Flerfasextraktion - fördjupad metodbeskrivning

För en kortare beskrivning se - Översiktlig metodbeskrivning

Tillämpning

Vid flerfasextraktion kombineras porgasextraktion med extraktion av förorening i vattenlöslig och fri fas. Den huvudsakliga skillnaden mot porgasextraktion är att grundvattenytan avsänks, antingen med hjälp av vakuumpump eller genom grundvattenpumpning med dränkbar pump. Därigenom görs även föroreningar i den övre delen av grundvattenzonen tillgängliga för porgasextraktion. I allmänhet tillämpas ett större undertryck/vakuum än vid konventionell porgasextraktion. En viktig del i behandlingskonceptet är extraktion och avskiljning/omhändertagande av fri produktfas.

Metoden används i huvudsak för behandling av petroleumförorenad jord och grundvatten och är särskilt väl lämpad för behandling av källzoner med inslag av fri fas. De jordarter som behandlas är vanligen jordarter med måttlig-hög genomsläpplighet, t.ex. sand och silt. Flerfasextraktion används även för behandling av andra typer av organiska föroreningsämnen som t.ex. klorerade lösningsmedel.

Flerfasextraktion är en översättning av den engelska termen multiphaseextraktion (MPE). På svenska benämns metoden även multifasextraktion. Andra vanligt förekommande benämningar är Dual Phase Extraction (tvåfasextraktion), Free Product Recovery, Vacuum-Enhanced Extraction, Liquid-Liquid Extraction och Bioslurping (1).

Status och historik

Flerfasextraktion har i USA tillämpats som efterbehandlingsmetod sedan 1990-talet, främst för behandling av petroleumförorenade områden med inslag av fri produktfas. Metoden är även relativt vanligt förekommande även för behandling av klorerade lösningsmedel. Enligt statistik från branschorganisationen State Coalition for Remediation of Drycleaners, SCRD. användes metoden vid cirka 12 % av samtliga grundvattensaneringar vid amerikanska kemtvättar finansierade av SCRD under 2007 (2). Metoden finns representerad i det statliga amerikanska efterbehandlingsprogrammet superfund. Under perioden 2005-2011 valdes flerfasextraktion som behandlingsmetod vid sammanlagt 9 föroreningsobjekt, vilket motsvarar cirka 7 % av samtliga efterbehandlingsobjekt inom superfund för vilka någon form av in situ-behandling avseende källzon beslutades (2). Det bör i sammanhanget understrykas att tillämpningen av in situ-behandling för källzoner generellt varit relativt hög inom superfundprojektet. Under perioden 1982-2011 har någon form av in situ-behandling utförts vid i storleksordningen 50 % av samtliga efterbehandlingsobjekt inom Superfund (1)(2).

Behandlingsprinciper

I det enklaste utförandet extraheras både vätska och porgas med hjälp av vakuumextraktion i en och samma brunnskonstruktion. Då enbart vakuumextraktion (ej grundvattenpumpning) tillämpas, är metoden begränsad till relativt ytligt liggande föroreningar. Ett effektivt undertryck för vätskeextraktion är inte möjligt att åstadkomma med vakuumpump på djup överstigande 9 meter (1). För att kunna åtgärda föroreningar på större djup än 9 meter kombineras en yttre extraktionsbrunn kopplad till en vakuumextraktionsanläggning med en inre pumpbrunn i vilken en dränkbar eller en pneumatisk pump installeras. Kombinationen yttre extraktionsbrunn/inre pumpbrunn används ofta även för föroreningar på mindre djup än 9 meter under markytan.

Med hjälp av pumpning via den inre pumpbrunnen avsänks grundvattenytan, varvid en större del av den mättade zonen görs tillgänglig för porgasextraktion. I pumpröret kan även en sugpump/skimmer för omhändertagande av fri produktfas ovanpå grundvattenytan installeras. I en och samma brunnskonstruktion omhändertas därmed fri fas, förorenad porgas och förorenat grundvatten.

Massreduktionen vid flerfasextraktion sker huvudsakligen via en eller flera av följande behandlingsmekanismer (4)(5):

  • Ökad mobilisering av fri fas genom det undertryck som skapas i anslutning till grundvattenytenivån.
  • Ökad avgång av VOC och semi-VOC, samt en ökad frisättning av fri fas, i de delar av den mättade zonen där grundvattenytenivån avsänks.
  • Ökad grundvattenomsättning som leder till att föroreningar i fri fas helt eller delvis löses i grundvattnet och därmed görs tillgängliga för pumpning och behandling.
  • Uttorkning av den kapillära zonen ovan grundvattenytan, så att denna zon blir åtkomlig och VOC kan avlägsnas snabbare därifrån.

