Övervakad naturlig nedbrytning - fördjupning

Tillämpning

Metoden tillämpas främst för behandling av organiska restföroreningar i grundvattenzonen, både i källzon och i spridningsplym. Exempel på organiska föroreningar för vilka metoden tillämpas är petroleumkolväten med hög andel VOC och semi-VOC, och klorerade lösningsmedel. Även metallföroreningar kan vara lämpliga att åtgärda med hjälp av övervakad naturlig självrening. En förutsättning för att metoden ska komma ifråga är att en naturligt förekommande nedbrytnings- eller självreningsprocess kan verifieras. Vid behandling av petroleumkolväten, t.ex. vid oljedepåer och drivmedelsanläggningar, är det relativt vanligt att hot-spots med höga föroreningshalter har grävts bort eller på annat sätt åtgärdats, innan metoden tillämpas. Beträffande klorerade lösningsmedel utgör övervakad naturlig självrening nedströms källzonen nästan alltid ett komplement till aktiva åtgärdsinsatser som t.ex. biostimulering. Övervakad naturlig självrening kan enbart tillämpas vid objekt där det inte föreligger något behov av akuta saneringsinsatser.

Vanliga internationellt förekommande benämningar på metoden är monitored natural attenuation (MNA) och intrinsic remediation. I Sverige används även benämningen naturlig nedbrytning.

Status och historik

Metoden har förekommit sedan mitten av 1990-talet, men har fått sitt kommersiella genomslag främst under 2000-talet. Under perioden 1982-2002 tillämpades metoden vid <3 % av samtliga saneringsobjekt inom ramen för det statliga amerikanska efterbehandlings-programmet superfund (1). Under perioden 2005-2011 tillämpades metoden vid 30 % av de superfundobjekt där någon form av grundvattenbehandling utfördes (2). Även om metoden i USA har fått ett relativt stort genomslag vid behandling av klorerade lösningsmedel inom superfund används metoden förhållandevis sällan vid efterbehandling av klorerade ämnen vid kemtvättar. Enligt statistik från branschorganisationen State Coalition for Remediation of Drycleaners, SCRD, användes metoden för efterbehandling av föroreningar i omättad zon vid sammanlagt 2 av totalt 129 efterbehandlingsobjekt finansierade av SCRD under 2007 (3). Metoden användes enligt SCRDs statistik inte i något fall där grundvattenbehandling ingick (3).

I Europa har metoden inte fått samma kommersiella genomslag som i USA, men metoden har tillämpats vid ett flertal objekt och betraktas allmänt som en kostnadseffektiv komple-mentmetod till aktiva åtgärdsinsatser (4). I Sverige har metoden bl.a. tillämpats av SPIMFAB för behandling av petroleumförorenat grundvatten vid ett par nedlagda bensinstationer (5).

Behandlingsprinciper

Den dominerande behandlingsmekanismen vid tillämpning inom områden där petroleumkolväten eller klorerade lösningsmedel utgör dimensionerande föroreningsämnen är naturlig biologisk nedbrytning. Processerna är i stort sett de samma som tillämpas vid biostimulering in situ, d.v.s. aerob och anaerob respiration samt biotisk reduktiv de-halogenering eller halorespiration (se länk biostimulering in situ). För VOC är även förångning en viktig behandlingsmekanism. För att naturlig biologisk nedbrytning ska förekomma måste miljöbetingelserna vara optimala. För aerob nedbrytning krävs tillgång på syre, näringssubstrat och mikroorganismer. Vid anaerob nedbrytning måste något annat ämne än syre fungera som eletronacceptor, t.ex. kväve eller svavel. Både vid aeroba och anaeroba förhållanden finns en risk att föroreningshalterna är så pass höga att de mikroorganismer som katalyserar nedbrytningsprocessen inte kan överleva, varvid den naturliga nedbrytningsprocessen avstannar.

