RAKENNUS- JA YMPÄRISTÖTEKNIIKAN OSASTO
ANNA ERKINHEIMO
KAATOPAIKAN YMPÄRISTÖVAIKUTUSTEN MINIMOIMINEN PINTARAKENTEILLA
Diplomityö, joka on jätetty opinnäytteenä tarkastettavaksi diplomi-insinöörin tutkintoa varten
Espoossa 11.5.1999
TEKNILLINEN KORKEAKOULU Rakennus- ja ympäristötekniikan
osaston kirjasto
TYÖN VALVOJA: Professori Pauli Vepsäläinen, TKK TYÖN OHJAAJA: Tekniikan tohtori Erkki Loukola, Suomen
ympäristökeskus
TEKNILLINEN KORKEAKOULU
RAKENNUS- JA YMPÄRISTÖTEKNIIKAN OSASTO
DIPLOMITYÖN TIIVISTELMÄ
Tekijä:
Diplomityö:
Anna Erkinheimo
Kaatopaikan ympäristövaikutusten minimoiminen pintarakenteilla
Päivämäärä: 11.5.1999 Sivumäärä: 90
Professuuri: Pohjarakennus ja maamekaniikka Koodi: Rak-50 Valvoja:
Ohjaaja:
Professori Pauli Vepsäläinen Tekniikan tohtori Erkki Loukola
Tämä työ on osa Suomen ympäristökeskuksen ‘Lopetettujen kaatopaikkojen rakenteet’ - projektia, jonka tavoitteena on ollut koota tietoa vanhojen jo lopetettujen kaatopaikkojen käyttäytymisestä ja ympäristövaikutuksista suojaustoimien mitoituksen pohjaksi sekä kehittää edelleen rakenneratkaisuja ja rakentamistapoja.Tämän työn tarkoituksena oli tutkia pintarakenteiden vaikutusta ympäristövaikutusten minimoimiseen likaisten suotovesien muodostumisen osalta.
Kahden Suomessa toteutetun kohteen pintarakenteita tutkittiin tietokonepohjaisella HELP-vesitasemallilla (Hydrologic Evaluation of Landfill Performance) sekä arvioitiin näiden rakenteiden toimivuutta valtioneuvoston päätöksen (VNp 861/97) mukaiseen rakenteeseen verrattuna. HELP-mallilla laskettujen tulosten luotettavuutta arvioitiin vertailemalla aikaisemmin Kujalan kaatopaikalla tehdyn tiivistyskerrostutkimuksen yhteydessä tehtyjä suotovesimittauksia ja mallin antamia tuloksia.
HELP-mallin todettiin antavan hyvin todellisuutta vastaavan arvion tiivistyskerroksen läpäisevästä vesimäärästä, kun laskelmia verrattiin Kujalan kaatopaikalla tehtyihin mittauksiin. Tutkittujen toteutettujen pintarakenteiden voidaan todeta HELP-ajojen perusteella toimivan likaisten suotovesimäärien syntymistä vähentävinä
ympäristönsuojelurakenteina tiivistyskerroksen suuren vedenläpäisevyyden vuoksi kohtuullisesti (Pukkila) sekä huonosti (Pertunmaa), kun otetaan huomioon nykyiset tavoitteet, joiden mukaan tiivistyskerroksen vedenläpäisevyyden tulisi olla lxlO"9 m/s ja infiltraation alle viisi prosenttia sadannasta.
Toteutetut rakenteet olivat HELP-ajojen perusteella yhtä tehokkaita infiltraation vähentämisessä samoilla tiivistyskerroksen vedenläpäisevyyksillä valtioneuvoston kaatopaikkapäätöksen mukaiseen rakenteeseen verrattuna. Tiivistyskerroksen
vedenläpäisevyys näytti myös tämän tutkimuksen mukaan kriittisimmältä komponentilta estettäessä vedenpääsyä j ätetäyttöön.
HELP-mallin käyttämien laskentamenetelmien soveltuvuutta vesitasekomponenttien laskemiseksi Suomen olosuhteissa sekä tulosten luotettavuutta tulisi tulevaisuudessa vielä tutkia mittauksin todellisessa mittakaavassa lopetetulla kaatopaikalla. Suunnittelun työkaluna käytetty Visual HELP -tietokoneohjelma on visuaalinen ja helppokäyttöinen.
HELSINKI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ABSTRACT OF THE
DEPARTMENT OF CIVIL AND ENVIRONMENTAL ENGINEERING MASTER’S THESIS Author:
Thesis:
Anna Erkinheimo
The minimization of environmental hazards of closed landfills Date:
Professorship:
11.5.1999
Soil Mechanics and Foundation Engineering
Number of pages:
Code:
90 Rak-50 Supervisor:
Instructor:
Professor Pauli Vepsäläinen Dr. Tech. Erkki Loukola
The present work is a part of a research project ‘Structures of Closed Landfills’ carried out in the Finnish Environment Institute. The objective of the project is to collect data of the behavior and environmental impacts of old closed landfills as well as to continue to develop structures and construction methods. The purpose of this work was to study the impact cover structures have on the minimization of environmental hazards induced by leachate production.
