. (SRD)

In situ termisk desorption (ISTD) Afgravning

Sortebrovej, Tommerup

Trae-off

Grundvandsmagasin

Opsprækket moræneler

Opsprækket morænelerSand

Dyb

de (m

.u.t.

)

Opsprækket moræneler~ 24 kg TCE i kildeområde



Indvindingsrate: 133.000 m3/år

Distance (m)

Gl. Kongevej, Frederiksberg

~ 40 kg TCE i kildeområde



Indvindingsrate: 2.500.000 m3/år

Activated carbon

Monitering

Stimuleret reduktiv deklor. (SRD)

In situ termisk desorption (ISTD) Afgravning

Sortebrovej, Tommerup

Studier iStudier imormoræænelerneler

Grundvandsmagasin

Distance (m)

Grundvandsmagasin

Distance (m)

Stimuleret reduktiv dechlor. (SRD)

In situ kemisk oxidation (ISCO)

Kilde-område

Moræneler

Moræneler

Sand

Primært magasinMonitering

SpSpøørgsmrgsmåål l ogog metodermetoder

Hvilken afværgemetode har de laveste miljø-påvirkninger? (sekundære og primære)

Hvor stammer miljøeffekterne fra?

Hvad er miljøeffekterne såfremt der ikke renses op, men kun moniteres i kildens levetid?

Ville det miljømæssigt set være bedre at rense påvandværket end i kilden?

LCA der inddrager både sekundære og primære effekter

- Tidshorisonter

- Udledning af forurening til grundvand

Model af oprensning

Scenarier Scenarier –– SortebrovejSortebrovejMonitering

- Ingen naturlig nedbrydning

- Årlig monitering af grundvand i kilde og nedstrøms

Stimuleret reduktiv deklorering (SRD)- Tilsætning af elektrondonor (EOS substrat) og bakterier

(KB1) i kilde + sandmagasin

- Tilsætning sker ved gravitation (reinjektion hver 5. år)

In situ kemisk oxidation (ISCO)- Kaliumpermanganat tilsættes ved gravitation i kilde +

sandmagasin

Monitering samt rensning med aktivt kul påvandværk

- Forbrug af aktivt kul

- Ekstra strømforbrug på vandværk til pumpning og UV-behandling

Kilde-område

Moræneler

Moræneler

Sand

Primært magasin

Model til vurdering af tidshorisont og Model til vurdering af tidshorisont og primprimæære effekterre effekter- Reaktiv sprækketransportmodel (2D) opsat i

Comsol Multiphysics (Chambon et. al., 2009; 2010)

- Nedbrydning i definerede reaktionszoner

Reaktions‐zone

Sprække

Sandslire

Ler 1m

Reduktiv deklorering – Monod kinetik5 cm reaktionszoneElektrondonor: ikke-begrænsende Nedbrydningsrate

Lav rateHøj rate

Model til vurdering af tidshorisont og Model til vurdering af tidshorisont og primprimæære effekterre effekter- Reaktiv sprækketransportmodel (2D) opsat i

Comsol Multiphysics (Chambon et. al., 2009; 2010)

- Nedbrydning i definerede reaktionszoner

Massefjernelse over tid

Masseflux til grundvand (g/år)

Koncentrationer i grundvand og indvundet drikkevand

Reaktions‐zone

Sprække

Sandslire

Ler 1m

Reduktiv deklorering – Monod kinetik5 cm reaktionszoneElektrondonor: ikke-begrænsende Nedbrydningsrate

Lav rateHøj rate

Kemisk oxidation – 1. ordens kinetikOxidant (permanganat): ikke-begrænsende10 cm reaktionszoneNedbrydningsrate (7.2 d-1)

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0 200 400 600 800 1000

Konc

entra

tion

på v

andv

ærk

(µg/

L)

Tid (år)

MoniteringSRD (lav rate)SRD (høj rate)ISCO

ModelresultaterModelresultater

Totalkoncentrationer (sum af TCE, DCE og VC):

Tidshorisonter:

99% masse-fjernelse i

kilde

Kriterium 100 m

nedstrøms

Monitering ~ 700 år ~ 900 år

SRD (lav rate) ~ 200 år ~ 400 år *

SRD (høj rate) ~ 90 år Overholdt

ISCO ~ 80 år Overholdt0

5

10

15

20

25

0 200 400 600 800 1000

Foru

reni

ngsm

asse

(kg)

Tid (år)


Vandværk

Massefjernelse:

0

1

2

3

4

5

6

0 200 400 600 800 1000

Tota

lkon

cent

ratio

n (µ

g/L)

Tid (år)


100 m nedstrøms

* VC kriterium overskredet

Kriterium (sum af klorerede)

Kriterium (VC)

SystemafgrSystemafgræænsning (LCA)nsning (LCA)

