Grundvattenpumpning och behandling - fördjupning

För en kortare beskrivning se - Översiktlig metodbeskrivning

Tillämpning

Grundvattenpumpning och behandling är en vanligt förekommande efterbehandlingsmetod för att åtgärda förorenat grundvatten. Metoden innebär i korthet att förorenat grundvatten via en eller flera brunnar pumpas till markytan för omedelbar behandling on site t.ex. genom kolfilterrening, nanofiltrering, biologisk behandling (bioreaktor) eller stripping. I huvudsak är föroreningar som föreligger lösta i grundvattnet tillgängliga för behandling. I grovkorniga jordlager (sand- och grusformationer) kan i viss utsträckning även kolloidbundna föroreningar extraheras med hjälp av grundvattenpumpning. För omhändertagande av fri fas kan en skimmer eller sugpump användas. Fri fas kan därefter avskiljas i en koalescensavskiljare eller gravimetrisk oljeavskiljare placerad vid markytan. Metoden är tillämpbar både för reduktion av källzoner, särskilt i de fall där fri fas föreligger, och för plymbehandling. Bäst resultat erhålls i grundvattenakviferer med måttlig till hög hydraulisk konduktivitet. Grundvattenpumpning och behandling kan även tillämpas med syfte att begränsa eller hindra spridningen av föroreningar från en källzon mot en vattentäkt eller en känslig recipient. Då benämns metoden oftast skyddspumpning eller hydraulisk inneslutning.

Grundvattenpumpning och behandling tillämpas för att åtgärda ett relativt brett register av både organiska och oorganiska föroreningsämnen. Vanligast är dock tillämpningar där föroreningen utgörs av s.k. LNAPLs (=Light Non-Aqueous Phase Liquids), vilka i huvudsak föreligger i den övre delen av grundvattenzonen. Exempel på vanligt förekommande LNAPLs är petroleumkolväten som monoaromater och opolära alifater. Grundvattenpumpning och behandling har fått ett stort kommersiellt genomslag som behandlingsmetod för petroleumförorenat grundvatten inom olje- och drivmedelsindustrin. Andra exempel på föroreningar som relativt ofta åtgärdas med Grundvattenpumpning och behandling är klorerade lösningsmedel, icke-klorerade lösningsmedel och metallföroreningar. På senare år har även PFOA/PFOS i grundvatten börjat behandlas med grundvattenpumpning i kombination med kolfilterrening.

Grundvattenpumpning och behandling är en översättning av den engelska termen pump and treat eller groundwater extraction and ex situ treatment. På svenska benämns metoden även pumpning och behandling ex situ. I USA används också termen free product recovery för grundvattenpumpning/behandling som enbart syftar till att extrahera fri fas från grundvattenytan.

Status och historik

Grundvattenpumpning och behandling är en etablerad och kommersiellt tillgänglig efterbehandlingsmetod som tillämpats sedan 1970-talet. Metoden har fått stor användning främst inom oljeindustrin, men har också kommit att tillämpas vid behandling av grundvatten som förorenats av klorerade lösningsmedel vid t.ex. kemtvättar och elektronikindustri. Enligt statistik från den amerikanska branschorganisationen State Coalition for Remediation of Drycleaners (SCRD) användes metoden vid cirka 15 % av samtliga grundvattensaneringar vid amerikanska kemtvättar finansierade av SCRD under 2007 (1). Metoden är också väl representerad i det statliga amerikanska efterbehandlingsprogrammet superfund. Under perioden 2005-2011 valdes grundvattenpumpning och behandling som behandlingsmetod vid sammanlagt 130 föroreningsobjekt, vilket motsvarar 24 % av samtliga superfundobjekt för vilka någon form av grundvattenhandling beslutades (2).