För tyngre organiska ämnen och för metaller utgör fastläggning/sorption den dominerande reningsmekanismen. Fastläggning av metaller sker i allmänhet genom elektrostatisk bindning till jordpartiklar, medan hydrofoba organiska ämnen i stor utsträckning binds till organiskt kol som föreligger naturligt i jordmatrisen. För spridningsplymer av metaller och svårnedbrytbara organiska ämnen spelar också utspädning en stor roll för haltutvecklingen. Utspädningen ökar med avståndet från källzonen och i de fall läckaget av föroreningar från källzonen kan kvantifieras går det i allmänhet att med hjälp av grundvattenmodellering eller relativt enkla manuella beräkningar förutsäga föroreningshalterna på olika avstånd från källzonen.

overvakad nat

Figur 1: Övervakad naturlig självrening inkluderar flera processer varav biologisk nedbrytning i allmänhet utgör den dominerande. Andra processer som bidrar till naturlig föroreningsreduktion är fastläggning, förång-ning och dispersion/utspädning. Illustration av Peter Harms-Ringdahl

Teknisk beskrivning

Övervakad naturlig självrening kan snarare beskrivas som en åtgärdsstrategi än som en åtgärdsteknik. I ett inledande steg genomförs en grundlig utredning för att verifiera och klarlägga eventuella naturligt förekommande nedbrytningsprocesser och/eller andra fysikaliska mekanismer (fastläggning, förångning, utspädning m.m.). De inledande stegen brukar bl.a. innefatta (5)(6):

  • Kemiska analyser av grundvatten och jord för att påvisa en eventuell nedåtgående haltutveckling av en eller flera föroreningsparametrar.
  • Porgasprovtagning inkluderande analys av syre, koldioxid och metan för att påvisa pågående aerob eller anaerob nedbrytning.
  • Analys av grundvattenakviferens organiska innehåll samt grundvattnets innehåll av mikroorganismer, näringsinnehåll och andelen löst syre.
  • Geokemisk karakterisering av den aktuella grundvattenakviferen.      
  • Analys av kornstorleksfördelning och andra parametrar av betydelse för jordmatrisens sorptionsegenskaper.
  • Hydrogeologiska tester för kvantifiering av grundvattenflöde och bedömning av utspädningsförhållanden.
  • Datamodellering och beräkningar för att utifrån insamlade fält- och analysdata utvärdera de naturligt förekommande reduktionsprocessernas reningseffektivitet i ett längre tidsperspektiv.

Ovan genomförda undersökningsinsatser kan antingen resultera i att övervakad naturlig självrening inte anses tillämpbar för det aktuella området, eller att ett beslut om att gå vidare med metoden fattas. Anses metoden vara tillämpbar, d.v.s. en eller flera naturligt förekommande processer som bidrar till signifikant haltreduktion över tiden har verifierats, upprättas ett detaljerat övervaknings- och uppföljningsprogram. Övervakningsprogrammet bör som en miniminivå inkludera kemiska analyser av jord och grundvatten för att verifiera pågående haltreduktion. Provtagning bör ske i ett flertal punkter på olika avstånd från föroreningskällan och på olika nivåer i grundvattenmagasinet. Programmet kan också inkludera provtagnings- och fältanalysmetoder som syftar till att indirekt säkerställa att en tidigare indikerad biotisk nedbrytningsprocess fortfarande pågår, t.ex. porgasprovtagning med avseende på metan, koldioxid och syre, eventuellt i kombination med analyser av grundvattnets innehåll av koldioxid och löst syre. Av övervakningsprogrammet bör också framgå vilka åtgärder och/eller försiktighetsmått som ska vidtas om uppföljande provtagningar/analyser indikerar att en eller flera naturligt förekommande haltreduktionsprocesser avklingat eller upphört.

Vanliga metodkombinationer

Övervakad naturlig självrening utgör ofta en komplementmetod som tillämpas först sedan merparten av föroreningskällan avlägsnats, t.ex. genom urgrävning/schaktsanering eller annan behandlingsmetod. Metoden kan också användas i kombination med andra behandlingsmetoder som t.ex. stimulerad biologisk in situ-behandling. Ett vanligt exempel är grundvattenbehandling vid nedlagda kemtvättar där naturligt förekommande reduktiv deklorering av tetrakloreten påvisats och där stimulerad aerob biologisk nedbrytning kan tillämpas för att bryta ned de metaboliter (t.ex. di- och trikloreten) som uppkommer då tetrakloreten på ”naturlig väg” bryts ned.