Primære effekter inkluderet som human eksponering via indtag af grundvand

Funktionel enhed: Behandling af kildeområde (7500 m3 moræneler, 1500 m3 sand) til et fastsat oprensningsmål for massefjernelse (99%)

High density polyethene (HDPE)

Produktionsfase Brugsfase Bortskaffelse

Bentonit

Brøndboring

Oppumpning af grundvand

Injektion af oxidant/ substrat

Omsætning af reaktanter

Persontransport

Grus/sand

Stål

Reaktanter og bakterier

Emissioner

Behandling af jord fra boringer

Transport Transport

EmissionerLokale toksiske emissioner

Emissioner

Råmaterialer og energi

Pumper

Beholdere

Genanvendelse af stål (80%)

Injektionsboringer

Afgrænsning

CO2 fra TCE nedbrydning

Genanvendelse af HDPE (80%)

Sløjfning af boringer



Monitering

Methanproduktion fra omsætning af substrat

(0,18 kg CH4/kg substrat)

CO2-produktion fra oxidantens reaktion med jordens organiske indhold

(0,21 kg CO2/kg KMnO4 )

SRD: 3,7 – 5,5 ton substrat

ISCO: 525 ton KMnO4

(Sikkerhedsfaktor: 2)

LCA specifikationerLCA specifikationer

www.kruger.dk

LCA software: SimaPro 7 (PRé Consultants)

LivscyklusvurderingsmetoderNon-toksiske effekter: EDIP2003 (Hauschild & Potting, 2005)Toksiske effekter: USEtoxTM (Rosenbaum et al., 2008)

NormaliseringsreferencerGennemsnitlig europæer/verdensborger* (2004) (Laurent et al. 2011a, Laurent et al. 2011b)

LivscyklusopgørelseEcoinvent database (stål, plast, el, transport mv.)Ekstra dataindsamling for afværgespecifikke processer og forbrug (aktivt kul, bakteriekultur, laboratoriearbejde mv.)

* For global opvarmning

LCA resultater LCA resultater (sekund(sekundæære + primre + primæære effekter)re effekter)

www.kruger.dk

0

20

40

60

80

100

120

140

Global opvarmning

Ozon-dannelse

Forsuring Terrestrisk eutrofiering

Akvatisk eutrofiering

Partikel-forurening

Nor

mal

iser

et re

sulta

t (P

E)

Monitering SRD (høj rate) SRD (lav rate) ISCO

0

50

100

150

200

250

300

Økotoksicitet Human-toksicitet

(non-carcinogen)

Human-toksicitet

(carcinogen)

Udledning til grundvand (kg) og primære effekter (PE)

Udledning til grundvand (kg) Primære effekter (PE)

TCE DCE VC Non-carcinogen Carcinogen Sum

Monitering 23 kg - - - 15 PE 15 PE

SRD (lav rate) 0,05 kg 0,3 kg 1,1 kg 7,5 35 PE 42,5 PE

SRD (høj rate) 0,2 kg 0,02 kg 0,007 kg 0,1 0,4 PE 0,5 PE

ISCO 0,007 kg - - - 0,2 PE 0.2 PE

Stimuleret reduktiv dekloreringStimuleret reduktiv dekloreringwww.kruger.dk

0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100%

Global opvarmning

Ozondannelse

Forsuring

Terrestrisk eutrofiering


Partikelforurening

Økotoksicitet

Humantoksicitet (non-carcinogen)

Humantoksicitet (carcinogen)

0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100%

Global opvarmning

Ozondannelse

Forsuring



Partikelforurening

Økotoksicitet



Høj rate (90 år):

Lav rate (200 år):

Injektionsboringer Monitering Substrat: produktion og transport

Substrat: CH4-emission Bakteriekultur Injektion og pumpning

Persontransport (injektion) Primær effekt DCE Primær effekt VC

Kemisk oxidationKemisk oxidationwww.kruger.dk

ISCO (80 år):

0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100%

Global opvarmning

Ozondannelse

Forsuring



Partikelforurening

Økotoksicitet



% % % % % % % % % % %Bidrag til effektMonitering Injektionsboringer

Pumpning og injektion Permanganat: Produktion og transportPermanganat: In situ CO2-emission Persontransport (injektion)Primær effekt TCE

Rensning med aktivt kul pRensning med aktivt kul påå vandvvandvæærkrk

www.kruger.dk

0

20

40

60

80

100

120

140

Global opvarmning

Ozon-dannelse



Partikel-forurening

Nor

mal

iser

et re

sulta

t (P

E)

Monitering SRD (høj rate) SRD (lav rate) ISCO

0

50

100

150

200

250

300


(non-carcinogen)

Human-toksicitet

(carcinogen)

0

50

100

150

200

250

300


(non-carcinogen)

Human-toksicitet

(carcinogen)

