In situ-metoder

Som beskrivits i tidigare texter och redovisas i stycket om genomförda in situ-projekt är den internationella kunskapen och erfarenheter av att använda in situ-metoder för att hantera fibersediment väldigt begränsad än så länge, både i laboratorier och ute i fält.

Som redovisas i nästa kapitel finns det internationellt flera väletablerade och accepterade in situ-metoder för att hantera förorenade sediment. Dessa har dock i huvudsak använts till att åtgärda minerogena förorenade sediment, och inte sediment med så relativt högt organiskt innehåll som fibersediment kan innehålla.

I avsaknad av erfarenhet från åtgärder kvarstår den fundamentala frågan: Hur applicerbara och effektiva är de metoder som finns tillgängliga för in situ-åtgärder av minerogena sediment för att också hantera fiberbankar och fiberrika sediment? I ett försök att besvara denna fråga presenteras följande information:

  • Sammanfattande beskrivningar av de tillgängliga in situ-metoderna för sediment.
  • Diskussion om in situ-metoder för generell hantering av fibersediment.
  • Diskussion om in situ-metoder specifikt för hantering av fiberrika sediment
  • Diskussion om in situ-metoder specifikt för hantering av fiberbankar.

 

Överblick över tillgängliga åtgärdsmetoder

Det finns flera olika metoder för att hantera och behandla förorenade sediment in situ. Metoderna listas i Tabell 1 nedan, tillsammans med en kort sammanfattning av viktiga aspekter för respektive metod. För mer ingående beskrivningar av åtgärdsmetoderna och tillhörande referenser, se fördjupade metodbeskrivningar för  in situ-åtgärder av förorenade sediment.

Tabell 1. Tillgängliga åtgärdsmetoder för in situ-åtgärder av förorenade sediment.

Metod Vad innebär metoden? Hur reducerar metoden riskerna och bidrar till att uppnå långsiktiga åtgärdsmål?
Övervakad naturlig självrening (ÖNS) Förorenade sediment lämnas ostörda på platsen medan kontinuerlig övervakning av föroreningssituationen och nedbrytningsprocesserna görs enligt kontrollprogram. Låter naturligt förekommande processer, i huvudsak översedimentering med nya rena sediment, reducera föroreningskoncentrationerna i sedimentytan till acceptabla nivåer.
Förstärkt ÖNS (FÖNS) Utläggning av ett relativt tunt lager av kemiskt inert finkornigt material, t ex natursand, ovanpå förorenade sediment. Tjockleken på täckningen motsvarar vanligen bioturbationsdjupet, upp till ca 10–15 cm. Inte designad för att vara erosionsmotståndig. Accelererar den naturliga återhämtningsprocessen, huvudsakligen genom att ”snabbspola” översedimenteringsprocessen.

Metoden är även känd som konventionell tunnskiktsövertäckning.

Isolationsövertäckning (konventionella och aktiva typer) Utläggning av ett relativt tjockt lager av inerta (eller i kombination med aktiva material) ovanpå förorenade sediment. Ofta består täckningen av finare och grövre kornstorlekar, och erosionsmotståndigt skikt. Total tjocklek på täckningen varierar vanligen mellan 20–100 cm. Reducerar vanligen risken genom fysisk isolering av bottenlevande fauna från sedimentbundna föroreningar, kemisk isolering av fauna från lösta föroreningar och skydd mot erosion, minskad transport och spridning av förorenade sediment.
AC-baserad tunnskiktsövertäckning Utläggning av ett relativt tunt lager högadsorberande aktivt kol (AC) på ytan av förorenade sediment. Tjockleken på täckningen är i storleken cm, och mindre än bioturbationsdjupet. Bygger på naturlig bioturbering för att blanda ned det aktiva kolet med ytsediment och därigenom signifikant reducera biotillgängligheten och upptaget av föroreningar hos bottenlevande organismer i sediment. Metoden är även känd som ”in situ treatment”

 

Det finns det en stor variation av utrustning, metoder och material för att konstruera olika typer av konventionella och aktiva täckningar (se exempel i Figur 1 och 2).

cap placement

Figur 1. Två exempel på utrustning för att konstruera olika typer av täckningar. (Källor: BioBlok Solutions AS, Norway och Parsons, USA.