I Skandinavien har grundvattenpumpning och behandling fått stort kommersiellt genomslag främst i Danmark som till 98 % är beroende av grundvatten för sin dricksvattenförsörjning. I Sverige har metoden främst kommit att tillämpas som komplementmetod till konventionell gräv- och schaktsanering, t.ex. i samband med länspumpning av schakter i förorenad jord under grundvattennivån.

Behandlingsprinciper

Metoden innebär att grundvatten via en eller flera extraktionsbrunnar pumpas upp till markytan för någon form av vattenbehandling. Sänkningen av grundvattenytan påverkar det omgivande grundvattenflödet, och de lösta föroreningar som finns i det område som påverkas av pumpningen kommer att dras emot pumpbrunnarna. Inledningsvis påverkas nästan uteslutande de föroreningar som föreligger lösta i grundvattenzonen. Allteftersom koncentrationen av lösta föroreningar i grundvattnet reduceras kommer, till följd av diffusion, även partikelbundna föroreningar - och i viss utsträckning även föroreningar i fri fas – att övergå i löst fas. En masstransport av föroreningar från partikelfas och fri fas till löst fas äger således rum.

skiss gv pumpobehand

Figur 1: System för grundvattenpumpning och behandling med två pumpbrunnar/extraktionsbrunnar och utrustning för vattenrening on site. Illustration av Peter Harms-Ringdahl

Tekniskt utförande

Vanligen används dränkbar centrifugalpump, men då avståndet till grundvattenytan är litet (<9 meter) kan även vakuumpump/sugpump användas. Andra pumptyper som förekommer är ejektorpump och pneumatiska pumpar. En vanligt förekommande behandlingsteknik då stora mängder fri fas föreligger, t.ex. till följd av oljespill eller läckage av drivmedel, är s.k. separationspumpning. Vid separationspumpning placeras en dränkbar centrifugalpump på relativt stort djup under föroreningens nivå i grundvattenmagasinet för att avsänka grundvattennivån. Samtidigt placeras en sugpump eller skimmer i nivå med den avsänkta grundvattenytan för extraktion av fri fas. Syftet med separationspumpning är också att ”vända grundvattengradienten” mot källzonen och därigenom hindra fortsatt föroreningsspridning (3). Det pumpade förorenade grundvattnet behöver i allmänhet renas, t.ex. genom olika filtreringstekniker (kolfilterrening, nano- och ultrafiltrering m.fl.), strippingteknik, kemisk oxidation eller biologisk nedbrytning i bioreaktor. Nedan beskrivs kortfattat de två vanligast förekommande vattenreningsteknikerna som tillämpas i samband med grundvattenpumpning och behandling: Filtreringsteknik och strippingteknik.

Filtreringsteknik

Vanligt förekommande filtreringstekniker för förorenat grundvatten är (4):

  • Filtrering via granulärt aktivtkol (GAC-filtrering)
  • Omvänd osmos
  • Nanofiltrering

GAC-filtrering bygger på att det förorenade grundvattnet får filtrera genom kolonner fyllda med granulärt aktivt kol. Det finns fabriksfärdiga GAC-anläggningar, men vanligast är att en reningsanläggning bestående av kolfilterkolonner byggs ihop för ett specifikt projekt och dimensioneras med hänsyn till aktuell föroreningskoncentration och förväntat pumpflöde. Aktivt kol adsorberar till organiska föroreningsämnen genom van der Waals krafter och dispersion. Det medför att aktivt kol inte har förmågan att adsorbera ämnen med mycket hög vattenlöslighet som t.ex. alkoholer. Däremot uppvisar granulärt aktivt kol mycket hög adsorptionsförmåga för både måttligt vattenlösliga ämnen som t.ex. BTEX, alifater, klorerade kolväten och monoaromater, och för svårlösliga organiska föreningar som t.ex. PCB, PAH och högklorerade fenoler. Perfluorerade ämnen som PFOA och PFOS har de senaste åren upptäckts i grundvattnet på flera håll. Filtrering via aktivt kol (främst GAC) ger en relativt god reningseffekt för dessa ämnen., åtminstone då syftet är att rena utgående dricksvatten från en dricksvattentäkt ned till rekommenderade dricksvattenkriteria för perfluorerade ämnen. GAC förekommer i en rad olika kommersiella kvaliteter varav de vanligaste har benämningen filtrasorb eller URV-MOD. Med tiden blir kolfilerkolonnerna mättade och det aktiva kolet behöver bytas ut eller regenereras. I regel kan inte mer än 5-10 % av GAC-filtrets porutrymme utnyttjas för fastläggning av specifika organiska ämnen. Detta till följd av att resterande del av porutymmet ”täpps igen” av i grundvattnet förekommande naturliga föroreningsämnen som humussyror och fettsyror. GAC-filter uppvisar i regel en reningskapacitet på mellan 500-5000 m3 vatten/dygn. (5)(8).