()

0

20

40

60

80

100

120

140

Global opvarmning

Ozon-dannelse



Partikel-forurening

Nor

mal

iser

et re

sulta

t (P

E)

Monitering SRD (høj rate) SRD (lav rate) ISCO Monitering og aktivt kul (170 år)

Rensning med aktivt kul pRensning med aktivt kul påå vandvvandvæærkrk

www.kruger.dk

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0 200 400 600 800 1000

Konc

entra

tion

på v

andv

ærk

(µg/

L)

Tid (år)


VandværkRensning med aktivt kul:

Forbrug af aktivt kul

Ekstra strømforbrug på vandværk til pumpning og UV-behandling (0,025 kWh/m3)

Allokering af miljøeffekter til lokalitet:

- Rensning af det vandvolumen, der forurenes op til grænseværdi (1 µg/L) grundet TCE-udledning fra lokalitet

- Svarer til 170 års rensning

Monitering og rensning med aktivt kulMonitering og rensning med aktivt kul

www.kruger.dk

Monitering i 700 år, rensning med aktivt kul i 170 år:

0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100%

Global opvarmningOzondannelse

ForsuringTerrestrisk eutrofiering

Akvatisk eutrofieringPartikelforurening

ØkotoksicitetHumantoksicitet (non-carcinogen)


Monitering Aktivt kul Øget elforbrug (vandværk)

0 20 40 60 80 100

Monitering og aktivt kul

ISCO

SRD (lav rate)

SRD (høj rate)

Monitering

Primære effekter (PE)



0 200 400 600 800 1000 1200

Monitering og aktivt kul

ISCO

SRD (lav rate)

SRD (høj rate)

Monitering

Sekundære effekter (PE)

Non-toksiske effekter (sum)

Toksiske effekter (sum)

PrimPrimæære versus sekundre versus sekundæære effekterre effekterwww.kruger.dk

Primære effekter (sum): Sekundære effekter (sum):



43

15

0.5

0.2

230

140

135

2250

1030

Reduktion i primær toksicitet: ~ 15 PE (SRD høj rate, ISCO, Monitering og aktivt kul)Forøgelse i primær toksicitet:~ 28 PE (SRD lav rate)

Reduktion i sekundære effekter:- SRD (høj rate): 5 PEForøgelse i sekundære effekter: - SRD (lav rate): 90 PE- Monitering og aktivt kul: 900 PE- ISCO: 2100 PE

0

Non-toksiske effekter (sum)

Toksiske effekter (sum)

KonklusionerKonklusioner

www.kruger.dk

Sekundære miljøeffekterSRD er den teknik, der har de laveste sekundære miljøeffekter ISCO har meget høje sekundære miljøeffekter især grundet det store forbrug af oxidant

Primære miljøeffekterSRD: Risiko for VC udledning til grundvand højere toksisk påvirkning end hvis der ikke renses op. ISCO: ingen væsenlige primære effekter

Primære versus sekundære miljøeffekterEr der en gevinst ved oprensning?

“End-of-pipe”-løsning: aktiv kul rensning på vandværkKan give væsentlige miljøeffekter grundet øget elforbrug på vandværkBedre end ISCO, men værre end SRD

Miljøvurdering er en del af en samlet vurderingTid, økonomi, nabogener mv. er øvrige væsentlige beslutningskriterier

Tak for opmTak for opmæærksomheden rksomheden

SpSpøørgsmrgsmåål?l?

Trae-offTak til:Tak til:

Gitte Lemming

[email protected]

Non-toxic impacts Toxic impacts

Both secondary and primary toxic impacts included

NoA: No action

ERD: Enhanced reductive dechlorination

ISTD: In situ thermal desorption

EXC: Excavation and off-site treatment Lemming et al. (2010): Environmental Science & Technology 44 (23) 9163-9169

Case 1 Case 1 LCA results LCA results -- Secondary and primary impactsSecondary and primary impacts

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0 10 20 30 40 50Time (years)

Modeling of timeframe and primary impactsModeling of timeframe and primary impacts

TCE

VC

DCE

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0 20 40 60 80 100

Drin

king

wat

er c

once

ntra

tions

(µg/

L)

Time (years)

TCE

DCE

VC

No action ERD

Microbial degradation zones Conceptual model of study site

Model result: Drinking water concentrations Accumulated emission to aquifer

Sensitivity scenariosSensitivity scenarios

ERD: Molasses increased by a factor of 3

ISTD: Change from average Danish electricity to coal-based electricity (marginal)

EXC: Soil transportation distance varied (initial value of 150 km)

Documents

Valg af afværge med inddragelse af livscyklusvurdering (LCA) … · Gobal opvl armning Ozondannelse Forsuring Terresrtisk eutroferi ing Akvatisk eutrofiering Partikelforurening Økotoksicitet