In situ edelleen outside valittaessa pilaantuneiden maiden kunnostusmenetelmiä

Transkriptio

1 In situ edelleen outside valittaessa pilaantuneiden maiden kunnostusmenetelmiä Kestävä kehitys Paikalliset ja globaalit ympäristöongelmat Eija Laitinen Outi Keinonen Arviointi Päiväys Arvosana Opettajan allekirjoitus

2

3 SISÄLLYS 1 JOHDANTO ANNETUN LÄHDEAINEISTON IN SITU MENETELMÄT Yleistä. Mikrobiologinen hajoaminen Luontainen biohajoaminen, tehostettu biohajoaminen ja biologinen huutelu in situ Kiinteytys/stabilointi ja eristys Huokoskaasukäsittely Kasvikunnostus eli fytoremediaatio Reaktiiviset seinämät Pohjaveden ilmastus Kemiallinen hapetus Elektrokineettiset menetelmät Kunnostus sienillä Maan huuhtelu MUITA IN SITU MENETELMIÄ YHTEENVETO... 5 LÄHTEET... 7

4 1 JOHDANTO Suomessa on noin pilaantuneeksi todettua, epäiltyä tai jo kunnostettua maa-aluetta Suomen ympäristökeskuksen tekemän tuoreen tutkimuksen mukaan, ja määrä tulee kasvamaan kartoituksen edetessä (Ympäristö.fi). Rikkoutuneet maanalaiset polttoainesäiliöt ovat yleinen esimerkki pistemäisestä maaperän ja pohjaveden saastumisen aiheuttajasta (Tuomi 2001, 50). Päijät- ja Kanta-Hämeessä toteutettavassa Tankkihankkeessa testataan ekotehokkaita ja vähemmän käytettyjä in situmenetelmiä lämmitysöljyllä pilaantuneen maan kunnostuksessa tavoitteena lisätä tieto eri menetelmien toimivuudesta (parantaa tekniikoiden käyttömahdollisuuksia), ja vähentää kustannuksia lisäävää ja ympäristöä rasittavaa maan vaihtamisen tarvetta (Tankki-hanke n.d). Valtaosassa puhdistushankkeista (noin 90 %) suoritetaan massanvaihto, ja likaantunut maa-aines jatkokäsitellään ja/tai sijoittaan kaatopaikalle. Jos pilaantuma on laaja, levinnyt myös pohjaveteen tai sen sijainti ei salli kaivamista, maamassojen kaivaminen ei ole mahdollinen puhdistusmenetelmä. In situ menetelmissä maaperän ja pohjaveden kunnostus tapahtuu paikan päällä maaperää kaivamatta. Uusille eko- ja kustannustehokkaille tekniikoille on kysyntää, koska vuosittain aloitetaan satoja pilaantuneiden maiden kunnostuksia. (Ruhanen 2007, 5-19.) Raporttini tarkoitus on tehtäväohjeistuksen mukaan esittää tiivistetysti annetun lähdeaineiston ja itse etsityn aineiston in situ kunnostusmenetelmiä. 2 ANNETUN LÄHDEAINEISTON IN SITU MENETELMÄT Kappaleessa 2 on esitetty lyhyesti lähdeaineiston in situ -menetelmät. Raportin pituuden rajauksesta johtuen eri menetelmien sopivuudesta tai teknisistä rajoituksista kirjoitetaan vain erikoistapauksissa. 2.1 Yleistä. Mikrobiologinen hajoaminen Kaikissa hiilivedyillä pilaantuneissa maissa on metabolisesti aktiivisia mikrobeja (bakteereja, sieniä, leviä, alkueläimiä ja hiivoja), jotka kykenivät käyttämään energia- ja hiililähteenään öljy-yhdisteitä. Mikrobit hajottavat aineenvaihduntansa kautta hapettamalla orgaaniset yhdisteet epäorgaanisiksi yhdisteiksi kuten hiilidioksidiksi ja vedeksi. Osa yhdisteistä hajoaa nopeasti, osa huonosti (lähes pysyviä). Hapellinen eli aerobinen hajoaminen on yleisin ja ensimmäinen hiilivetyjen hajoamisvaihe, mutta viimeaikaisten tutkimusten mukaan myös anaerobisissa oloissa hajoamista tapahtuu kuten kylmissäkin olosuhteissa, vaikka biohajoaminen silloin hidastuukin. (Palmroth 2006, ) Optimaalisissa olosuhteissa mikrobit ovat aktiivisia, niiden lukumäärä kasvaa ja biodegradatio on tehokasta. Mikrobien kasvuun vaikuttavien tekijöiden kuten lämpötilan, ph:n, kosteuden ja ravinteiden määrää säätelemällä voidaan niiden toimintaa tehostaa ja nopeuttaa biohajoamista. (Tuomi 2001, ) 1

