Stabilisering och solidifiering - fördjupning

För en kortare beskrivning se - Översiktlig metodbeskrivning

Tillämpning

Stabilisering/solidifiering tillämpas i första hand för efterbehandling av jordar, sediment och avfall som förorenats av metaller och andra oorganiska föroreningsämnen. I USA har metoden fått en bredare tillämpning än i Europa och tillämpas även för behandling av jordar och andra material som förorenats av persistenta och icke-volatila organiska föroreningar som t.ex. PCB, PAH och halogenerade pesticider.

Stabilisering/solidifiering kan tillämpas både in situ och på uppgrävda massor. Vid tillämpning in situ används metoden för behandling av källzoner med syfte att reducera eller stoppa en pågående föroreningsspridning. Metoden är bäst lämpad för behandling av relativt homogena jordar med dominerande innehåll av sand eller grus och låg andel lera och/eller organiskt material.

Den engelska termen för solidifiering/stabilisering är solidification/stabilization. Andra vanligt förekommande benämningar är encapsulation (solidifiering) och chemical fixation (stabilisering).

Status och historik

Metoden är etablerad och har förekommit både i Europa och Nordamerika sedan 1970-talet. Metodens kommersiella tillgänglighet är emellertid väsentligt högre i Nordamerika än i Europa.

Under perioden 1982-2002 tillämpades solidifiering/stabilisering vid sammanlagt 205 objekt inom det statliga amerikanska efterbehandlingsprogrammet Superfund (1). Av dessa avsåg 157 projekt ex situ-behandling och 48 projekt in situ-behandling. Sammantaget utfördes solidifiering/stabilisering i någon form vid närmare 25 % av efterbehandlingsobjekten inom Superfund under perioden 1982-2002. Vid 35 av de sammanlagt 205 objekten där stabilisering/solidifiering tillämpades utgjordes den dimensionerande föroreningen av PAH eller andra icke-halogenerade organiska ämnen. Vid 51 av objekten utgjordes den dimensionerande föroreningen av PCB eller organiska pesticider (1).

I Europa och i Skandinavien har metoden inte fått samma kommersiella genomslag som i USA. Metoden används dock aktivt både i Skandinavien och i övriga Europa. I Sverige har ett tiotal större efterbehandlingsprojekt utförts vilka involverat stabilisering/solidifiering av förorenade jordar eller sediment (2).

Behandlingsprinciper

Med solidifiering avses vanligen inkapsling av förorenade jordar eller avfall i lågpermeabla material, alternativt tillförsel av additiv som väsentligt reducerar den hydrauliska konduktiviteten inuti och runt det förorenade området. Amerikansk erfarenheter indikerar att en reduktion av det förorenade jordmaterialets hydrauliska konduktivitet till <1x10-8 m/s i allmänhet är tillräcklig för att hindra utlakning av inneslutna föroreningsämnen till omgivningsmiljön (3). Vid solidifiering sker inga kemiska reaktioner som omvandlar de ingående föroreningsämnena till mindre lakningsbara ämnen/ämnesformer. Däremot kan olika blandningsförfaranden som syftar till göra föroreningen mindre lakningsbenägen betraktas som en form av solidifiering. Ett exempel är s.k. bituminisering varvid det förorenade jordmaterialet blandas med upphettad bitumen eller asfalt. Uppvärmningen bidrar till att vattnet avdunstar från blandningen och en homogen och icke-lakningsbar bitumenprodukt uppstår i vilken föroreningen föreligger inkapslad (4).

Vid stabilisering tillförs ett eller flera additiv som reagerar med de föroreningsämnen som finns i jorden eller avfallet. Vid de kemiska reaktioner som inträffar omvandlas de ingående föroreningsämnena till mindre spridningsbenägna former/ämnen. Vid stabilisering av metallförorenade jordar är kemisk substitution, kemisk fällning och jonbytesprocesser vanligt förekommande. Metallföroreningar kan också fixeras genom t.ex. elektrostatisk bindning till partiklar, genom tillsats av pH-justerande additiv som t.ex. kalk och cement och genom att aktivt förändra redoxförhållandena i det förorenade området. StabiliseringenspH-höjandeeffektkan dock förvissametaller (anjoner), som t.ex.arsenik eller krom, ledatillökadutlakningvilketmåstebeaktasvidbehandling (5). Ändringen av pH kan även påverka i vilken form metallerna förekommer, något som är extra viktigt att kontrolera vid arsenik- och kromförorenade jordar. Vid stabilisering av organiska ämnen i jord och sediment är olika sorptionsprocesser dominerande. Exempel på additiv/bindemedel som tillsätts vid stabilisering är bentonit, cement, kalk, silikater och svavel. Vanligt förekommande additiv är även restprodukter som till exempel flygaskor från energiproduktion och slaggprodukter från stål- och metallbearbetningsindustrin. Även syntetiska polymermaterial kan användas vid stabilisering. Flera av de additiv som används vid stabilisering förekommer också vid solidifiering, därutöver används även bitumen och olika asfaltprodukter.

