Jordtvätt ex situ - fördjupning

Tillämpning

Jordtvättning är en reningsmetod som innebär att föroreningar lakas eller tvättas ut ur det förorenade jordmaterialet. Jordtvättning ex situ tillämpas på uppgrävda jordmassor, antingen on site i mobil behandlingsanläggning eller i fasta behandlingsanläggningar dit massorna transporteras. Metoden är etablerad och har både i Europa och Nordamerika främst kommit att tillämpas för sanering av metallförorenade jordar och sediment. Metoden tillämpas också för behandling av tyngre organiska ämnen som t.ex. PAH, PCB, klorfenoler och tyngre alifater. Nyligen har det även tillkommit teknik som möjliggör behandling av PFOS-förorenad jord. I Sverige har metoden bl.a. tillämpats vid efterbehandling av arsenikförorenad jord vid nedlagda impregneringsplatser och för sanering av blyförorenade skjutvallar. Metoden fungerar bäst för jordar med dominerande innehåll av sand- eller grusfraktion och med lågt ler- och siltinnehåll. Högt innehåll av organogena jordar (torv, gyttja och lergyttja) minskar i allmänhet behandlingsbarheten.

Jordtvättning är en översättning av den engelska termen soil washing. Jordtvätt kan även ingå i begreppen physical separation och ex situ soil separation, dock ingår även torra separeringsmetoder i dessa begrepp.

Status och historik

Jordtvättning har sitt ursprung i gruvindustrin, där merparten av de behandlingssteg som ingår i jordtvättprocessen sedan flera decennier tillbaka använts för mineralutvinning. I bl.a. Tyskland och Nederländerna har metoden tillämpats kommersiellt sedan mitten av 1980-talet och är således en av de äldsta efterbehandlingsmetoderna i Europa. Även i USA har tekniken fått ett relativt stort genomslag, främst under 2000-talet. Inom det statliga amerikanska efterbehandlingsprogrammet superfund tillämpades jordtvättning (”physical separation”) vid sammanlagt 64 föroreningsobjekt under perioden 2005-2011, vilket motsvarar cirka 25 % av samtliga efterbehandlingsobjekt för vilka någon form av ex situ-behandling avseende källzon beslutades under motsvarande period (1). Det är en ökning i jämförelse med perioden 1982-2002 då jordtvättning tillämpades vid i medeltal 4 % av samtliga saneringsobjekt inom superfund för vilka någon form av ex situ-behandling avseende källzon beslutades (2). Eftersom den amerikanska termen ”physical separation” även används som benämning på ”torra”/mekaniska separationsmetoder, som t.ex. magnetisk separation och grovsiktning, är det svårt att avgöra hur pass vanligt förekommande jordtvättning med inslag av ”våta” processer är på den nordamerikanska marknaden. FRTR (Federal Remediation Technologies Roundtable) beskriver på sin hemsida jordtvättning som ”en lovande metod” med begränsad kommersiell tillgänglighet (3).

I Sverige har jordtvättning tillämpats vid ett 30-tal efterbehandlingsobjekt, främst militära skjutbanor, men också vid några impregneringsplatser där arsenik, koppar och krom (CCA-medel) utgjort dimensionerande föroreningsämnen. I Tyskland har jordtvättning även varit en relativt vanligt förekommande efterbehandlingsmetod för olje- och PAH-förorenade jordar och sediment.

jordtvatt P10 JH

Figur 1: Jordtvättanläggning för behandling av blyförorenad kulfångssand vid f.d. P10 Södermanlands regemente. I förgrunden syns matarband/transportband och hydrocykloner för gravimetrisk avskiljning. (foto: Monica Ouacha, Johan Helldén AB)

Behandlingsprinciper

Jordtvättning föregås alltid av uppgrävning av de förorenade massorna. Jordtvättprocessen innefattar flera olika behandlingssteg, vilka sammantaget syftar till att separera mer högförorenat material från lågförorenat material. Utgångspunkten är i allmänhet att merparten av fö-roreningsinnehållet i den jord som behandlas föreligger bunden till finfraktionen. Genom att med hjälp av torr- och våtsiktning separera förorenad ler- och siltfraktion från grövre kornstorleksfraktioner (sand, grus och sten) kan den totala föroreningsvolymen reduceras. Ytterligare föroreningsreduktion, t.ex. avseende metallinnehåll, kan därefter åstadkommas genom tillsats av pH-justerande vätskor som t.ex. saltsyra eller ättiksyra. Genom att temporärt sänka pH-värdet i processvattnet kan några av de metaller som föreligger bundna till finpartiklar lakas ut och överföras till vattenfasen. Organiska ämnen som föreligger bundna till ler- och siltpartiklar kan separeras från dessa med hjälp av flotation eller kombinerad flockning/sedimentation. Föroreningsresten har ofta ett mycket högt vatteninnehåll och behöver före deponering eller kompletterande behandling avvattnas, vilket vanligen sker i kammarfilter- eller silbandspress. Processvattnet som under driftperioden kontinuerligt återcirkuleras i jordtvättanläggningen behöver i allmänhet renas före utsläpp. Innehåller processvattnet organiska föroreningsämnen kan rening med hjälp av kolfilter erfordras. Är processvattnet i huvudsak förorenat av metaller och andra oorganiska ämnen kan kemisk fällning eller filtrering via jonbytare utgöra möjliga behandlingsalternativ.

