Luftinjektering för avdrivning av VOC

Tillämpning

Luftinjektering för vattenrening ex-situ används i huvudsak för att avskilja flyktiga organiska ämnen (VOC).  Exempel på VOC är enkla alifater (alkaner och cykloalkaner), monoaromater (bensen, xylen, toluen m.fl.) och klorerade alifater (trikloreten, vinylklorid m.fl.).

Vid luftinjektering, även benämnt stripping, avdrivs föroreningar som finns i vattenlöslig fas. En för-utsättning är att ingående föroreningsämnen uppvisar en Henrys konstant överstigande 0,001 atm-m3/mol (1).  Luftinjektering fungerar således inte som vattenreningsmetod på organiska ämnen med hög molekylvikt såsom PAH, tyngre alifater/monoaromater, klorerade pesticider, flertalet högfluorerade ämnen (PFAS) m.fl. Observera dock att luftinjektering även kan ingå som en del i behandlingskonceptet biologisk nedbrytning (länk) och då ha en effekt även på högmolekylära organiska ämnen.

Behandlingsprinciper

Luftinjektering innebär att flyktiga föreningar som är lösta i vattenfasen avgår i gasfas då luft blåses in i vattenmassan. Vanligen används tekniskt ren luft, men det finns även anläggningar baserade på injektering av kvävgas eller vattenånga.

Tekniskt utförande

Vid luftinjektering får det förorenade vattnet passera genom en kolonn fylld med lameller och genomsläppligt fyllnadsmaterial av plast eller stål. Packningsmaterialet i kolonnen ökar kontaktytan mellan vätska och gas samtidigt som det fördröjer vattnets infiltration genom kolonnen och ökar kontakttiden mellan det förorenade vattnet och den injekterade gasen. Vattnet tillförs vanligen från kolonnens ovansida där vattnet fördelas med hjälp av munstycken som sprejar eller duschar det förorenade vattnet över packningsmaterialet (2). Kolonnen brukar ofta benämnas strippingtorn, se figur 1. Samtidigt som det förorenade vattnet infiltrerar via kolonnen tillförs tryckluft eller trycksatt gas/ånga underifrån. En gasström kommer därigenom att flöda kontinuerligt genom det förorenade vattnet samtidigt som detta rinner ned genom strippingtornet. Där den injekterade gasen möter vattenströmmen sker en förångning av VOC som transporteras med luft- eller gasströmmen mot strippingtornets övre del.

Beroende av vilka föroreningshalter som finns i den utgående luft- eller gasströmmen kan olika former av luftrening/gasrening vara nödvändiga. Om förekommande VOC i huvudsak utgörs av t.ex. klorerade kolväten är en vanligt förekommande reningsmetod filtrering genom granulärt aktivt kol. Domineras VOC-innehållet av icke-halogenerade VOC som t.ex. petroleumkolväten är katalytisk förbränning möjligt att tillämpa.

Erfarenheterna av vilken reningsgrad som kan uppnås med luftinjektering varierar. För lättflyktiga ämnen som trikloreten, bensen och MTBE redovisas reduktionsgrader på mellan 90–100 % beroende av antalet strippingtorn, där den högsta reduktionsgraden avser nyttjande av minst tre seriekopplade strippingtorn (1).

SGU/Statens Oljelager har beträffande flertalet av de statligt ägda bergrumsförvar för bensin och bensinliknande drivmedel som avvecklats sedan slutet av 1990-talet, utfört förbehandling av det petroleumförorenade läckvattnet med hjälp av luftinjektering. Behandlingen har vanligtvis skett via två eller flera seriekopplade strippingtorn. Vattenflödet har varierat mellan 5-25 m3/tim och uppehållstid och luftflöde har anpassats för att optimera avdrivningen av VOC från det pumpade läckvattnet. Varje strippingtorn har rymt i storleksordningen mellan 1-5 m3 läckvatten. Reningsgraden för vatten med mycket höga halter (>50 mg/l) av bensen och andra monoaromater har i regel överskridit 90 %. (3)

 

luftinjektering

Figur 1. Strippingtorn i genomskärning. Det förorenade vattnet leds in från strippingtornets ovansida. Komprimerad luft leds in från undersidan. Packningen (fyllkroppar) fördröjer vattnets infiltration genom kolonnen och ökar kontakttiden mellan det förorenade vattnet och den injekterade luften/gasen. Avdrivna VOC avgår i gasfas från strippingtornets övre del och leds till reningsanläggning.

Vanliga metodkombinationer

Luftinjektering eller stripping utgör ofta ett förbehandlingssteg till kolfiltrering. Genom att avdriva merparten av de VOC som finns i det förorenade vattnet minskas belastningen på det efterföljande kolfiltret och kolfiltret kan nyttjas en längre tid utan att behöva regenereras än i det fall det förorenade vattnet enbart skulle behandlas via kolfiltrering.