5 2.2 Luontainen biohajoaminen, tehostettu biohajoaminen ja biologinen huutelu in situ Luontaisessa biohajoamisessa maaperän ja pohjaveden annetaan puhdistua maaperässä luontaisesti tapahtuvien biologisten, kemiallisten ja fysikaalisten prosessien vaikutuksesta hyväksyttävälle tasolle ilman aktiivista kunnostusta. Maaperässä luontaisesti tapahtuvat prosessit (laimentuminen, biohajoaminen, adsorboituminen) pienentävät haittaainepitoisuuksia, mutta suurimolekyyliset maapartikkeleihin sitoutuneet haitta-aineet hajoavat hitaasti, jos ollenkaan. Menetelmän käsittelyajat ovat usein pitkiä (kymmeniä vuosiakin), tarvitsee pitkäaikaista seurantaa eikä luontaista biohajoamista aina edes tapahdu. (Penttinen 2001, 10.) Tehostetussa biohajoamisessa nopeutetaan haitta-aineiden luonnollista biohajoamista parantamalla maaperän mikrobikannan elinolosuhteista lisäämällä maaperään happea ja ravinteita sekä säätämällä maaperän ph mikrobitoiminnalle optimaaliseksi (Pellinen 2003, 8). Kunnostus suoritetaan räätälöidyin kaivo- ja putkilinjoilla, koska jokaiselle haitta-aineelle on niille ominaiset hajoamisolosuhteet (Penttinen 2001, 14). Biologisessa ilmahuuhtelussa pohjaveden yläpuoliseen maakerrokseen injektoidaan ilmaa tai happea, joka tehostaa ja nopeuttaa luontaista biohajoamista sekä kuljettaa haihtuvia yhdisteitä bioaktiiviseen kerrokseen. Maasta ilmaan kulkeutuvia päästöjä on tarkkailtava, koska käsittelyalueen rakennusten kellareihin saattaa kerääntyä kaasuja. (Penttinen 2001, 12-13) 2.3 Kiinteytys/stabilointi ja eristys Kiinteytyksessä sideaineella kapseloidun haitta-aineen kulkeutuminen estetään, ja stabiloinnissa haitta-aineiden riskejä pienennetään muuttamalla ne vähemmän liukoiseen, toksiseen tai kulkeutuvan muotoon. Menetelmän soveltuvuus testataan kohdekohtaisesti laboratoriokokein, sekoitussuhde reseptöidään ja aineiden liukoisuudet testataan. (Penttinen 2001, ) Eristämisellä estetään maaperässä olevien haitta-aineiden leviäminen ja kulkeutuminen ympäristöön valumavesien (pinta- ja sadevesi) tai pohjavesien mukana. Samalla rajoitetaan hapen ja haitta-aineiden keskinäistä reagointia sekä estetään eläinten ja ihmisten mahdollinen kontaminaatio haitta-aineen kanssa. Eristysmateriaaleina voidaan käyttää joko synteettisiä tai keinotekoisia materiaaleja, joiden tulee olla pitkäikäisiä (ikuisia). (Penttinen 2001, ) 2.4 Huokoskaasukäsittely Huokosilmakäsittelyssä, jota voidaan käyttää syvienkin kohteiden puhdistuksessa (jopa 100 m), maaperästä poistetaan haihtuvia tai puolihaihtuvia yhdisteitä imemällä niitä sisältävää huokoskaasua alipainekaivojen avulla. Maasta poistuva kaasu käsitellään epäpuhtauksien poistamiseksi maan pinnalla aktiivihiilisuodatuksella tai katalyyttisellä poltolla hiilive- 2