placing caps insitu USEPA

Figur 2. Exempel på utrustning och metoder för att konstruera olika typer av aktiva (t.ex. med aktivt kol) täckningar. Amend betyder förbättra eller korrigera. Källa figur: US EPA

Notera: “Klassisk in situ-behandling” är ytterligare en tillgänglig in situ-metod. Metoden bygger på att med mekaniska metoder snabbt blanda in behandlingsmedlet ned i sedimentytan med syfte att accelerera behandlingsprocessen och minska biotillgängligheten. Den har dock aldrig blivit etablerad eller fullt accepterad på grund av varierande resultat (ofta ej uppnådda åtgärdsmål, och ibland förvärrande av föroreningssituationen). Metoden presenteras mer i detalj i metodbeskrivningen på Åtgärdsportalen och beskrivs därför inte vidare när det gäller möjligheterna för att åtgärda fibersediment.

Användning av tillgängliga in situ-metoder för att hantera fibersediment generellt

De senaste decennierna har internationellt sett ett stort antal, både pilot- och fullskaliga, in situ-åtgärder av förorenade sediment genomförts. De flesta i USA, men även flera i Kanada och Norge. Antalet identifierade projekt som har genomförts för att åtgärda sediment in situ till dagens datum (november 2019) är minst: Övervakad naturlig självrening (ÖNS) 28 projekt. Förstärkt naturlig självrening (FÖNS) 10 projekt. Isolationsövertäckning 120 projekt. Aktiv isolationsövertäckning (beskrivs under isolationsövertäckning på Åtgärdsportalen) 40 projekt. AC-baserad tunnskiktöverstäckning 15 projekt.

Majoriteten av projekten med ÖNS och täckningar (av olika slag) som genomförts till dagens datum har utförts på minerogena sediment där halterna TOC (total organic carbon) per kg/TS ofta var kring 5 % eller lägre (ref 9, 11). Ett litet antal av dessa projekt har planerats eller genomförts på förorenade sediment med TOC-halter betydligt högre än 5% (1, 6, 7, 10, 12). Ännu färre projekt har genomförts på förorenade sediment där den högre TOC-halten härrörde från fibermaterial (se beskrivning för genomförda in situ-projekt).

Som en naturlig konsekvens av att majoriteten av projekt genomförts vid platser med minerogena sediment har också alla aspekter av att designa och genomföra in situ-åtgärder i sediment utvecklats och anpassats för minerogena sediment, och inte sediment med så högt organiskt innehåll som fibersediment har. Dock kan den kunskap och de erfarenheter som har byggts upp internationellt genom åtgärder in situ av förorenade minerogena sediment ändå till viss del användas för att bedöma metodernas användbarhet på fibersediment på grund av att:

  • Många av de tungmetaller och organiska föroreningar som åtgärdats i minerogena sediment förekommer även på platser med fibersediment.
  • I likhet med många fibersediment, särskilt fiberbankssediment, är många minerogena sediment mjuka med låg hållfasthet (4) och det finns projekterfarenhet som visar på att åtgärder genom täckning ändå kan lyckas, när konstruktionsprocessen genomförts korrekt (4, 5).

Faktum kvarstår dock att det finns väldigt lite erfarenhet av in situ-åtgärder av just fibersediment, vilket gör att stora osäkerheter kvarstår. Flera av osäkerheterna är kopplade till fibersedimentens, och särskilt vissa av fiberbankarnas, egenskaper, som till exempel hög gasproduktion, låg hållfasthet och låg släntstabilitet. Hur detta påverkar åtgärdsmöjligheterna och anpassning av metoderna diskuteras i följande kapitel.

Användning av tillgängliga in situ-metoder för att hantera fiberrika sediment.

Fiberrika sediments egenskaper kan variera mycket bland annat beroende på sammansättning och stratigrafi. Trots det utgör mineral huvuddelen av sedimentmassan och TOC-halten (som varierar kraftigt beroende på andelen fiber) tenderar att vara lägre än i fiberbankssediment, på grund av den relativt lägre andelen fiber i materialet. Det är därför rimligt att beakta många fiberrika sediment som mer eller mindre minerogena till karaktären.

