Inneslutning och barriärteknik - fördjupad metodbeskrivning

För en kortare beskrivning se - Översiktlig metodbeskrivning

Tillämpning

Med begreppet barrärteknik avses användning av fysiska barriärer (tätskikt, sponter eller slitsmurar/slurrybarriärer) för att helt eller delvis innesluta en jord- eller sedimentförorening, och därigenom hindra/reducera fortsatt föroreningsspridning, t.ex. via grundvatten, ytvatten och porgas. Metoden kan tillämpas såväl in situ som on site eller ex situ på uppgrävda massor. I det senare faller är metoden att jämställa med deponering av förorenade massor. I föreliggande metodbeskrivning ligger fokus på tillämpning av barriärteknik in situ.

Metoden är tillämpbar på i stort sett alla föroreningstyper, men vid tillämpningar på organiska föroreningar är det vanligt att metoden kombineras med andra behandlingsmetoder som syftar till att bryta ned föroreningen, t.ex. biologisk nedbrytning (se länk biologisk nedbrytning in situ), kemisk oxidation (se länk kemisk oxidation in situ) eller kemisk reduktion (se länk kemisk reduktion in situ). Metoden är vanligt förekommande vid föroreningsobjekt där det finns en risk för akut hälso- eller miljöpåverkan till följd av att en förorening sprids till dricksvattentäkter, känsliga ytvattenrecipienter eller till inomhusluft i bostäder.

Barriärer kan installeras i flertalet jordartstyper. Högt innehåll av sten, block och avfallsmaterial kan utgöra försvårande omständighet vid installation av främst vertikala barriärer. Vertikala barriärer används vanligtvis för att avskärma källzoner, men kan också användas för att avleda föroreningsplymer från specifika skyddsobjekt som t.ex. vattentäkter. Horisontella barriärer används i första hand för att minimera utlakning och spridning av föroreningar från omättad zon till mättad zon. Vid fullständig fysisk inneslutning kombineras horisontella och vertikala barriärer.
Internationellt benämns denna metod för subsurface engineered barriers, subsurface containment och encapsulation. På svenska förekommer även termerna inkapsling och in situ deponi.

Status och historik

Fysisk inneslutning med hjälp av främst vertikala barriärer är en etablerad och kommersiellt tillgänglig metod, som traditionellt används vid anläggningsarbeten för att hindra att grundvatten strömmar in i schakter under grundvattenytan och för att stabilisera schaktväggar. Sponter av trä eller stål har installerats i samband med anläggningsarbeten sedan flera decennier tillbaka. Sedan slutet av 1970-talet har barriärteknik också varit en vanligt förekommande metod för att innesluta avfall och motverka spridning av lakvatten till grund- eller ytvattenrecipienter, eller gasavgång till byggnader.

Barriärteknik vid efterbehandling av förorenade områden är generellt vanligare i Europa än i Nordamerika. Metoden har i relativt liten utsträckning varit representerad i det statliga amerikanska efterbehandlingsprogrammet superfund. Mellan 1982-2002 tillämpades barriärteknik endast vid något enstaka av sammanlagt 863 efterbehandlingsobjekt inom superfund (1). Under perioden 2005-2011 har inneslutning/barriärteknik överhuvudtaget inte tillämpats som efterbehandlingsmetod inom superfund, varken för jord- eller grundvattenföroreningar (2).

Behandlingsprinciper

Fysisk inneslutning med barriärteknik brukar beträffande föroreningar i jord/grundvatten ha ett eller flera av följande syften:

  • Att avlänka en grundvattenström så att den inte kommer i kontakt med det förorenade jordmaterialet och därigenom minska/hindra fortsatt utlakning och spridning av föroreningar.
  • Att avlänka en spridningsplym så att den inte kommer i kontakt med en dricksvattentäkt eller en känslig yt- eller grundvattenrecipient.
  • Att genom övertäckning hindra/motverka infiltration av nederbörd via en förorening lokaliserad till omättad zon, och därigenom minska/hindra fortsatt utlakning och spridning av föroreningar till grundvattenzonen.
  • Att genom övertäckning och/eller inneslutning minska föroreningens tillgänglighet/åtkomlighet för människor och ekosystem.