Slutprodukten vid jordtvättning är en högkoncentrerad behandlingsrest som om den uteslutande utgörs metaller och oorganiska ämnen kan deponeras i en deponi för farligt avfall, alternativt behandlas genom stabilisering/solidifiering. Utgörs behandlingsresten däremot av organiska ämnen kan kompletterande behandling som t.ex. termisk behandling, eller biologisk nedbrytning vara ett alternativ till deponering.

Tekniskt utförande

I jordtvättprocessen ingår både torra och våta behandlingssteg. De vanligaste behandlingsstegen utgörs av:

  • Grovsiktning för inledande avskiljning av större fragment/partiklar (torr process)
  • Torrsiktning för separation av sten-, grus- och sandfraktioner (torr process)
  • Magnetisk separation för avskiljning av främst järnhaltigt material (torr process)
  • Skakbord för gravimetrisk avskiljning av metallförorening, främst blyhaltigt material (torr process), eller för separation av olika kornstorleksfraktioner.
  • Hydrocyklonering för gravimetrisk separation av metallförorening, främst blyhaltigt material, eller för separation av olika kornstorleksfraktioner (våt process)
  • Våtsiktning för separation av lera/silt (våt process)
  • Skrubbning för separation av förorening från partikelytor (våt process)                    
  • Sedimentation för avskiljning av främst partikelbunden förorening (våt process)
  • Flotation för avskiljning av både metaller och förorenade vätskor (våt process)
  • Filterpress för avvattning (våt process)

Flera andra behandlingssteg kan också förekomma. Behandlingsprocessen anpassas till föroreningsinnehållet och kornstorleksfördelningen i det aktuella jordmaterialet. Behandlingskapaciteten vid jordtvättning varierar inom intervallet 5-50 ton/timme. Ofta krävs en uppställningsyta av minst 2500 kvadratmeter då en jordtvättanläggning ska etableras. Förutom själva jordtvättanläggningen erfordras utrymme för uppläggning av både förorenade massor som ska ”matas in” i anläggningen, och för utsorterade rena massor. Sedimentationsbassäng kan behöva anläggas för avvattning, liksom ett reningsverk för processvatten. Underlaget bör vara en hårdgjord yta med liner/tätduk som motverkar att eventuella spill/läckage från jordtvättanläggningen förorenar underliggande jord.

skiss jordtvatt

Figur 2: Principskiss jordtvättning. I processen ingår både torra behandlingssteg som t.ex. mekanisk avskiljning av större fragment, och våtkemiska behandlingssteg (sedimentation, flotation m.fl). Avvattning av föroreningsresten sker oftast med hjälp av kammarfilter- eller silbandspress. Restföroreningen måste antingen vidarebehandlas eller deponeras. Illustration av Peter Harms-Ringdahl

Vanliga metodkombinationer

Jordtvättning tillämpas vanligen för behandling av enbart metallförorenade jordar och sediment och kombineras då med deponering/inneslutning av avvattnat metallhaltigt slam i deponi för farligt avfall. Innehåller föroreningsresten i huvudsak organiska ämnen t.ex. PAH- eller oljeföroreningar, kan biologisk nedbrytning i bioreaktoranläggning eller termisk desorption tillämpas som kompletterande behandlingsmetod. Utgörs föroreningsresten av högmolekylära, persistenta organiska föroreningsämnen som t.ex. PCB eller dioxiner/furaner, är destruktion genom förbränning den vanligaste komplementmetoden. Då metoden oftast behandlar källområdet kan andra metoder som t.ex naturlig övervakad behandling eller biologisk behandling tillämpas för att vi behov även behandla föroreningsplymen.

