Air sparging - fördjupning

För en kortare beskrivning se - Översiktlig metodbeskrivning

Tillämpning

Air sparging är en in situ-behandlingsmetod som kan tillämpas för behandling av grundvatten som förorenats av drivmedel eller bränslen med hög andel VOC (flyktiga kolväten). Metoden tillämpas också för behandling av t.ex. lättflyktiga klorerade alifater (vinylklorid, trikloretan m.fl.) och andra kolväten med ångtryck överstigande 0,5 mmHg eller >65 Pa (vid +20 °C). Vanligtvis används metoden för massreduktion i källzon.
Exempel på verksamheter där Air Sparging tillämpats för behandling av VOC-förorenat grundvatten är bensinstationer och andra drivmedelsanläggningar, flygplatser, kemtvättar och verkstadsindustri.

Status och historik

Air sparging har i USA och Kanada tillämpats som efterbehandlingsmetod sedan slutet av 1980-talet. Metoden är etablerad och har i Europa kommit att tillämpas i bland annat Storbritannien, Tyskland, Nederländerna och Danmark, främst vid behandling av grundvatten som förorenats av drivmedel/bränslen med hög andel VOC. Även i Sverige har ett flertal fullskalebehandlingar med air sparging genomförts, främst avseende petroleumförorenat grundvatten vid förorenade bensinstationer.

Metoden fick sitt kommersiella genomslag främst under början av 1990-talet som ett kostnadseffektivt åtgärdsalternativ till pumpning/behandling av petroleumförorenat grundvatten. Metoden har därefter bl.a. varit representerad i det statliga amerikanska efterbehandlingsprogrammet superfund, huvudsakligen för behandling av källzoner med petroleumförorenat grundvatten. Under perioden 2005-2011 tillämpades air sparging vid storleksordningen 12 % av de föroreningsobjekt inom superfundprogrammet för vilka någon form av grundvattenbehandling in situ beslutades (1). Metoden är även relativt vanligt förekommande i den privata efterbehandlingssektorn i USA och användes under 2007 vid 10 % av pågående efterbehandlingsprojekt avseende grundvattenföroreningar vid amerikanska kemtvättar anslutna till branschorganisationen State Coalition for Remediation of Drycleaners, SCRD (2).

Behandlingsprinciper

Air sparginginnebäratttryckluft (i vissa fall används ren kvävgaseller syrgas) från en kompressor eller blåsmaskin, injekterasigrundvattenzonen vanligtvis under föroreningsnivån. Vid Air sparging bidrar i huvudsak två olika processer till att föroreningsinnehållet i den mättade zonen reduceras (3)(4):

  • Förångning
  • Aerob biotisk nedbrytning

Förångning kan i sig indelas i två underprocesser. Direkt volatilisering och stripping. Direkt volatilisering innebär att föroreningar som är adsorberade till jordpartiklar avgår direkt i gasfas till den omättade zonen, utan att däremellan lösa sig i det omgivande grundvattnet. I förorenade områden med höga residualkoncentrationer av VOC, t.ex. efter koncentrerade spill av drivmedel och/eller organiska lösningsmedel, utgör direkt volatilisering från adsorberad fas till gasfas i allmänhet den dominerande transportprocessen. Direkt volatilisering förutsätter dock direktkontakt mellan inducerat luftflöde och VOC. En hög frekvens av luftkanaler är således en förutsättning för att direkt volatilisering ska ge upphov till signifikant reningseffekt i den mättade zonen.

Vid stripping avdrivs föroreningar som finns i vattenlöslig fas. För relativt lättflyktiga och samtidigt vattenlösliga kolväten, som t.ex. bensen och trikloreten, utgör stripping den dominerande transportprocessen. För att stripping ska fungera krävs en nära kontakt mellan injekterad luft och förorenat grundvatten. Stripping fungerar sämre när lufttransporten via den mättade zonen går alltför snabbt. Strippingprocessen gynnas av att antalet luftkanaler är relativt stort per volymsenhet förorenad jord (4).

Aerob biotisk nedbrytning uppkommer som en följd av att halten av löst syre i grundvattenzonen ökar vid air sparging baserad på injektering av luft eller syre. Detta leder i sin tur till en ökad biologisk aktivitet i grundvattenzonen. Aerob biotisk nedbrytning kan medverka till att enklare kolväten bryts ned fullständigt, med koldioxid och vatten som slutprodukter, och dessutom medföra att svårflyktiga organiska ämnen transformeras/bryts ned till enklare molekylformer med högre ångtryck och större benägenhet för direkt volatilisering och stripping.

