Haitta-aineiden kulkeutumista ohjaavat prosessit

Kulkeutumisriskien arviointi edellyttää arviota haitta-aineiden jakautumisesta maa-aineksen, huokosveden ja huokosilman välillä maaperän oletetussa päästölähteessä. Jakautumisen pe-rusteella arvioidaan aineiden kulkeutuminen päästölähteestä ympäristön eri osiin ja altistu-misreiteille.

Haitta-aineiden jakautumista ja kulkeutumista säätelevät monet fysikaaliset, kemialliset ja biologiset prosessit. Näistä tärkeimpiä ovat liukeneminen, haihtuminen, pidättyminen, advek-tio, dispersio, diffuusio ja biohajoaminen.

4.8.2.1 Jakautuminen päästölähteessä

Haitta-aineen jakautumisen maaperässä tai muussa matriisissa (esim. jätetäyttö tai se-dimentti) voidaan yleensä arvioida olevan tasapainotilassa. Tämä tarkoittaa, että haitta-aineen pitoisuusosuudet maa-aineksen, huokosveden ja huokosilman suhteen eivät muutu, vaikka ainetta siirtyykin koko ajan näiden faasien välillä.

Riskinarvioinnissa haitta-aineen pidättymistä ja liukenemista päästölähteessä (sorp-tio/desorptio) arvioidaan yleensä maa-vesi -jakautumiskertoimella eli Kd-arvolla. Se ilmaisee haitta-aineen maahan pidättyvän ja veteen liukenevan pitoisuusosuuden suhteen tasapainoti-lassa. Laskennallisesti huokosveden pitoisuus voidaan arvioida Kd-arvon ja maaperästä mita-tun edustavan (kokonais)pitoisuuden perusteella (ks. liite 6).

K_darvoon vaikuttavat sekä haittaaineen että maaperän ominaisuudet (mm. pHredox -suhteet, orgaanisen ja hienoaineksen määrä sekä raudan, alumiinin ja mangaanin oksidit).

Yleensä haitta-aineiden pidättyminen heikentyy siirryttäessä pintamaasta syvempiin maaker-roksiin. Esimerkiksi pohjavesivyöhykkeessä Kd-arvo voi olla jopa kertaluokkia orgaanisen pintamaan K_d-arvoa pienempi.

Kd-arvoja on esitetty kirjallisuudessa erityisesti epäorgaanisille yhdisteille (metallit ja puoli-metallit). Nämä perustuvat yleensä eri metalliyhdisteillä ja ominaisuuksiltaan erilaisille maa-näytteille tehtyihin määrityksiin, minkä seurauksena Kd-arvojen vaihteluväli yksittäiselle ai-neelle voi olla hyvin laaja. Tästä syystä metallien Kd-arvot tulisi määrittää mahdollisuuksien mukaan aina kohdekohtaisesti. K_d-voidaan määrittää kohteen maanäytteistä laboratoriossa

80

useilla eri menetelmillä. Kd-arvojen määritysmenetelmiä ja niissä huomioonotettavia seikkoja on kuvattu mm. GTK:n julkaisuissa Tarvainen ja Jarva 2009 sekä Tarvainen ym. 2011.

Orgaanisten haitta-aineiden Kd-arvot voidaan määrittää kertomalla maan orgaanisen hiilen pitoisuus haitta-ainekohtaisella Koc-arvolla (jakautumiskerroin orgaanisen hiilen ja veden välillä), jolle on esitetty lukuarvoja kirjallisuudessa (ks. myös suositukset liitteessä 6). Or-gaanisen hiilen pitoisuus voidaan määrittää suoraan hiilianalysaattorilla tai esim. hehkutushä-viöstä (orgaanisen aineen kokonaismäärä); orgaanista hiiltä maaperän orgaanisesta aineesta voidaan yleensä arvioida olevan 58 %

Orgaanisten ja tiettyjen epäorgaanisten (esim. elohopea) haitta-aineiden haihtumista huokos-kaasuun arvioidaan höyrynpaineen ja Henryn lain vakion avulla. Näistä Henryn lain vakio kuvaa aineen haihtuvuutta vesiliuoksesta.

4.8.2.2 Kyllästymispitoisuus

Haitta-aineiden liukoisuus, haihtuvuus ja maaperän pidätyskyky asettavat rajoituksia aineiden jakautumiselle eri faasien välillä. Näitä rajoituksia voidaan kuvata ns. kyllästymispitoisuuden avulla (ks. liite 9). Kyllästymispitoisuudessa haitta-aineen tasapainotilan pitoisuus huokosve-dessä vastaa aineen enimmäisvesiliukoisuutta, joka määrittelee enimmäispitoisuuden myös huokosilmalle ja maa-aineksen orgaaniseen hiileen sitoutuneelle pitoisuusosuudelle (ei koske maaperän huokostilassa kapillaarivoimien vaikutuksesta pysyvää jäännösfaasia). Kyllästy-mispitoisuuden yläpuolella päästöt maaperästä huokosilman kautta ulko- tai sisäilmaan tai huokosveden kautta liukoisessa muodossa pohjaveteen eivät periaatteessa voi lisääntyä, vaik-ka pitoisuus maaperässä nousisi kuinvaik-ka suureksi tahansa.