För att barriären effektivt ska kunna avlänka ett grundvattenflöde, eller signifikant reducera infiltrationen av nederbörd via ett förorenat området, får barriären uppvisa en hydraulisk konduktivitet av högst 5x10-9 m/s (3). Är omgivande jord mycket genomsläpplig kan eventuellt en något högre hydraulisk konduktivitet tillåtas hos vertikala barriärer, men för att att åtstadkomma en signifikant reduktion av mängden infiltrerande nederbörd via en förorening lokaliserad till omättad zon erfordras i regel ett barriärmaterial med en hydraulisk konduktivitet understigande 1x10-9 m/s (3).

skiss inneslutning

Figur 1: Principskiss av fysisk inneslutning med barriärteknik av ett förorenat område. Med hjälp av vertikala barriärer reduceras grundvattenflödet via den förorenade jordmatrisen. Den horisontella barriären syftar till minska infiltrationen av nederbörd och utlakningen av föroreningar från den omättade zonen. Illustration av Peter Harms-Ringdahl

Tekniskt utförande

En vertikal barriär kan byggas upp som en slurrybarriär av t.ex. bentonit eller cement eller som en tätspont av stål eller polymermaterial. Horisontella barriärer som syftar till att hindra infiltrationen av nederbörd eller ytvatten via ett förorenat område, kan bestå av naturmaterial (lera, moränlera, bentonit), anläggningsmaterial (cement, betong), restproduktmaterial (cefyll, flygaska, rötslam m.m.) eller av olika polymermaterial. Nedan ges några exempel på vanligt förekommande tekniska utföranden av vertikala respektive horisontella barriärer.

Slurrybarriärer

En slurrybarriär, även benämnd slitsmur, är en vertikal tätskärm som helt eller delvis omsluter det förorenade området. Slurryn kan bestå av en blandning av lera, kalk, cement och/eller bentonit, som efter applicering stelnar och bildar en vatten- och/eller gasbarriär. Slurryn kan också bestå av restproduktmaterial med tätande egenskaper som t.ex. cementblandad flygaska (cefyll) eller av flygaskestabiliserat rötslam (FSA). Inför användning av restproduktmaterial i slurrybarriärer är det viktigt att med hjälp av laktester verifiera att utlakningen av föroreningsämnen från slurrybarriären i sig kommer att vara så pass liten att den utan restriktioner kan användas för att innesluta eller avskärma den aktuella föroreningen. Slurryn kan antingen injekteras i en schakt efter föregående urgrävning, eller direktinjekteras i jorden med hjälp av borraggregat (jetinjektering). Slurrybarriären bör, för att effektivt avlänka ett grundvattenflöde, uppvisa en hydraulisk konduktivitet understigande 5x10-9 m/s. Med hjälp av jetinjektering kan slurrybarriären anslutas mot ett tätande underlag i form av ett lerlager eller sprickfattig berggrund (4). Vid jetinjektering kan slurrbybarriären installeras till djup överstigande 50 meter. Vid installation i förgrävda schakter är installationsdjupet i allmänhet mindre än 10 meter.

skiss slurry

Figur 2: Slurrybarriär i genomskärning.

Tätspont

Tätspont består av en serie paneler som låses till varandra med spontlås. Den drivs ned i jordlagren med tung borrutrustning i form av slag- eller vibrationshammare. För att öka tätheten injekteras ofta bentonitslurry längs skarvarna. Panelerna kan vara gjorda av ett antal olika material, men vanligtvis används stål eller högdensitetspolyeten (4). Sponten måste alltid förankras/drivas ned i ett tätt jordlager under den permeabla jorden. Om så inte sker kan grundvattnet ”passera under” spontkonstruktionen. Vanligen neddrivs sponten flera meter i lerlager under genomsläppliga sand- och gruslager.

inneslutning tatspont

Figur 3: Installation av tätspont av stål.

Tätskikt i jord

Horisontella barriärer eller tätskikt kan tillverkas av flera olika materialtyper. Syntetiska tät-skikt – vilka kommersiellt även benämns geomembran eller liners – är vanligen tillverkade av polyeten (PE), polyvinylklorid (PVC), flexibel polypropen (FPP) eller etylbutylgummi (EPDM). Tätskikten levereras i rullar eller sjok vilka sammanfogas på platsen med hjälp av smältsvetsning, vulkning eller limning. Syntetiska geomembran är i allmänhet tunna (0,5-5 mm) och behöver täckas med skyddsgeotextil innan skyddstäckning av jordmaterial på-förs. Vassa stenar och avfallsfragment kan punktera ett geomembran av gummi eller poly-mermaterial om inte en skyddsgeotextil föreligger. Syntetiska geomembran uppvisar i all-mänhet hög resistens mot kemisk och fysikalisk påverkan, men långtidsbeständigheten hos syntetiska tätskiktsmaterial är omdiskuterad.