Tekniskt utförande

Luft- eller gasinjektionen utförs via brunnar av stål eller plast, vilka antingen installeras i förborrade hål eller trycks ned i jordprofilen. Då grundvattenytenivån ligger nära markytan kan installation av horisontella extraktionsrör/dräner övervägas för att effektivisera insamlingen av VOC från den omättade zonen. Vanligtvis installeras samtidigt brunnar i den omättade zonen för porgasextraktion för omhändertagande av de kolväten som avdrivs från grundvattenzonen. Installationen av injektions- och extraktionsbrunnar kan med fördel samordnas så att dessa installeras i en och samma brunnskonstruktion. Injektionstrycket uppgår i allmänhet till 1,5 gånger det hydrostatiska trycket vid injektionsnivån. Vanligen tillämpas ett luft- eller gasflöde på mellan 0,03-0,5 m3/minut till respektive injektionsbrunn.

Injektions- och extraktionsbrunnar kan behöva installeras med relativt litet avstånd. Även i genomsläppliga och homogena jordar kan erfarenhetsmässigt en injektions- respektive extraktionsbrunn per 100 kvadratmeter behövas. Luft- eller gastillförsel till den mättade zonen kan ske såväl intermittent (=stötvis med avbrott) som kontinuerligt. Intermittent lufttillförsel är att föredra eftersom kontinuerlig lufttillförsel ofta leder till att luften strömmar via permeabla zoner utan direktkontakt med föroreningsplymen (3).

 skiss airsparg1

Figur 1: Principfigur. Air Sparging med tillhörande system för Porgasextraktion. Illustration av Peter Harms-Ringdahl

I en anläggning för air sparging utgörs huvudkomponenterna av:

  • Kompressor/fläkt för lufttillförsel med tillhörande tryck- och flödesmätare vid varje injektionsbrunn.
  • Injektionsbrunnar med tryck- och flödesmätare och tillhörande rörsystem för anslutning till kompressor.
  • Styr- och reglerutrustning för lufttryck och luftflöde.

Utöver ovanstående utrustning tillkommer vanligtvis också utrustning för porgasextraktion med extraktionsbrunnar och tillhörande gasreningsutrustning samt utrustning för kontinuerlig provtagning och analys av extraherad porluft.

Vanliga metodkombinationer

Air sparging kombineras vanligtvis med porgasextraktion i den omättade zonen ovanför grundvattenytenivån för omhändertagande av avdrivna VOC från grundvattenzonen. Biosparging är ett annat vanligt komplement till air sparging, antingen för att ytterligare reducera föroreningshalterna genom att stimulera en naturligt pågående biologisk nedbrytningsprocess, eller som komplement för att behandla en större föroreningsplym.

Projekteringsaspekter

Föroreningens utbredning i yt- och djupled måste vara noggrant kartlagd innan ett behandlingssystem för air sparging projekteras. Luft/gas för avdrivning av VOC måste alltid injekteras under föroreningsnivån, varför föroreningens utbredning i djupled utgör en kritisk faktor. Övriga underlag som behövs för projektering/design av in situ-behandling baserad på air sparging är uppgifter om:

  • Föroreningens koncentration och sammansättning
  • Föroreningens ångtryck och Henrys konstant
  •  Föroreningens löslighet och log Kow värde
  • Föroreningens densitet
  • Förekomst av fri produktfas
  • Nivå på grundvattenyta och grundvattennivåns variation över tid
  • Jordlagerföljd, med fokus på hög- respektive lågpermeabla zoner
  • Jordmatrisens hydrauliska konduktivitet och gaspermeabilitet

För att projektera ett fullskalesystem för air sparging rekommenderas i allmänhet att ett inledande pilotskaleförsök genomförs med syfte att klarlägga följande parametrar:

  • Förväntad influensradie kring installerade injektionsbrunnar
  • Fastställande av optimalt injektionsdjup
  • Dimensionerande flöde och tryck vid lufttillförsel
  • Utprovning av lämpliga intervall vid tillämpning av intermittent lufttillförsel
  • Grundvattenytenivåns höjning lokalt kring injektionspunkterna
  • Vid större efterbehandlingsprojekt baserade på air sparging är det lämpligt att inför eller som en del i projekteringsarbetet låta utföra en databaserad grundvattenmodellering med syfte att utvärdera metodens inverkan på grundvattenflöde och spridningsförhållanden. En rad olika mjukvaror för grundvattenmodellering föreligger, med eller utan möjlighet att utöver grundvattnets strömningsbild även upprätta en prognos över spridnings- och föroreningssituationen i det behandlade grundvattenområdet. Exempel på vanligt förekommande grundvattenmodelleringsprogram är GMS (Groundwater Modeling System) och MODFLOW.

Pilotskaleförsöket utförs i allmänhet med hjälp av en installerad injektionsbrunn och ett antal observationsrör med tryckgivare, installerade på olika avstånd kring injektionsbrunnen. Genom att mäta förändringen av grundvattennivån vid applicering av olika injektionstryck kan injektionsbrunnens influensradie fastställas (4).

Behandlingsförutsättningar

Vid air sparging bör de behandlade föroreningarna ha ett ångtryck överstigande 0,5 mmHg eller >65 Pa (vid +20 oC) och en Henrys konstant överstigande 1x10-5 m3n/mol (5). För att Porgasextraktion ska fungera effektivt erfordras ett något högre ångtryck (>1 mmHg eller >133 Pa) och en Henrys konstant kring 1x10-3 m3n/mol (5). Eftersom porgasextraktion i regel används som komplementmetod till air sparging måste även ovanstående kriterier för porgasextraktion vara uppfyllda. En begränsande faktor vid både air sparging och porgasextraktion är jordmatrisens hydrauliska konduktivitet och gaspermeabilitet. Varken porgasextraktion, direkt volatilisering eller stripping fungerar tillfredsställande vid en hydraulisk konduktivitet understigande 1x10-5m/s (4) (5). Det innebär att t.ex. grovmo/ finsand, liksom flertalet moränjordar, utgör ”gränsfall” ur behandlingssynpunkt. Vidare bör relativt homogena akviferförhållanden råda. T.ex. försvåras behandlingen avsevärt vid varviga lagerföljder med växelvis förekomst av finkorniga och grovkorniga jordlager (3). Föroreningen får inte heller vara lokaliserad alltför djupt eller ytligt eftersom luftinjektion på djup överstigande 20 meter, alternativt understigande 2,5 meter, under grundvattennivån inte ger erforderlig effekt (4).
Eftersom metoden till stor del är baserad på avdrivning av flyktiga kolväten med efterföljande porgasextraktion finns ett visst temperaturberoende. Vid tillämpning i kallt klimat eller vintertid i temperade klimatzoner kan ett behov av att tillföra förvärmd luft, både till grundvattenzonen och till den omättade zonen, finnas.
Åtgärdsmål/åtgärdskrav vid air sparging bör i första hand avse reduktion av mängden föroreningar i den behandlade delen av grundvattenzonen, och därigenom minskade halter. Åtgärdsmål kan även omfatta sänkta halter i VOC i porgas och byggnader. Eftersom injektering av luft i flera fall leder till biologisk nedbrytning i form av aerob respiration bör uppsatta åtgärdsmål, utöver de primära föroreningarna, även omfatta förekomsten av eventuella nedbrytningsprodukter/metaboliter.

Drift och uppföljning

Grundvattenprover måste kontinuerligt tas under behandlingsperioden för att klarlägga behandlingseffekten. Grundvattenproverna tas i separata grundvattenrör. Om grundvattenrören är placerade inom influensradien för luftinjektering bör provtagning inte ske under pågående inblåsning, utan tas då luftinblåsningen varit avstängd under en period av något eller några dygn. Vid kombination med porgasextraktion bör även informationen rörande drift och uppföljning av denna metod läsas.

Efter avslutad behandling bör grundvattenprovtagning fortgå under en relativt lång tidsperiod (minst ett år) för att med någorlunda säkerhet utesluta eventuella återkontamineringseffekter. Förekom förhöjda halter i jord kan även uppföljande provtagning av jord behöva genomföras.

