Fytosanering - fördjupning

För en kortare beskrivning se - Översiktlig metodbeskrivning

Tillämpning

Fytosanering innebär att växter används för att sanera förorenade mark- och vattenområden. Metoden kan användas både för organiska och oorganiska föroreningsämnen. Exempel på föroreningsobjekt som behandlats med fytosanering i full skala är nedlagda impregneringsplatser, ytbehandlingsindustri, skjutfältsområden och petroleumindustri.

I huvudsak används två olika behandlingsmekanismer: fytostabilisering och fytoextraktion. Fytostabilisering utförs nästan uteslutande på oorganiska föroreningsämnen, främst metaller, och innebär att föroreningsämnena ”binds” eller fixeras i jordprofilen så att fortsatt utlakning och föroreningsspridning upphör eller minimeras. Fytoextraktion tillämpas både på organiska och oorganiska ämnen och innebär att föroreningsämnena tas upp av växtens rotsystem för att därefter ackumuleras i växtens ovanjordsdelar. Genom att regelbundet skörda hela eller eller vissa delar av växterna kan de extraherade föroreningsämnena omhändertas. Beträffande organiska föroreningsämnen är även biologisk nedbrytning en viktig del av saneringsprocessen. Nedbrytning kan äga rum både i rotsystemet och i växtens ovanjordsdel.

Fytosanering kan uteslutande tillämpas där föroreningen föreligger relativt ytligt i jordprofilen eller då djupet till grundvattenytenivån är litet. Fytosanering benämns ibland fytoremediering eller fytoteknologi. På engelska benämns metoden phytoremediation eller phytotechnology.

Status och historik

Fytosanering har tillämpats sedan slutet av 1980-talet, men betraktas ibland fortfarande som en ”teknik under utveckling” (1). I det statliga amerikanska efterbehandlingsprogrammet superfund har fytosanering tillämpats i relativt liten utsträckning. Mellan 1982-2002 tillämpades metoden vid sammanlagt 2 efterbehandlingsobjekt, vilket motsvarar 0,2 % av de platser som under motsvarande tidsperiod efterbehandlades inom ramen för superfund (2). Under perioden 2005-2011 tillämpades metoden vid cirka 0,5 % av samtliga pågående efterbehandlingsprojekt inom superfund (3). Metoden används även i Skandinavien och övriga Europa, men i begränsad omfattning. Metoden har begränsad kommersiell tillgänglighet, både i Europa och i Nordamerika (4). Euprojektet greenland har arbetatat med att öka tillämpningen genom framtagande av beslutsstöd som blev klart 2015 och återfinns här.

Behandlingsprinciper

Vid fytosanering av organiska föroreningar i jord och grundvatten dominerar två olika behandlingsmekanismer:

  • Fytoextraktion eller direkt upptag
  • Biologisk nedbrytning

Flera studier pekar på att måttligt hydrofoba organiska ämnen tas upp snabbare av växternas rotsystem än ämnen med hög vattenlöslighet. Orsaken bedöms vara att mycket vattenlösliga ämnen endast i liten utsträckning adsorberas till växternas rotsystem. För att växtupptag ska ske krävs att ämnena inledningsvis ”fastnar” i växtens rötter. Först därefter kan transporten till växtens ovanjordsdel påbörjas. Olika litteraturdata finns, men sammantaget bedöms organiska ämnen med en logoktanolfördelningskoefficient (log Kow) inom intervallet 0,5-4 vara lämpliga för behandling med fytosanering i form av fytoextraktion (5). Inom det löslighetsintervallet finns flera vanligt förekommande organiska föroreningsämnen som t.ex. BTEX/monoaromater och flertalet klorerade alifater. Organiska ämnen som tas upp i växtens vävnad kan antingen adsorberas eller genomgå olika nedbrytningsprocesser. Ämnena kan också komma att ”utsöndras” från växten via volatilisering/förångning. Metoden benämns då fytoförångning.

