Jordtvätt in situ - fördjupning

För en kortare beskrivning se - Översiktlig metodbeskrivning

Tillämpning

Jordtvättning in situ används för behandling av ett stort antal organiska föroreningar inklusive VOC och semi-VOC. Metoden används även för behandling av metallförorenad jord. Metoden är i första hand avsedd för behandling av källzoner och kan tillämpas både i mättad och omättad zon. Metoden fungerar bäst i homogena formationer med måttlig till hög permeabilitet, där stora vätskevolymer kan transporteras genom det förorenade området under relativt kort tid. Sand- och grusjordar, liksom kraftigt uppsprucken berggrund, bedöms vara lämpliga geologiska miljöer för tillämpning av lösningsmedelsextraktion in situ (1).

Internationellt förekommer flera benämningar bl.a. flushing, in situ flushing och in situ soil flushing. När tvättvätskan innehåller tensider brukar metoden benämnas surfactant flushing eller surfactant-enhanced aquifer remediation (SEAR), medan tvättning med lösningsmedelstillsatser benämns co-solvent Flushing (2).

Status och historik

I det statliga amerikanska efterbehandlingsprogrammet superfund har jordtvättning in situ tillämpats i relativt liten utsträckning. Under perioden 1982–2002 tillämpades metoden vid sammanlagt 16 föroreningsobjekt, vilket motsvarar drygt 4 % av samtliga efterbehandlingsobjekt inlom superfund för vilka någon form av in situ-behandling avseende källzon beslutades under motsvarande period (3). Under perioden 2005–2011 tillämpades jordtvättning in situ vid sammanlagt tre superfundobjekt, vilket motsvarar 1 % av samtliga föroreningsobjekt för vilka någon form av in situ-behandling avseende källzon beslutades under motsvarande tidsperiod (4). Det bör i sammanhanget understrykas att in situ-behandling för källzoner generellt varit vanligt förekommande inom superfundprojektet. Under perioden 1982-2011 har någon form av in situ-behandling utförts vid i storleksordningen 50 % av samtliga efterbehandlingsobjekt inom superfund (3)(4).

Metoden är kommersiellt tillgänglig både i Europa och USA, men betraktades så sent som 2009 som en innovativ metod under utveckling (5). I Sverige har försök i pilotskala genomförts på flera platser sedan slutet av 1990-talet, och även projekt i full skala har genomförts.

Behandlingsprinciper

Syftet med jordtvättning in situ är att öka föroreningarnas löslighet/mobilitet och att därigenom kunna extrahera föroreningarna från jordmatrisen. Vid lösningsmedelsextraktion av organiska föroreningar tillförs vatten i kombination med tensider eller lösningsmedel till det förorenade området. Vid behandling av metallförorenad jord tillförs jonbytare, syror, baser eller andra pH-justerande vätskor. Syftet är i båda fallen att överföra den aktuella föroreningen från adsorberad (eller fri fas) till den injekterade tvättvätskan och därefter omhänderta tvättvätskan genom pumpning strax nedströms det förorenade området. Lösningsmedlet eller tvättvätskan kan mobilisera den fria fasen genom att minska ytspänningen mellan vattenfas och fri produktfas. Vid extraktion av metaller tillämpas även oxidation/reduktion, pH-justering, komplexbildning och olika jonbytesprocesser. Parallellt med de kemiska reaktioner som initieras sker även förändringar i transportmekanismerna för föroreningarna som t.ex. ökad advektion, dispersion och förångning. Sammanfattningsvis kan jordtvättning in situ för efterbehandling av organiska och oorganiska föroreningsämnen vara baserad på en eller flera av följande behandlingsmekanismer (6)(7):

  • Ökad löslighet av organiska föroreningsämnen genom minskning av ytspänningen mellan vatten och fri fas.
  • Ökad mobilisering av fri produktfas (NAPL) genom minskning av ytspänningen mellan vatten och fri fas.
  • Frigörelse och mobilisering av organiska föroreningar bundna till partiklar, anting-en genom minskad ytspänning tack vare tillsats av tensider, eller genom extraktion med hjälp av organiska lösningsmedel.
  • Frigörelse och mobilisering av metaller bundna till partiklar genom tillsats av t.ex. komplexbildare, oxidant, jonbytare eller pH-justerande vätska.

jordtvatt insitu

Figur 1: Lösningsmedel tillsätts i en brunn lokaliserad strax uppströms föroreningen. Lösningsmedlet löser upp föroreningen som därefter pumpas upp från en nedströms lokaliserad pumpbrunn. Det förorenade grundvattnet tas omhand i reningsanläggning där föroreningen och tvättvätskan separeras. Tvättvätskan kan sedan återanvändas. Illustration av Peter Harms-Ringdahl