Tekniskt utförande

Huvudkomponenterna i en anläggning för flerfasextraktion är (6):

  • Vakuumextraktionsanläggning för extraktion av både VOC/semi-VOC och vätska.
  • Dränkbar pump eller pneumatisk pump för avsänkning av grundvattenytan.
  • Sugpump/skimmer för extraktion av fri produktfas från grundvattenytan.
  • Gravitationsavskiljare med tillhörande lagringstank för fri produktfas.
  • Utrustning för vattenbehandling (kolfilterrening eller motsvarande).
  • Gasreningsutrustning för behandling av VOC-förorenad porgas (kolfilter, kondensation, katalytisk oxidation eller motsvarande).

skiss flerfarsextr

Figur 1: Principskiss flerfasextraktion baserad på porgasextraktion/vakuumextraktion, grundvattenbehandling och avskiljning av fri fas. Vid vakuumsatt brunn sänks inte grundvattenytan kring brunnen. Det hydrostatiska trycket är dock lägre kring vakuumbrunnen vilket skapar en tillrinning. Illustration av Peter Harms-Ringdahl

Beroende på hur behandlingssystemet utformas kan samtliga, eller endast några, av ovan redovisade komponenter finnas med. Används t.ex. två pumpar - en dränkbar pump och en skimmer/sugpump - är behovet av gravitationavskiljare mindre, eftersom den fria produktfasen separeras från vattenfasen redan i pumpbrunnen. Behovet av vattenbehandling kan också vara mer eller mindre stort, beroende av på vilket djup den dränkbara pumpen placeras. I vissa tillämpningar placeras den dränkbara pumpen på relativt stort djup under den s.k. diffusionszonen (den zon under grundvattenytan där alifater och monoaromater i vattenlöslig fas föreligger), och har då endast som uppgift att sänka av grundvattenytan och göra den mättade zonen tillgänglig för porgasextraktion. Vid dylika tillämpningar kan det pumpade grundvattnet, efter verifierande analys/kontroll, släppas direkt till recipient eller återinjekteras på annan plats i grundvattenakviferen utan föregående behandling. Placeras grundvattenpumpen ytligt i grundvattenmagasinet, i nivå med diffusionszonen, finns däremot ett relativt stort behov av kvalificerad vattenbehandling före återinjektering eller utsläpp till recipient.

Vanliga metodkombinationer

Flerfasextraktion utgör i sig en behandlingskombination där porgasextraktion, extraktion av fri fas och grundvattenpumpning kombineras.Det ökade luftlödet vid flerfasextraktion kan, liksom vid tillämpningar av de närbesläktade metoderna porgasextraktion och air sparging, leda till ökad syresättning och därmed ökad aerob biologisk nedbrytning i det förorenade området. Benämningen bioslurping syftar på att en biologisk behandlingskomponent föreligger då den övre delen av grundvattenzonen syresätts i samband med att grundvattenytenivån avsänks. Det är dock i dagsläget oklart hur stor betydelse för det slutliga behandlingsresultatet som den mikrobiella aktiviteten i behandlingsområdet har i samband med flerfasextraktion. Den huvudsakliga massreduktionen sker vanligen genom fysikalisk extraktion. Då metoden används i källzoner kan metoder som biologisk nedbrytning eller övervakad naturlig nedbrytning utgöra komplementmetoder för att åtgärda tillhörande föroreningsplymer.

Projekteringsaspekter

Föroreningens utbredning i yt- och djupled måste vara noggrant kartlagd innan ett behandlingssystem för flerfasextraktion projekteras. En konceptuell modell över föroreningssituationen och de hydrogeologiska förhållandena är ofta nödvändig. Övriga underlag som erfordras för projektering/design av in situ-behandling baserad på flerfasextraktion är uppgifter om:

  • Föroreningens koncentration och kemiska sammansättning.
  • Föroreningens ångtryck och Henrys lag konstant.
  • Föroreningens fasfördelning med fokus på andelen fri produktfas.
  • Föroreningsdjup med fokus på möjligheten att skapa ett tillräckligt undertryck.
  • Grundvattenytenivå och grundvattenytenivåns variation över tiden.
  • Grundvattenflöde med fokus på möjligheten att avsänka grundvattenytan.
  • Jordlagerföljd med fokus på permeabla och impermeabla zoner eller skikt.
  • Jordmatrisens egenskaper med avseende på vatteninnehåll/vattenkvot, porositet, hydraulisk konduktivitet och gaspermeabilitet.
  • Vid större efterbehandlingsprojekt baserade på flerfasextraktion 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 MOD-FLOW

För att projektera ett behandlingssystem i full skala behövs i allmänhet att ett inledande pilotskaleförsök genomförs med syfte att klarlägga följande parametrar:

  • Förväntad influensradie kring installerade extraktionsbrunnar.
  • Dimensionerande gasflöde och undertryck.
  • Dimensionerande vattenflöde.
  • Utprovning av gasreningssystem (kolfilter, anläggning för katalytisk oxidation och/eller kondenseringsanläggning).
  • Klarlägga behovet av vattenbehandling.
  • Utprovning av utrustning för avskiljande av fri fas samt vattenbehandling.

Det förekommer också att behandlingssystem för flerfasextraktion projekteras utan inledande pilotskaleförsök. Det gäller särskilt då föroreningsförhållandena, grundvattenförhållandena och jordlagrens fysikaliska egenskaper är väl kända. Föreligger osäkerhet beträffande metodens tillämpbarhet i det aktuella fallet bör emellertid ett pilotförsök utföras för dimensionering av erforderligt vakuum, pumpflöde och för utprovning av lämplig metodik för gas- och vattenrening.

flerfas pilot

Figur 2: Pilotförsök med flerfasextraktion av klorerade lösningsmedel vid f.d. Värnamotvätten, Värnamo kommun (foto: Johan Helldén)

Behandlingsförutsättningar

Eftersom metoden behandlar flera föroreningsfaser samtidigt (vätskefas, luftfas och fri fas) är den i mindre utsträckning än de närbesläktade metoderna air sparging och porgasextraktion, beroende av föroreningens fysikaliska egenskaper. I internationell efterbehandlingslitteratur brukar ett ångtryck överstigande 1 mm Hg (vid +20 oC) och en Henrys konstant överstigande 0,01 i dimensionslös form (vilket motsvarar >0,001 m3n/mol) anges som förutsättning för att såväl flerfasextraktion som porgasextraktion och air sparging ska fungera tillfredsställande (6). Vid flerfasextraktion kommer emellertid också föroreningar med ångtryck väsentligt lägre än 1 mm Hg att extraheras, främst via grundvattenpumpning och genom omhändertagande av fri fas. Metoden har således, i jämförelse med air sparging och porgasextraktion, en  bredare tillämpning, och fungerar vid behandling av såväl tyngre som lättare kolvätefraktioner. Optimala behandlingsförhållanden utgörs av jordlagerföljder med måttlig hydraulisk konduktivitet inom intervallet 10-5 – 10-7 m/s, t.ex. mellansand, grovmo och siltig sand (6). Flerfasextraktion kan erfarenhetsmässigt tillämpas även i grova isälvsavlagringar med höga grundvattenflöden. Metoden fungerar optimalt då djupet till föroreningen är mindre än 9 meter. Men i kombination med grundvattenpumpning är metoden tillämpbar även då föroreningen har en utbredning i djupled överstigande 9 meter.

Eftersom metoden delvis är baserad på vakuumextraktion av VOC och semi-VOC är metoden till viss del klimat- och temperaturberoende. Vid tillämpning i kallt klimat eller vintertid i tempererade zoner kan ett behov av att tillföra förvärmd luft för att forcera avgången av VOC/semi-VOC föreligga.

Åtgärdsmål och åtgärdskrav vid flerfasextraktion bör avse reduktion av föroreningsmängder i jord och grundvatten inom det behandlade området, och därigenom minskade halter. Eftersom metoden kan leda till uppkomst av nedbrytningsprodukter/metaboliter till följd av inducerad kemisk och biologisk nedbytning bör eventuella åtgärdsmål, utöver de primära föroreningsämnena, även omfatta möjliga metaboliter/nedbrytningsprodukter.

Drift och uppföljning

Behandlingsresultatet vid flerfasextraktion kan i huvudsak kontrolleras på följande sätt:

● Kvantitativ bestämning av mängden extraherad förorening.
● Uppföljande jordprovtagning inom det förorenade markområdet.
● Uppföljande porgasprovtagning inom det förorenade området.
● Uppföljande grundvattenprovtagning inom det förorenade området.

