Termisk behandling ex situ - fördjupning

För en kortare beskrivning se - Översiktlig metodbeskrivning

Tillämpning

Termisk behandling ex situ är en etablerad efterbehandlingsmetod som vanligen tillämpas on site eller i stationära behandlingsanläggningar på uppgrävda förorenade jord- och sedimentmassor, vanligen från källzoner i omättad zon. Föroreningar som bedöms kunna behandlas framgångsrikt och för vilka dokumenterat goda resultat föreligger är bl a halogenerade och icke-halogenerade VOC och semi-VOC, PCB, pesticider, PAH och flyktiga metaller (främst arsenik och kvicksilver). Metoden kan i stort sett tillämpas på samtliga jordartstyper, men vissa anläggningsmodeller uppger begränsningar vad avser innehållet av silt, lera och organogent jordmaterial. Heterogena jordar med hög andel sten och block erfordrar förbehandling i form av grovsiktning innan materialet behandlas. Även lera/silt och organogent jordmaterial kan i vissa tillämpningar fall behöva avskiljas eller på annat sätt förbehandlas (torkning, uppspräckning m.m.).

Metoden benämns även termisk desorption eller termisk avdrivning. Internationellt går metoden under benämningen thermal desorption.

Status och historik

I det statliga amerikanska efterbehandlingsprogrammet superfund har användningen av termisk behandling ex situ minskat över tiden. Under perioden 1982–2002 tillämpades termisk behandling ex situ vid 8% av samtliga efterbehandlingsobjekt inom Superfund, vilket motsvarar totalt 69 objekt (1). Under perioden 2005–2011 var andelen nere vid 1%, vilket motsvarar två efterbehandlingsobjekt (2). Under perioden 2009-2011 pågick termisk behandling on site av förorenade sediment vid ett av sammanlagt 18 objekt där någon form av aktiv sedimentbehandling utfördes inom ramen för Superfund (2). Reach it är USEPA:s (det amerikanska Naturvårdsverkets) databas över tillgängliga åtgärdsteknologier för förorenade områden i USA. Av sammanlagt 500 registrerade behandlingsmetoder i databasen Rech it, utgörs 25 åtgärdsteknologier av olika termiska desorptionsmetoder (3).

I Europa är metoden relativt vanligt förekommande, främst i Tyskland och Nederländerna, där ett flertal fasta jordbehandlingsanläggningar baserade på termisk desorption finns etablerade. I Sverige har termisk behandling ex situ tillämpats i ett flertal efterbehandlingsprojekt, bl.a. för att rena cirka 18 000 kubikmeter dioxin- och kvicksilverförorenad jord från Eka Chemicals industrianläggning i Bohus Eka i början av 2000-talet (4). Metoden tillämpades också mellan 2008-2009 för behandling av 79 000 ton pesticidförorenad jord från BT Kemis industriområde i Teckomatorp. Termisk desorption ingick också som en av flera efterbehandl.ingsmetoder för PAH-förorenade massor i Naturvårdsverkets demonstrationsprojekt ”kvarteret Lyftkranen” i Stockholm 1997-1999 (5).

Behandlingsprinciper

Metoden bygger på att föroreningen desorberas/avdrivs från jord- eller avfallsmassorna genom förångning till följd av uppvärmning. Termisk avdrivning/desorption sker vid lägre temperatur än förbränning och medför således inte att ingående organiska föroreningar destrueras. Metoden är en s.k. koncentrationsmetod där avdrivna gasformiga organiska föroreningar - i vissa tillämpningar även metaller/metallorganiska föreningar - antingen förbränns i efterbrännkammare, omhändertas i filter eller kondenseras genom avkylning för efterföljande omhändertagande i vätskefas. 

Tekniskt utförande

Vid termisk behandling ex situ matas de förorenade massorna in i en cylinderformad ugn. Uppvärmningen kan ske direkt eller indirekt. Direkt uppvärmning innebär att en varm gas leds genom det förorenade materialet. Vid behandling av organiska ämnen med låga kokpunkter kan vattenånga användas. Vid behandling av ämnen med högre kokpunkter än vatten kan joniserad gas utnyttjas för värmeöverföring, alternativt kan värmeelektroder kopplade till ett växelströmsverk placeras i de förorenade massorna. Direkt uppvärmning är emellertid förknippad med relativt höga behandlingskostnader. Flertalet kommersiellt tillgängliga behandlingsanläggningar är därför baserade på indirekt uppvärmning. Vid indirekt uppvärmning kan värmetillförseln ske genom att en skruv- eller augerborr med uppvärmd gas eller vätska penetrerar det förorenade materialet. Värmetillförseln kan också ske genom att de förorenade massorna under rotation bringas i kontakt med elektriskt uppvärmda metallplattor eller metallrör med cirkulerande uppvärmd gas/vätska.