Nanofiltrering (NF) är baserad på att oladdade eller polära organiska molekyler på grund av sin storlek fastnar i ett NF-membran. Även joner kan p.g.a. elektrostatisk attraktion fastna i NF-membranet och därefter medverka till att andra joner och polära ämnen med motsvarande laddning repelleras bort från membranet. NF-membran uppvisar ungefär samma reningskapacitet som ett GAC-filter men tekniken är inte lika beprövad vad beträffar vattenrening med avseende på organiska föroreningsämnen. Nanofilter dimensioneras i allmänhet för att rena mindre grundvattenflöden, cirka 25-200 m3/dygn (6)(8).
Omvänd osmos innebär att ett semipermeabelt membran avskiljer föroreningsämnen som transporteras från ett förorenat vatten med hög saltkoncentration till ett oförorenat vatten med låg/lägre saltkoncentration. Tekniken förutsätter att det förorenade/salthaltiga vattnet trycksätts så att vattenmolekylerna tvingas passera genom membranet medan föroreningarna stannar kvar. Avskiljningsgraden beror på membranets uppbyggnad och sammansättning. Omvänd osmos-tekniken användes ursprungligen enbart för avsaltning av bräckt havsvatten men i takt med att membrantekniken utvecklats har omvänd osmos alltmer kommit att bli en etablerad reningsmetod även för dricksvatten och förorenat grundvatten. För organiska ämnen uppvisar omvänd osmos idag en högre reningsgrad än både GAC-filtrering och Nanofiltrering. Omvänd osmos är emellertid mer energikrävande än både GAC-filtrering och Nanofiltrering och därför också en mer kostsam reningsteknik. Omvänd osmos-filter dimensioneras i allmänhet för att rena mindre grundvattenflöden, 25-200 m3 per dygn. (6)(8).

Strippingteknik

Vid stripping får det förorenade grundvattnet passera genom en cistern/behållare (ofta benämnd strippingtorn) genom vilken tryckluft tillförs underifrån samtidigt som det förorenade vattnet tillförs uppifrån. En luftström kommer därigenom att flöda genom det förorenade vattnet. Luftströmmen för med sig de flyktiga kolväten som föreligger i vattenfasen. Beroende av vilka föroreningshalter som föreligger i den utgående luftströmmen kan olika former av luftrening vara nödvändig (t.ex. rening i aktivt kol eller katalytisk förbränning). Det finns också exempel på strippinganläggningar där den VOC-förorenade luften släpps ut till atmosfären utan föregående rening, eftersom VOC-halterna inte bedöms medföra någon negativ påverkan på omgivningsluften. Medan filtreringstekniker som GAC-filtrering och nanofiltrering fungerar för flertalet organiska föroreningsämnen kan strippingteknik endast används för att avskilja flyktiga organiska ämnen som t.ex. monoaromater (bensen, xylen m.fl.) och klorerade lösningsmedel. En förutsättning är att ingående föroreningsämnen uppvisar en Henrys konstant överstigande 0,01 i dimensionslös form (4).

