Porgasextraktion - fördjupning

För en kortare beskrivning se - Översiktlig metodbeskrivning

Tillämpning

Porgasextraktion är en in situ-behandlingsmetod som främst tillämpas för behandling av VOC-förorening i permeabla jordar i den omättade zonen. I Europa och Skandinavien tillämpas metoden oftast vid efterbehandling av förorenade drivmedelsanläggningar där konventionella gräv- och schaktmetoder av olika orsaker är svåra att använda, t.ex. då jordföroreningen är lokaliserad under befintlig bebyggelse eller i omedelbar anslutning till pågående verksamhet. Metoden ingår också som en del i behandlingskonceptet multifasextraktion/flerfasextraktion och vanligtvis även som komplementmetod till air sparging och termisk behandling. I USA har metoden delvis fått en bredare tillämpning än i Europa och används relativt frekvent även vid efterbehandling av områden som förorenats av flyktiga klorerade alifater, t.ex. vid kemtvättar och ytbehandlingsindustri.

Porgasextraktion är en icke-vedertagen översättning av engelskans soil vapor extraction (SVE). Andra benämningar på metoden är in situ soil venting, in situ volatilization, enhanced volatilization och soil vacuum extraction.

Status och historik

Porgasextraktion har i USA tillämpats som efterbehandlingsmetod sedan slutet av 1980-talet. Metoden är etablerad och har i Europa främst kommit att tillämpas vid behandling av jord i omättad zon som förorenats av drivmedel/bränslen med hög andel VOC. I Sverige har ett flertal fullskalebehandlingar med porgasextraktion utförts, främst avseende petroleumförorenad jord vid nedlagda bensinstationer, men också i samband med efterbehandling av jord som förorenats av organiska lösningsmedel vid t.ex. metall- och ytbehandlingsindustri.

Metoden fick sitt kommersiella genomslag i USA i slutet av 1980-talet, främst som ett kostnadseffektivt behandlingsalternativ till konventionella gräv- och schaktsaneringsmetoder i samband med genomförandet av det nationella efterbehandlingsprogrammet LUST (Leakage Underground Storage Tanks). Porgasextraktion har också fått stort genomslag i det statliga amerikanska efterbehandlingsprogrammet superfund och tillämpades under perioden 1982-2002 vid sammanlagt 213 föroreningsobjekt, vilket motsvarar 58 % av samtliga marksaneringsobjekt inom superfund för vilka någon form av in situ-behandling avseende källzon beslutades (1). Under perioden 2005-2011 valdes porgasextraktion som behandlingsmetod vid sammanlagt 57 föroreningsobjekt, vilket motsvarar 43 % av samtliga efterbehandlingsobjekt inom superfund för vilka någon form av in situ-behandling avseende källzon beslutades (2). 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 (1)(2).

Enligt statistik från den nordamerikanska branschorganisationen State Coalition for Remediation of Drycleaners (SCRD) var porgasextraktion under 2007 den vanligaste efterbehandlingsmetoden för lösningsmedelsförorenad jord i omättad zon vid förorenade kemtvättar. Metoden tillämpades vid sammanlagt 58 föroreningsobjekt, vilket motsvarar 45 % av samtliga efterbehandlingsobjekt avseende omättad zon finansierade av branschorganisationen SCRD (3).

Av samtliga avslutade SPIMFAB-objekt i Sverige hade porgasextraktion vid årsskiftet 2005/2006 tillämpats som primär efterbehandlingsmetod vid sammanlagt 18 st eller cirka 5 % (4).

Behandlingsprinciper

Vid porgasextraktion skapas ett undertryck i den omättade zonen genom att porgas pumpas/extraheras via ett antal extraktionsbrunnar med perforeringen lokaliserad över grundvattenytenivån. Undertrycket medför att luft passivt ”sugs in” från omgivande markområden samt från atmosfären, vilket i sin tur leder till ett ökat massflöde av föroreningar via porsystemet. Föroreningsreduktionen bedöms i huvudsak ske genom förångning, vilken i sin tur kan delas in i följande tre processer:

  • Direkt volatilisering
  • Stripping
  • Avdunstning från fri produktfas

Direkt volatilisering innebär att VOC bundna till jordpartiklar desorberas och avgår direkt i gasfas. Vid stripping förångas VOC som föreligger lösta i porvattnet. Avdunstning från fri produktfas innebär att VOC extraheras i form av gas eller vätskedroppar från ansamlingar av fri vätskefas i porsystemet. Masstransport betingad av det undertryck som tillskapas i extraktionsbrunnarna utgör den dominerande transportmekanismen för föroreningarna. Diffusionsbetingad transport är generellt av underordnad betydelse eftersom porgasextraktion nästan uteslutande tillämpas på relativt permeabla jordar.