Projekteringsaspekter och dimensionering

Oavsett hur luften tillförs kommer oxidationsprocesser att inträffa då luftflödet möter det förorenade vattnet. Vid oxidation uppkommer bl.a. järn- och manganutfällningar, biofilm/biohud och kalkavlagringar. Vid projektering och dimensionering av luftningsanläggningar måste alltid de biprodukter som uppstår till följd av oxidation beaktas. Anläggningen måste därför projekteras och utformas så att uppkomsten av dylika biprodukter minimeras, t.ex. genom dimensionering av lämpliga förbehandlingssteg.  En tumregel som brukar anges är att då halten av järn och/eller mangan överskrider 10 mg/l måste förluftning, filtrering eller kemisk fällning med hjälp av pH-justerande vätska ske innan det förorenade vattnet leds in i strippingkolonnen (1). Beträffande vattnets innehåll av kalk så bör detta inte överskrida 300 mg/l (uppmätt som CaCO3). Vid kalkhalter överstigande 300 mg CaCO3/l måste ett förbehandlingssteg baserat på fällning med hjälp av pH-justerande vätska projekteras (1).

En viktig aspekt är också antalet strippingkolonner.  Både svenska och internationella erfarenheter tyder på att minst två seriekopplade strippingkolonner bör nyttjas för att uppnå optimal VOC-rening. I vissa fall kan det erfordras upp till fyra eller fem kolonner kopplade i serie innan reningsgraden för t.ex. bensen och MTBE närmar sig 100 % (1)(3). För att undvika under- eller överdimensionering kan försök i pilotskala vara lämpliga att utföra innan en fullskaleanläggning projekteras.

 

Drift, kontroll och uppföljning

För att motverka igensättning av slangar och packningsmaterial till följd av utfällningar behöver strippingkolonnerna regelbundet göras rena, t.ex. genom invändig tvättning med syra. Beroende på mängden utfällt material kan rengöring behöva ske med intervall av mellan 6–18 månader (1).

För kontroll av reningsgrad behöver provtagning och analys av in- respektive utgående vatten ske regelbundet. I de fall en luftreningsanläggning finns installerad kommer också provtagning och analys av VOC i luft att ingå i kontrollprogrammet. Det vanliga är då att proverna tas med hjälp av luftprovtagningspump och adsorbent, eller genom direktmätning på utgående VOC från luftreningsanläggningen med fotojonisationsdetektor och/eller infrarödspektrometer.

Miljö- och hälsoaspekter

Stripping/flushing kan medföra en risk för ansamling av brännbara ämnen i slutna utrymmen, särskilt då föroreningen utgörs av petroleumkolväten, vilket innebär risk för brand/ explosion vid gnistbildning. Inandning av VOC kan dessutom innebära en hälsorisk. Dock är risken för hälsoskadlig exponering vid inandning av VOC i huvudsak begränsad till den personal som vistas i omedelbar anslutning till strippinganläggningen. Det finns även en risk för att reningsgraden minskar med tiden om filtret inte underhålls enligt föreskrivna intervall, och då kan förorenat vatten passera genom anläggningen och spridas till recipient.

För behov av skyddsutrustning och arbetsmiljöfrågor i samband med efterbehandling av förorenade områden hänvisas läsaren till Arbetsmiljöverkets rapport ” Marksanering - om hälsa och säkerhet vid arbete i förorenade områden (H359)” som tagits fram i samarbete med SGF.

Kostnadsaspekter

Vid luftinjektering påverkas behandlingskostnaden främst av ingående föroreningshalter eftersom de VOC som avdrivs i ett strippingtorn vanligtvis behöver insamlas i ett kolfilter, alternativt förbrännas i en katalytisk luftreningsanläggning. Kraven och behovet av VOC-rening av utgående luft är således en kostnadspåverkande faktor. Förorenat vatten med högt innehåll av kalk (>300 mg CaCO3/l), järn/mangan (>10 mg/l) eller högt suspensionsinnehåll kan behöva genomgå ett eller flera förbehandlingssteg innan det leds in i strippinganläggningen, vilket kan påverka kostnadsbilden. Två andra kostnadsstyrande faktorer är volymen vatten som ska behandlas och driftstiden för anläggningen.

 

För- och nackdelar

Fördelar

  • Beprövad teknik med relativt hög kommersiell tillgänglighet.
  • Dokumenterat hög reduktionsgrad för VOC

Nackdelar

  • Höga krav på VOC-rening av utgående luft kan föreligga, särskilt i bebyggda områden.
  • Högt innehåll av kalk eller järn/mangan kan innebära ett eller flera kostsamma förbehandlingssteg.
  • Erfordrar kontinuerlig drift och skötsel. Utrustningen behöver rengöras regelbundet.
  • Tillämpbarheten begränsad till organiska ämnen med hög eller måttlig flyktighet


Referenser

(1) Suthan S. Suthersan, 1997: Remediation Engineering. Design concepts. ISBN 1-56670-137-6. Lewis Publishers.

(2) Englöv, P m.fl., 2007: Klorerade lösningsmedel. Hållbar sanering. Naturvårdsverket rapport 5663. Februari 2007.

(3) Lars-Gunnar Karlsson, 2013: Muntliga uppgifter från Lars-Gunnar Karlsson vid Sveriges Geologiska Undersökning, SGU.