Vanliga metodkombinationer

Metoden kombineras i regel alltid med någon form av vattenbehandlingsteknik. Några av de vanligaste vattenreningsteknikerna beskrivs ovan i avsnittet tekniskt utförande. Metoden kan emellertid kombineras med andra och mer sofistikerade vattenbehandlingsmetoder som t.ex. biologisk nedbrytning av organiska föroreningsämnen i bioreaktor (länk biologiska behandlingsmetoder), kemisk fällning av metallförorening och kemisk oxidation av organiska föroreningsämnen genom tillförsel av ozon, permanganat eller andra oxidationsmedel (länk kemisk oxidation in situ). Metoden kombineras också ofta med porgasextraktion (länk porgasextraktion) och ingår då som en del i behandlingskonceptet flerfasextraktion (länk flerfasextraktion). Vid gräv- och schaktsanering under grundvattennivån är grundvattenpumpning och behandling en vanligt förekommande komplementmetod.

Projekteringsaspekter

Föroreningplymens utbredning i yt- och djupled måste vara noggrant kartlagd innan ett behandlingssystem för grundvattenpumpning och behandling projekteras. En konceptuell modell över föroreningssituationen och de hydrogeologiska förhållandena är ofta nödvändig. Exempel på dataunderlag som erfordras inför projektering/design av ett behandlingssystem i full skala är uppgifter om:

  • Föroreningens koncentration och kemiska sammansättning.
  • Föroreningens fasfördelning med fokus på andelen vattenlöslig fas respektive fri produktfas.
  • Mäktighet/tjocklek av fri fas ovanpå grundvattennivån.
  • Föroreningens innehåll av flyktiga (VOC), halvflyktiga (semi-VOC) respektive ickeflyktiga (NVOC) organiska ämnen.
  • Grundvattenytenivå och grundvattenytenivåns variation över tiden samt grundvattnets strömningsriktning.
  • Jordlagerföljd med fokus på permeabla och impermeabla zoner eller skikt och föroreningstransporten i respektive skikt.
  • Akviferens egenskaper med avseende på bl.a. effektiv porositet, hydraulisk konduktivitet, transmissivitet, magasinskoefficient och uttagskapacitet. (För att med någon högre grad av säkerhet kunna fastställa akviferegenskaperna bör provpumpning utföras, varvid grundvattenavsänkningen och influensområdet kring respektive pumpbrunn vid olika pumpflöden undersöks).
  • Resultat från bänkskaleförsök med syfte att välja och optimera lämplig vattenreningsteknik. Bänkskaleförsöken bör utföras på representativt grundvatten från det aktuella förorenade området.
  • Vid större efterbehandlingsprojekt baserade på grundvattenpumpning är det lämpligt att inför eller som en del i projekteringsarbetet låta utföra en databaserad grundvattenmodellering med syfte att utvärdera pumpningens 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.
  • Eftersom grundvattenpumpning och behandling är en väl beprövad och etablerad efterbehandlingsmetod är pilotskaleförsök i regel inte nödvändiga att utföra. Dock kan ett pilotskaleförsök ge värdefull information om influensradien av pumpning och den aktuella grundvattenföroreningens behandlingsbarhet över tiden. Storleksordningen av eventuella återkontamineringseffekter kan kartläggas och olika möjligheter att på ett miljösäkert sätt återinfiltrera behandlat grundvatten kan utprovas.

Behandlingsförutsättningar

En förutsättning för att grundvattenpumpning och behandling ska fungera tillfredsställande är att akviferen har en relativt hög hydraulisk konduktivitet, i regel överstigande 5x10-7 m/s (7). I formationer med lägre hydraulisk konduktivitet är i allmänhet en större andel av föroreningarna bundna till jordpartiklar, medan endast en mindre andel av föroreningen föreligger i vattenlöslig fas, varför behandlingseffektiviteten riskerar att bli relativt låg. Behovet av skyddspumpning och hydraulisk inneslutning är också väsentligt mindre i grundvattenformationer som i domineras av finkorniga jordarter (lera, silt) än i högpermeabla sand- och grusformationer. Finkorniga jordar med låg hydraulisk konduktivitet innebär också att influensradien kring varje pumpbrunn blir liten, vilket resulterar i att fler pumpbrunnar behöver installeras. Metoden är i relativt liten utsträckning klimatberoende och kan om utrustingen skyddas mot frost även tillämpas vintertid i tempererade klimatzoner, liksom ”året-runt” i kalla klimatzoner.