Miljö- och hälsoaspekter

Ett alltför högt injektionstryck kan leda till hydraulisk uppspräckning och ett okontrollerat utflöde av föroreningar i grundvattenzonen. Risken för detta ökar med tätare jordar och det är därför viktigt att luftflödet ökas sakta och är anpassat efter lokala förhållanden. Grundvattenpåverkan är i huvudsak av lokal natur och kan i regel åtgärdas med hjälp av konventionell pumpning och behandling. Metoden kan orsaka okontrollerad VOC-avgång, med negativ påverkan på inomhus- och omgivningsluft som följd. Enstaka olyckshändelser/incidenter med brand/explosion till följd av ansamling av enkla alkaner i rörledningar och cisternutrymmen tillhörande den kompletterande utrustningen för porgasextraktion finns rapporterade från bl.a. USA (4). För att minska denna risk skall därför plaströr förses med en jordlina så att inte statisk elektricitet uppstår.

Energi- och resursaspekter

Injektion av luft till grundvattenzonen via t.ex. en kompressor- eller fläktanläggning svarar för merparten av energi- och resursförbrukningen i ett behandlingssystem för air sparging. Eftersom air sparging i allmänhet behöver kombineras med porgasextraktion kommer en betydande del av energiförbrukningen att ske i samband med extraktion och rening av VOC från den omättade zonen (se länk porgasextraktion). Tillsammans bedöms injektion av trycklyft/syre till grundvattenzonen, och extraktion/rening av avdrivna VOC/semi-VOC från omättad zon svara för mer än 90 % av energiförbrukningen i en kombinerad behandlingsanläggning för air sparging och porgasextraktion (7).

Kostnadsaspekter

Kostnaderna för air sparging varierar inom ett relativt brett intervall beroende av bl.a. föroreningsdjup, jordlagerföljd, grundvattenytenivå, hydraulisk konduktivitet och gaspermeabilitet i mättad respektive omättad zon. Grundvattenföroreningens fördelning mellan VOC och semi-VOC kan också inverka på behandlingskostnaden. I efterbehandlingsprojekt baserade på air sparging är kostnaden relativt jämnt fördelad mellan installations- eller etableringsfasen och den efterföljande driftfasen.

För- och nackdelar

Fördelar

  • Under optimala förhållanden vad avser grundvattenakviferens gaspermeabilitet och föroreningens ångtryck kan god massreduktion uppnås.
  • Metoden är i jämförelse med ”aggressiva” metoder som t.ex. kemisk oxidation in situ och termisk desorption förhållandevis kostnadseffektiv, givet att optimala behandlingsförutsättningar råder.
  • Ofta lämplig vid behandling av VOC-förorenat grundvatten.
  • Metoden har god kommersiell tillgänglighet.

Nackdelar

  • Metoden är endast effektiv i relativt permeabla grundvattenakviferer och under förutsättning av att föroreningen uteslutande utgörs av VOC.
  • Vid injektering av syre eller luft föreligger en risk för att pågående halorespiration eller anaerob respiration inhiberas. Detta bör beaktas vid tillämpning av metoden för behandling av grundvatten som förorenats av klorerade kolväten.

Referenser

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

(2) SCRD, 2007: Comparison of remedial systems employed at drycleaner sites. State Coalition for Remediation of Drycleaners. SCDR, Annual report 2007

(3) Reddy, K.R, Kosgi, S & Zhou, J (1995): ”A review of in situ air sparging for remediation of VOC-contaminated saturated soils and groundwater.” Hazardous waste & hazardous materials. Vol. 12, nr 2, 1995. Mary Ann Liebert, Inc.

(4) Suthersan, S., (1997): Remediation engineering. Design concepts. Lewish Publishers. ISBN 1-56670-137-6.

(5) Walsted, L & Christensen, A-G (2002): ”Air sparging och jordventilation med vand-rette boringer. Afslutningsrapport.” MiljØstyrelsen, Miljöprojekt nr.679.

(6) Helldén, J., m.fl. (2011): F.d. drivmedelsdepå Lugnvik Östersund. In situ-sanering av förorenat markområde-Slutdokumentation. NIRAS uppdragsnr.81-09/066. Upp-dragsgivare: Försvarsmakten/Miljöprövningsenheten.

(7) US EPA, 2010: Green remediation best management practices. Soil vapor extraction and air sparging. EPA 542-F-10-007, March 2010.