’Klassisk’ in situ-behandling – Fördjupning

Tillämpning

Så kallad klassisk in situ-behandling är en sedimentåtgärd som innefattar flera olika metoder med den gemensamma nämnaren att ett eller flera typer av additiv mekaniskt injekteras eller blandas ner i ytan på förorenade sediment. Målet med behandlingen är att få till eller förstärka en eller flera behandlingsprocesser – kemiska, biologiska, kemisk-biologiska, inkapslings- och bindningsprocesser – för att reducera föroreningarnas biotillgänglighet hos organismer i sedimentens biologiskt aktiva zon.

Det är viktigt att tidigt nämna att metoderna som ingår i klassisk in situ-behandling av förorenade sediment har ett antal allvarliga nackdelar, kända sedan årtionden, bland annat otillräcklig kontroll på processen, begränsningar med avseende på vattendjup och avsevärd störning på miljön. Bland de som arbetar med åtgärder av förorenade sediment råder konsensus om att dessa och andra problem med metoden är tekniskt och ekonomiskt oöverkomliga och därför anses klassisk in situ-behandling av sediment inte vara en tänkbar eller accepterad metod för sedimenthantering. Likväl så beskrivs metoden kortfattat på Åtgärdsportalen, då det är en åtgärd som har använts och som fortfarande ibland nämns som ett möjligt alternativ, och som viktiga erfarenheter (trots, eller kanske tack vare, misslyckade resultat) har byggts upp kring. Det bör även påpekas att de metoder som klassisk in situ-behandling av sediment bygger på, och som ej fungerar för sediment, däremot ofta fungerar väl och med framgång har använts för att behandla förorenad jord.

I teorin skulle olika typer av klassisk in situ-behandling kunna användas för att behandla en rad olika organiska och metalliska sedimentföroreningar i löst fas och möjligen även behandling av fri fas av organiska föroreningar med begränsad vattenlöslighet (Non-aqueous phase liquids,NAPL) som t.ex. olja eller kreosotolja, kunna behandlas i viss mån med en särskild kombination av in situ-behandling och behandlingsmedel (t.ex. kemiskt modifierad lera). Då goda resultat saknas från dessa metoder är erfarenheten begränsad om vilka typer av behandlingar som är lämpade för olika typer av sedimentföroreningar, liksom kunskap om hur effektiva behandlingarna kan förväntas vara.

Terminologi: Åtgärden kallas ofta för tidig eller “klassisk” in situ-behandling av sediment för att skilja den från in situ-metoden AC-baserad tunnskiktsövertäckning som istället bygger på att ett tunt skikt av aktivt kol läggs ut ovanpå de förorenade sedimenten, och att detta lager genom naturlig bioturbation över tiden blandar kolet i den biologiskt aktiva zonen.

Kapitlen ”Vanliga behandlingskombinationer”, ”Projekteringsaspekter”, ”Behandlingsförutsättningar”, ”Drift och uppföljning”, ”Energi- och resursaspekter” och ” Kostnadsaspekter” utgår då de ej bedöms vara relevanta att beskriva för klassisk in situ-behandling, eftersom metoden ej ses som lämplig att använda, och dessa kapitel ej bidrar till ökad förståelse för metoden.

Status och historik

Olika metoder för klassisk in situ-behandling av jord har använts i årtionden (se metodbeskrivningarna för förorenad jord på Åtgärdsportalen). Det var därmed logiskt att försöka utveckla samma metoder – i stor utsträckning även samma behandlingsprocesser och behandlingsmedel – till att även omfatta in situ-behandling av sediment.

För detta ändamål publicerade bland andra USEPA under 1990-talet de första dokumenten, i alla fall i USA, som diskuterade klassisk in situ-behandling av sediment (1) (2). Runt 2002 hade totalt cirka åtta projekt med klassisk in situ-behandling genomförts, där de flesta var pilotförsök i fält, i USA, Kanada, och, Kina (b.la i Hong Kong). Sex av dem baserades på nedbrytning eller omvandling genom kemisk-biologiska processer och två på stabilisering och solidifiering (1) (2) (14).

Trots blandade resultat i dessa projekt fanns vissa förväntningar på att metoden fortfarande hade potential att bli en teknisk lämplig och kostnadseffektiv åtgärd som så småningom på vissa platser skulle kunna användas tillsammans med eller istället för mer kostsamma åtgärder som baserades på bortforsling.

