FT-Transport Oy Ab Peltorivi 10470 FISKARS FINLAND Puh: +358 19 277 277 Fax: +358 19 237 270 Email: ft-transport@dlc.fi Toimitusjohtaja Stig Monthén Puh: +35819 277 233 Gsm: +358 500 488 533 LIFE Task PID 4055 Know-how, maaperän kunnostaminen FT-Transport Oy Ab 1
Maaperän kunnostus Tutkimusraportti FT-Transport Oy Ab 2003 FT-Transport Oy Ab 2
Maaperän kunnostus Sisältö 1. Lähtökohdat 4 Biologinen ilmahuuhtelu 5 Tehostettu biologinen puhdistus 5 Huokosilmakäsittely 5 Fytoremediaatio 6 Peltokäsittely 7 Kompostointi 7 Kiinteytys stabilointi 8 2. Puolikoksin ympäristörelevantit yhdisteet 9 3. Ongelmayhdisteiden biologinen hajottaminen 10 4. Biologisen hajotustoiminnan teoreettisista perusteista 11 5. Orgaanisen aineen aerobinen hajottaminen 12 Lähdeviitteitä 15 LIITE. Puolikoksianalyysin tulokset 16 FT-Transport Oy Ab 3
Maaperän kunnostus 1. Lähtökohdat Orgaanisten jätteiden ja jätteiden pilaaman maaperän käsittelyyn on tarjolla useita biologisia menetelmiä. Soveltamisratkaisun valinta riippuu käsiteltävän jäteaineen ympäristörelevanttien yhdisteiden laadusta, jäteaineen määrästä ja sijainnista sekä käsittelyn kustannuksista 1. Life Environment projektissa on kyse Viron palavaa kiveä käyttävän kemianteollisuuden tislausjätteestä puolikoksista, joten puhutaan erittäin suurista jätemääristä. Tähän mennessä Kohtla-Järvelle ja Kiviõliin on varastoitu yhteensä 87 miljoonaa tonnia puolikoksia. Läjitykset muodostavat useiden satojen hehtaarien laajuisen alueen, joka yhä laajenee. Käsiteltävän jätemäärän suuresta määrästä johtuen reaktorityyppiset taitosratkaisut eivät tule käsittelyssä kysymykseen. Samasta syystä jätteen polttaminen ei liene mielekästä. Näistä lähtökohdista arvioiden voidaan päätyä johtopäätökseen, jonka mukaan puolikoksia voidaan kustannustehokkaimmin ja ympäristön kannalta vähäisimmällä kuormituksella käsitellä biologisesti. Kun huonosti sopivat menetelmät 2 rajataan tarkastelun ulkopuolelle, puolikoksin biologisen käsittelyn mahdolliset päämenetelmät Itä-Vironmaan palavakivialueella ovat seuraavat: Biologinen ilmahuuhtelu Tehostettu biologinen puhdistus Huokosilmakäsittely Fytoremediaatio Peltokäsittely Aumakompostointi Kiinteytys ja stabilointi Käsillä oleva projekti itsessään voidaan käsittää eräänlaisena multimediaprojektina, joka demonstroi puolikoksin käsittelymenetelmiä ja ongelmajätteeksi määritellyn materiaalin hyötykäyttöä Viru Ramm - kasvualustana fytoremediaation kohdealueilla. Projektissa Viru Ramm menetelmä tähtää esikäsittelyssä stabiloidun puolikoksin käyttöön maanparannusaineena. Stabiloimiseen voidaan soveltaa eri menetelmiä, joilla täydennetään alkuperäispatenttiin sisältyviä perusprosesseja. Seuraavassa esitellään lyhyesti soveliaimmat käsittelymenetelmät. 1 Tämän raportin teksti on metodologisista syistä esitetty myös tutkimusraportti Orgaanisen jätteen biologinen käsittely, FT-Transport Oy Ab 2003. yhteyessä. 2 Esityksessä seurataan soveltaen tekstiä Penttinen Riitta: Maaperän ja pohjaveden kunnostus, SYKE 2001 Helsinki FT-Transport Oy Ab 4
Biologinen ilmahuuhtelu (Bioventing) Menetelmässä käsiteltävaän maaperään tai massaan johdetaan happea tai ilmaa. Kun massan happipitoisuus suurenee, luontainen biologinen prosessi tehostuu ja orgaaniset yhdisteet joutuvat kaikkialla läsnä olevan mikrobiyhdyskunnan ravinnoksi. Tehostettu hapetus voidaan saada aikaan joko pumppaamalla materiaaliin ilmaa tai saattamalla massa letkujen avulla alipaineistettuun tilaan. Menetelmä soveltuu hapellisissa olosuhteissa hajoaville yhdisteille. Biologisessa ilmahuuhtelussa paine pidetään alhaisena, jotta mikrobiologinen prosessi voi edetä normaalisti. Käsiteltäviä yhdisteitä ovat lähinnä pofttoainepohjaiset hiilivedyt, PAH -yhdisteet ja klooratut liuottimet. Prosessi on suhteellisen hidas ulottuen kuukausista vuosiin. Pääomakustannukset ovat suhteellisen alhaiset, koska tuuletus- ja ilmausputkisto voidaan rakentaa edullisista komponenteista. Suurimman