Om flera typer av fiberrika sediment kan beaktas ha liknande egenskaper som minerogena sediment är det också rimligt att anta (i alla fall initial) att många platser kan hanteras genom att använda etablerade in situ-metoder (Tabell 1). Det finns exempel på genomförda in situ-projekt i områden där halten organiskt material i sedimenten varit relativt hög (se kapitel genomförda in situ-projekt.

Angående ÖNS är den naturliga processen av översedimentering en nyckelfaktor för att metoden ska fungera för användning vid fiberrika sediment. Översedimentering verkar oftare ske över fiberrika sediment än över fiberbankar, vilket troligen beror på att fiberrika sediment oftare befinner sig på djupare lugnare vatten (Norrlin and Josefsson, 2017). Detta pekar på att ÖNS skulle kunna användas som behandlingsmetod för vissa platser med fiberrika sediment. För både ÖNS och övriga metoder gäller dock att flera olika typer av kriterier uppfylls, vilket beskrivs mer i detalj på de fördjupade metodbeskrivningarna för in situ-metoder för sediment.

Användande av tillgängliga in situ-metoder för att hantera fiberbankar.

I kontrast till fiberrika sediment går det inte att anta att alla in situ-metoder har samma potential för att framgångsrikt kunna åtgärda fiberbankar, vilket beror på väldigt hög gasbildning, låg bärighet och låg släntstabilitet. Metodernas möjlighet att använda vid fiberbankar beskrivs därför separat metod för metod, nedan.

Övervakad naturlig självrening, ÖNS (Figur 3)

skiss MNR1

Figur 3. Principskiss över hur de förorenade sedimenten täcks av nya renare sediment och bioturbationen som med tiden ofta ökar allteftersom föroreningshalterna sjunker i den biologiskt aktiva zonen (ej skalenlig). Illustration Joseph Jersak.

Potential för att åtgärda fiberbankar

Troligen inte en lämplig metod för de flesta fiberbankar av skäl som förklaras nedan.

Skäl till bedömningen.

Sediment och platsförhållanden som är förutsättningar för en framgångsrik behandling med övervakad naturlig självrening:

  1. Platsen har lugnare vatten med begränsad vattenerosion
  2. Nya rena minerogena sediment ackumuleras naturligt ovanpå
  3. Sedimentbädden är fysiskt stabil i ett längre tidsperspektiv
  4. Föroreningshalter i ytsedimenten är relativt låga
  5. Föroreningshalten i biota och sedimentens biologiskt aktiva zon rör sig redan mot de riskbaserade åtgärdsmålen

Förutsättning a (lugnare vatten) och b (rena sediment ackumuleras ovan förorenade):

Flera fiberbankar förekommer i strömmande vatten eller i grundare områden där det kan ske påverkan från vågor. Därför sker vanligtvis inte översedimentering ovan fiberbankar. (e.g. Norrlin and Josefsson, 2017).

Förutsättning c (Sedimentbädden är fysiskt stabil i ett längre tidsperspektiv):

Undersökningar genomförda av SGU indikerar att på grund av deras unika fibriga karaktär kan fiberbankssediment vara mer erosionsmotståndiga än typiska minerogena sediment. Trots det finns det ingen garanti att fiberbankssedimenten kommer att fortsätta vara stabila i vattenmiljöer med risk för erosion. Det är även rimligt att anta att närliggande fiberrika sediment delvis har bildats av erosion av närliggande fiberbankar. Även landhöjning och eventuella klimateffekter kan även påverka erosionsförhållanden vilket kan resultera i att sedimentbädden på sikt blir mer än mer instabil. SGU:s undersökningar indikerar även att fiberbankar kan vara geotekniskt instabila och att det förekommer undervattensskred i sluttande områden vilket beskrivs utförligare i kapitlet om erosionsförhållanden. Problemen med sedimentbäddens stabilitet är därför inte enbart kopplad till sedimentytan utan även till själva fiberbankens stabilitet.

Bildande och avgång av stora kvantiteter gas från fiberbankar (se avsnitt om fysiska och geotekniska egenskaper och spridningsförutsättningar) kan också vara en bidragande faktor till att sedimenten inte bara kan anses geotekniskt instabila. Gasavgång kan även bidra till föroreningsspridning (t.ex 8).