Projekteringsaspekter

Jordtvättprocessen anpassas till den specifika föroreningssituationen. För att optimera behandlingsprocessen och uppnå ett så bra behandlingsresultat som möjligt erfordras i regel detaljerad information om:

  • Mängden förorenad jord.
  • Föroreningsinnehåll och föroreningens kemiska sammansättning
  • Beträffande metaller är det också viktigt att veta i vilken jonform dessa föreligger eftersom jonformen påverkar hur pass hårt bunden metallen ifråga är till jordmatrisen.
  • Ingående metallföroreningars densitet och magnetiska egenskaper
  • Föroreningens fördelning mellan olika kornstorleksfraktioner, samt jordmaterialets kornstorleksfördelning.
  • Föroreningens lakningsegenskaper (med respektive utan pH-justering), samt vilka halter av respektive föroreningen som kan förväntas i lakvattnet/processvattnet.
  • Behandlingsmöjligheter för det lak- och processvatten som uppkommer i jordtvättprocessen.
  • Jordmaterialets organiska halt.
  • Jordmaterialets pH-värde och buffringskapacitet.
  • Förekomst av avfall, skrotfragment och restprodukter i det förorenade jordmaterialet.

En generell rekommendation är att ett bänkskaleförsök med jordtvättning på representativt jordmaterial bör utföras innan ett behandlingssystem i full skala projekteras. För att erhålla ett representativt material kan t.ex. blandprover tas ut från olika delar av det område som ska behandlas. I bänkskala kan reningseffekten av de olika behandlingsstegen utprovas och behovet av att tillsätta pH-justerande vätskor avgöras. Inför stora efterbehandlingsentreprender kan det även föreligga ett behov av att utföra pilotskaleförsök i fältskala för att klarlägga metodens lämplighet. Medan bänkskaleförsök i regel utförs på förorenad jordmatris utan inslag av grövre fyllnadsmaterial kan ett fältskaleförsök bättre spegla ”verkliga förhållanden” där även stenar, block och avfallsrester måste hanteras. Det kan även finnas anledning att i samband med bänkskale- eller pilotförsök undersöka det tvättade materialets lakningsegenskaper i relation till lakningsegenskaperna hos obehandlat material.

Behandlingsförutsättningar

Jordtvättning fungerar optimalt på relativt homogena jordar med innehåll av ett fåtal föroreningsparametrar. Komplexa föroreningssituationer där organiska och oorganiska föroreningsämnen föreligger tillsammans är i regel mindre lämpliga för jordtvättbehandling. Idealfallet är en förorening av metallförorenad jord, där jordmaterialet till största delen utgörs av grova fraktioner (sand och grus), samtidigt som merparten av metallföroreningen föreligger adsorberad till silt- och lerpartiklar. I dylika fall kan föroreningsreduktionen till övervägande del åstadkommas med hjälp av kombinerad torr- och våtsiktning. En begränsande faktor vid jordtvättning är således hög andel finfraktion (ler- och siltinnehåll >20 %) eftersom mer tid- och resurskrävande behandlingssteg som t.ex. syralakning, flotation och flockning/sedimentation då måste tillgripas. Även högt organiskt innehåll utgör en begränsande faktor. Den organiska halten i det behandlade jordmaterialet bör underskrida 20 % (5).

Svenska erfarenheter tyder på att jordtvättning fungerar bäst under sommarhalvåret. Detta p.g.a. flertalet kommersiellt tillgängliga jordtvättanläggningar inte är inbyggda och isolerade för att klara vinterförhållanden. Generellt bedöms metoden vara mindre lämplig att tillämpa i kallt klimat eller vintertid i tempererade klimatzoner.

Vid t.ex. sanering av blyförorenad jord vid skjutbanor har reduktionsgraden avseende bly varierat mellan 50-75 %, och efterkontroller har vid flera tillfällen visat att blyhalterna i den behandlade kulfångssanden inte underskrider det tidigare tillämpade MKM-värdet på 300 mg/kg TS (6). Ett av de bäst dokumenterade behandlingsfallen avseende jordtvättning, även internationellt sett, är efterbehandlingen av CCA-förorenad jord vid Televerkets f.d. impregneringsplats, Hjältevad (Eksjö kommun). I den förorenade jorden låg arsenikmedelhalten på 146 mg/kg TS. I den färdigbehandlade jorden låg arsenikmedelhalten på 49 mg/kg TS. I genomsnitt över behandlingsperioden uppnåddes en arsenikreduktion av cirka 70 % (4).

Åtgärdsmål och åtgärdskrav vid jordtvättning ex situ bör avse det behandlade materialets föroreningsgrad och föroreningarnas lakbarhet efter genomförd behandling.

Drift och uppföljning

En jordtvättanläggning kräver regelbunden tillsyn under behandlingsarbetets gång. Ingående behandlingsutrustning måste underhållas och eventuella driftstörningar avhjälpas med kort varsel för att inte behandlingsprocessen ska störas.