Vid uppvärmningen av materialet förångas de organiska föroreningar som har lägre kokpunkter än den temperatur som de förorenade massorna värms upp till. Även metaller som arsenik och kvicksilver och metallorganiska föreningar kan förångas genom termisk behandling. Flertalet kommersiellt tillgängliga anläggningar arbetar inom temperaturintervallet 100–800ºC. Inom detta temperaturintervall förångas flertalet organiska föreningar, men också vissa lättmetaller och en lång rad oorganiska föroreningingar. Avdrivna gasformiga kolväten kan efter avdrivning destrueras i en efterbrännkammare, installerad i direkt anslutning till desorptionsugnen. Flertalet kolväten destrueras vid en förbränningstemperatur överstigande 900ºC. För att destruera högklorerade dioxiner erfordras i allmänhet en förbränningstemperatur överstigande 1100ºC. Destruktion i efterbrännkammare medför förhållandevis höga energikostnader, dock väsentligt lägre än i de fall de förorenade massorna behandlas genom förbränning i en konventionell förbränningsanläggning. Flertalet termiska behandlingsanläggningar är dessutom försedda med värmeåterföringssystem vilket innebär att överskottsvärmen från förbränningsprocessen i allmänhet återförs till behandlingsugnen/cylindern, vilket i sin tur minskar den totala energiförbrukningen.

Alternativ till efterbrännkammare är kol- eller zeolitfilter för fastläggning av gasformiga kolväten, eller kondensering genom avkylning varvid de avdrivna kolvätena omhändertas som ett föroreningskoncentrat i vätskefas. Vid termisk behandling av metallförorenad jord omhändertas de avdrivna metallerna och/eller metallorganiska föreningarna i filter av aktivt kol och/eller zeolit.

skiss termisk ex situ

Figur 1: Principskiss över hur termisk behandling ex situ fungerar. Grovt material som block och eventuella avfallsrester avskiljs. Förorenade massor värms upp till tillräcklig temperatur för att ingående föroreningar ska förångas. Avdrivna gasformiga kolväten tas omhand i filter eller efterbrännkammare, medan de renade massorna kan återanvändas som fyllnadsmaterial och/eller deponeras. Illustration av Peter Harms-Ringdahl

Vanliga metodkombinationer

Termisk behandling ex situ förutsätter att de förorenade massorna inledningsvis grävs upp genom urgrävning/schaktsanering och därefter transporteras till den termiska behandlingsanläggningen. Metoden som sådan behöver dock i regel inte kombineras med andra efterbehandlingsmetoder. I termiska behandlingsanläggningar som inte är utrustade med efterbrännkammare - liksom när syftet med behandlingen är att avdriva/desorbera metaller och/eller metallorganiska föreningar - erfordras emellertid omhändertagande av koncentrerade föroreningsrester i filter och/eller kondensat.

Projekteringsaspekter

I regel erfordras inte bänk- eller pilotskaleförsök för att klarlägga behandlingsmetodens effektivitet. För att kunna ställa in optimal behandlingstemperatur i såväl desorptionsugnen som eventuell tillhörande efterbrännkammare och för att kunna bedöma behovet av förbehandling erfordras emellertid detaljerad kännedom om:

  • Massornas kornstorleksfördelning med särskilt fokus på ler- och siltinnehåll samt innehåll av grövre partiklar såsom stenar, block och avfallsfragment.
  • Massornas pH-värde, vattenkvot och innehåll av organiskt material.
  • Massornas kalorimetriska respektive effektiva värmevärde.
  • Föroreningens kemiska sammansättning med särskilt fokus på innehåll av svavel, klorider eller klorerade kolväten samt flyktiga metallelement.

Behandlingsförutsättningar

Metoden förutsätter att ingående föroreningar förångas inom anläggningens temperaturintervall, vanligen 100-800°C. Vissa anläggningstyper uppger begränsningar avseende möjligheten att behandla jordar med hög organisk halt och/eller högt innehålla av ler- och siltfraktion. Hög vattenhalt påverkar i regel inte behandlingsresultatet men innebär ökad energiåtgång eftersom massorna inledningsvis kan behöva torkas. Heterogena jordar med högt innehåll av sten, block och avfallsfragment kan kräva förbehandling genom mekanisk separation. Vid termisk desorption av klorerade föreningar kan speciell utrustning som är anpassad till sura förhållanden erfordras för den efterföljande gasreningen. Vid behandling av massor med innehåll av klorider eller klororganiska föreningar är det viktigt att massornas innehåll av dioxiner/furaner undersöks efter avslutad behandling. Åtgärdsmål och åtgärdskrav vid termisk behandling ex situ bör avse reduktion av föroreningsmängden och även lakbarhet för de behandlade massorna efter avslutad behandling.. Är ”skydd av markmiljö” en del av åtgärdsmålet så bör det beaktas att jorden kommer att vara helt steril efter behandling och att det därför är viktigt att återfylla med ett material som gynnar markmiljön som åtgärden avser att skydda.