skiss fytosanering

Figur 1: Figuren visar två olika scenarier där trädet till vänster visar de processer som verkar vid metallförorenad jord och trädet till höger visar processer i en jord med organiska föroreningar. Illustration av Peter Harms-Ringdahl

Biologiska nedbrytningsprocesser kan äga rum både i rotzonen och i växtens ovanjordsdel. Biologisk nedbrytning i rotzonen behöver inte föregås av att föroreningarna tas upp av eller adsorberas till växtens rötter. Snarare skapar rotsystemet i sig gynnsamma förutsättningar för biologisk nedbrytning i den omgivande jordmatrisen. Detta sker genom att rötterna kontinuerligt syresätter jorden eller det ytliga grundvattnet. Rötterna bidrar också med näringssubstrat och kolkälla som stimulerar tillväxten av främst aeroba mikroorganismer. I rotzonen tillväxer också i allmänhet mykorrhizasvampar, vilka katalyserar biologisk nedbrytning av ett flertal organiska ämnen, bl.a. PAH. Medan fullständig mineralisering utgör den vanligast förekommande nedbrytningsprocessen i växtens rotzon, leder nedbrytningsprocesserna inuti växtvävnaden oftare till s.k. detoxifiering, d.v.s. att modersubstansen omvandlas till mindre toxiska metaboliter (5).

Fytosanering av metallföroreningar och andra oorganiska ämnen är i allmänhet baserad på antingen fytoextraktion eller fytostabilisering. Vid fytoextraktion tas föroreningsämnet upp av växternas rotsystem och transporteras därefter vidare till växtens ovanjordsdel. Vid fytostabilisering adsorberas föroreningsämnet till växternas rotsystem eller till organiskt material i anslutning till rotsystemet.

Tekniskt utförande

Exempel på växter som används för extraktion och nedbrytning av vanligt förekommande organiska föroreningsämnen - som t.ex. BTEX och klorerade alifater - är popplar, salix, pilträd och olika baljväxter, medan pumpaväxter som t.ex. squash har visat sig användbara för extraktion och nedbrytning av klorerade pesticider, bl.a. DDT och DDE (6).

Vid fytoextraktion av metaller används växter med förmåga att ta upp och lagra relativt stora metallmängder utan att växten tar skada. Exempel på dylika växter är sareptasenap (Brassica juncea) och backskärvfrö (Thlaspi caerulescens). Metallerna tas upp via växternas rotsystem och transporteras därefter vidare till växtens stjälk och löv där den lagras i biomassan. För att omhänderta metallerna måste växterna regelbundet klippas eller skördas. Biomassan kan därefter antingen komposteras eller brännas. I båda fallen måste den metallförorenade restprodukten omhändertas för deponering som farligt avfall. Backskärvfrö har dokumenterad förmåga att lagra zink i halter upp till 4000 mg/kg , medan sareptasenap som odlats inom en hektar blyförorenad jord på skjutfält i USA visat sig kunna extrahera och lagra upp till 2 ton bly per säsong (5). Svenska studier utförda i klimatkammare (bänkskaleförsök) visar att upptaget av bly i växter som sareptasenap, gula ärtor, vårraps och älggräs kan underlättas genom att EDTA blandas in i den förorenade jorden. Lösligheten hos bly ökar till följd av kelatkomplexbildning vilket resulterar i ett större blyupptag i växten (7).

Merparten av de växtsorter som används för metallextraktion har en relativt liten ”räckvidd” i djupled, maximalt mellan 0,25-0,75 meter under markytenivån. Träd med djupgående rotsystem som t.ex. popplar kan utgöra ett alternativ, men riskerar också att bidra till föroreningsspridning genom att fallande löv som sprids med vind och vatten innehåller höga metallhalter. Trädslag som björk och salix har visat sig effektiva vad gäller rotupptag av främst krom, men metallerna tenderar att stanna i rotsystemet och kan således komma att utgöra en framtida föroreningskälla (6).