erilliskustannu ksen muodostaa automaattiohjattu puhallin/puhallinjärjestelmä. Ohjaukseen voidaan käyttää suoraan massaan pistettyjä tunnustelijaa, jolloin puhallusfrekvenssi noudattaa ennalta ohjelmoidun happitason säilyttämistä massassa. Biologinen ilmahuuhtelu on menetelmänä lähisukulainen passiivituuletuksella varustetun kompostointiauman kanssa sillä erotuksella, että biologinen iimahuuhtelu soveltuu käyttöön in situ ilman massan siirtoja. Menetelmää voidaan soveltaa myös epäorgaanisten yhdisteiden hapettamiseen, jolloin sen tarkoitus on edistää yhdisteiden adsorboitumista, kertymistä ja ottoa. Referenssilaitteita on käytössä useissa maissa, mm. Suomessa. Tehostettu biologinen puhdistus (Enhandend bioremediation) Menetelmässä haitta-aineiden luonnollista hajoamista maaperässä pyritään tehostamaan lisäämällä materiaaliin happea öljypohjaisten hiilivetyjen hajottamiseksi ja elektronidonoreita kloorattujen hiilivetyjen hajottamiseksi. Lisäksi luontaisten mikro-organismien elämää helpotetaan lisäämällä materiaaliin fosforiyhdisteitä ja typpeä. Koko input voi tapahtua maaperään kaivettujen kaivojen kautta. Maan päälle läjitetyn materiaalin käsittelyssä käytetään tarkoituksenmukaista putkistoa. Menetelmä soveltuu mm. öljyjätteiden ja polttoainepohjaisten hiilivetyjen puhdistamiseen, mutta toimii myös kreosoottien sisältämien PAH-yhdisteiden ja kloorattujen hiilivetyjen kanssa. Tehokkaimmillaan menetelmä on suhteellisen alhaisten pitoisuuksien käsittelyssä. Menetelmän etuna on tekninen yksinkertaisuus ja sen soveltuminen erilaisiin ympäristöihin. Maanpäällisen massan käsittelyssä menetelmä voidaan nähdä biologisen ilmahuuhtelun kehittyneempänä versiona. Menetelmän käyttökustannukset ovat alhaiset. Huokosilmakäsittely (Soil vapour extraction SVE) Huokosilmakäsittely soveltuu paikanpäällä tapahtuvaan saastuneen materiaalin käsittelyyn jopa useiden kymmenien metrien syvyyteen saakka. Menetelmällä materiaalista poistetaan alipaineen avulla haihtuvia ja puolihaihtuvia yhdisteitä. Poistokaasu johdetaan käsiteltäväksi esimerkiksi aktiivihiilisuodatuksella tai polttamalla. FT-Transport Oy Ab 5
Putkisto asennetaan paikalle vaaka- tai pystytasoon. Jos materiaali läpäisee huonosti ilmaa, haitta-aineiden liikkuvuutta voidaan lisätä ilman pumppauksella putkistoon. Maan pintakerros tulee peittää geotekstiilillä, jotta haihtuvien yhdisteiden pääsy suoraan ilmaan estyy. Jos käytettävissä on edullista höyryä, sen puhaltamisella käsiteltävän massan joukkoon saadaan prosessia aktivoiduksi. Käsittely on mahdollista toteuttaa maanpinnalla läjittämällä massat esimerkiksi aumoihin. Tällöin haitta-aineiden haihtuminen ilmaan tai pääsy valumavesiin on estettävä rakenneratkaisujen avulla. Menetelmä soveltuu erityisesti helposti haihtuvien orgaanisten yhdisteiden käsittelyyn sekä puolihaihtuvien yhdisteiden käsittelyyn. Jälkimmäisessä tapauksessa haihtumista on tehostettava lämmityksen avulla. Käsittelykustannus riippuu kohteesta ja kustannuksia kohottaa kaasujen käsittely. Käsittelyn kestoaika on keskimäärin 6-12 kk. Menetelmää käytetään erityisesti huoltoasemakiinteistöjen maaperän kunnostukseen. Fytoremediaatio (Phytoremediation) Fytoremediaatio perustuu biologisesti aktiivisen kasvien juurivyöhykkeen käyttöön maaperän, pohjaveden tai sedimentin kunnostamisessa. Menetelmällä on vaikutuksia sekä orgaanisiin, että epäorgaanisiin yhdisteisiin. Fytoremediaation varhaisessa kehitysvaiheessa menetelmää käytettiin yksityiskiinteistöjen sekä kunnallisten ja teollisten jätevesien käsittelyyn johtamaila jätevedet erillisten istutusten kautta poistoviemäriin. Myöhemmin menetelmän käyttö on laajentunut käsittämään pilaantuneen maan ja pohjaveden. Aivan viime vuosina menetelmää on alettu soveltaa mm. erilaisilla metalleilla, tuholaismyrkyillä, liuottimilla, räjähteillä, öljyillä ja PAH -yhdisteillä pilaantuneiden maamassojen puhdistamiseen. Viime vuosien laajamittaisia sovelluksia ovat