Metoden har erfarenhetsmässigt visat sig vara mindre effektiv vid behandling av källzoner med dominerande innehåll av DNAPLs (=Dense Non-Aqueous Phase Liquids), som t.ex. tri- och tetrakloreten, klorerade fenoler och PAH (7). Metoden lämpar sig dock relativt väl
för behandling av LNAPLs (t.ex. oljekolväten), särskilt då syftet är att avskilja fri fas från grundvattenytan. Om enbart grundvattenpumpning och behandling tillämpas för att reducera föroreningshalterna i en källzon pekar dock flera erfarenheter på att behandlingstiderna blir mycket långa, ofta tiotals år. En vanlig erfarenhet är också att metoden inledningsvis leder till en relativt snabb föroreningsreduktion i grundvattenmagasinet men att återkontaminering från föroreningar i fri fas eller i partikelbunden fas leder till stigande föroreningshalter i grundvattnet en tid (månader-år) efter slutförd behandling (7).

Bäst effekt har metoden då huvudsyftet är att, i avvaktan på annan åtgärdsteknik för att behandla själva källzonen, begränsa eller förhindra spridningen av förorenat grundvatten från ett förorenat område mot t.ex. en dricksvattentäkt.

Åtgärdsmål och åtgärdskrav vid tillämpning av metoden kan antingen avse mängdreduktion och sänkta föroreningshalter i den behandlade delen av grundvattenzonen eller, i de fall enbart skyddspumpning tillämpas, sänkta halter nedströms det förorenade området t.ex. i anslutning till en vattentäkt eller känslig ytvattenrecipient.

Drift och uppföljning

Drift och underhåll i samband med grundvattenpumpning och behandling innefattar i regel:

  • Tillsyn av dränkbara pumpar med avseende på funktion och pumpflöde.
  • Tillsyn och underhåll av skimmer/sugpump med tillhörande avskiljare.
  • Byte av aktivt kol i kolkolonner i de fall filtrering via aktivt kol tillämpas som reningsmetod (nanofilter och omvänd osmos erfordrar mindre underhåll, men regelbunden tillsyn/kontroll är nödvändig).
  • Tillsyn och underhåll av eventuell strippinganläggning med avseende på luftflöde och eventuell VOC-rening (kolfilter, katalytisk rening eller motsvarande).
  • Behandlingsresultatet vid grundvattenpumpning och behandling kan i huvudsak kontrolleras på följande sätt (4)(7):
  • Kvantitativ bestämning av mängden extraherad förorening via pumpat grundvatten (t.ex. genom vattenprovtagning/analys före respektive efter utrustning för kolfilterrening eller motsvarande).
  • Kvantitativ bestämning av volymen avskild fri produktfas i t.ex. en gravimetrisk oljeavskiljare eller i koalescensavskiljare.
  • Uppföljning av föroreningshalter i grundvattenzonen. (Uppföljning bör med hänsyn till risken för återkontaminering fortsätta i minst 1-2 år efter slutförd pumpning/behandling) I de fall det föreligger risk för restkontaminering i jord bör även jordprover tas.
  • Kontinuerlig eller periodisk mätning av grundvattenytenivå för att klarlägga grundvattenavsänkning och gradientförhållanden i anslutning till installerade pumpbrunnar.