Ett alternativ till syntetiska geomembran är lergeomembran som t.ex. bentonitmatta. Ler-geomembran bedöms generellt vara mer beständiga i det långa tidsperspektivet än synte-tiska geomembran. De anses också uppvisa högre tolerans mot sättningsrörelser i under-grunden än flertalet geosynteter. Bentonitmattan består av bentonitlera i pulverform omgi-ven av materialseparerande geotextil. Bentonitmattor har en något högre tjocklek än synte-tiska geomembran, men uppvisar samtidigt en högre hydraulisk konduktivitet. Medan tät-dukar av gummi- och polymermaterial uppnår en hydraulisk konduktivitet understigande 1x10-13 m/s, uppgår den hydrauliska konduktiviteten hos kommersiellt tillgängliga lergeo-membran till storleksordningen 5x10-11 m/s (5).

För att minimera påverkan av det hydrostatiska tryck som kan uppstå över ett millimeter-tunt geomembran då det täcks över med ett skyddsskikt bestående av blandade jordmassor behöver i regel ett dräneringsskikt som avleder markvattnet anläggas ovanpå geomembra-net. Den tekniska utformningen av en horisontell barriär ovanför en jordförorening liknar i stor utsträckning uppbyggnaden av en sluttäckning ovanpå en deponi för farligt eller icke-farligt avfall.

Utöver geomembran av polymermaterial, gummi och bentonit kan även olika restpro-duktmaterial (cementstabiliserad flygaska, rötslam m.m.) och naturmaterial som lera, ben-tonitblandad sand och moränlera användas som barriärmaterial i en horisontell barriär.

Vanliga metodkombinationer

Inneslutning in situ med vertikala barriärer kombineras ofta med skyddspumpning. Inneslutning in situ kan även användas som en tillfällig skyddsåtgärd för att t.ex. minska spridningen av vattenlösliga och mobila föroreningar i samband med urgrävningsåtgärder, eller för att reducera inträngningen av grundvatten med avkylande effekter i samband med termisk desorption in situ (4).

Projekteringsaspekter

För att kunna projektera en inneslutningsåtgärd baserad på vertikala och horisontella barriä-rer krävs detaljerad kunskap om föroreningsförhållanden, jordlagerföljd/stratigrafi och hydrogeologiska förhållanden inom och i anslutning till det förorenade området. Det krävs även ingående kunskaper om barriärmaterialens tekniska egenskaper såsom kemisk be-ständighet, mekanisk beständighet och hydraulisk konduktivitet. Projektören behöver också ingående kunskaper om vilka installationsförfaranden som är möjliga att tillämpa. Exempel på dataunderlag som behöver tas fram för att en inneslutningsåtgärd baserad på barriärteknik ska kunna projekteras är:

  • Vertikal och horisontell utbredning av föroreningen inom området som
  • skall inneslutas, inklusive utbredningen av fri fas.
  • Karakterisering av geologin i området som ska inneslutas, bl.a.med avseende på möjliga spridningsvägar, och förekomsten av lågpermeabla lager som kan användas för förankring av vertikal barriär.
  • Geoteknisk information för att bestämma stabilitetsförhållanden, sättningsbenägenhet, schaktbarhet och förutsättningarna för neddrivning av spontkonstruktioner.
  • Uppgifter om geokemiska förhållanden, för att fastställa lämpligt barriärmaterial med avseende på kemisk resistens och långtidsbeständighet
  • Klimatdata för att kunna bedöma största tjäldjup, översvämningsrisker, förutsätt-ningarna för växtetablering, risk för rotpenetration m.m.
  • Hydrogeologisk information för bestämning av barriärens inverkan på
  • grundvattnets flödesbild, samt som underlag för att beräkna lakvattenbildningen inom det förorenade området.

Behandlingsförutsättningar

Metoden innesluter eller avskärmar endast föroreningar inom ett begränsat område, t.ex. en källzon i omättad zon eller i den övre delen av grundvattenzonen. Då det är relativt kostsamt att installera både vertikala och horisontella barriärer bör inte utbredningen av det förorenade området vara alltför stort. Det förutsätts också att det är möjligt att lämna föroreningen på platsen utan vidare efterbehandlingsåtgärder om inneslutningen med barriärteknik används som enda behandlingsmetod. För att en vertikal barriär i form av en tätspont eller en slitsmur ska fungera effektivt måste den förankras i ett underliggande tätt jordlager eller i sprickfattig berggrund. Saknas dylika geologiska förutsättningar är risken stor att grundvattenflödet eller föroreningsplymen passerar under den vertikala barriären. Åtgärdskrav och åtgärdsmål vid efterbehandlingsåtgärder baserade på fysisk inneslutning bör i första hand vara relaterade till att minska spridningen av föroreningar från den inneslutna jordföroreningen. Mätbara åtgärdsmål kan t.ex. avse högsta tillåtna haltnivåer i grund- och/eller ytvatten nedströms det förorenade området. Då metoden inte reducerar föroreningsmängden bör inte heller åtgärdsmålen vara kopplade till mängdreduktion.