Tekniskt utförande

Tvättvätskan eller lösningsmedlet kan injekteras med hjälp av gravitations- eller tryckdrivna system. I ett gravitationsdrivet injekteringssystem infiltrerar tvättvätskan direkt i jordprofilen, t.ex. från ett dike eller från ett antal mindre infiltrationsdammar. Detta är ett vanligt tillvägagångssätt när föroreningen är lokaliserad i den omättade zonen strax under markytenivån, eller i den ytliga delen av en grundvattenakvifer. I ett tryckdrivet injekteringssystemen används vertikala eller horisontella injekteringsbrunnar, alternativt tillämpas s.k. direct-push-teknik varvid tvättvätskan tillsätts via ett injekteringsrör som flyttas mellan respektive injekteringspunkt. Tvättvätskan eller lösningsmedlet tillsätts med ett övertryck som i normalfallet underskrider 1,5 gånger det hydrostatiska trycket vid injekteringsnivån. Tillämpas ett alltför högt övertryck kan hydraulisk uppspräckning inträffa med okontrollerat utläckage av lösningsmedel/tvättvätska i formationen som följd (8). I såväl gravitationsdrivna som tryckdrivna injekteringssystem sker uppsamlingen av tvättvätskan vanligtvis i en eller flera brunnar installerade omedelbart nedströms det förorenade området. Vid ytligt lokaliserade föroreningar och tillämpning av gravitationsdrivna system förekommer även uppsamling via diken.

Det är väsentligt att lösningsmedlet/tvättvätskorna kan pumpas upp ur det behandlade området och därefter antingen behandlas i en reningsanläggning på platsen eller transporteras bort för omhändertagande på annan plats. Olika behandlingsmöjligheter för tvättvätskorna föreligger. Tvättvätskor med innehåll av organiska föroreningsämnen kan t.ex. behandlas genom (5)(7)(8):

  • Stripping, varvid luft eller kvävgas injekteras i tvättvätskan. Flyktiga eller delvis flyktiga organiska ämnen kommer att följa luftflödet och avgå i gas.
  • Oxidation, varvid ett oxidationsmedel tillförs den förorenade tvättvätskan.
  • Filtrering i filter av aktivt kolgranulat.
  • Biologisk nedbrytning i bioreaktorer.

Tvättvätskor med innehåll av metaller behandlas i allmänhet med kemisk fällning, flockning/sedimentation eller flotation.Efter avslutad behandling måste även de lösnings- eller tvättmedel som använts i processen omhändertas. Avskiljning och koncentrering av tensider från t.ex. en vattenlösning kan ske genom ultra- eller nanofiltrering, flotation, omvänd osmos eller kemisk fällning, medan hjälplösningsmedel kan avskiljas genom destillation eller pervaporation (6). Syror och baser kan neutraliseras genom pH-justering, medan jonbytare kan omhändertas genom kemisk fällning.

Vanliga metodkombinationer

Metoden kan användas i kombination med andra efterbehandlingsmetoder, som multifasextraktion, biostimulering, kemisk oxidation och kemisk reduktion. Metoden kan också utgöra ett komplement i samband med grundvattenpumpning och behandling.

Projekteringsaspekter

Som underlag för att kunna projektera ett fullskaligt behandlingssystem baserat på jordtvättning in situ erfordras bl.a. följande information (7)(8):

  • Vertikal och horisontell utbredning av föroreningen i området som skall efterbehandlas, inklusive utbredningen av fri fas.
  • Information om de aktuella föroreningarnas kemiska och fysikaliska egenskaper.
  • Information om geokemiska förhållanden, för att fastställa om grundvattnets kemi kan påverka effekterna av tillsatser av tensider och hjälplösningsmedel.
  • Geologisk information om området som ska efterbehandlas, för att identifiera eventuella impermeabla lager eller högpermeabla zoner som kan påverka grundvattenflödet i formationen.
  • Bestämning av grundvattenflöde, hydraulisk konduktivitet och andra egenskaper hos akviferen.
  • Vid större efterbehandlingsprojekt baserade på jordtvätt in situ 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.
  • Representativa grundvatten- och jordprov för laboratorieförsök för undersökning av lämplig sammansättning och dosering av tillsatskemikalier.
  • I de flesta fall är pilotförsök nödvändiga som underlag för system- och driftutformning.

Behandlingsförutsättningar

Metoden förutsätter att jorden har tillräcklig permeabilitet för att lösningsmedlet eller tvättvätskan ska sprida sig homogent i formationen och komma i kontakt med föroreningen. Permeabla förhållanden bör således råda, d.v.s. sand- och gruslager eller kraftigt uppsprucken berggrund. Metoden är mindre lämplig för behandling av föroreningar i ler- och siltjordar, eller i berggrund med låg permeabilitet. För att metoden ska fungera måste en betydande andel av föroreningen (>80 %) föreligga i fri fas eller vara bunden till jordpartiklar. Metoden är således inte lämplig för behandling av föroreningar med hög vattenlöslighet. Det ska också föreligga goda möjligheter att via pumpning av grundvatten eller på annat sätt extrahera tvättvätskan nedströms det förorenade området. Grundvattenflöde och akviferförhållanden måste således vara väl definierade.