Det vanligaste additivet vid stabilisering/solidifiering av metallförorenade jordar in situ är cement. Cementinjektering leder i allmänhet både till kemiska reaktioner som ger minskad lakningsbenägenhet och till reducerad hydraulisk konduktivitet i det förorenade området. Injektering av cement kan således betraktas som en kombination av stabilisering och solidifiering. Den reducerade lakningsbenägenheten för vissa metaller beror främst på cementtillsatsens pH-höjande effekt, medan reduktionen i hydraulisk konduktivitet beror på att porutrymmena i marken ”täpps till” när cementblandningen härdar (4). Vid behandling av kvicksilverförorenad jord in situ är det vanligt att stabilisering och solidifiering kombineras genom att svavel inledningsvis tillsätts för att på kemisk väg binda kvicksilvret i form av sulfider. Därefter injekteras en cementslurry i det förorenade området för att minska jordmatrisens vatten- och gaspermeabilitet (5).

Tekniskt utförande

Vid tillämpningar av solidifiering/stabilisering in situ används vanligen borrutrustning, som t.ex. skruv- och augerborr, för att injektera lämpliga additiv direkt i det förorenade området. Additiven tillsätts i allmänhet i form av en slurry som efter injektionen långsamt härdar i jordmatrisen. Injektering med hjälp av konventionell borrutrustning kan utföras till mellan 5-30 meters djup. Ska injektering ske till större djup än 30 meter krävs i allmänhet specialanpassad borrutrustning för såväl håltagning som injektering (4).

skiss Stabilisering

Figur 1: Stabilisering/solidifiering av förorenad jord in situ med hjälp av injektering av lämpliga kemiska additiv. Injekteringen sker i detta fall med hjälp av augerborrutrustning. Illustration av Peter Harms-Ringdahl

Stabilisering/solidifieringpåuppgrävdamassorföregås i allmänhet av mekanisk separation varvid grövre fraktioner som sten,block och avfallsrester avskiljs från jordmaterialet. Där igenom erhålls ett mer homogent material, vilket underlättar den fortsatta behandlingsprocessen.Exempel på entreprenadutrustning som används vid stabilisering/solidifiering on site eller ex situ är matarband/transportband och homogeniseringsutrutsning som t.ex. cement- och betongblandare. Kammarfilter- eller silbandspress används ibland för att avvattna det förorenade materialet, antingen före tillsats av additiv eller efter tillsats av t.ex. en cement- eller bentonitslurry med högt vatteninnehåll.

Vanliga metodkombinationer

Stabilisering/solidifiering kan t.ex. utgöra en komplementmetod till jordtvättning och andra extraktionsmetoder där ett föroreningskoncentrat behöver omhändertas. Stabilisering av massor som överskrider gällande gränsvärden för när ett avfall ska betraktas som farligt avfall kombineras ofta med inneslutning/barriärteknik.

Projekteringaspekter

Projektering av åtgärdslösningar baserade på solidifiering och/eller stabilisering föregås i allmänhet av relativt omfattande laboratorie- och bänkskaleförsök för att utprova de utvalda additivens förmåga att antingen binda ingående föroreningsämnen eller väsentlig reducera det förorenade materialets hydrauliska konduktivitet. Laboratorie- och bänkskaleförsöken syftar också till att undersöka stabilisatets eller inkapslingens beständighet i ett långtidsperspektiv genom att simulera påverkan av t.ex. kyla, UV-ljus, uttorkning och nederbörd. Ett flertal mer eller mindre standardiserade laboratorie- och bänkskalemetoder föreligger för att undersöka möjligheten att framgångsrikt behandla ett förorenat material (avfall, jord, sediment m.m.) genom stabilisering/solidifiering. Metoderna som tillämpas kan delas upp i fysikaliska/ mekaniska testmetoder och kemiska testmetoder. Laboratorie- och bänkskaleförsöken inleds med att ett stabilisat tillverkas genom att det förorenade materialet blandasmed utvalda additiv. Försöken utförs därefter på färdighärdat stabilisat. De vanligaste fysikaliska/mekaniska test-metoderna är:

  • Permeabilitetstest i celltryckspermeameter (alternativt CRS-försök)
  • Hållfasthetstest genom t.ex. CRS- eller ödometerförsök
  • Beständighetstest genom att i klimatkammare eller naturlig miljö utsätta stabilisatet för upprepade frys- och töcykler, UV-ljus/solstrålning, vätning och uttorkning.