olleet Keski-Euroopan kaivosalueiden kunnostus, Tshernobylin onnettomuusalueen eräiden maa-alueiden käsittely sekä Meksikonlahden taannoisen öljytuhoalueen käsittely menetelmän avulla. Menetelmän etuna ovat aihaiset pääoma- ja käyttökustannukset. Lisäksi sen avulla voidaan aktiivisesti kohentaa maisemaa, sitoa liukenevia haitta-aineita maaperän humuskerrokseen sekä stabiloida maata. Nykyisin käytetyistä menetelmistä fytoremediaatio on ainoa realistinen vaihtoehto laajojen, lievemmin saastuneiden maa-alueiden puhdistamiseen. Menetelmän käyttö rajoittuu maan pintakerrokseen (juurisyvyys). Menetelmä edellyttää soveltuvan kasvipeitteen luomista käsiteltävän maakerroksen päälle, joten käsiteltävä materiaali on saatava toimimaan kasvualustana. Kun tässä onnistutaan, kasvien juurivyöhykkeen biologinen aktiivisuus nopeuttaa haitta-aineiden luontaista biologista hajoamista. Kasvien juuret nostavat eräät haitalliset yhdisteet ja ainekset juuriston lisäksi myös ylempiin kasvinosiin, eräät aineet taas juuttuvat juuriston erittämään limaan erittäin pysyvästi. Tietyt kasvilajit kykenevät varastoimaan suuret määrät raskasmetalleja, toiset taas ovat tehokkaita hajottajia tai pystyvät muuntamaan alun perin myrkylliset yhdisteet vaarattomaan muotoon. Myös päinvastaisia ilmiöitä on todettu. FT-Transport Oy Ab 6
Fytoremediaation kautta maaperä stabiloituu ja ph:n noustessa raskasmetallien liukeneminen vähenee. Maaperään muodostuva uusi humus sitoo tehokkaasti eri hajoamistuotteiden ohella myös kosteutta, jolloin maamikrobeilla on turvattu toimintaympäristö. Fytoremediaation soveltaminen edellyttää työkohteen pitkäjännitteistä seurantaa ja käsiteltävien alueiden kasviston kehittämistä. Koska menetelmää kohtaan tunnetaan (ainakin Suomessa) myös epäluuloja, on huolehdittava riittävän maamikrobiologisen asiantuntemuksen kytkemisestä prosessin suunnitteluun, toteuttamiseen ja seurantaan. Peltokäsittely (Landfarming) Peltokäsittely perustuu yksinkertaiseen maanpinnan muokkaukseen, jonka kautta pellolle levitetty materiaali saadaan mikrobiologisen toiminnan piiriin. Tehokkaimmillaan menetelmä on öljyisten lietteiden käsittelyssä. Menetelmä ei tähtää kaikkien haitallisten yhdisteiden poistamiseen. Toiminnassa voidaan käyttää tavanomaista maatalouskalustoa maan muokkaukseen ja jätelietteen sekoitukseen. Tavanomaisia tukitoimia ovat ph:n säätely kaikituksen avulla sekä lannoitus tarvittaessa. Apuaineiksi soveltuvat jätevesipuhdistamon lietteet ja muut orgaaniset jätteet. Ravinteiden suhteita säädellään kompostoinnin tapaan mittauksin. Menetelmää käytettäessä on kiinnitettävä erityistä huomiota vesiensuojeluun. Menetelmä ei sovellu nopeasti haihtuvien yhdisteiden käsittelyyn ilmapäästöjen vuoksi. Kun käsiteltävää ainetta voidaan levittää nelimetrille vain 10-15 kg, tarvitaan paljon tilaa. Biologiseen toimintaan vaikuttavia ympäristöolosuhteita ei juuri voida kontrolloida ja prosessiaika voi nousta epäedellisten säiden (kuivuus, kylmät, sateet) vuoksi hyvinkin pitkäksi. Kääntöpuoli on menetelmän taloudellisuus sekä investointien, että käyttökustannusten osalta. Kompostointi (Composting) Kompostoinnissa mikro-organismit hajottavat orgaanisia haitta-aineita moniportaisessa prosessissa. Yleisimmin käytetty menetelmä on läjittää käsiteltävä materiaali pitkänomaiseen aumaan, mutta myös kompostointialtaat ja pysty- tai vaakareaktorityyppiset ratkaisut ovat tavallisia. Käsiteftävään massaan sekoitetaan hapellisuuden turvaamiseksi ns. rakennemateriaaleja kuten puuhaketta, kuoriketta, lastuja tai oikea. Ravinteiden oikea suhde ja rakennemateriaalin tarve määritellään iähtöaineiden analyysin perusteella. Mikro-organismien hapensaanti varmistetaan tuuletuksen avulla. Tarkoitukseen voidaan käyttää pyöräkuormaajaa tai erityisesti suunniteltua kääntölaitetta, jolla auma käännetään säännöllisesti. Toinen, ilmansuojelun kannalta edistyneempi menetelmä on erityisen tuuletusputkiston asentaminen kompostoitavaan materiaaliin sekä auman peittäminen joko luonnonmateriaalista rakennetulla biofiltterillä tai erikoistekstiileillä. Tarvittaessa komposti voidaan kastella. FT-Transport Oy Ab 7