6 tyjen määrästä riippuen sekä syntyneet jätevedet ja kiinteät jätteet jatkokäsitellään. Virtausta maaperästä voidaan tehostaa lämmittämällä maata elektromagneettisesti tai radioaaltojen avulla. (Penttinen 2001, ) Menetelmän käyttöä voidaan laajentaa ilman injektoinnilla (air injection), ilman injektoinnilla kyllästymättömään kerrokseen (air sparging), paineilmainjektiolla (air fracturing) ja bioilmastuksella (Mroueh ym. 2004, ). 2.5 Kasvikunnostus eli fytoremediaatio Kasveilla tapahtuva maaperän, pohjaveden ja sedimenttien puhdistaminen perustuu haitta-aineiden hajottamiseen (fytodegradaatio), poistamiseen (fytoekstraktio/fytoakkumulaatio) maaperästä tai maaperään sitouttamiseen (fytostabilointi). Fytoremediaatioksi katsotaan myös kasvien juuristovyöhykkeessä elävien bakteerien ja sienten toiminta eli ritsodergadaatio. (Sillanpää 2007, 5.) Fytoakkumulaatiossa kasvien lehtiin ja varteen sekä juuriin kerääntyneet haitta-aineet poistuvat maasta kerääjäkasvien niiton tai maasta poiston yhteydessä. Fytoremediaatio soveltuu muun muassa maaperän pintakerrosten ja laajojen pinta-alojen kunnostukseen (Penttinen 2001, 18-19). Palmroth (2006, 48) toteaa tutkimuksessaan fytoremediaation sopivan äskettäin hiilivedyillä pilaantuneen maan puhdistukseen, muttei soveltuvan ikääntyneiden hiilivetyjen poistamiseen. 2.6 Reaktiiviset seinämät Reaktiivisten seinämien tavoitteena on puhdistaa pohjavesi ja estää haitta-aineiden kulkeutuminen pois pilaantuneelta alueelta. Menetelmässä ympäröivää maaperää huokoisempi reaktiivinen seinämä asennetaan kohtisuoraan pohjaveden virtausta vasten. Passiivisesti seinämän läpi virtaavan pohjaveden haitta-aineet joko pidättyvät siihen, hajoavat tai muuttuvat ympäristölle haitattomampaan muotoon seinämässä tapahtuvien kemiallisten, biologisten tai fysikaalisten reaktioiden seurauksena. Seinämät voivat luovuttaa happea ja ravinteita tehostaen biohajoamista. (Pellinen 2003, 13.) Tekniikan käyttö edellyttää selkeää pohjaveden virtausta sekä perusteellisia tietoa varsinkin pohjaveden virtauksesta ja kohteen geologisista ominaisuuksista. Kohteen syvyys tai leveys voi asettaa teknisiä rajoituksia menetelmän asennukselle ja/tai huollolle. (Penttinen 2001, ) 2.7 Pohjaveden ilmastus Pohjaveden ilmaus eli stripping in situ tekniikassa paineistettua ilmaa injektoidaan pilaantuneeseen pohjavesikerrokseen, jolla nopeutetaan haihtuvien yhdisteiden poistumista. Syntyneet ilmakuplat tai ilmavirtaus kulkevat maahuokosten välissä pysty- ja vaakasuuntaisesti irrottaen ja kuljettaen mukanaan haitta-aineita ylöspäin kohti kyllästymätöntä kerrosta, josta haitta-aineita poistetaan usein huokosilmakäsittelyllä. Maaperän ilmastuksen seurauksena tehostunutta biologinen hajoaminen voi lisääntyä, 3