Förutsättning d (halterna föroreningar i ytsediment är relativt låg)

Föroreningshalter i ytliga fiberbankssediment kan vara kraftigt förhöjda (se kapitlen Föroreningar och Processer). Även om koncentrationerna av föroreningar i vissa fiberbankar är låga tyder genomförda undersökningar på att fibrerna och de höga halterna TOC i fiberbankar skapar anaeroba och sura miljöer som i sig själva kan ha en negativ påverkan på bottenlevande organismer, och att nedbrytning av fiberbankarna inte kommer att ske på naturlig väg inom en överskådlig framtid.

Förutsättning e (halter rör sig redan mot riskbaserade åtgärdsmål)

Eftersom översedimentering ej verkar vara vanligt och många av föroreningarna är resistenta mot naturlig nedbrytning och samtidigt bioackumulerande (t.ex. PCB, dioxin och kvicksilver) är det inte troligt att föroreningshalterna i sediment och bottenlevande organismer är sjunkande och på väg mot riskbaserade åtgärdsmål. Fältobservationer tyder på att det är väldigt lite biologisk aktivitet (med undantag för mikroorganismer) i bottenfaunan och att dessa syrefria och ofta kraftigt förorenade sediment kan ses som döda zoner med avseende på habitat för makrofauna (se avsnitt biologiska förhållanden).

 

Förstärkt övervakad naturlig självrening, FÖNS (Figur 4)

 fons EMNR

Figur 4. Foto på sedimentprofil där FÖNS använts, sandtjocklek ~ 5 cm (Källa anges på fotot).

Potential för att åtgärda fiberbankar

Troligen inte en lämplig metod för de flesta fiberbankar av skäl som förklaras nedan.

Skäl till bedömningen

Konceptuellt är förstärkt övervakat naturlig självrening (FÖNS) ett nära relaterat åtgärdsalternativ till övervakad naturlig självrening (ÖNS) då metoden accelererar den naturliga självreningsprocessen genom att påskynda processen med översedimentering. Det är rimligt att förhållanden som gynnar behandling med FÖNS därför är liknande de för ÖNS (som listas ovan). Om ÖNS inte är en lämplig metod för de flesta fiberbankar är av samma skäl troligen inte heller FÖNS det.

Fältobservationer gjorda av SGU indikerar gasutsläpp från ytan av fiberbankar även när de är översedimenterade med 1–20 cm tjocka lager av minerogent material (Norrlin and Josefsson, 2017), vilket visar att gas kan tränga igenom en täckning. Om gasdriven transport kan ske i icke övertäckta fiberbankar är det rimligt att det kan ske genom naturligt övertäckta sediment. Detta bekräftas även av labbtester på Uppsala Universitet gjorda inom FIBREM-projektet, se Figur 5 nedan, (resultaten har presenterats på konferenser men är inte ännu publicerade). De visar att gasavgång sker och att det relativt snabbt (inom några månader) kan bildas fickor (pockmarks) i sedimentytan efter att placerat ut en relativt tunn (FÖNS-tjocklek, som vanligen är ca 10–15 cm) sandtäckning över två olika typer av fiberbankssediment.

cap labtest

Figur 5. Laboratorieförsök med test av täckning i kolumn. Tjockleken på täckningen är ca 15 cm. (Källa, Uppsala Universitet)

Isolationsövertäckning, av konventionella och aktiva typer (Figur 6).

 

skiss caps isol AC

Figur 6. Exempel på en konceptuell bild på konventionell isolationsövertäckning (vänstra bilden), i det här fallet med ett erosionslager. Till höger en konceptuell bild på aktiv isolationsövertäckning, i det här exemplet utan erosionsskydd. Notera även skillnaden i djup på bioturbation i figuren. Figuren är ej skalenlig. Illustration av Joe Jersak.

Potential för att åtgärda fiberbankar

Det är osäkert om någon av dessa typer av metoder kan vara lämplig för att åtgärda fiberbankar.