Projekteringsapekter

Föroreningens utbredning vertikalt och horisontellt måste vara noggrant kartlagd för att prognoser avseende framtida haltreduktion ska kunna upprättas. Geologisk och hydro-geologisk information om området behöver tas fram för att identifiera spridningsvägar respektive spridningsbarriärer och för att bedöma förutsättningarna för fastläggning och utspädning. I avsnittet teknisk beskrivning ovan redovisas merparten av de undersökningsmoment som behöver utföras för att verifiera en pågående haltreduktionsprocess i det aktuella förorenade området. En viktig del av projekteringsarbetet är datamodellering för att bedöma de verifierade reningsprocessernas uthållighet över tiden och för att beräkna till vilken haltnivå som föroreningsreduktionen kan förväntas ske. Ett flertal beräkningsverktyg finns framtagna för detta ändamål, bl.a. av det amerikanska Naturvårdsverket, USEPA (7)

Behandlingsförutsättningar

Naturlig övervakad nedbrytning är i första hand tillämplig på restföroreningar och på spridningsplymer nedströms källzonen. En större föroreningskälla i mättad eller omättad zon är i regel inte lämplig att angripa med naturlig övervakad nedbrytning. För att metoden ska vara framgångsrik bör bl.a. följande kriteria vara uppfyllda (4):

  • Inget akut behov av efterbehandlingsåtgärder får föreligga.
  • Inga skyddsobjekt (t.ex. dricksvattenbrunnar och bostäder) bör föreligga i närheten av den aktuella föroreningen eller inom den aktuella jord- och grundvattenföroreningens påverkansområde.
  • Inga skyddsobjekt (t.ex. dricksvattenbrunnar och bostäder) planeras att i närtid anläggas inom den aktuella jord- och grundvattenföroreningens påverkansområde.
  • Om behandlingen avser en spridningsplym är det viktigt att utsläppet/läckaget från källzonen till spridningsplymen sker i begränsad omfattning så att de naturliga nedbrytnings- eller fastläggningsprocesserna ”hinner med” att reducera föroreningshalterna till acceptabla nivåer.
  • Framtida uppföljning/övervakning får inte begränsas av ekonomiska och administrativa faktorer eller av en förändrad markanvändning.

Under rätt miljöbetingelser bedöms övervakad naturlig självrening kunna leda till reducerade föroreningsmängder och föroreningshalter i grundvattenoch jord, framförallt i en en föroreningsplym eller i en restförorening efter tidigare genomförda åtgärdsinsatser. Åtgärdsmål och åtgärdskrav kan avse såväl föroreningsmängd inom det behandlade området som halterna i grund- eller ytvatten nedströms det behandlade området.

Drift och uppföljning

Långtidsuppföljning bör ske genom periodiskt återkommande provtagning och analys av grundvatten (t.ex. årsvis eller halvårsvis) tills dess fastställda åtgärdsmål har uppnåtts. Beroende av den aktuella föroreningssituationen kan även periodiskt återkommande provtagning och analys av jord, porgas och ytvatten vara nödvändig att utföra. Ett långsiktigt övervakningsprogram ska upprättas och sanktioneras av berörd tillsynsmyndighet. Eftersom ett efterbehandlingsprojekt baserat på övervakad naturlig självrening kan pågå i flera år, i vissa fall decennier, är det viktigt att administrativa rutiner upprättas så att uppföljningsprogrammet alltid finns aktuellt och tillgängligt hos såväl berörd tillsynsmyndighet som ansvarig verksamhetsutövare. Övervakningsprogrammet ska under behandlingsperioden i första hand säkerställa att (6):

  • Mätbara nedbrytnings- och/eller reduktionshastigheter stämmer överens med de beräknade. (Vid avvikelse ska rutiner finnas för att vidta lämpliga åtgärder och/eller försiktighetsmått).
  • Betingelserna för naturlig självrening inte nämnvärt förändras över tiden.
  • ”Självrening” fortgår och att de geokemiska förhållandena inte nämnvärt förändras över tiden.