Exempel på kemiska testmetoder som tillämpas på färdighärdat stabilisat är bl.a.:

  • Lakförsök i form av kolonn- eller skakförsök
  • Ytutlakningsförsök
  • Syralakningsförsök
  • Analys av stabilisatets pH-värde och buffringskapacitet

Syftet med de kemiska laboratorieförsöken är främst att klarlägga additivens förmåga att binda/fixera ingående föroreningsämnen. De fysikaliska/mekaniska laboratorieförsöken utförs med syfte att fastställa additivens förmåga att reducera jordmatrisens hydrauliska konduktivitet och för att erhålla underlag för att bedöma stabilisatets eller inkapslingens beständighet i ett långtidsperspektiv. Det är viktigt klarlägga vilket tidsperspektiv som testerna avser, så att testerna representerar de krav som ställs på metoden.

Som underlag för att kunna projektera en efterbehandlingsåtgärd baserad på stabilisering/solidifiering in situ är det - utöver ovanstående information från laboratorie- och bänkskaleförsök - viktigt att föroreningens utbredning i yt- och djupled är noggrant kartlagd. Både vid tillämpning in situ och ex situ erfordras dessutom kunskap om det förorenade materialets kemiska sammansättning, kornstorlekssammansättning, organisk halt, vattenkvot och eventuellt avfallsinnehåll.

Behandlingsförutsättningar

Metoden används för behandling av såväl metallföroreningar som för tyngre organiska ämnen som t.ex. PAH och PCB, men är mindre lämpliga vid behandling av organiska föroreningar med hög andel flyktiga ämnen. Ler- och siltjordar, liksom jordar med hög organisk halt, är generellt mindre lämpade för solidifiering/stabilisering än sandjordar. I kallt klimat kan frostvittring reducera stabilisatets eller inkapslingens beständighet, vilket kan erfordra särskilda försiktighetsmått (övertäckningsåtgärder m.m.). Förekomst av avfallsrester och skrotfragment kan försvåra inblandningen av additiv både vid tillämpningar in situ och vid behandling av uppgrävda massor.

Eftersom metoden inte avlägsnar eller destruerar den behandlade föroreningen bör inte konventionella åtgärdsmål som baseras på halt- eller mängdreduktion i jord tillämpas. Åtgärdsmålen bör istället vara relaterade till föroreningens lakningsbenägenhet och möjligheten att t.ex. reducera pågående eller framtida exponering och föroreningsspridning till omgivande grund- eller ytvattenrecipienter.

Drift och uppföljning

Vid utförandet är det viktigt att de additiv som ska tillföras fortlöpande kontrolleras med avseende på volym, kemisk sammansättning och fysikaliska egenskaper som densitet och viskositet. Det gäller oavsett om inblandningen av additiv utförs in situ eller på uppgrävda massor. Efter inblandning av additiv behöver provtagning utföras med jämna mellanrum för att klarlägga stabilisatets härdningsgrad. Utvärdering av stabilisatets prestanda kan ofta ske genom en kombination av densitetsmätning och okulärbesiktning. I vissa fall kan laboratorieförsök för att fastställa lakningsbenägenhet och permeabilitetsegenskaper behöva utföras, se avsnittet projekteringsaspekter ovan.

I ett längre tidsperspektiv behöver stabilisatet eller inkapslingen följas upp både med avseende på lakningsegenskaper och fysikalisk beständighet. Den fysikaliska beständigheten kan utvärderas med hjälp av parametrar som sprickfrekvens, hållfasthet och permeabilitet. Även här kan en kombination av okulärbesiktning och laboratoriebestämningar tillämpas. Deponerade stabilisat brukar i allmänhet också följas upp med avseende på lakvattenkvalitet. Detta sker enklast med hjälp av konventionell lakvattenuppsamling från den yta där stabilisatet har deponerats. Lakvattnet provtas och analyseras med avseende på de föroreningsparametrar som kan förväntas föreligga i det stabiliserade eller inkapslade materialet. Det är viktigt att lakvattnet från stabilisatet kan separeras från eventuellt övrigt lakvatten från intilliggande deponi- eller avfallsanläggning.