Fytostabilisering går ut på att reducera metallföroreningens spridningsbenägenhet genom att etablera växtlighet inom det förorenade markområdet. Växtligheten bidrar till minskad erosion via både vind och ytvatten, vilket i sin tur minskar spridningen av främst partikelbundna metallföroreningar. Växternas rotsystem binder främst kolloider och finpartiklar till vilka merparten av metallföroreningen i allmänhet är adsorberad. Metaller bildar dessutom ofta svårlösliga komplex med organiskt material. Inblandning av matjord och gödsel i den övre delen av jordprofilen kan därigenom ytterligare reducera metallföroreningens laknings- och spridningsbenägenhet.

Vanliga metodkombinationer

Fytosanering med avseende på metaller och persistenta organiska ämnen måste i regel kombineras med deponering/inneslutning eller lämplig destruktionsmetod, t.ex. förbränning. Fytosanering med avseende på nedbrytbara organiska ämnen kan däremot fungera utan att någon kompletterande behandlingsmetod behöver tillgripas.

Projekteringsaspekter

Föroreningens utbredning måste vara noggrant kartlagd innan en fullskalebehandling med fytosanering kan projekteras. Av särskild betydelse är föroreningens djuputbredning eftersom metoden i allmänhet är begränsad till behandling av ytligt lokaliserade jord- och grundvattenföroreningar. Övrig information av betydelse inför projektering av en efterbehandlingsåtgärd baserad på fytosanering är kännedom om:

  • Föroreningens kemiska sammansättning
  • Fluktuationer i grundvattenytenivå
  • Jordlagrens kornstorlekssammansättning, pH-värde och organisk halt.
  • Vilka växtsorter som kan odlas i den aktuella klimatzonen och hur många tillfällen per år som växterna kan skördas eller klippas.

Bänkskaleförsök i klimatkammare har visat sig ge värdefull information om bl.a.vilka föroreningsmängder som enskilda växtsorter kan extrahera, växternas tålighet med avseende på temperatur, solinstrålning och nederbördsförhållanden samt behovet av näringstillförsel och bevattning (7). Innan projekteringsarbetet inleds är det också viktigt att klarlägga vilka möjligheter som står till buds vad beträffar omhändertagande av skördad biomassa. Förbudet mot att deponera organiskt avfall innebär att den förorenade biomassan antingen måste komposteras eller förbrännas före eventuell deponering.

Behandlingsförutsättningar

Metoden förutsätter i allmänhet att föroreningen är ytligt lokaliserad. Flertalet av de växtsorter som visat sig ha god förmåga att extrahera metaller (t.ex. senapsväxter och ärtväxter) har ytliga rotsystem, med en begränsning i djupled av mellan 0,25-0,75 meter under markytenivån. Träd med djupa rotsystem, som t.ex. popplar, är i regel bättre lämpade för upptag av organiska ämnen och fytonedbrytning av t.ex. klorerade kolväten och BTEX. Även tillämpning av fytostabilisering med hjälp av växtetablering förutsätter att föroreningen är relativt ytligt lokaliserad (0-2,5 meter under markytenivån). Klimatförhållanden kan påverka etableringen av vissa växtsorter. Både fytoextraktion och fytostabilisering anses generellt vara mer lämpade att tillämpa i varma klimatzoner än i kalla klimatzoner.

Åtgärdsmål vid fytoextraktion brukar i regel avse mängdreduktion och sänkta föroreningshalter i den behandlade jorden eller i grundvattnet efter slutförd efterbehandling. Åtgärdsmål vid fytostabilisering kan lämpligen avse reduktion av föroreningshalter i grund- och/eller ytvatten nedströms den stabiliserade föroreningen. I de fall syftet med fytostabilisering är att motverka damning/stoftspridning av ytligt lokaliserade föroreningar kan åtgärdsmålen istället avse föroreningshalterna i omgivningsluft.