Kiinteytys - stabilointi Kompostointialueen pohja ei saa läpäistä vettä tai muita nesteitä. Suotovedet on käsiteltävä tarpeen mukaan ja joka tapauksessa on otettava talteen puhdistamokäsittelyä varten. IImapäästöt ovat aikaisemmin kuuluneet avokompostointiin olennaisena osana. Viime vuosien kehitys on kuitenkin tehnyt hallitsemattomat päästöt hajuineen yhä epätoivotummiksi. Tämän vuoksi myös avokompostointiin on kehitetty erilaisia haihtuvien yhdisteiden ilmaan pääsyä estäviä menetelmiä. Kompostointi on tehokas menetelmä mm. öljypohjaisten hiilivetyjen käsittelyssä. Pienimolekyyliset hiilivety-yhdisteet hajoavat jo muutamassa viikossa, rasvat ja hiilihydraatit jopa muutamassa päivässä. Vaikeammin käsiteltävät bitumit, kreosoottiöljyt ja kloorifenolit vaativat hajotakseen muutamia kuukausia. Kompostoinnin tulokset voidaan kätevästi varmistaa kenttätestauslaitteilla. Prosessin seurantaan on käytettävissä myös muita erikoislaitteita, joiden avulla mm. kompostin lämpö ja happitilanne saadaan vakioiduksi. Kompostointi on edullista ja tehokasta, mutta vaatii ammattitaitoa, asialliset puitteet/tilat ja erikoiskalustoa. Käsittelykustannus materiaalitonnia kohden vaihtelee tätä kirjoitettaessa 25-100 euron välillä materiaalista riippuen. Kompostoinnin teoreettinen tutkimus on 90-luvun aikana tuottanut jossain määrin aivan uusia, hyödyllisiä tuloksia. projektin yhteydessä näitä tuloksia voidaan tarkoituksenmukaisessa laajuudessa soveltaa ja esitellä. Tämän esityksen kontekstissa stabiloinnillo tarkoitetaan materiaalin saattamista tilaan, jossa ei enää tapahdu merkittäviä aineksen muutoksia tai hajoamista, ei etenkään happea kuluttavaa biologista prosessia. Stabiloitunut materiaali ei myöskään menetä massaansa eikä muuntumista hiilidioksidiksi ja vedeksi enää tapahdu. Tällä perusteella kaikki orgaanisen jätteen käsittelymenetelmät tähtäävät jäteaineen sisältämien haitallisten yhdisteiden stabilointiin. Stabiilisuus voidaan saavuttaa a. fysikaalisen tai kemiallisen oksidaatioprosessin avulla matalassa tai korkeassa lämpötilassa tai b. biokemiallisen mineralisaatio- ja muunnosprosessin kautta aerobisesti tai anaerobisesti. Stabiloinnin tavoitteena on haittaaineiden kulkeutumisriskin pienentäminen muuntamalla ne vähemmän myrkylliseen, liukoiseen tai kulkeutuvaan muotoon. Kiinteytyksen tavoitteena ei ole käsiteltävän materiaalin haittaainespitoisuuden pienentäminen tai hävittäminen. Sillä tähdätään haitallisen materiaalin sitomiseen ja sen ainesosien kulkeutumisen estämiseen ympäristöönsä. Menetelmä voi perustua puhtaasti fysikaaliseen materiaalin sitomiseen apuaineeseen tai kemialliseen sidontaan. Kiinteytyksessä sideaineen avulla materiaali kapseloidaan siten, että se ei pääse ympäristöönsä sen paremmin veden, kuin ilmankaan vaikutuksesta. Lisäksi sideaineelle asetetaan suuria mekaanisia kestävyysvaatimuksia. Tyypillinen kiinteytysmenetelmä on käsiteltävän jätemateriaalin sekoittaminen sementtiin tai bitumiin. Kiinteytykseen voidaan käyttää mm. kaikkia, lentotuhkaa, bentoniittia, silikaatteja tai orgaanisia polymeereja. FT-Transport Oy Ab 8
Samaan tarkoituk seen on käytetty myös teollisuuden jätteitä ja prosessimateriaaleja, kuten masuunikuonaa ja tuhkaa. Menetelmä edellyttää ensiksi kohdemateriaalille soveltuvan reseptin kehittämistä. Sen jälkeen käsiteilylle stabilaatille on suoritettava liukoisuustesti. Kun stabiloinniila ja kiinteytyksellä tähdätään kestäviin ratkaisuihin, testit saattavat ottaa aikaa jopa vuosia. Epäorgaanisille materiaaleille käytetyin testi on hollantilainen diffuusiokoe NEN 7345. Orgaanisille aineille vastaavaa testiä ei ole olemassa. Tällä hetkellä yleisimmin käytössä on bitumi- ja sementtistabilointi. Puolikoksin kyseessä ollen menetelmän soveltaminen tullee kyseeseen hyödynnettäessä materiaalia esimerkiksi tierakennusbitumin osana tai muissa vastaavissa tarkoituksissa. 