Kulkeutumisriskien arvioinnissa kyllästymispitoisuuden huomioonottaminen on tärke-ää erityisesti niukkaliukoisilla ja heikosti haihtuvilla orgaanisilla yhdisteillä. Vesiliukoi-suuden asettama rajoitus kulkeutuvuudelle voidaan ottaa huomioon myös epäorgaanisilla haitta-aineilla, silloin kun se on luotettavasti arvioitavissa.

Kyllästymispitoisuuden perusteella ei voida kuitenkaan suoraan arvioida NAPL-faasissa esiintyvien aineiden käyttäytymistä. Esimerkiksi raskaiden alifaattisten öljyhiilive-tyjen kulkeutuminen jäännösöljyfaasista pohjaveteen ja edelleen veden mukana öljykol-loideina voi olla selvästi suurempaa kuin aineiden teoreettisten vesiliukoisuuksien ja maape-rän kyllästymispitoisuuksien perusteella voisi olettaa (Franken ym. 1999¹⁰⁰). Haihtuvuuden suhteen ylärajan huokosilman pitoisuudelle NAPL-faasin osalta (jäännös- ja vapaa faasi) taas määrittelee aineelle ominainen kylläisen höyryn paine. Pitoisuus kylläisen höyryn paineessa voi ylittää selvästi kyllästymispitoisuutta vastaavan huokosilman enimmäispitoisuuden. Toi-saalta on syytä ottaa huomioon, että useita aineita sisältävässä NAPL-seoksessa yksittäisen aineen liukoisuus ja höyrynpaine ovat pienempiä kuin tyypillisesti puhtaille aineille määrite-tyt teoreettiset enimmäisarvot.

4.8.2.3 Advektio, dispersio ja diffuusio

Advektio tarkoittaa prosessia, jossa veteen liuennut tai ilmaan haihtunut aine leviää vesi- tai ilmavirtauksen mukana virtauksen keskimääräisestä nopeudesta riippuen. Advektio on veteen liuenneiden aineiden merkittävin kulkeutumismekanismi. Pohjaveden pinnan yläpuolella ad-vektioon perustuva kulkeutuminen määräytyy vajoveden ja kyllästyneessä vyöhykkeessä

100 Franken ym. 1999

81

pohjaveden virtaaman perusteella. Huokosilmassa advektio on seuraus paine-eroista, joka saa aikaan kaasuja mukanaan kuljettavan ilmavirran. Paine-eron kasvaessa myös advektion ai-kaansaama ilmavirta voimistuu.

Hydrodynaaminen dispersio aiheutuu suurelta osin vedenjohtavuuden paikallisista vaihteluis-ta. Se levittää veteen liuenneen aineen pitoisuusjakaumaa ja pienentää enimmäispitoisuuksia.

Toisaalta dispersion seurauksena osa veteen liuenneista haitta-aineista kulkeutuu aina advek-tioon perustuvaa keskimääräistä arviota nopeammin. Dispersiota tapahtuu kolmiulotteisesti, ja sitä voidaan kuvata dispersiokertoimilla, joihin vaikuttavat mittakaava ja tarkasteltava etäi-syys. Dispersiokertoimet voidaan määrittää kohdetutkimuksilla, mutta yleensä ne voidaan arvioida riittävällä tarkkuudella myös kirjallisuustietojen perusteella. Yleensä dispersioker-roin virtauksen suunnassa on noin kertaluokkaa suurempi kuin leveys- tai poikittaissuunnas-sa, ja vähintään kaksi kertaluokkaa suurempi kuin syvyyssuunnassa.

Molekulaarinen diffuusio on prosessi, jossa haitta-aine kulkeutuu suuremman pitoisuuden alueesta pienempään. Pitoisuusgradientin suuruus määrittelee diffuusion voimakkuuden.

Maaperässä diffuusio kuljettaa sekä veteen liuenneita että huokosilmaan haihtuneita aineita.

Huokosilmassa diffuusio on selvästi nopeampaa. Veteen liuenneiden aineiden kulkeutumi-sessa diffuusiolla on merkitystä lähinnä hyvin heikosti vettä johtavissa maakerroksissa.

Maaperässä diffuusion aiheuttamaa virtausta voidaan arvioida ”vapaalle” ilmalle ja vedelle esitettyjen kirjallisuusarvojen avulla, jotka muunnetaan riskinarvioinnissa maaperän dif-fuusiokertoimeksi ottamalla huomioon maaperän veden ja ilman täyttämien huokosten osuus.