Drift och uppföljning

Fytosanering kan i allmänhet utföras med relativt små insatser vad avser drift, underhåll och uppföljning. Exempel på drift- och underhållsåtgärder vid fytosanering är:

  • Bevattning och vid behov tillförsel av näringssubstrat.
  • Beskärning, gallring och ogräsbekämpning.
  • Skörd (gäller enbart fytoextraktion)

Behandlingsresultatet följs upp med hjälp av provtagning och analys avseende förorenings-innehållet i såväl den behandlade jorden och/eller grundvattnet som i biomassan hos de växter som odlats inom det förorenade området. Vid fytostabilisering ligger fokus snarare på att kontrollera föroreningshalterna i grundvatten och/eller ytvatten nedströms det förorenade området för att verifiera att föroreningsspridningen minskat. Vid fytostabilisering kan även provtagning av vindburet stoft/damm i anslutning till det förorenade området vara aktuell att utföra.

Miljö- och hälsoaspekter

Fytosanering förknippas inte med några större hälso- eller arbetsmiljörisker, utöver de som alltid föreligger vid exponering för jord- och grundvattenföroreningar. En viss risk för spridning av förorening till angränsande områden via kontaminerade löv som sprids med vind eller vatten föreligger då fytosanering utförs med hjälp av större lövträd som t.ex. poppel, pilträd och björk. Hos vissa trädslag tenderar upptagna metaller att ”fastna” i rotsystemet, vilket på sikt kan leda till uppkomsten av en sekundär källzon med risk för framtida återkontaminering av jord och grundvatten.(8)

Energi- och resursaspekter

Fytosanering betraktas i jämförelse med flertalet andra tillgängliga efterbehandlingsmetoder som en metod med låg energi- och resursförbrukning och sammantaget låga etablerings- och driftskostnader (6). Mest energi- och resurskrävande bedöms klippning/skördning av de odlade växterna vara då fytoextraktion av metaller eller persistenta organiska ämnen tillämpas. För att kunna bedöma energi- och resursförbrukningen i hela behandlingskedjan bör hänsyn även tas till vilken typ av kompletterande behandling som erfordras för de växter som skördas. Metallförorenad biomassa kan efter kompostering i regel deponeras på en deponi för farligt eller icke-farligt avfall, medan persistenta organiska ämnen kan behöva destrueras genom förbränning.

Kostnadsaspekter

Kostnaderna för växtsanering varierar inom ett relativt brett intervall. Faktorer som områdets storlek, föroreningsdjup, föroreningstyp och behov av kompletterande behandling är av betydelse för kostnadsbilden. På grund av de långa behandlingstiderna blir den sammanlagda behandlingskostnaden i allmänhet relativt hög. Dock fördelas kostnaderna över en relativt lång tidsperiod.

För- och nackdelar

Fördelar

  • Teknisk sett en relativt enkel saneringsmetod.
  • Relativt låga drifts- och underhållskostnader på årsbasis.
  • Estetiskt tilltalande med minimala markingrepp.

Nackdelar

  • Långa behandlingstider (ibland flera decennier).
  • På grund av lång behandlingstid kan slutkostnaden bli relativt hög trots låg kostnad på årsbasis.
  • Är i allmänhet begränsad till föroreningar i jordens ytskikt.
  • Beroende av växtsäsongen (kort i norra Sverige).

Referenser

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

(2) Superfund Annual Report 2003: Superfund remedial actions: Source control treat-ment projects (FY 1982-2002).

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

(4) Geosyntec Ltd, 2012: Geosyntec DNAPL course-Hagfors, September 24-25, 2012. (Seminarium rörande undersökning och efterbehandling av klorerade lösningsmedel arrangerat av SGU-Sveriges Geologiska Undersökning).

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

(6) US EPA, 2011: Phytotechnologies for site cleanup. http://www.epa.gov/tio/download/remed/phytotechnologies-factsheet.pdf

(7) Lidehorn, C & Ländell, M, 2001: Blyupptag hos växter, en remedieringsmetod för skjutfältsområden? Linköpings Universitet, Inst. För Tema, Avd. för Vatten i natur och samhälle.

(8) US EPA, 2014: Phytotechnologies-Overview. www.clu-in.org/techfocus/phyto-technologies/cat/Overview