Skäl till bedömningen

Ej ännu publicerade resultat inom det pågående FIBREM-projektet på Uppsala Universitet indikerar att fickor (”pockmarks”) orsakade av gasutsläpp kan bildas inom några månader i kolumner med fibersediment med sandtäckningar av samma tjocklek som en klassisk isolationstäckning. Resultaten indikerar starkt att gasdriven föroreningstransport kan ske även genom tjockare isolationstäckningar.

Eftersom en del fiberbankar i sluttningar visar på hög geoteknisk instabilitet, även utan vikten av en täckning (se ÖNS), finns risken att instabiliteten och skredrisken substantiellt ökar i sådana områden vid tillförsel av en relativt tjock och tung täckning.

Dessutom är det fortfarande ej känt om fiberbankssediment har lägre bärighet än de mjukaste typerna av minerogena sediment, vilket beror på begränsningar av metoder för mätning av bärförmåga i den nedre delen av skalan. Om de har lägre bärighet behöver de tekniker som finns för att använda isolationstäckningar på platser med mjuka minerogena sediment (Jersak et al., 2016 b) behöva utvecklas ytterligare för att kunna användas för behandling av fiberbankar. Det gäller även om fiberbanken förekommer på en svag sluttning eller plan yta.

Aktiva isolationsövertäckningar

Att inkorporera sorbenter (som aktivt kol eller kemiskt modifierade lermaterial, se exempel i Figur 6) i en isolationsövertäckning kan förbättra täckningens förmåga att kemiskt isolera föroreningar över en längre tidsperiod, i alla fall vid täckning av minerogena sediment. Det är dock möjligt att det inte fungerar lika bra vid täckning av fiberbankar, på grund av gasdriven transport av föroreningar. Forskning inom området pågår på Uppsala Universitet inom FIBREM- och GASFIB-projekten.

Eftersom själva isolationsövertäckningen i sig fortfarande är relativt tung (oavsett vilket aktivt material som används) kvarstår också risken med geoteknisk instabilitet både för plana och sluttande bottnar.

Sammanfattningsvis kan inte en isolationstäckning (oavsett typ eller design) förväntas uppnå långsiktiga åtgärdsmål (se Tabell 1) om täckningen kan konstrueras på ett sätt så att den långsiktigt:

  • Är geotekniskt stabil och behålls fysiskt intakt, även i sluttande områden.
  • Omfattningen och takten för okontrollerad föroreningstransport orsakad av gasavgång signifikant kan minskas och bibehållas över ett längre tidsperspektiv.

Det är troligen inte praktiskt möjligt att hindra gasbildning och gasavgång i täckta fiberbankar. En möjlig åtgärd kan därför vara att på olika sätt aktivt kontrollera hur gasen avgår från sedimenten. Forskning inom området pågår på Uppsala universitet.

AC-baserad tunnskiktsövertäckning (Figur 7)

ac cap

Figur 7. AC-baserad tunnskiktsövertäckning, med blandning av lera och kol, där det aktiva lagret ses som ett svart skikt ovan de ljusare underliggande sedimenten. Tjockleken på täckningen är cirka 5 cm. Källa anges på fotot.

Potential för att åtgärda fiberbankar

Det är osäkert om metoden är lämplig för att åtgärda fiberbankar.

 

Skäl till bedömningen

Tunnskiktövertäckning baserad på aktivt kol (AC) är i princip en aktiv form av förstärkt övervakad naturlig självrengöring (FÖNS). Givet deras konceptuella likheter är det rimligt att anta att sediment- och platsförhållanden som krävs för ÖNS och FÖNS också gäller för AC-baserad tunnskiktsövertäckning. Det kan därför vara ett rimligt antagande att om varken FÖNS eller ÖNS är lämpliga åtgärdsmetoder för fiberbankar så är inte heller AC-baserad tunnskiktsövertäckning det. Till skillnad mot ÖNS och FÖNS är potentialen för att lyckas med AC-baserad tunnskiktsövertäckning till viss del annorlunds, och utreds därför mer i detalj nedan.