Dock hade USEPA redan 1994 (1) identifierat allvarliga brister förknippade med flertalet av de klassiska in situ-behandlingarna för sediment. Dessa både allmänna och åtgärdsspecifika brister, plus fler, rapporterades även av andra i USA och Europa under de efterföljande årtiondena (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8); se även kapitlet ”För- och Nackdelar” nedan.

I mitten av 00-talet ansåg i princip alla aktiva som arbetade med sedimentåtgärder att trots att klassisk in situ-behandling initialt verkade lovande så var nackdelarna med metoden för svåra att överkomma. Denna slutsats återspeglas i det faktum att klassisk in situ-behandling inte finns med i listan över erkända och användbara metoder för hantering av förorenade sediment hos bland andra USEPA (6) (9) (18) (19). Ett annat viktigt skäl för att fokus har minskat på metoden var att andra in situ-åtgärder som övervakad naturlig självrening (ÖNS), isolations- och tunnskiktsövertäckning (både konventionell och aktiv), utvecklades och blev allt intressantare.

Trots det tydligt avtagande intresset genomfördes ytterligare tre projekt med klassisk in situ-behandling i USA mellan 2004 och 2006. Projekten använde sig av starkt adsorberande aktivt kol (10). Resultaten visade tydligt hur AC kan minska föroreningars biotillgänglighet snabbt och effektivt, men lika tydligt påvisades de nackdelar som redan tidigare konstaterats den mekaniska inblandning som klassisk in situ-behandling bygger på.

Baserat på en tillgänglig litteratur verkar inga projekt med klassisk in situ-behandling någonsin ha genomförts i Sverige.

Behandlingsprinciper

Beroende på vilket additiv som mekaniskt blandats ner eller injekterats i sedimentytan (se Figur 1) beror sättet på vilket klassisk in situ-behandling minskar föroreningars biotillgänglighet i teorin på: Vilka behandlingsprocesser som sätts igång eller förstärks, vilka föroreningar som ska behandlas och vilka behandlingsmedel som används. Se Tabell 1.

Tabell 1. Processer för klassisk in situ-behandling av sediment, inklusive typer av föroreningar som teoretiskt hanteras.

tabell klassisk insitu 

För flera av de metoder som ingår i klassisk in situ-behandling (se tabell 1) kan närvaron av organiskt material begränsa behandlingens långsiktiga effektivitet på olika sätt (2) (3) (7). Till exempel ökar förekomsten av naturligt organiskt material den biologiska syreförbrukningen (BOD) genom att förbruka syre och tillsatta oxidanter, vilket ger icke-optimala syrefria förhållanden. Naturliga organiska ämnen i löst fas kan också konkurrera med organiska föroreningar om reaktiva ytor hos partiklar av adsorberande AC.

skiss klassisk in situ1

Figur 1. Principskiss över hur additiv mekaniskt injekteras eller blandas ned vid klassisk in situ-behandling är tänkt att fungera (ej skalenlig). Illustration av Joe Jersak och Peter Harms-Ringdahl

Tekniskt utförande

Figur 2 visar utrustning och tekniker som i tidigare projekt använts vid mekanisk inblandning av olika additiv i förorenade sediment. Följande punkter beskriver bilderna i figur 2:

  • A: Aktivt kol blandas ner i exponerade sediment med liggande augerborr (skruvborr) (15).
  • B: Injektering av uppslamning med aktivt kol i exponerade sediment (14).
  • C: Injektering av kalciumnitratlösning i sediment under vatten (1) (15)
  • D: Inblandning av cement eller osläckt kalk i sediment under vattenytan i ett avgränsat sedimentområde, d.v.s. en kassun (1).

Joe J2

Figur 2: Utrustning och tekniker som använts vid klassisk in situ-behandling av sediment.