  • Behandlingsresultatet vid jordtvättning kan i huvudsak kontrolleras på följande sätt:
  • Provtagning och analys av föroreningsinnehållet i inkommande jord.
  • Provtagning och analys av föroreningsinnehållet i avskilda fraktioner.
  • Provtagning och analys av föroreningsinnehållet i processvattnet både under behandlingens gång och före respektive efter rening i lokalt vattenreningsverk.
  • Provtagning och analys av föroreningsinnehållet i avvattnad föroreningsrest.

Miljö- och hälsorisker

Några av de ingående behandlingsstegen orsakar buller/vibrationer, vilket i bebyggda områden kan innebära att särskild hänsyn måste tas. Bullerisolerad utrustning kan t.ex. erfordras vid dygnet-runt-drift i närheten av bostäder. En jordtvättanläggning kan vid driftfel påverka omgivningsmiljön genom okontrollerat utsläpp av processvatten, eller genom spridning av förorenat stoft/damm. Om VOC förekommer i det förorenade materialet finns även risk för okontrollerad VOC avgång.

Lakförsök har visat att kulfångssand som genomgått jordtvättning i vissa fall uppvisar en högre lakningsbenägenhet än obehandlad kulfångssand. Det kan således finnas anledning att i samband med bänkskaleförsök undersöka det tvättade materialets lakningsegenskaper i relation till lakningsegenskaperna hos obehandlat material (7).

Additiv som tillsätts under behandlingsprocessen - t.ex. syror, baser och tensider - riskerar att bli kvar i det behandlade/renade materialet och begränsar därmed möjligheterna att återanvända/nyttiggöra det renade materialet (5).                    

Energi- och resursapekter

Vid jordtvättning svarar drift/utförande för merparten av energi- och resursförbrukningen. Resursförbrukningen ökar med antalet behandlingssteg. Kan jordtvättning utföras enbart genom en kombination av torr- och våtsiktning blir energi- och resursförbrukningen väsentligt mindre än då metoder som hydrocyklonering, flotation och flockning/sedimentation behöver tillämpas. Borttransport av föroreningskoncentratet till deponianläggning för farligt avfall kan medföra långväga transporter med hög drivmedelsförbrukning som följd.

Kostnadsaspekter

Kostnaden för jordtvättbehandling beror dels av volymen material som behandlas och dels av vilka behandlingssteg/processer som ingår. Ju fler behandlingssteg som ingår desto högre behandlingskostnad per volymsenhet jord/sediment som behandlas. Ju mindre jordvolym som behandlas desto högre blir behandlingskostnaden per volymsenhet jord/sediment som behandlas.

För- och nackdelar

Fördelar

  • Kan hantera och behandla relativt stora jordvolymer.
  • Hög kommersiell tillgänglighet i Skandinavien och övriga Europa.
  • Kan enkelt kombineras med andra kommersiellt tillgängliga deponerings- och behandlingsmetoder.

Nackdelar

  • Har i ett flertal fallstudier inte visat sig kunna uppnå kriterier för känslig markanvändning, t.ex. avseende arsenik, bly och andra metallföroreningar.
  • Kan i vissa fall leda till ökad lakningsbenägenhet.
  • Metoden har begränsad användbarhet då massorna i huvudsak utgörs av ler- och siltfraktion.

Referenser

(1) US EPA, 2013: Superfund Remedy Report. Fourteenth edition. EPA 542-R-13-016.

(2) US EPA, 2003: Superfund Remedy Report. Superfund remedial actions 1982-2002: Source control treatment projects (FY 1982-2002).

(3) The Federal Remediation Technologies Roundtable (FRTR), 2014: Remediation Technologies Screening Matrix and Reference Guide, Version 4.0. www.frtr.gov/matrix2/section 4/4-19.html

(4) Englöv, P, 1998: Remediation of a large wood preservation site polluted with arse-nic, copper and chromium.VintermØde om grundvandsforurening, 10-11.marts 1998. Peter Englöv, Sweco Viak.

(5) Helldén, J., Juvonen, B., m.fl, 2006: Åtgärdslösningar-Erfarenheter och tillgängliga metoder. Naturvårdsverket rapport 5637.

(6) Qvarfort, U., Leffler, P., & Sjöström, J, 2008: Vitbok-Om bly i kulfång. FOI-CBRN, skydd och säkerhet, Umeå.

(7) Qvarfort U., Helldén J., (2000) ”Lakningsegenskaper hos tvättad och otvättad
kulfångssand.” Utredning för Försvarsmakten. Johan Helldén AB, 2000. Uppdrags-givare: Försvarshögkvarterets miljöavdelning: HKV GRO Miljö.