2. Puolikoksin ympäristörelevantit yhdisteet Puolikoksin haitalliset yhdisteet tutkittiin vv. 2000-2001 toteutetun projektin yhteydessä Viron sisäministeriön ja FT-Transport Oy Ab:n rahoituksella. 3 Projektin ympäristövaikutusten arviointiohjelman yhteydessä AS Maves otti systemaattiset näytteet Kiviõlin tehtaan tuoreesta puolikoksista sekä Kohtia-Järven tehtaiden kahden generaattorin tuottamasta puolikoksista. Systematiikka ja analysoitujen aineiden luettelo noudattaa Suomessa ja muissa EU-maissa saastuneiden maa-ainesten tutkinnassa noudatettua menettetyä. Kaikkiaan analysoitiin 213 ainetta ja yhdistettä. Analyysit toteutetti alan akkreditoitu laboratorio Milieu B.V. (testi TerrAttesT, versio 2.22) Hollannissa. Analysoidut materiaalit jakautuivat seuraaviin ryhmiin: Raskasmetallit (16 kpl) Monoaromaattiset hiilivety-yhdisteet (15 yhdistettä) Fenolit (10 yhdistettä) PAH-yhdisteet (16 yhdistettä) ns. Hollannin ryhmä sekä US EPA ryhmä Halogenoidut haihtuvat hiilivedyt (23 yhdistettä) Klooratut bentseenit (14 yhdistettä) Kloorifenolit (1 8 yhdistettä) PCB-yhdisteet (7 yhdistettä) Kloorianiliinit (5 yhdistettä) Kloorinitrobentseenit (8 yhdistettä) Muut klooratut hiilivedyt (3 yhdistettä) Klooripitoiset pestitsidit (23 yhdistettä) 4 Fosforipestitsidit (1 8 yhdistettä) Typpipestitsidft (9 yhdistettä) Muut pestitsidit (13 yhdistettä) Muut hiilivedyt (3 yhdistettä) Fatalaatit (7 yhdistettä) Mineraaliöljy-yhdisteet (5 yhdistettä) Yhteensä tutkittiin 216 yhdistettä. 3 Projekti Väheväärtuslike maade metsastamine, Keskkonnamõju hindamise programm, AS Maves, Tallinna, huhtikuu 2002. Kopio analyysituloksista on tämän esityksen liitteenä. 4 Torjunta-aineanalyysit kohdistuivat Viru Rammilla käsiteityihin peltomaihin. FT-Transport Oy Ab 9
Valtaosassa analyyseja tulos jäi menetelmän saavuttaman määritysrajan alapuolelle. Selkeät tulokset saatiin raskasmetalleista, joiden kärjessä pitoisuuksien perusteella ovat barium, lyijy, kromi, nikkeli ja vanadium sekä Kiviõlin että KohtIa-Järven puolikoksissa. Kaikki raskasmetallipitoisuudet alittavat kuitenkin selvästi asuinympäristön maaperälle asetetut enimmäisraja-arvot ja pysyvät myös suomalaisen puhtaan maan raja-arvojen puitteissa. Orgaanisista yhdisteistä, jotka siis ainoastaan voivat olla biologisen käsittelyn kohteena, raja-arvot ylittyvät tai lähestyvät raja-arvoa kymmenen yhdisteen osalta. Fenolit ylittävät sallitut raja-arvot noin 1 5-kertaisesti. Kokonais - PAH ylittyy Kohtia-Järven puolikoksissa Kiviõlin arvojen jäädessä noin puoleen raja-arvosta. Klooratuista hiilivedyistä analyysitulos saatiin bifenyylistä ja dibentsofuraanista, mutta luku lähenee määritysrajaa ja on käytännössä merkityksetön. Öljyperäisten hiilivetyjen tulokset ovat odotetusti selvät ja ylittävät Kiviõlin osalta sallitut arvot yli kaksinkertaisesti jääden Kohtla-Järvellä hieman pienemmiksi. Tämä ainesryhmä on puolikoksin ympäristörelevanteista yhdisteistä tärkein. Muita mitattuja haitta-ainepitoisuuksia puolikoksista ei saatu. Analyyseissä käytetty tutkimusmenetelmä, näytteen otto ja analyysit on suoritettu moitteettomasti tieteellisen menetelmän edellyttämällä tavalla. Saavutettuja analyysituloksia voidaan pitää merkittävinä puolikoksin hyödyntämisen kannalta. Kun ympäristölle haitallisten aineiden kanssa työskenneltäessä on hyvä käyttää riittäviä turvakertoimia, voidaan johtopäätöksenä todeta, että puolikoksin haittaaineiden biologinen stabilointi on ehdottoman tarpeellinen ja sillä voidaan saada ympäristön kannalta relevantteja tuloksia. 3. Ongelmayhdisteiden biologinen hajottaminen Orgaanisten aineiden purkaminen mikro-organismien toiminnan kautta edellyttää eräiden perusasioiden huomioon ottamista. 1. Käsiteitävä aines voi suoraan palvella mikro-organismien energia- ja hiililähteenä. Tarvittavat entsyymit ovat olemassa ja ne voidaan ottaa käyttöön spontaanisti. 