För nästan alla klassiska in situ-behandlingar finns, förutom problemen med behandlingarnas effektivitet, ett antal större utmaningar särskilt under genomförandet (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8). Däribland märks:

  • Svårstyrd process, d.v.s. det är svårt att säkerställa att doseringen av behandlingsmedlen är korrekt och jämnt fördelad både i djup och sidled i de behandlade sedimenten.
  • Otillräcklig omblandning och kontakt mellan behandlingsmedel och föroreningar.
  • För att möta dessa utmaningar kan de förorenade sedimenten inneslutas fysiskt och hydrauliskt. Detta kan också minimera miljöpåverkan under genomförandet av åtgärden (se ”Miljö- och hälsorisker”). Detta gör dock att genomförandet tar avsevärt längre tid och blir mer kostsamt.
  • Svårt att få ner additivet i sedimenten, särskilt i djupare vatten.

Lofrano et al. (3) identifierar ytterligare utmaningar gällande genomförandet av vissa kombinationer av behandlingar och behandlingsmedel. Till exempel:

  • Vid solidifiering/stabilisering är temperaturen (en avgörande faktor) svår att styra och reglera, liksom inblandningsgraden av solidifieringsmedlen.
  • Vid sedimenttvätt är det svårt att effektivt transportera additiv och behandlat porvattnen genom redan vattenmättade porer i det finkorniga material som ofta sediment består av.

Miljö- och hälsorisker

En av anledningarna till att klassisk in situ-behandling ej anses lämplig är för att många av metoderna i kategorin har negativ inverkan på miljön under genomförandet (1) (2) (3) (7) (8). Bland annat:

  • Betydande fysisk störning på bentiska och akvatiska habitat.
  • Negativ påverkan på ytvatten orsakat av additiv och uppgrumling och partikelspridning av förorenade sediment.
  • Bildandet av giftiga reaktionsprodukter.

Liksom vid genomförandet av övertäckningsbaserade åtgärder föreligger risker relaterade till användning av arbetsmaskiner, hantering och transport av bulkmaterial, inklusive kemikalier. Vid hantering och användning av nanopartikulärt nollvalent järn, ZVI, som kan användas bland annat för kemisk deklorering av PCB, finns en viss explosionsrisk (16).

För- och Nackdelar

Fördelar

De fördelar med klassisk in situ-behandling av sediment som finns redovisade i litteraturen (2) (3) (5) (7) verkar ofta hänvisa till potentiella fördelar, antingen baserat på teori eller på tidigare erfarenheter av in situ-behandling av jord. Det vill säga, de fördelar som anges för klassisk in situ-behandling av sediment är i allmänhet inte baserade på verkliga resultat från genomförda projekt. Trots allt så redovisas här de teoretiska fördelar som brukar anges för denna in situ-åtgärd jämfört med andra in situ- och ex situ-åtgärder:

  • Behandlar snarare än innesluter föroreningarna, vilket möter myndigheters preferens för åtgärder som permanent minskar föroreningarnas volym, toxicitet eller rörlighet.
  • Blandar snabbt ner behandlingsmedlen i den biologiskt aktiva zonen, till skillnad från den mer gradvisa processen att förlita sig på naturlig bioturbation (se ”AC-baserad tunnskiktsövertäckning.”)
  • Lägre påverkan på sediment och vattenmiljöer än åtgärder baserade på muddring.
  • Minskar behovet att hantera upptagna sediment och minskar därmed risken för exponering och utsläpp.
  • Minskar utsläpp av organiska föroreningar i atmosfären.
  • Bör vara mer kostnadseffektiv än åtgärder baserade på bortforsling av sediment.

Nackdelar

  • Svårstyrd process och otillräcklig omblandning och kontakt mellan behandlingsmedel och föroreningar.
  • Svårt att få ner behandlingsmedlet ned i sedimenten, särskilt vid djupare vatten.
  • Påverkan från naturligt förekommande organiskt material.
  • Långsammare nedbrytning av många föroreningar vid syrefria förhållanden och låga temperaturer.
  • Störningar på bentiska och akvatiska habitat.
  • Behandlingsmedel och uppgrumling av sediment kan påverka kvaliteten på ytvattnet negativt.
  • Risk för bildande av giftiga nedbrytningsprodukter.

Referenser

(1) United States Environmental Protection Agency (USEPA). 1994. Assessment and Remediation of Contaminated Sediments (ARCS) Program. Remedation Guidance Document. EPA-905-R94-003. October 1994.

(2) Renholds, J. 1998. In situ Treatment of Contaminated Sediments. Paper prepared for U.S. Environmental Protection Agency, Office of Solid Waste and Emergency Response Technology Innovation Office. December 1998.