Aktivt kol (antingen i pulver eller granulär form) är internationellt erkänt som den mest effektiva kommersiellt tillgängliga sorbenten för många av de organiska föroreningar som förekommer vid fiberbankar, t.ex. PCB, PAH, dioxin/furaner (Jersak et al 2016 b). AC är även en effektiv sorbent för metylkvicksilver (Gilmour et al., 2013; Bussan et al., 2016), vilket också är relevant för en del av de fiberbankar som är påverkade av kvicksilver.

Därutöver, eftersom AC-tunnskiktsövertäckning är så lätt uppstår inte samma problem med geoteknisk stabilitet, som kan uppstå med andra tyngre täckningar, t.ex. isolationsövertäckningar (även om de innehåller AC).

Trots metodens lovande potential kvarstår osäkerheter för AC-baserad tunnskiktsövertäckning som åtgärd för fiberbankar:

  • Kan mängden gas som bildas i fiberbankarna göra att fickbildning och gasdriven transport är för omfattande och utbredd för att kunna leda till önskvärd minskning av biotillgänglighet och föroreningsexponering?
  • Kan kvicksilvermetylering fortgå i täckta sediment på en nivå som gör att tillsatsen av även större mängder aktivt kol inte räcker för att långsiktigt reducera och bibehålla föroreningsexponering och bioackumulering på en acceptabel nivå?
  • Kan höga halter av löst kol (DOC) i fibersedimenten göra att det aktiva kolet snabbt blir mättat och därmed reducerar kolets förmåga att effektivt adsorbera lösta föroreningar?

Liksom för tidigare nämnda metoder pågår ett forskningsprojekt (GASFIB) på Uppsala Universitet för att besvara dessa och ytterligare frågor. Projektet utforskar bland annat hur AC-baserad tunnskiktsövertäckning kan användas och optimeras för behandling av fiberbankar.

Referenser

1. Blasland, Bouck, and Lee, Inc. (BBL). 2004. Pre-design investigation report for Silver Lake sediments. Volume 1. February, 2004.

2. Bussan, D., R. Sessums, and J. Cizdziel. 2016. Activated carbon and biochar reduce mercury methylation potentials in aquatic sediments. Bull. Environ. Contam. Toxicol. Vol. 4, pp. 536-539.

3. Gilmour, C., G.S. Riedel, G. Riedel, S. Kwon, and U.Ghosh. 2013. Activated carbon mitigates mercury and methylmercury bioavailability in contaminated sediments. Environ. Sci. Technology. Vol. 47, pp. 13,001-13,010.

4. Jersak, J., G. Göransson, Y. Ohlsson, L. Larson, P. Flyhammar, och P. Lindh (Jersak et al.). 2016 a. In-situ capping of contaminated sediments. Capping Sweden’s contaminated fiberbank sediments: A unique challenge. SGI Publication 30-5E (in English). www.swedgeo.se.

5. Jersak et al. 2016 b. Huvuddokument. In-situ övertäckning av förorenade sediment. Metodöversikt. SGI Publikation 30-1 (på Svenska). www.swedgeo.se.

6. Meric, D., S. Barbuto, T. Sheahan, J. Shine, and A. Alshawabkeh. 2014. Benchscale assessment of the efficiency of a reactive core mat to isolate PAH-spiked aquatic sediments. Soil Sediment Contam. Vol. 23, No. 1, pp. 1-23.

7. Newtown Creek Superfund Community Advisory Group (NCSCAG). 2016. Meeting summary, October 20, 2016.

8. Norrlin, J. and S. Josefsson. 2017. Förorenade fibersediment i svenksa hav och sjöar. SGU-rapport 2017:07. Juni 2017.

9. Reible, D. 2014. Chapter 2. Sediment and contaminant processes. In: Processes, Assessment and Remediation of Contaminated Sediments. D. Reible (Editor). SERDP and ESTCP Remediation Technology Monograph Series, C. Ward (Series Editor). Published by Springer.

10. Rockne, K., P. Viana, and K. Yin. 2010. Sediment gas ebullition and flux studies, Bubbly Creek, South Fork Branch, Chicago River. Volume 1 and 2: Report with Appendices A-D. July 2010.

11. Russell, K. 2019. Consultant, Anchor QEA LLC., personal communication. January 2019.

12. Rutgers Environmental Research Clinic (RERC). 2005. Kearny Marsh restoration project preliminary report. November 23, 2005.’’