The hydrologic computer model HELP (Hydrologic Evaluation of Landfill Performance) was used to study two cover structures that were constructed in Finland as well as to estimate the effectiveness of these structures compared to the one presented in the Bill of the Council of State (VNp 861/97). The reliability of the results calculated by the model was evaluated by comparing the results to field measurements performed earlier at the Kujala landfill.
The HELP model gave a reliable estimate of the amount of infiltration through the hydraulic barrier as was confirmed by the measurements performed at Kujala landfill.
According to the HELP runs, the implemented structures performed moderately well (Pukkila) and poorly (Pertunmaa) as sturctures that minimize the production of hazardous leachate when current goals of hydraulic conductivity (k = lxlO"9 m/s) and infiltration (infiltration < 5 % from precipitation) are concerned.
According to the HELP runs, the implemented structures are as effective in minimizing infiltration as are the structures presented in the Bill of the Council of State when
hydraulic conductivities are the same. The hydraulic conductivity of the hydraulic barrier was shown to be the critical component in preventing the infiltration of water to the waste.
The applicability of calculation methods used by the HELP model to estimate the water balance components in Finnish weather conditions as well as the reliability of the results should be further studied in real scale at a closed landfill. As a design tool, Visual HELP computer program is visual and easy to use.
SISÄLLYSLUETTELO
Sivu
TIIVISTELMÄ... 2
ABSTRACT...3
SISÄLLYSLUETTELO... 4
KUVALUETTELO ...7
TAULUKKOLUETTELO...8
LIITELUETTELO...9
SYMBOLILUETTELO... 10
ALKUSANAT...11
1. JOHDANTO ... 12
2. LOPETUSRAKENTEIDEN TARVE... 13
3. KAATOPAIKAN OLOSUHTEET... 14
3.1 Pohjasuhteet... 14
3.2 Jätteen hajoaminen... 15
3.2.1 Jätteen koostumus ...15
3.2.2 Hajoamisen vaiheet ... 16
4. PÄÄSTÖT KAATOPAIKOILTA... 20
4.1 Suotovesi ja kaatopaikkavesi... 20
4.2 Kaatopaikkakaasu ... 24
5. PINTARAKENTEEN SUUNNITTELU... 26
5.1 Yleistä...26
5.2 Pintarakennevaihtoehdot ... 27
5.2.1 Valtioneuvoston päätös 861/97 kaatopaikoista...27
5.2.2 Pintarakennekerrokset ...28
5.3 Jätteen ominaisuuksien ottaminen huomioon suunnittelussa... 31
5.3.1 Yleistä ... 31
5.3.2 Geotekniset ominaisuudet ... 31
5.3.3 Vesisuhteet täytössä... 32
5.4 Pintarakennemateriaalit ...32
5.4.1 Määritettävät ominaisuudet... 32
5.4.2 Eri rakennekerrosten materiaalivaatimukset ... 34
5.5 Tiivistyskerroksen ominaisuudet ja niiden vaikutus ympäristövaikutusten minimoimiseen ... 38
5.5.1 Yleistä ...38
5.5.2 Savi tiivistyskerrosmateriaalina... 39
5.5.3 Muut tiivistyskerrosmateriaalit ... 48
6. PINTARAKENTEEN GEOTEKNIIKKA... 52
6.1 Vaatimukset ... 52
6.2 Geotekniset ominaisuudet ... 53
6.2.1 Painuminen... 53
6.2.2 Vakavuus...55
6.2.3 Routa ... 56
6.2.4 Kantavuus...56
6.3 Muut tekijät ... 57
6.3.1 Geometria...57
6.3.2 Vesisuhteet... 58
6.3.3 Kaasunkeräily... 59
6.3.4 Kasvillisuus ... 59
7. HELP-MALLI ... 59
7.1 Yleistä... 59
7.2 HELP-mallin yleiskuvaus... 60
7.3 Lähtötiedot... 61
7.4 Lähtöoletukset ...62
8. PINTARAKENTEIDEN VERTAILU HELP-MALLIA KÄYTTÄEN...62
8.1 Yleistä... 62
8.2 Kujalan koerakenne ...63
8.3 Pukkilan kaatopaikka...67
8.4 Pertunmaan kaatopaikka... 72
8.5 Vertailua ... 76
9. YHTEENVETO ... 77
KIRJALLISUUS ... 79
KUVALUETTELO
Kuva 1.
Kuva 2.
Kuva 3.
Kuva 4.
Kuva 5.
Kuva 6.
Kuva 7.
Kuva 8.
Kuva 9.
Kuva 10.
Kuva 11.
Kuva 12.
Kuva 13.
Kuva 14.
Kuva 15.
Kuva 16.
Kuva 17.
Kaatopaikkakaasujen ja suotoveden muodostuminen hajoamisen eri vaiheissa (Andreottola & Cannas 1992).
Esimerkki kaatopaikan pintarakenteen kerroksista (Leppänen 1998).