Vid in situ-behandling kan grund- eller ytvattenprovtagning nedströms den stabiliserade markföroreningen tillämpas för att säkerställa att utlakningen av föroreningar har minskat eller upphört. Även vid in situ-behandling kan den behandlade jordens fysikaliska egenskaper behöva följas upp, t.ex. genom densitetsmätning in situ med hjälp av neutronsond eller genom slugtest för bestämning av hydraulisk konduktivitet.

Miljö- och hälsoaspekter

Hälso- och arbetsmiljöriskerna i samband med stabilisering/solidifiering utgörs bl.a. av den värmeutveckling som kan ske i samband med tillförsel av vissa additiv. Höga temperaturer kan leda till brännskador och inandning av hälsoskadliga gaser som avgår från stabilisatet. Inandning av hälsoskadligt damm/stoft i samband med tillblandning av additiv kan också utgöra en arbetsmiljörisk. Flertalet riskmoment kan emellertid förebyggas med relativt enkla åtgärder som t.ex. användning av andningsskydd i kombination med termo- och kemikalieresistenta arbetskläder.

Vid stabilisering/solidifiering av förorenade massor åtgår i regel stora mängder additiv/bindemedel vilket leder till volymökning. Stabilisatet tar således väsentligt mycket större plats än den ursprungliga volymen förorenade massor. Vid tillämpningar in situ ”reser sig” ofta markytan ovanför det stabiliserade området. Behandlas området ända upp till markytan behöver matjord tillsättas för att växtlighet ska kunna etableras, eftersom den behandlade jorden i praktiken blir steril. Stabiliseringens pH-höjande effekt kan för vissa metaller, som t.ex. arsenik eller krom, leda till ökad utlakning vilket måste beaktas vid behandling (5). Ändringen av pH kan även påverka i vilken form metallerna förekommer, något som är extra viktigt att kontrolera vid arsenik- och kromförorenade jordar.

Energi- och resursaspekter

Stabilisering/solidifiering är en i förhållande till flertalet andra efterbehandlingsmetoder energi- och resurskrävande metod. Merparten av energi- och resursförbrukningen sker emellertid i utförandeskedet. Används cement eller annat energikrävande additiv så bör även energiåtgången för att tillverka additativet beaktas. Efter avslutad stabilisering/ solidifiering är energi- och resursförbrukningen i stort sett försumbar. Den sammanlagda energi- och resursförbrukningen vid stabilisering/solidifiering kan reduceras om metoden tillämpas in situ istället för på uppgrävda massor ex situ. Vid tillämpning in situ minskar transportarbetet och utsläppen av klimatpåverkande gaser minimeras.

Kostnadsaspekter

Kostnaderna för solidifiering/stabilisering varierar inom ett relativt brett intervall beroende av bl.a. massornas kornstorlekssammansättning, föroreningsinnehåll, vatteninnehåll och organisk halt. Kostnaderna varierar också beroende av vilka additiv som används. Behovet och omfattningen av inledande bänkskaleförsök för att klarlägga stabilisatets lakningsbenägenhet och fysikaliska/kemiska beständighet påverkar också den samlade kost-nadsbilden.

För och nackdelar

Fördelar:

  • Väl beprövad metod med god kommersiell tillgänglighet
  • Kan vid in situ-behandling medföra förbättrad grundstabilitet i det behandlade området.
  • Stabiliserade massor kan under vissa förutsättningar återanvändas som fyllnadsmaterial.

Nackdelar:

  • Kan leda till en synlig volymökning i det behandlade området
  • Långtidsbeständigheten är inte känd i detalj. Stabilisat och inkapslingar kan med tiden vittra sönder eller spricka, vilket sammantaget innebär ett behov av kontinuerlig uppföljning över tiden.
  • Additivens pH-höjande effekt kan beträffande vissa metaller leda till ökad utlaknin.

Referenser

(1) United States Environmental Protection Agency (USEPA), 2004. Treatment Technologies for Site Cleanup: Annual Status Report (Eleventh Edition). EPA-542-R-03-009. February 2004.

(2) Holm, G m.fl., 2007: Stabilisering och solidifiering av förorenad jord och muddermassor - Lämplighet och potential för svenska förhållanden. Naturvårdsverket rap-port 5696.

(3) US Department of Defense, 2014: www.frtr.gov/ The Federal Remediation Technologies Roundtable (FRTR, 2014).

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

(5) Helldén, J., Juvonen, B., m.fl, 2006: Åtgärdslösningar-Erfarenheter och tillgängliga metoder. Naturvårdsverket rapport 5637.