Metoden är relativt oberoende av klimat- och temperaturförhållanden. Detta eftersom de tensider, och i förekommande fall lösningsmedel, som används har lägre fryspunkt än vanligt vatten och därför kan användas även i kallt klimat eller vintertid i tempererade klimat-zoner.

Åtgärdsmål och åtgärdskrav vid jordtvättning in situ bör avse reduktion av föroreningsmängd och föroreningshalter i jord och/eller grundvatten efter genomförd behandling. Som en säkerhetsåtgärd bör även resthalterna av de tensider och/eller lösningsmedel som an-vänts kontrolleras efter slutförd behandling.

Drift och uppföljning

Behandlingen följs upp genom:

  • Rutinmässig kontroll och underhåll av maskinell utrustning.
  • Periodisk renspumpning av injekterings- och extraktionsbrunnar för att motverka igen-sättning.
  • Grundvattennivåmätningar i anslutning till behandlingsområdet för periodisk övervak-ning av nivåförändringar och ändrade flödesförhållanden i grundvattnet.
  • Uppföljning av halter i grundvattnet för övervakning av behandlingseffekter och sprid-ning.

Miljö- och hälsoaspekter

Kontakt med tensider, syror, baser och organiska lösningsmedel kan innebära betydande hälso- och arbetsmiljörisker. Skyddsutrustning i form av andningsskydd och kemikaliebeständiga arbetskläder bör användas av den personal som utför behandlingen. Vid injektion av tvättvätska med ett alltför kraftigt övertryck föreligger risk för hydraulisk uppspräckning och okontrollerat utflöde av vätska i den geologiska formationen. Behandlingen kan därigenom också bidra till ökad föroreningsspridning. Ett vanligt förekommande problem i samband med lösningsmedelsextraktion in situ är att betydande volymer av använda lösningsmedel, tensider eller syror/baser blir kvar i det förorenade området efter slutförd behandling. Noggrann kontroll av massbalansen i samband med utförandet är således nödvändig.

Energi- och resursaspekter

Metoden förbrukar måttligt med energi/resurser i samband med etablering/installation och i driftfasen. Konventionell entreprenadutrustning kan i allmänhet användas för installation av injektions- och extraktionsbrunnar. Under driftfasen svarar kompressorer och grund vattenpumpar för en viss energiförbrukning. Mer omfattande markåterställning är endast aktuell då gravitationsbetingade injekteringssystem använts i form av t.ex. dammar och diken.

Kostnadsaspekter

Kostnaden för efterbehandling med jordtvättning in situ är mycket varierande och bero-ende av många faktorer såsom föroreningens utbredning i horisontal- och vertikalled, typ av förorening, djupet till grundvattenytan och permeabilitetsförhållandena i den förorenade formationen. Det är främst den förbrukade mängden tensider och/eller hjälplösningsmedel som avgör slutkostnaden. Återinjektering av extraherad tvättvätska (efter rening) kan vä-sentligt minska totalkostnaden. Återanvändningen av tvättvätska minskar också volymen av det avfall som produceras och den efterföljande kostnaden i samband med avfallshantering (9).

För- och nackdelar

Fördelar

  • Metoden kan skräddarsys för en specifik förorening genom att tillföra lämplig tvättvätska.
  • Metoden kan ”lösa ut” och reducera halterna av föroreningar som under normala miljöbetingelser föreligger hårt bundna till jordpartiklar.

Nackdelar

  • Metoden är relativt oprövad i Sverige och den kommersiella tillgängligheten är låg.
  • Osäkerheter föreligger i bedömningen av hur lång tid åtgärden kommer att ta innan uppsatta åtgärdsmål uppnås.
  • Effektiviteten är låg i geologiska formationer som är lågpermeabla och heterogena.

Referenser

(1) US Department of Defense, 2014: www.frtr.gov/ The Federal Remediation Technolo-gies Roundtable (FRTR, 2014).

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

(3) 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.

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

(5) Interstate Technology Regulatory Council (ITRC), 2009. Evaluating LNAPL Remedial Technologies for Achieving Project Goals. Prepared by Interstate Technology Regulato-ry Council LNAPLs Team.

(6) Battelle och Duke Energy, 2002. Surfactant Enhanced Aquifer Remediation
(SEAR) Design Manual. Washington, D.C. Technical Report TR-2206-ENV.
http://enviro.nfesc.navy.mil/erb/erb_a/restoration/technologies/remed/phys_chem/s
ear/tr-2206-sear.pdf.

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

(8) Interstate Technology Regulatory Council (ITRC), 2003. Technical and Regulatory Guidance for Surfactant/Cosolvent Flushing of DNAPL Source Zones. Prepared by In-terstate Technology Regulatory Council Dense Nonaqueous Phase Liquids Team.

(9) Strobak, L. 2000. National Network of Enviromental Management Studies Fellow for United States Environmental Agency (USEPA) Office of Solid Waste and Emergency Response Technology Innovation Offfice. http://clu-in.org/download/studentpapers/strbak_flushing.pdf