2. Materiaalin hyväksikäyttö voi vaatia sopeutumisvaiheen läpikäymistä, jolloin erikoisentsyymit muodostuvat viiveeliä ja prosessi käynnistyy sopeutumisen tapahduttua. 3. Prosessi voi toteutua monien ei-erikoistuneiden entsyymien yhteisvaikutuksen ansiosta siten, että mikro-organismit eivät saa aktiviteetistään minkäänlaista ravinnollista tai energeettistä hyötyä. 4. On olemassa lukuisia orgaanisia yhdisteitä, jotka voivat purkautua vain hitaasti tai ei lainkaan mikrobien myötävaikutuksella. Ympäristökemikaalien purkamiseen osallistuu yleensä useita mikroorganismilajeja samanaikaisesti, jotka lisäksi osaavat toimia yhdessä tietyniaisen työnjaon mukaan. Tämän vuoksi on hyödyllistä, että mikrobiologisessa käsittelyssä huolehditaan lajirunsauden ehtona olevista yleisistä puitteista. FT-Transport Oy Ab 10
Niitä ovat käsiteltävän materiaalin riittävä kosteus ja suotuisa rakenne, lämpötila, redoxtekijät, ph-arvo sekä ravinnon riittävyys ja monipuolisuus. Kaikki puolikoksin ympäristörelevantit ongelmayhdisteet voidaan käsitellä vaarattomiksi useammallakin aikaisemmin esitellyllä biologisella menetelmätlä. 5 Itä-Vironmaan palavankiven teollisuus, kaivokset ja öljyntislaus, aiheuttavat erityisen tarpeen kahdentyyppiseen ympäristöä suojelevaan toimintaan: 1. Uusi puolikoksi tulisi stabiloida välittömästi prosessista tulon jälkeen, jotta haihtuvien yhdisteiden pääsy ilmaan tai maaperään/veteen voidaan estää 2. Varastoitu puolikoksi tulisi stabiloida tarkoituksenmukaisessa laajuudessa siten, että sen sisältämien yhdisteiden hajoamistuotteiden pääsy ilmaan ja huuhtoutuminen ympäristöön estyisi. Erityistä huomiota on syytä kiinnittää hiilivetyjen purkaantuessa vapautuvan metaanin sitomiseen. Ensimmäinen tehtävä voidaan hoitaa menestyksekkäästi ja taloudellisesti suuraumoissa suoritettavan kompostoinnin (biologinen prosessointi) avulla. Koska puolikoksi sisältää eri tyyppisiä haitta-aineita, kompostoimisajan tulee olla riittävän pitkä hitaimmin hajoavien yhdisteiden, kuten fenolien, bitumien ja PAH-yhdisteiden purkamiseksi. Toinen tehtävä edellyttää fytoremediaation käyttöä, jotta varastovuorten puolikoksin pintakerros saadaan stabiiliksi ja jotta sään (sade, tuuli, lämpötilan vaihtelu) vaikutukset voidaan eliminoida. Lisäksi tarvitaan varastointiläjitysten suojausta aktiivisten biofiltterikerrosten avulla, jotta haihtuvien yhdisteiden ja kasvihuonekaasujen pääsy ilmakehään estetään. Viru Ramm innovaation soveltaminen menettelyn yhteydessä varmistaa elinvoimaisen kasvualustan suojaustarpeessa oleville alueille. 4. Biologisen hajotustoiminnan teoreettisista perusteista Mikro-organismit pystyvät hajottamaan aerobisessa ja anaerobisessa prosessissa periaatteessa kaikki luonnossa esiintyvät orgaaniset yhdisteet. Elintapansa perusteella mikro-organismit jaetaan aerobisiin, anaerobisiin ja fakultatiivisesti anaerobisiin lajeihin. Aerobisten mikro-organismien elinehto on hapen läsnäolo, koska happi toimii niiden aineenvaihduntamekanismissa välttämättömän elektroniakseptorin tehtävässä. Anaerobisten mikro-organismien elämän happi tekee mahdottomaksi, sillä ne käyttävät elektroniakseptoreina muita aineita kuten sulfaattia, nitraattia, ammoniakkia, rikkiä ja orgaanisia yhdisteitä. Fakultatiivisesti anaerobiset mikrobit kykenevät tarpeen vaatiessa sopeuttamaan aineenvaihtonsa anaerobisiin olosuhteisiin. Aerobisessa prosessissa orgaaniset substanssit muuttuvat epäorgaanisiksi reaktiotuotteiksi. Poikkeuksen muodostavat mi kro-organismit, joilta puuttuvat täydelliseen hapetukseen tarvittavat avainentsyymit. 5 Saksalaisen ohjeen VDI Richthnie 3477 mukaan puolikoksin aikaisemmin luetellut ongelma-aineet, kuten öljyperäiset hiilivedyt, fenolit, kreosootit, bitumit. PAH-yhdisteet ja klooratut hiilivedyt, kuuluvat kaikki ominaisuuksiltaan hyvin tai kohtalaisen hyvin aerobisesti hajotettavissa oleviin yhdisteisiin. FT-Transport Oy Ab 11