7 ja sitä voidaan vielä tehostaa ravinteita lisäämällä. Biosparkingissa pohjaveden ilmauksen tarkoituksena on nimenomaan lisätä biohajoamista. Maaperän rakenteissa tapahtuvien muutosten takia kohteen lähialueen rakennukset ja rakenteet voivat olla vaarassa, ja kontrolloimattomat haihtuvat haitta-aineet voivat siirtyä rakennusten kellarikerroksiin. (Penttinen 2001, ) 2.8 Kemiallinen hapetus Kemiallisessa hapetuksessa, Fenton reaktiossa (tunnetuin) ja sen muunnelmissa, maaperän ja pohjaveden haitta-aineet, jopa suurissa pitoisuuksissa, muutetaan vähemmän haitalliseen muotoon kuten vedeksi ja hiilidioksidiksi eikä jatkokäsittelyä vaativaa materiaali synny. Hapetinta; vetyperoksidia (yleisin), otsonia, permanganaattia, persulfaatti tai kalsiumja magnasiumperoksideja, syötetään maahan injektoimalla tai siiviläputkistoa pitkin. Suurilla vetyperoksidipitoisuuksilla lämmöntuotto voi olla voimakas ja kuivattaa maata, mutta hajoamisnopeutta voidaan rajoittaa stabilointiaineilla. (Laitinen 2010, 6-8.) Palmroth (2006, 48) toteaa väitöskirjassaan Fenton reaktion tehostavan hiilivetyjen hajoamista, mutta reaktion tehokkuus riippuu maaperästä, haitta-aineesta sekä pilaantuman iästä (ikääntyneiden hiilivetyjen poistaminen on tuoreita vaikeampaa). 2.9 Elektrokineettiset menetelmät Menetelmässä maahan asetettujen elektrodien, anodin ja katodin, välille syntynyt heikko tasavirta mobilisoi varautuneita aineita siirtymään kohti elektrodeja (elektromigratio). Katodia kohti kulkeutuvat positiivisesti varautuneet orgaaniset yhdisteet ja metallit, ja anionia kohti negatiivisesti varautuneet orgaaniset yhdisteet sekä anionit. Erotettujen haitta-aineiden hävittämiseksi valitaan sopiva menetelmä. Orgaanisten yhdisteiden poistamisessa elektrokinetiikkaa käytetään yleensä mikrobisaatavuuden lisäämiseksi tehostamaan biologista hajoamista (bioelektrokinetiikka). (Penttinen 2001, 30). Sunin (2006, 15-16) tutkimusten perusteella maaperän ominaisuudet ja olosuhteet voivat rajoittaa suuresti tekniikan käyttöä. Koska kemialliset, elektrokineettiset ja -kemialliset kunnostusmenetelmät sisältävät toisiaan tukevia ominaisuuksia, voidaan niitä käyttää yhdistelmätekniikoina, joita kutsutaan yleisnimellä "elektro-fenton" tai "EK- Fenton" (Laitinen 2010, 13). Viime aikoina tutkijoita on kiinnostanut elektrokineettisten menetelmien yhdistäminen muihin menetelmiin kuten ultraäänikunnostukseen, Lasagna metodiin (monien menetelmien integroitu tekniikka) ja pinta-aktiivisten aineiden ja liuottimien käyttöön (Huang, D., Xu, Q., Cheng, J., Lu, X., Zhang, H. 2012, 4528, 4536.) 2.10 Kunnostus sienillä Sienirihmastoja käytettäessä pilaantuneen maaperän puhdistukseen valitaan optimaalinen sienikanta esi- ja pilot -kokein. Sopiva sienirihmastot kasvatetaan kasvatuslaitoksessa, pakataan tuubeihin ja sijoitetaan puhdistettavaan maaperään. (Fubgitube 2010.) Maaperässä rihmasto levittäytyy 4