(3) Lofrano, G., G. Libralato, D. Minetto, S. De Gisi, F. Todaro, B. Conte, D. Calabro, L. Quatraro, and M. Notarnicola. 2017. In situ remediation of contaminated marine sediment: an overview. Environ. Sci. Pollut. Res., Vol. 24, Issue 6. pp. 5,189-5,206.

(4) Majone, M. and many more authors. 2014. In situ groundwater and sediment bioremediation: barriers and perspectives at European contaminated sites. New Biotech. Vol. 32, Issue 1. pp. 133-146.

(5) Strategic Environmental Research and Development Program (ESTCP). 2004. SERDP and ESTCP Expert Panel Workshop on Research and Development Needs for the In situ Management of Contaminated Sediments. FINAL REPORT. October 2004.

(6) USEPA. 2005. Contaminated Sediment Remediation Guidance for Hazardous Waste Sites. Report nos. EPA-540-R-05-012 and OSWER 9355.0-85. December 2005.

(7) Committee on Contaminated Marine Sediments (CCMS). 1997. Contaminated Sediments in Ports and Waterways - Cleanup Strategies and Technologies. Marine Board; Commission on Engineering and Technical Systems and National Research Council. National Academy Press.

(8) Alvarez-Guerra, M. plus many more authors. 2008. Sustainable Management Options and Beneficial Uses for Contaminated Sediments and Dredged Material. Fresenius Environ. Bull. Vol. 17, No. 10a. pp. 1,539-1,553.

(9) Zeller, C. and B. Cushing. 2006. Panel Discussion: Remedy Effectiveness: What Works, What Doesn’t? Integ. Environ. Assess. Mngmt. Vol. 2, No. 1, pp. 75-79.

(10) Patmont, C., U. Ghosh, P. LaRosa, C. Menzie, R. Luthy, M. Greenberg, G. Cornelissen, E. Eek, J. Collins, J. Hull, T. Hjartland, E. Glaza, J. Bleiler, J. Quadrini and D. Reible. 2014. In situ Sediment Treatment Using Activated Carbon: A Demonstrated Sediment Cleanup Technology. Integ. Environ. Assess. Mngmt. Vol. 11, No. 2, pp. 195-207.

(11) Golder Associates (GA). 2003. Limnofix In situ- Sediment Treatment Technology. White Paper. April 2003.

(12) Ghosh, U., R. Luthy, G. Cornelissen, D. Werner and C. Menzie. 2011. In situ- Sorbent Amendments: A New Direction in Contaminated Sediment Management. Environ. Sci. Technol. Vol. 45, pp. 1163-1168.

(13) Wittle, J. 2004. ElectroChemical GeoOxidation (ECGO) In situ Sediment Treatment Technology. Presentation to the Remedial Technologies Development Forum (RTDF) Sediments Workshop. Baltimore, MD, USA, 18-19 February, 2004.

(14) Canada Geo-Solutions. 2017. Mixing Below Mudline. Sediment Remediation/Risk Management by In situ Stabilization/Treatment (ISS/T) with Deep Soil Mixing (DSM). Available on internet.

(15) Menzie, C. 2010. Monitored Natural Recovery and In situ- treatment as remedies for contaminated sediments. Presentation to NEWOMA, 29-30 April, 2010. Available on internet.

(16) Gardner, K., D. Aulisio, and J. Spear. 2004. In situ- Dechlorination of Polychlorinated Biphenyls in Sediments Using Zero-Valent Iron. Presentation to the RTDF Sediments Workshop, Baltimore, MD, USA, 18-19 February, 2004.

(17) USEPA. 2013. Use of Amendments for In situ Remediation at Superfund Sediment Sites. OSWER Directive 9200.2-128FS. April 2013.

(18) USEPA. 2017. How Superfund Cleans Up Sediment Sites. Available at https://www.epa.gov/superfund/how-superfund-cleans-sediment-sites. Last updated December, 2017.

(19) USEPA. 2017. Contaminated Site Clean-Up Information (CLU-IN), Sediments re-mediation. Available at https://clu-in.org/contaminantfocus/default.focus/sec/Sediments/cat/Remediation/. Last updated November 2017.