Utöver den fysikaliskt betingade föroreningsreduktionen kan det ökade luftflödet via porsystemet leda till ökad syresättning av den omättade zonen. Därigenom kan betingelserna för aerob biologisk nedbrytning förbättras. En lång rad erfarenheter tyder dock på att enbart syresättning är otillräcklig för att stimulera en pågående naturlig biologisk nedbrytningsprocess. I allmänhet krävs även tillförsel av näringsämnen (5).
Extraherad porgas kan renas från sitt VOC-innehåll med hjälp av främst följande tre processer (6)(7):

  • Katalytisk oxidation
  • Filtrering via granulärt aktivt kol (GAC-filter)
  • Kondensation

Vid katalytisk oxidation oxideras de extraherade gaserna i en katalysator inom temperaturintervallet 300-550 ̊C. Slutprodukterna vid katalytisk oxidation är koldioxid och vatten, vilka avgår till atmosfären. Vid gasrening med hjälp av filtrering via granulärt aktivt kol (GAC-filter) adsorberas VOC-föroreningen i det aktiva kolets porsystem. Kolfiltret måste antingen bytas eller regenereras då det uppnått mättnadsgrad. Kondensation kan i detta sammanhang innebära två olika gasreningsprocesser: gravimetrisk avskiljning av fri produktfas i trycktank/kondensor som gasen får passera innan den filtreras i kolfilter (eller destrueras genom katalytisk oxidation), eller att förvärmd kvävgas som passerar genom det mättade kolfiltret kyls och komprimeras varvid desorberade föroreningar kan avskiljas (6)(7).

Tekniskt utförande

Undertrycket skapas med hjälp av en eller flera fläktar eller med hjälp av vakuumpump/luftpump som placeras i container ovanför markytenivån, se Figur 1 och 2 nedan.

Extraktionsbrunnar kan behöva installeras med relativt litet avstånd. Även i genomsläppliga och homogena jordar kan erfarenhetsmässigt en extraktionsbrunn per 100 kvadratmeter erfordras. Vid höga grundvattennivåer kan installation av horisontella extraktionsrör/dräner övervägas för att effektivisera VOC-extraktionen från den omättade zonen. Det kan då även vara nödvändigt att täcka över markytan för att extraktionen av porgas ska fungera effektivt.

En anläggning för porgasextraktion består av följande huvudkomponenter (7):

  • Extraktionsbrunnar med tillhörande avvattningsanläggning/kondensor
  • Vakuumpump och/eller vakuumfläkt
  • Kalibrerade tryckgivare/piezometrar för bestämning av undertryck/vakuum i den omättade zonen på olika avstånd från respektive extraktionsbrunn.
  • Gasreningsfilter vanligen baserat på granulärt aktivt kol (GAC), alternativt anläggning för katalytisk oxidation.
  • Kalibrerade luftflödesmätare.
  • Utrustning för kontinuerlig provtagning och analys av extraherad porluft (t.ex. halogenspecifik detektor eller detektorer baserade på fotojonisation respektive flamjonisation).

skiss porgasextraktion

Figur 1: Principfigur. Konventionellt system för porgasextraktion med gasreningsutrustning. Porgas extraheras via vertikala extraktionsbrunnar i den omättade zonen. Illustration av Peter Harms-Ringdahl

 

vakuumext anlaggning

Figur 2: Anläggning för porgasextraktion vid efterbehandling av drivmedelsförorenad jord i anslutning till f.d. F18, Tullinge flygflottilj. I det aktuella fallet var jorden förorenad av främst BTEX och enkla alifater härrörande från utsläpp av reabensin 77. Anläggningen är försedd med gasreningsutrustning baserad på katalytisk oxidation. (Bild: Försvarsmakten/Högkvarterets miljöavdelning).