8 ja alkaa hajotustoiminnan. Sienirihmaston toiminta parantaa maaperän olosuhteita muidenkin mikrobien toiminnalle. Bakteerien rajalliseen kykyyn hajottaa ympäristömyrkkyjä, sienet voi olla mahdollisuus: sienet kestävät ympäristön stressiolosuhteita ja kestäviä ympäristömyrkkyjä bakteereja paremmin sekä hajottavat pitkäketjuisempia haitta-aineita. Sienet ovat tehokkaita, geneettisesti helposti käsiteltäviä, kustannustehokkaita, helposti kuljetettavia ja sopivat suurtuotantoon. (Obire & Putheti 2009, 1-5) Maan huuhtelu Tekniikassa maaperään tai pohjaveteen johdetaan imeyttämällä tai injektoimalla vettä ja siihen lisättyä haitta-aineen liotinta. Haitta-aineet irtoavat pohjaveteen sen noustessa ja saavuttaessa pilaantuneen maakerroksen. Haitta-ainetta ja liuotinta sisältävä vesi pumpataan useimmiten maan pinnalle ja pääsääntöisesti jatkokäsiteltäväksi. Maan huuhtelu saattaa olla vaikeasti Suomen maa- ja kallioperäoloihin soveltuva puhdistustekniikka. Lisäksi muun muassa huuhtelunesteiden käyttöön voi liittyä moninaisia ympäristöongelmia sekä ympäristöluvan saantiin. (Penttinen 2001, ) 3 MUITA IN SITU MENETELMIÄ Muiden kuin lähdeaineistossa olevien in situ menetelmien löytämiseksi tein suomen- ja englanninkielisiä netti- ja kirjallisuushakuja, mutta löytämäni menetelmät olivat lähdeaineistossa jo mainittuja tai niiden erilaisia yhdistelmiä. Varsinkin englanninkielinen haku löysi erilaisia hybridikunnostuksia, kuten bioslurping (bioventing yhdistettynä alipainepumppaukseen) ja ISCO (Fenton ilman lämpöä kehittävää reaktiota), jotka mainitaan lähdeaineistossakin. Groundwater circulation wells- tekniikka (pohjaveden maanalainen kierrätystekniikka) sekä metalleja maaaineksesta erotteleva, yhteenkeräävä ja stabiloiva- tekniikka ovat nekin eri tekniikoiden yhdistelmiä/sovellutuksia (Khan, Husain, Hejazi 2004, 109, Emonsite n.d.) 4 YHTEENVETO Vaikka Suomessa on puhuttu ja tutkittukin melko kauan in situ menetelmien käytöstä maaperän ja pohjaveden kunnostuksessa, menetelmien käyttö on edelleen vähäistä. Lindforsin (Lindfors 2013) opinnäytetyön mukaan 2000-luvulla in situ kunnostuksia oli alle 60 tapausta. Eniten käytettyjä menetelmiä olivat huokoskaasukäsittely, biostimulaatio, eristys ja kemiallinen hapetus, pohjaveden ilmastus ja reaktiiviset seinämät. Haastattelin puhelimitse Varsinais-Suomen Ely-keskuksen Kimmo Pakarista, Öljyalan palvelukeskus Oy:n Seppo Nikusta ja Nordic Elvicon Hannu Silvennoista, tämän päivän in situ kunnostuksista, ja edellä mainitut menetelmät ovat eniten käytettyjä eikä uusia mullistavia menetelmiä ole näkyvissä (Pakarinen, Nikunen & Silvennoinen, haastattelut ). Suuntana näyttää olevan nykyisten menetelmien kehittämi- 5

9 nen, eri menetelmien yhdistäminen (hybridi-kunnostus) ja luonnon omien prosessien huomioiminen/tunteminen (vaikuttavat haitta-aineiden hajoamiseen ja kohtaloon) kunnostuksessa. Kuten Lindfors (Lindfors 2013) toteaa, optimoitua, kustannustehokasta ja kestävän kehityksen huomioonottava kunnostusprosessia odotellaan vielä. Suurimpina ongelmina pidetään tiedon ja kokemuksen puutetta eri menetelmien käytöstä, lupamenettelyongelmia ja puhdistustarpeen ennakoimattomuutta. 6