4.8.2.4 Hidastunut kulkeutuminen veden mukana

Kulkeutumisriskien ajallisen ulottuvuuden kannalta keskeisin prosessi on sorptio, joka hidas-taa haitta-aineen kulkeutumista ainetta kuljettavan vajoveden tai pohjaveden virhidas-taamaan ver-rattuna. Hidastunut kulkeutumisnopeus voidaan arvioida hidastumiskertoimen avulla, joka määräytyy pääosin haitta-aineen Kd-arvon perusteella. Maaperässä hidastumiskerroin voidaan yleensä arvioida tasapainotilassa ns. lineaarisen adorptioisotermin perusteella (ks. liite 8).

Pidättyminen voi kuitenkin olla myös tätä heikompaa esim. silloin, kun haitta-ainetta kuljet-tava veden virtaus on hyvin nopeaa.

Kun hidastumiskertoimella jaetaan haitta-ainetta kuljettavan vajoveden tai pohjaveden kes-kimääräinen virtausnopeus, saadaan haitta-aineen teoreettinen hidastunut kulkeutumisnopeus.

Maa-ainekseen voimakkaasti pidättyvillä aineilla tämä voi olla jopa useita kertaluokkia veden virtausnopeutta hitaampi. Haitta-aineen hidastuneen kulkeutumisen huomioon ottaminen on tärkeää arvioitaessa haitta-aineen teoreettisia kulkeutumisaikoja pohjaveteen tai pohjaveden mukana esimerkiksi vedenottamolle. Lisäksi hidastuminen levittää pitoi-suusjakaumaa, mikä tyypillisesti vähentää haitta-aineen pitoisuushuippuja.

Hidastumiskerrointa arvioitaessa on otettava huomioon, että edellä jakautumislaskennan yh-teydessä kuvattujen Kd-arvojen perusteella määritetään käytännössä haitta-aineiden pidätty-mistä ja liukenemista (sorptio/desorptio) vain päästölähteessä. Samojen Kd-arvojen perusteel-la ei voida suoraan arvioida vajoveden mukana kulkeutuvien aineiden pidättymistä maa-ainekseen syvemmissä, puhtaammissa, maakerroksissa tai pohjaveden mukana kyllästyneessä vyöhykkeessä. Tästä syystä haitta-aineen hidastuneen kulkeutumisen arvioimiseksi vajove-dessä tai pohjavevajove-dessä on yleensä käytettävä toisia K_d-arvoja. Pidättymistä kuvaava K_d-arvo voidaan määrittää erilaisilla sorptiotesteillä (ks. luku 4.4.7) tai arvioida kirjallisuustiedon pe-rusteella.

82 4.8.2.5 Luontainen biohajoaminen

Maaperässä on luontaisesti mikrobeja, jotka pystyvät hajottamaan suotuisissa olosuhteissa useita orgaanisia haitta-aineita. Luontainen biohajoaminen on merkittävää erityisesti monilla öljyhiilivedyillä sekä maaperässä (sis. huokosilma) että pohjavedessä.

Luontainen biohajoaminen voidaan ottaa huomioon kulkeutumisriskien arvioinnissa silloin, kun hajoaminen on todennäköistä. Tämä edellyttää riittävää todistusaineistoa ha-joamisesta kohteen olosuhteissa (esim. todettujen pitoisuuksien vertaamien teoreettiseen kul-keutumiseen ilman hajoamista). Niillä aineilla, joilla luontaisen biohajoamisen on todettu yleisesti olevan huomattavaa Suomen maaperä- ja pohjavesiolosuhteissa (esim. tietyt öljyhii-livedyt), hajoamista voidaan tarkastella myös kirjallisuustietojen perusteella (esim. hajoamis-nopeusvakiot). Myös näissä tapauksissa biohajoaminen on kuitenkin pystyttävä tarvittaessa varmentamaan pitoisuusmittauksin ja geokemiallisten määritysten avulla.

Biohajoamisen osoittamiseksi pohjavedessä tyypillisesti tarvittavia geokemiallisia määrityk-siä ovat mm. happi-, nitraatti-, rauta-, sulfaatti-, bikarbonaatti- ja metaanipitoisuudet (ks. liite 4). Haihtuvien yhdisteiden mahdollista biohajoamista voidaan pyrkiä osoittamaan mm. maa-perän eri syvyystasoilta otettujen kaasunäytteiden avulla (mm. haitta-aine-, happi- ja me-taanipitoisuudet).

Biohajoaminen voi olla myös epätäydellistä, jolloin hajoaminen voi johtaa alkuperäisiä yh-disteitä haitallisempien muuntumistuotteiden syntymiseen.