Mängden extraherade kolväten kan kvantifieras genom kombinerad VOC- och flödesmätning på extraherad porgas, bestämning av volymen extraherad fri fas och provtagning/analys av pumpat grundvatten före respektive efter eventuell filtrering/grundvattenbehandling.

Eftersom en viss risk för återkontaminering finns, främst från lågpermeabla zoner i kapillär- eller grundvattenzonen med innehåll av fri fas, bör efterkontroll utföras. I regel kan efterkontrollen pågå upp till ett år efter avslutad behandling. Efterkontrollen bör i första hand vara inriktad på grundvattenprovtagning, men även provtagning av porgas och jord bör ingå för att utesluta eventuella återkontamineringseffekter.

Miljö- och hälsoaspekter

Enstaka olyckshändelser med brand/explosion till följd av ansamling av enkla alkaner/alkener i rörledningar och cisternutrymmen vid tillämpningar av porgas- och flerfasextraktion finns rapporterade från bl.a. USA, Nederländerna och Danmark (7). Det är mot bakgrund därav viktigt att vid inledande porgasundersökningar alltid kontrollera porgasens specifika innehåll av enkla alkaner/alkener, vilka i blandning med luft kan orsaka brand och/eller explosion. För att minska denna risk ska därför plaströr förses med en jordlina så att inte statisk elektricitet uppstår. Gasvarningsutrustning i form av explosimeter eller IR-instrument bör vara installerade i slutna utrymmen som containrar och arbetsbodar där servicetekniker och maskinoperatörer tillfälligt vistas under behandlingsperioden.

Energi- och resursaspekter

Flerfasextraktion utgör en kombination av olika efterbehandlingsmetoder, främst porgasextraktion och grundvattenpumpning/behandling. Utrustning för att åstadkomma undertryck i omättad zon och i den kapillära zonen omedelbart ovanför grundvattenytan - i kombination med pumpanläggning och eventuell utrustning för vattenbehandling on site - svarar för mer än 75 % av energi- och resursförbrukningen i ett fullskaligt behandlingssystem för flerfasextraktion (8)(9). För mer information om hur energi- och resursförbrukning kan minimeras i samband med tillämpning av flerfasextraktion hänvisas till motsvarande avsnitt i teknikbeskrivningarna rörande porgasextraktion (länk porgasextraktion) och grundvattenpumpning och behandling (länk grundvattenpumpning och behandling).

Kostnadsaspekter

Kostnaderna för flerfasextraktion varierar inom ett relativt brett intervall beroende av bl.a. föroreningsdjup, föroreningshalter, grundvattenytenivå, gaspermeabilitet i omättad/mättad zon, behov av kvalificerad vattenbehandling och omhändertagande av fri fas, behov av pumpning för grundvattenavsänkning m.m. Kostnaden fördelas relativt jämnt mellan installations- och etableringsfasen och den efterföljande driftfasen.

För- och nackdelar

Fördelar

  • Metoden är väl beprövad och har hög kommersiell tillgänglighet.
  • Metoden förmår att samtidigt åtgärda ämnesgrupper med hög volatilitet och låg volatilitet. Det innebär att metoden får en väsentligt bredare tillämpning än de närbesläktade metoderna porgasextraktion, air sparging och grundvattenpumpning och behandling.

Nackdelar

  • Metoden är primärt anpassad till att åtgärda föroreningar av LNAPLs, belägna ovanpå eller i nära anslutning till grundvattennivån. Metoden har därför begränsad användbarhet vid behandling av föroreningar med dominerande innehåll av DNAPLs.
  • Det ökade luftflödet som uppstår i både mättad och omättad zon vid flerfasextraktion kan inhibera nedbrytningen av ett flertal klorerade kolväten, bl.a. tetrakloreten och tetrakloretan.

Referenser

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

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

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

(6) US EPA, 1999: Multi-Phase Extraction: State-of-the-practice. EPA-542-R-99.

(7) Miljöstyrelsen (2003): ”Evaluering af teknologiprogram för jord- och grundvandsforurening.” Miljöprojekt nr. 751 2003. Teknologiudveklingsprogrammet for jord- og grundvandsforurening.

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

(9) US EPA, 2010: Green remediation best management practices. Soil vapor extraction and air sparging. EPA 542-F-10-007, March 2010.