Drift och uppföljning

Behandlingsresultatet kontrolleras genom provtagning/analys före respektive efter genomförd behandling. I det fall klorerade kolväten eller kloridhaltiga kolväteförorenade jordar behandlas provtas utgående rökgaser, och eventuellt också de behandlade masorna, även med avseende på dioxiner/furaner. Detta för att säkerställa att de dioxiner/furaner som eventuellt uppkommit i samband med uppvärmningsprocessen har destruerats i anläggningens efterbrännkammare.

Miljö- och hälsorisker

Vid behandling av jordar/material som förorenats av klorerade kolväten, eller som innehåller klorider i kombination med organiskt material, föreligger risk för uppkomst av dioxiner/ furaner. Dioxiner/furaner bildas vid en temperatur överstigande 300ºC. Dioxinbildningen kulminerar i allmänhet inom temperaturintervallet 550–650ºC. Enklare dioxiner/furaner kan destrueras redan vid en förbränningstemperatur av 900ºC, medan destruktion av hög-klorerade dioxiner/furaner erfordrar en förbränningstemperatur överstigande 1100ºC (6). Innan beslut om termisk behandling fattas bör alltid en riskbedömning göras avseende uppkomsten av högklorerade dioxiner/furaner.

Rökgaser från efterbrännkammare kan i allmänhet inte omgående släppas ut till atmosfären utan måste dessförinnan ledas via en värmeväxlare till en rökgaskylare och vidare via ett kombinerat stoft- och reaktorfilter till en våtskrubber innan det via en skorsten släpps ut till atmosfären (7).

Energi- och resursaspekter

Eftersom metoden kräver schaktning, masstransport och därutöver uppvärmning - med eller utan förbränning - är metoden sammantaget förknippad med hög energiåtgång. Detta gäller särskilt i de fall efterbrännkammare för destruktion av gasformiga kolväten tillämpas. Flertalet termiska behandlingsanläggningar är emellertid försedda med värmeåterföringssystem vilket innebär att överskottsvärmen från förbränningsprocessen i allmänhet leds tillbaka till behandlingsugnen/cylindern, vilket i sin tur minskar den totala energiförbrukningen.

Kostnadsaspekter

Kostnaden för termisk behandling ex situ varierar inom ett relativt brett intervall, bl.a. beroende av behovet av avancerad gas- och rökgasrening. Vid termisk avdrivning med tillhörande destruktion i efterbrännkammare blir kostnaden väsentligt högre än i de fall metoden kan tillämpas utan efterföljande förbränning. Behovet av förbehandling spelar också roll för totalkostnaden. Behöver förbehandling i form av t.ex. mekanisk separation, torr- och våtsiktning, homogenisering och eventuell torkning tillämpas blir den sammanlagda behandlingskostnaden högre än i de fall massorna kan ”matas in” direkt i anläggningen utan någon förbehandling.

För- och nackdelar

Fördelar

  • Hög reduktionsgrad för flertalet organiska föroreningsämnen och även tillämpbar för flyktiga och semi-flyktiga metaller/metallföreningar.
  • Destruktion av persistenta föroreningarna leder till att dessa ämnen försvinner ut kretsloppet .
  • Hög kontrollerbarhet vad avser behandlingsresultatet.
  • Även komplexa föroreningar kan behandlas.

Nackdelar

  • Endast föroreningar som är möjliga att extrahera genom urgrävning/schaktning eller storformatsborrning är möjliga att behandla.
  • Tillgång till godkänd anläggning för termisk behandling krävs. Långa transportavstånd kan vara en nackdel.
  • Behandling on site är i regel bara ekonomiskt försvarbar vid stora volymer förorenad jord.

Referenser

(1) United States Environmental Protection Agency (USEPA), 2004. Treatment Technologies for Site Cleanup: Annual Status Report (Eleventh Edition). EPA-542-R-03-009. February 2004.

(2) United States Environmental Protection Agency (USEPA), 2013. Superfund Remedy Report Fourteenth Edition. EPA 542-R-13-016. November 2013.

(3) United States Environmental Protection Agency (USEPA), 2005: Cleanup Information Bulletin Board System/Clu-in: http://www.clu-in.org

(4) Andersson, Göran (2003): Muntlig information angående efterbehandlingsprojektet Bohus Eka. Miljöchef Göran Andersson, Eka Chemicals.

(5) Naturvårdsverket, 1999: Lyftkranen-teknikdemonstration för efterbehandling. Ett utvecklingsprojekt för sanering av förorenad jord och sediment. Rapport upprättad av bedömningsgruppen för projektet Lyftkranen. Miljöteknikdelegationen, Naturvårdsver-ket och Stockholms Stad. ISBN 91-620-5020-6.

(6) Helldén, J. m.fl. 2006 Åtgärdslösningar - erfarenheter och tillgängliga metoder. Naturvårdsverket rapport 5637. Hållbar Sanering.

(7) US Department of Defense, 2014: www.frtr.gov/ The Federal Remediation Technologies Roundtable (FRTR, 2014).