Drift och uppföljning

Fysisk inneslutning/barriärteknik kan i allmännhet utföras med relativt små insatser vad avser drift, underhåll och uppföljning. Nedan ges exempel på drift- och uppföljningsåtgärder som kan komma ifråga vid ett efterbehandlingsprojekt baserat på fysisk inneslutning (4)(5):

  • Barriärkonstruktioner är vanligtvis underhållsfria, men de kan behöva repareras eller ersättas om den tätande funktionen försämras över tiden.
  • Periodisk övervakning av grundvattennivåer och föroreningskoncentrationer för kontroll av barriärens funktion.
  • Sättningskontroll av tätskikt inklusive ovanliggande skyddstäckning (risk för skador på horisontella tätskikt föreligger vid differenssättningar överstigande 5-10 %).
  • Uppsamling och mätning av lakvattenbildning i lysimetrar installerade på strategiska punkter under tätskiktet.

Miljö- och hälsoaspekter

Inneslutning med barriärteknik förknippas inte med några större hälso- eller arbetsmiljörisker, utöver de som generellt föreligger vid exponering för jord- och grundvattenföroreningar. Ingen massreduktion uppnås, vilket kan innebära osäkerhet om vilka senare krav som kan ställas på ytterligare åtgärder. Det finns risk för spridning av förorening till angränsande grundvatten om barriären inte är tillräckligt tät. Beständigheten på lång sikt kan vara osäker. Val av material i barrären måste utredas noggrant innan konstruktionen påbörjas.

Energi- och resursaspekter

Inneslutning med barriärteknik betraktas i jämförelse med flertalet andra tillgängliga efterbehandlingsmetoder som en metod med låg energi- och resursförbrukning, särskilt med avseende på driftsfasen. Etableringskostnaden kan emellertid vara hög eftersom installation av både vertikala och horisontella barriärer kräver tillgång till tunga entreprenad- och anläggningsmaskiner.

Kostnadsaspekter

Kostnaderna för en efterbehandlingsåtgärd baserad på fysisk inneslutning varierar beroende av främst jorddjup/installationsdjup, föroreningens utbredning och val av barriärmaterial. Kostnaderna är också starkt beroende av platsspecifika faktorer som t.ex. förekomst av bebyggelse och markförlagd infrastruktur. Medan installationskostnaderna kan vara relativt höga är i regel drift- och underhållskostnaderna låga. Omfattande kontroll- och övervakningsprogram kan emellertid erfordras under flera år efter installationstillfället, vilket på sikt kan bli mycket kostsamt.

För- och nackdelar

Fördelar

  • Tekniken är väl beprövad och kommersiellt tillgänglig.
  • Metoden kan genomföras på relativt kort tid och ger snabb effekt (t.ex. minskad spridning).
  • Urgrävning undviks vid anläggning av horisontella tätskikt, liksom vid anläggning av vertikala barriärer genom spontning eller jetinjektering, vilket minskar behovet av hantering och omhändertagande av förorenade massor.

Nackdelar

  • Ingen massreduktion uppnås, vilket kan innebära osäkerhet om vilka senare krav som kan ställas på ytterligare åtgärder
  • Beständigheten hos en rad barriärmaterial är osäker i ett längre tidsperspektiv. Slurrybarriärer av jord/bentonit motstår inte starka syror och baser. Långtidsbeständigheten hos geosynteter som t.ex. HDPE och polypropylen är omdiskuterad. Även beträffande tätskikt av butylgummi föreligger viss osäkerhet beträffande barriärmaterialets prestanda i ett tidsperspektiv överstigande 100 år.
  • Vissa syntetiska barriärmaterial, som t.ex. HDPE och polypropylen, är spröda och kan relativt enkelt punkteras eller på annat sätt skadas i samband med anläggningsarbetet.
  • Restriktioner i framtida markanvändning kan erfordras för att inte inneslutningen ska komma till skada vid framtida markingrepp (grävning, borrning m.m.)

Referenser

(1) United states Environmental Protection Agency (USEPA), 2004. Treatment Technolo-gies 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) Helldén, J. m.fl. 2006. Åtgärdslösningar - erfarenheter och tillgängliga metoder. Natur-vårdsverket rapport 5637.

(4) Englöv, P m.fl., 2007: Klorerade lösningsmedel-Identifiering och val av efterbehand-lingsmetod. Naturvårdsverket rapport 5663.

(5) Carlsson, B & Nilsson, G, 1999: Tätskikt i mark. Vägledning för beställare, projektörer och entreprenörer. SGF-rapport 1:99.