Miljö- och hälsoaspekter

Övervakad naturlig självrening förknippas inte med några större hälso- eller arbetsmiljörisker. Metoden orsakar inte heller några nämnvärda omgivningsstörningar. Under vissa förhållanden kan ofullständig nedbrytning av klorerade lösningsmedel leda till ackumulering av nedbrytningsprodukter som är mer toxiska än den ursprungliga föroreningen. Kloreten och dikloreten, som båda utgör nedbrytningsprodukter vid ofullständig nedbrytning av tetrakloreten, anses t.ex. vara mer toxiska än modersubstansen. Övervakningsprogrammet för naturlig självrening ska därför utformas så att även förekomsten av eventuella toxiska metaboliter fortlöpande undersöks (8).

Energi- och resursaspekter

Övervakad naturlig nedbrytning betraktas i jämförelse med andra efterbehandlingsåtgärder som en metod med låg energi- och resursförbrukning. Vid installation av kontrollbrunnar och annan övervakningsutrustning kan tung geoteknisk borrutrustning eller entreprenadmaskiner behöva nyttjas, vilket innebär en viss energiåtgång. Under övervakningsskedet behöver personal med jämna mellan rum besöka platsen för provtagning och fältobservationer, vilket innebär transporter.

Kostnadsaspekter

Den största kostnadsposten vid tillämpningen av övervakad naturlig självrening utgörs i allmänhet av inledande undersökningsarbeten för att verifiera att naturliga nedbrytnings-processer eller andra haltreduktionsprocesser förekommer inom det förorenade området. Under uppföljningsperioden kan kostnaderna i normalfallet ”stanna” på en relativt måttlig eller låg nivå. Det är viktigt att den ansvarige verksamhetsutövaren i samråd med berörd tillsynsmyndighet noggrant går igenom vilka behandlingsalternativ som föreligger och väger kostnad/nytta med att genomföra övervakad naturlig självrening i relation till andra aktiva åtgärdslösningar.

För- och nackdelar

Fördelar

  • Metoden är relativt lätt att genomföra, men omfattande undersökningar och modelleringsarbeten kan erfordras i det inledande skedet för att bedöma metodens användbarhet
  • Kan användas tillsammans med eller som uppföljning av andra (aktiva) behandlingsåtgärder (8)

Nackdelar

  • Massreduktion uppnås, men den är mycket långsam jämfört med aktiva behandlingsmetoder. Lång tid krävs normalt för att uppsatta åtgärdsmål ska uppnås.
  • Hydrogeologiska och geokemiska förhållandena kan förändras med tiden och leda till ökad mobilitet och/eller försämrade förutsättningar för nedbrytning (8).

Referenser

(1) USEPA, 2003: Superfund remedial actions: Source control treatment projects (FY 1982-2002).

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

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

(4) Declercq, I., V. Cappuyns, and Y. Duclos, 2012. Monitored Natural Attenuation (MNA) of Contaminated Soils: State of the Art in Europe — A Critical Evaluation. Sci-ence of the Total Environment 426:393-405.

(5) Larsson, L & Lind, B., 2004: Naturlig självrening av petroleumförorenade markområ-den-Vägledning. Statens Geotekniska Institut, Varia 541:1

(6) Törneman, N m.fl., 2009. Övervakad Naturlig Självrening som åtgärdsstrategi på föro-renade område. Naturvårdsverket rapport 5893. http://www.naturvardsverket.se/Documents/publikationer/978-91-620-5893-7.pdf

(7) US Department of Defense, 2014: www.frtr.gov/ The Federal Remediation Technolo-gies Roundtable (FRTR, 2014). http://www.frtr.gov/matrix2/section4/4-32.html

(8) Englöv, P m.fl., 2007: Klorerade lösningsmedel-Identifiering och val av efterbehand-lingsmetod. Naturvårdsverket rapport 620-5663.