Vanliga metodkombinationer

Porgasextraktion förekommer ofta som komplementmetod till air sparging och termisk behandling in situ för insamling och behandling av avdrivna kolväten. Porgasextraktion ingår även som en del av behandlingskonceptet flerfasextraktion.

Projekteringsaspekter

Föroreningens utbredning i yt- och djupled måste vara noggrant kartlagd innan ett behandlingssystem för porgasextraktion projekteras. Övriga underlag som erfordras inför projektering/design av in situ-behandling baserad på porgasextraktion är uppgifter om:

  • Föroreningens koncentration och kemiska sammansättning
  • Föroreningens ångtryck och Henrys konstant.
  • Föroreningens vattenlöslighet och log Kow värde
  • Förekomst av fri produktfas
  • Nivå på grundvattenyta
  • Jordlagerföljd med fokus på permeabla och impermeabla zoner eller skikt
  • Jordmatrisens egenskaper med avseende på vatteninnehåll/vattenkvot, porositet, hydraulisk konduktivitet och gaspermeabilitet.

För att projektera ett behandlingssystem i full skala baserat på porgasextraktion erfordras att ett inledande pilotskaleförsök genomförs med syfte att klarlägga bl.a. följande parametrar:

  • Förväntad influensradie kring installerade extraktionsbrunnar
  • Dimensionerande flöde och undertryck.
  • Utformning av extraktionsbrunnar
  • VOC-halter och VOC-sammansättning i extraherad porgas
  • Utprovning av gasreningssystem (kolfilter, anläggning för katalytisk oxidation och/eller kondenseringsanläggning).

Pilotförsök utförs i allmänhet med hjälp av en installerad extraktionsbrunn och ett antal tryckgivare/piezometrar som installeras på olika avstånd kring extraktionsbrunnen. Genom att mäta tryckförändringen i installerade tryckgivare vid applicering av olika undertryck och porgasflöden kan extraktionsbrunnens influensradie fastställas. Därutöver kan även porgasssonder behöva installeras för att klarlägga hur VOC-halterna varierar i den omättade zonen i samband med att porgas extraheras. En tumregel brukar vara att ett pilotskaleförsök bör pågå tills 1-2 porvolymer luft har omsatts inom den del av det förorenade området som pilotskaleförsöket omfattar (6).

Behandlingsförutsättningar

För att porgasextraktion ska fungera effektivt erfordras att ingående föroreningskomponenter har ett ångtryck överstigande >1 mmHg (>133 Pa) vid +20 ̊C och en Henrys konstant överstigande 0,01 i dimensionslös form, vilket motsvarar >0,001 m3n/mol (6). Även jordmatrisens vatteninnehåll utgör en begränsande faktor. Vid en vattenkvot överstigande 20 % uppstår svårigheter att extrahera flyktiga organiska föreningar med hög vattenlöslighet (t.ex. aceton, fenoler och alkoholer). Metoden är också temperaturberoende eftersom föroreningsämnenas ångtryck minskar med sjunkande temperatur. Vid tillämpning vintertid eller i kallt klimat erfordras tillsats av förvärmd luft vilket i allmänhet leder till ökade efterbehandlingskostnader.
Enligt litteraturdata bör jordmatrisens hydrauliska konduktivitet inte vara lägre än 1 x 10-5 m/s för att fysikaliska extraktionsmetoder som avdrivning och förångning ska fungera tillfredsställande (5). Det innebär att t.ex. grovmo/finsand, liksom flertalet moränjordar, utgör ”gränsfall” ur behandlingssynpunkt. Vidare bör relativt homogena förhållanden vad avser gaspermeabilitet råda inom det område som ska behandlas. T.ex. försvåras behandlingen avsevärt vid varviga jordlagerföljder med växelvis förekomst av finkorniga och grovkorniga skikt/lager (4).

Åtgärdsmål/åtgärdskrav vid porgasextraktion bör avse reduktion av föroreningsmängden i både jord (fastfas) och i porgas, och därigenom även sänkta halter. Den ökade syresättningen i omättad zon som uppkommer till följd av att porgas extraheras leder ofta till biologisk nedbrytning i form av aerob respiration. Mot bakgrund därav bör uppsatta åtgärdsmål, utöver de primära föroreningarna, även omfatta förekomsten av eventuella nedbrytningsprodukter/metaboliter.