10 LÄHTEET Emonsite. In situ metal-stabilization n.d Viitattu Faisal I. Khan, F., Husain, T., Hejazi R An overview and analysis of site remediation technologies. Journal of Environmental Management 71: %20Geomicrobiology/Khan%20et%20al.,%202004%20JEM%20- %20Remediation%20techniques%20overview.pdf Viitattu FungiTube- Rihmastoputkimenetelmä maaperän kunnostuksessa. Mutkupäivät aivat_2010/harinen.pdf Viitattu Huoag, D., Xu, Q., Cheng, J., Lu, X., Zhang, H Electrokinetic Remediation and Its Combined Technologies for Removal of Organic Pollutants from Contaminated Soils. International Journal of ELECTROCHEMICAL SCIENCE 7: Laitinen, J Öljyhiilivedyillä pilaantuneen hiekkamaan in situ käsittely elektro-fenton menetelmällä. Tampereen teknillinen yliopisto. Ympäristö ja energiatekniikan koulutusohjelma. Diplomityö Lindfors, M Maaperän ja pohjaveden in situ- kunnostukset Suomessa: selvitys luvulla käytetyistä kunnostusmenetelmistä. Lahden ammattikorkeakoulu. Ympäristöteknologian koulutusohjelma. Opinnäytetyö. Mroueh, U-M., Vahanne, P., Eskola, P., Pasanen, A., Wahlström, M., Mäkelä, E. & Laaksonen, R Pilaantuneiden maiden kunnostushankkeden hallinta. VTT TIEDOTTEITA Obire, O., Putheti, R Fungi in Bioremediation of Oil Polluted Environments. Year of Energy Sigma Xi. The Scientific Research Society. ty&ie=utf-8&oe=utf-8&aq=t&rls=org.mozilla:fi:official&client=firefoxa&channel=sb&gfe_rd=cr&ei=ba4mu5t1jvcewao12yfo Viitattu

11 Palmroth, M Enhancement of in situ Remediation of Hydrocarbon Contaminated Soil. Tampereen yliopisto, Teknologia. Julkaisu 595. Väitöskirja. Pellinen, J Selvitys likaantuneen maaperän ja pohjaveden biotekniseen kunnostukseen liittyvistä tutkimus- ja kehitystarpeista. Bio-Häme hanke. Finnenco Ympäristökonsultointi. Pilaantuneet maa-alueet Suomessa. Katsaus pdf. t/pilaantuneet_alueet_suomessa Viitattu Ruhanen, M Öljyhiilivedyllä pilaantuneen maaperänäytteen biokunnostuksen menetelmävertailu. Tampereen ammattikorkeakoulu. Kemiantekniikan koulutusohjelma. Ympäristötekniikka. Tutkintotyö. Sillanpää, P Öljyhiilivedyillä saastuneen maan puhdistaminen puiden avulla. SUOMEN YMPÄRISTÖ 2:2007. Pirkanmaan ympäristökeskus. yhdyskuntatekniikan osasto. equence=3 Suni, S Remediation of hydrocarbon contaminants in cold environments electrokinetically enhanced bioremediation and biodegradable soil sorbents. Helsingin yliopisto, Bio- ja ympäristötieteellinen tiedekunta. Väitöskirja Tankkihanke kartoittaa säilötilannetta Hämeessä. Tuomi, P Maaperän luontaisen puhdistuskapasiteetin hyväksikäyttö öljyllä pilaantuneiden alueiden kunnostuksessa. Tutkimusraportti 153:2001. Geologian tutkimuskeskus. HAASTATTELUT Nikunen, S Projektipäällikkö. Öljyalan Palvelukeskus Oy. Haastattelu Pakarinen, K Varsinais-Suomen ELY-keskus. Haastattelu Silvennoinen, H Toimitusjohtaja. Nordic Envicon Oy. Haastattelu

12 9

13