Miljö- och hälsorisker

Enstaka olyckshändelser/incidenter med brand/explosion till följd av ansamling av enkla alkaner/alkener i rörledningar och cisternutrymmen vid tillämpningar av grundvattenpumpning och behandling finns rapporterade från bl.a. USA, Nederländerna och Danmark. Gasvarningsutrustning i form av explosimeter eller IR-instrument bör finnas installerade i slutna utrymmen som containrar och arbetsbodar där servicetekniker och maskinoperatörer tillfälligt vistas under behandlingsperioden. Risken för dioxinbildning vid katalytisk oxidation av klorerade VOC i samband med rening av utgående luft från strippingtorn eller motsvarande bör beaktas. I samband med grundvattenpumpning föreligger det alltid en risk för att grundvattenavsänkning och ändrade gradientförhållanden medverkar till ett inflöde av föroreningar från eventuella angränsande källzoner eller spridningsplymer. Det är således viktigt att föroreningssitutionen i gränssnittet till den plym eller källzon som ska behandlas är väl känd och dokumenterad. Det är även viktigt med kontinuerlig kontroll av utgående vatten från reningsanläggningen för att motverka spridning av orenat vatten till recipient.

Energi- och resursaspekter

Eldrivna dränkbara pumpar och vattenreningsutrustning on site svarar för merparten av energiförbrukningen vid grundvattenpumpning och behandling. Även uppvärmning av byggnad/pumphus samt utrustning för kontroll och övervakning förbrukar energi. För en normalstor anläggning för grundvattenpumpning och behandling räknar det amerikanska Naturvårdsverket (USEPA) med en energiförbrukning motsvarande cirka 100 000-150 000 kWh/år, varav pumpanläggning och vattenreningsutrustning on site svarar för mellan 60-80 % av den totala energiförbrukningen (9).

Kostnadsaspekter

Kostnaderna för grundvattenpumpning och behandling varierar inom ett relativt brett intervall, till stor del beroende av vilken vattenreningsteknik som tillämpas. Behovet av att extrahera och avskilja fri fas påverkar också kostnadsbilden. Enbart skyddspumpning, utan någon efterföljande vattenrening, är i regel en förhållandevis kostnadseffektiv metod, om syftet uteslutande är att skydda en vattentäkt eller en känslig recipient nedströms det förorenade området. Grundvattenpumpning och behandling riskerar att över tiden medföra höga kostnader, bl.a. mot bakgrund av att metoden måste pågå under mycket lång tid, ibland åtskilliga år och till och med decennier.

För- och Nackdelar

Fördelar

  • Metoden bygger på väl beprövad teknik med hög kommersiell tillgänglighet.
  • Vid skyddspumpning kan spridningen av föroreningar via grundvattenzonen snabbt begränsas. Nedströms liggande skyddsobjekt, t.ex. vattentäkter och/eller känsliga recipienter, kan därigenom skyddas med hjälp av relativt snabba och begränsade insatser.

Nackdelar

  • Metoden betraktas som relativt ineffektiv för att åstadkomma massreduktion.
  • Både skyddspumpning och saneringspumpning tenderar att behöva pågå under lång tid (flera år-decennier), vilket på sikt medför höga kostnader för drift, tillsyn och underhåll.


Referenser

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

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

(3) 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).

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

(5) Hartten, A.S. 2009: Water treatment for PFOA and PFOS. Andrew S. Hartten, DuPont Corporate Remediation Group. October 16, 2009.

(6) Persson, K. & Billqvist, S. 2004: Pilotförsök med nanofiltrering av fluoridhaltigt vat-ten. VA-forsk rapport nr 2004-13.

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

(8) Helldén, J & Johansson, N, 2013: Tullinge vattenverk, Botkyrka kommun - utredning av olika vattenreningsalternativ. NIRAS Sweden AB, uppdragsnr. 8113053. Upp-dragsgivare: Försvarsmakten/Miljöprövningsenheten.

(9) US EPA, 2009: Green remediation best management practices. Pump and treat tech-nologies EPA 542-F-09-005, December 2009.

F-09-005, December 2009.