Drift och uppföljning

Behandlingsresultatet vid vakuumextraktion kan i huvudsak kontrolleras på följande sätt:

  • Kvantitativ bestämning av mängden extraherad förorening
  • Uppföljande provtagning inom det förorenade markområdet
  • Uppföljande porgasprovtagning inom det förorenade området.

Mängden extraherade kolväten kan kvantifieras genom kombinerad VOC- och flödesmätning på extraherad porgas. Jordprovtagning utförs inom det behandlade markområdet efter avslutad (eller tillfälligt avbruten) behandling. VOC-mätning på extraherad luft kan kombineras med VOC-mätning via porgassonder installerade inom det förorenade området. Uppföljande VOC-mätning under saneringsarbetets gång ger en relativt god uppfattning om metodens tillämpbarhet för den aktuella föroreningssituationen, behov av eventuella justeringar i design och utförande m.m.
VOC-innehållet i installerade porgassonder och i extraherad porgas kan mätas direkt i fält med hjälp av fotojonisationsdetektor, flamjonisationsdetektor, halogenspecifik detektor och/eller Electron Capture Detector (GC-ECD). Vilken detektor eller kombination av detektorer som används i det specifika fallet avgörs utifrån kännedom om föroreningens VOC-sammansättning. Verifierande adsorbentprover för efterföljande laboratorieanalys av porgasens VOC-sammansättning med hjälp av gaskromatografi eller kombinerad masspektrometri/gaskromatografi bör tas vid ett antal tillfällen under behandlingsperioden.

Miljö- och hälsoaspekter

Enstaka olyckshändelser/incidenter med brand/explosion till följd av ansamling av enkla alkaner/alkener i rörledningar och cisternutrymmen tillhörande anläggningen för porgasextraktion finns rapporterade från bl.a. USA, Nederländerna och Danmark (6). För att motverka detta skall plastledningar förses med jordlina, så att inte statisk elektricitet kan orsaka urladdningar som antänder gaserna Det är även viktigt att vid inledande porgasundersökningar alltid kontrollera porgasens specifika innehåll av enkla alkaner/alkener som i blandning med luft kan orsaka brand och/eller explosion. 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. Vid rening av klorerade kolväten bör risken för dioxinbildning vid katalytisk oxidation av porgas beaktas.

Energi- och resursaspekter

Teknisk utrustning för att åstadkomma undertryck i omättad zon (vakuumfläkt/vakuumpump) i kombination med gasreningsutrustning svarar för merparten av energiförbrukningen i ett behandlingssystem för porgasextraktion. Även utrustning för kontroll och övervakning förbrukar energi. För en normalstor anläggning för porgasextraktion räknar det amerikanska Naturvårdsverket (USEPA) med en energiförbrukning motsvarande mellan 50 000-100 000 kWh/år, varav vakuumutrustning och gasreningsanläggning svarar för mer än 75 % av den totala energiförbrukningen (8).

Kostnadsaspekter

Kostnaderna för porgasextraktion varierar inom ett relativt brett intervall beroende av bl.a. föroreningsdjup, jordlagerföljd, vattenkvot, grundvattenytenivå, hydraulisk konduktivitet och gaspermeabilitet i omättad zon. Föroreningens fördelning mellan VOC och semi-VOC spelar också en stor roll för behandlingskostnaden. Vid tillämpning av bioventing/biologisk ventilation, varvid vakuumextraktion kompletteras med tillförsel av näringssubstrat och i vissa fall även mikroorganismer, blir behandlingskostnaderna i allmänhet väsentligt högre än då enbart konventionell porgasextraktion tillämpas.

För- och nackdelar

Fördelar

  • Metoden har en relativt hög kommersiell tillgänglighet och är väl beprövad, särskilt vad avser oljekolväten.
  • Hög grad av massreduktion avseende VOC kan uppnås.
  • Metoden kan både fungera som ”självständig metod” eller användas som komplementmetod till air sparging, flerfasextraktion eller termisk behandling in situ.

Nackdelar

  • Metoden har förhållandevis låg behandlingseffektivitet för föroreningsämnen med låga eller måttligt höga ångtryck.
  • Förekomst av impermeabla lager kan väsentligt reducera behandlingseffektiviteten.

Referenser

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

(2) US EPA, 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. SCDR, Annual report 2007

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

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

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

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

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