Aerobinen hajotustoiminta synnyttää lämpöä yleensä enemmän kuin anaerobinen prosessi, jossa reaktiotuotteiden joukossa on aina epätäydellisesti oksidoituneita aineksia. Esimerkiksi glukoosin hajotuksessa aerobinen prosessi tuottaa lämpöä noin 2900 kj, kun anaerobisen prosessin lämpötuotos on vain 405 kj. Osa lämmöstä vapautuu suorana lämpöenergiana ympäristöön, osan mikroorganismit tallettavat kemiallisen muunnoksen jälkeen adenosiinitrifosfaattina solukkoonsa. Tämän energian turvin tapahtuu samanaikaisesti orgaanisten ainesten muokkaaminen mikro-organismeille käyttökelpoiseen muotoon. Aineenvaihtoprosessin energeettinen hyötysuhde vaihtelee mikro-organismeilla 40-70% välillä eri tutkijoiden tuloksista riippuen. Prosessin perusedellytys on veden läsnäolo, koska mikro-organismit pystyvät siirtämään solukalvojensa kautta vain liuenneita yhdisteitä. Liukenemattomat yhdisteet mikro-organismit hajottavat solun ulkopuolella erityisten entsyymien avulla, mikä mahdollistaa hydrolyysin. Tämän jälkeen solukalvot ottavat liuenneet yhdisteet käsittelyynsä ja lopputuotteena syntyy hiilidioksidia, vettä ja kuollutta solumassaa. Aerobisen prosessin tuottama lämpö on mahdollista mitata kenttäolosuhteissa silloin, jos orgaanisen aineen osuus materiaalissa on suuri ja hiiltä on riittävästi tarjolla intensiivisen prosessin toteutumiseen. Tällainen on esimerkiksi jätelietteen tai biojätteen kompostoinnin prosessi. Puolikoksin orgaanisen substanssin osuus on materiaalin kokonaismassasta 10-12 tilavuusprosenttia, josta hiiltä on noin 80%. Materiaalin pääainesosat ovat tuhka sekä kalsium- ja rikkiyhdisteet (n. 50%). Materiaalin kylmän koostumuksen vuoksi puolikoksin aerobisen prosessoitumisen etenemistä ei esimerkiksi kompostiaumassa voida yleensä todeta kenttätyöhön tarkoitettujen lämpömittareiden avulla. Prosessia voidaan kuitenkin tarkkailla silmämääräisesti materiaalin koostumuksen muutoksen perusteella sekä tekemällä ympäristörelevanttien ainesten osalta pitoisuuksien muutosta osoittavia testejä. Tähän voidaan soveltaa eri valmistajien kenttätestaussettejä, joiden antama tulos on riittävän tarkka toiminnan seurantaa ajatellen. 5. Orgaanisen aineen aerobinen hajottaminen 6 Aerobisen prosessin materiaalitase on yleisessä muodossa esitettävissä seuraavasti: C a H b O C N d + X O 2 - Y CO 2 + Z H 2 O. Jos käytettävissä on analyysiin perustuva hajotettavien ainesten summayhtälö, voidaan prosessissa purettujen ainesten määrä mitata joko mittaamalla käytetty happi tai tuotettu hiilidioksidi. Koska kyseessä on eri substanssien samanaikainen hajotustoiminta, täytyy laskennassa käyttää soveltuvaa makrokaavaa. 6 Biologisen jätekäsittelyn tutkimus on 90-luvulla tuottanut paljon uutta ja merkittävää tietoa. Sitä sovelletaan tässä jaksossa kursorisesti. FT-Transport Oy Ab 12
Mikrobihengityksen voimaperäisyyden mittana voidaan käyttää tuotetun hiilidioksidin moolimäärän suhdetta RQ käytetyn hapen määrään. Jos kyseessä ovat vähän happea sisältävät yhdisteet, suhde RQ saa arvon < 1. Rasvoilla RQ on noin 0,7, valkuaisaineilla 0,8. Jos suhde on yli 1, prosessi etenee todennäköisesti anaerobisesti. Puolikoksin orgaanisten yhdisteiden aerobisesta käsittelystä ei kyseistä indikaattoria ole toistaiseksi käytettävissä. Aerobinen hajotusprosessi etenee moniportaisesti solunulkoisen ja solunsisäisen entsymaattisen hajotustoiminnan sekä hapellisten prosessien vuorovaikutuksessa. Hapen kulkeutuminen materiaalissa tapahtuu konvektion ja diifuusion avulla. Keskeisiä prosessin agendoja ovat materiaalihiukkasten pinnalle muodostuvat bakteerikoloniat. Pitkään oli hämärän peitossa, miten kiinteän aineen aerobinen hajoaminen fermentaation avulla tapahtui. Tämänhetkisen käsityksen mukaan aerobiset mikro-organismit kiinnittyvät aineshiukkasen makropintakerrokseen ja hiukkasen sisällä on anaerobinen ydin spesifisine mikro-organismeineen. Hajoamistoimintaa tapahtuu saman aikaisesti sekä hiukkasen ytimessä että pinnalla. Yleensä ytimessä tapahtuva hajoaminen on hitaampaa kuin pintakerroksessa. Tämä johtuu välittömästi aerobisten ja anaerobisten mikroorganismien lukumääräisestä suhteesta ytimessä ja hiukkaspinnalla. Näin ollen osa ainesosista purkautuu hapetonta tietä ja purkautumistuotteet (lähinnä orgaanisia happoja) hajoavat edelleen aerobisessa prosessissa. Prosessia havainnollistaa seuraava kaavio: Kaavio. Aerobisen hajotustoiminnan periaate. Jos materiaalin tekninen käsittelysysteemi turvaa riittävän hapen saannin prosessiin, ei materiaaliin voi syntyä pysyvää metaanibakteerien populaatiota. Tämä kuitenkin tapahtuu, jos happitaso ei riitä eli hapen määrä putoaa alle 10 prosentin. Metaanibakteerit hajottavat hiilivety-yhdisteet ja tuloksena syntyy metaania CH4, joka päätyy ilmakehään. Tilanne on ilmeisesti tämänkaltainen puolikoksivarastoissa. Niissä monoaromaattisten hiilivety-yhdisteiden, fenolien, PAH-yhdisteiden sekä ympäristön kannalta tärkeimmän yksittäisen ainesryhmän, öljyperäisten hiilivetyyhdisteiden hajoaminen hapetonta tietä FT-Transport Oy Ab 13
tuottaa väistämättä hajoamistuotteina metaania sekä muita orgaanisia hajoamisyhdisteitä. Nämä päätyvät ajan myötä haihtumisen kautta ilmaan tai huuhtoutuvat pintakerroksista sade- tai suotoveteen liuenneina ympäristön maaperään ja vesistöihin. Puolikoksin metabolisoitumisen tuloksena syntyvistä yhdisteistä ei ole käytettävissä tutkittua tietoa. Sen sijaan on olemassa lukuisia olettamuksia ja asenteellisia kauhuskenaarioita, joiden vuoksi puolikoksin järkevä jälkikäsittely ei toistaiseksi ole päässyt etenemään. On olennaista nähdä, että riippumatta varastoläjitysten pintakerrosten aerobisista, tai sisäisistä, anaerobisista prosesseista ja niiden tuotoksista, kaikki puolikoksin ympäristörelevantit yhdisteet on mahdollista käsitellä biologisessa hapellisessa prosessissa. Tässä esityksessä rajoituttiin luomaan yleiskatsaus käytössä olevista maaperän kunnostamismenetelmistä. Konkreettinen, projektissa käytettäväksi ehdotettu menetelmä esitellään erillisessä tutkimusraportissa. Menetelmän soveltaminen konkreettisessa kohteessa edellyttää erillisen toimenpideohjelman ja - suunnitelman laatimista. FT-Transport Oy Ab on valmis tällaisen laadintaan FASCO-projektin suunnitelmien puitteissa sen jälkeen, kun projektin johto on työkohteen nimennyt. Tämän raportin valmistusaikaan tällaisia kohteita ei vielä ollut tarjolla. Fiskars, kesäkuussa 2003 Kari Arvola Projektipäällikkö FT-Transport Oy Ab 14
Lähdeviitteitä AS Maves: Projekti Väheväärtuslike maade metsastamine, Keskkonnamõu eelhinnangu aruanne, Tallinn 2002 Arvola Kari: Nonstop-kompostointi tornituuletetuissa suuraumoissa, julkaisematon tutkimus, Centimen Oy 2002, Pohja Brandl, Brombacher, Krebs:Mobilisierung und Rückgewinnung von Metallen aus festen Abfällen mit Hilfe von Bakterien und Pilzen, aikakauskirjassa Forschung für eine nachhaltige Abfallwirtschaft, Universität Zürich 2000 Hanover International: Application for Assistance with the Purchase and Modernisation of an Electric Power Station & Shale Oli Factory Kivioli, Estonia, Anto Group Ltd 1999 Stegmann/Rettenberger/Bidlingmaier/Ehrig (Hrsg.) Deponietechnik 2000, Verlag Abfall aktuell, Stuttgart 2000 Itkonen Arto (toim.): Ympäristögeologian päivät 23.-24.3.1999, Turun yliopisto, Turku 1999 Lechner Peter: Biologische Behandiung von Abfällen, luentomoniste, Universität für Bodenkultur Wien 2001 Münzberger Petra: Bildung und Veränderung von Kohlwasserstoffen, seminaarityö, ei julkaisualkaa ja paikkaa Paar Silke: Das Dombelüftungsverfahren, w.e.b. Universitätsverlag Dresden 2000 Penttinen Riitta: Maaperän ja pohjaveden kunnostus, SYKE 2001 Helsinki Salkinoja-Salonen Mirja (toim.): Mikrobiologian perusteita, Jyväskylä 2002 FT-Transport Oy Ab 15
FT-Transport Oy Ab 16
FT-Transport Oy Ab 17
FT-Transport Oy Ab 18
FT-Transport Oy Ab 19
FT-Transport Oy Ab 20
FT-Transport Oy Ab 21
FT-Transport Oy Ab 22
FT-Transport Oy Ab 23