Vedenläpäisevyys plastisuusluvun funktiona (Benson ym. 1994).
Tiivistysvesipitoisuuden valintaan vaikuttavat tekijät.
Kuivumisen vaikutus vedenläpäisevyyteen (EPÄ 1991).
V edenläpäisevyyden muuttuminen j äätymis-sulamissyklien, jäätymisnopeuden ja lopullisen lämpötilan funktiona (Othman ym.
1994).
Kuormituksen vaikutus jäätymissyklien aiheuttamaan vedenläpäisevyyden muuttumiseen (Othman ym. 1994).
Esimerkki vesien keräilystä luiskan alapäässä.
Kujalan kaatopaikan koerakenteen luonnon maa-aineksista tehty koesara (Kotola 1997).
HELP-mallilla laskettuja havaittu sadanta Kujalassa.
HELP-mallilla lasketun ja havaitun infiltraation summakäyrät Kujalassa.
Pukkilan lopetetun kaatopaikan pintarakenne.
Infiltraatio Pukkilassa tiivistyskerroksen vedenläpäisevyyden funktiona.
Infiltraation summakäyrät Pukkilassa.
Pertunmaan lopetetun kaatopaikan pintarakenne.
Infiltraatio Pertunmaalla tiivistyskerroksen vedenläpäisevyyden funktiona.
Infiltraation summakäyrät Pertunmaalla.
TAULUKKOLUETTELO
Taulukko 1. Vesinäytteiden fysikaalis-kemiallisten ja bakteriologisten perusmääritysten menetelmät (Assmuth 1990).
Taulukko 2. VNp:n (861/97) mukaiset kaatopaikan pintarakenteet.
Taulukko 3. Yleisimpien mineraalien ominaispinta-ala (Kujala 1985).
Taulukko 4. Mitattuja HELP-mallilla arvioitu vesitase Kujalassa sekä haihdunnan vertailuarvoja.
Taulukko 5. Pukkilan kaatopaikan toteutetun ja VNp:n mukaisen rakenteen vesitase.
Taulukko 6. Pertunmaan kaatopaikan toteutetun ja VNp:n mukaisen rakenteen vesitase.
LIITELUETTELO
Liite 1. Maalajien vedenpidätysarvot.
Liite 2. Tutkimuksen rakenteissa käytetyt vedenpidätysarvot.
Liite 3. Esimerkki HELP-mallin vesitasetulosteesta.
Liite 4. Esimerkki HELP-mallin tulosteesta: sadanta ja vedenpaine.
SYMBOLILUETTELO
BOD5 Biological Oxygen Demand = biologinen hapenkulutus
BOD5/COD biologisen ja kemiallisen hapenkulutuksen suhde kuvaa orgaanisen aineksen hajoavuutta
COD Chemical Oxygen Demand = kemiallinen hapenkulutus
redox-potentiaali arvo, joka kuvaa suotoveden tilaa hapettumis- ja pelkistymisreaktioiden suhteen
TOC Total Organic Carbon = kokonaisorgaanisen hiilen osuus
VFT Volatile Fatty Acids = haihtuvat rasvahapot
ALKUSANAT
Tämä diplomityö on tehty Suomen ympäristökeskuksessa ja se liittyy osana Lopetettujen kaatopaikkojen rakenteet -projektiin.Suomen ympäristökeskuksessa työtä on ohjannut tekniikan tohtori Erkki Loukola ja ohjaukseen on osallistunut myös tekniikan tohtori Jouko Saarela Suomen ympäristökeskuksesta. Työtä on valvonut professori Pauli Vepsäläinen.
Esitän parhaimmat kiitokseni työni ohjauksesta ja saamistani neuvoista ohjaajilleni Erkki Toukolalle sekä Jouko Saarelalle ja työn tarkastamisesta professori Vepsäläiselle. Haluan kiittää myös apulaisprofessori Tuomo Karvosta neuvoista mallinnuksen maailmassa sekä kaikkia projektiin osallistuneita henkilöitä saamastani tuesta työni eri vaiheissa.
i4—»=- xJ?
1. JOHDANTO
Vuonna 1996 Suomessa oli käytössä 390 kaatopaikkaa,jokaon300 vähemmän kuin kolme vuotta aikaisemmin. Suureen kaatopaikkojen sulkemisinnostukseen ovat vaikuttaneet pääasiassa lainsäädännön muutokset. Ennen jätelain voimaantuloa 1.1.1997 suljettiin lukuisia kaatopaikkoja, joille ei nähty tarpeelliseksi hakea jäte lupaa ja suorittaa luvan hyväksymisen edellyttämiä toimenpiteitä. Jätehuoltosuun
nitelman omaavat kaatopaikat voitiin lopettaa jätelain voimaantuloon mennessä
johon liittyi kaatopaikan lopettamis- tai maisemointisuunnitelma.
Suurin osa Suomen 390 kaatopaikasta on kunnallisia, osa kuuluu puolustusvoimille ja tutkimuslaitoksille ja loput ovat yksityisiä, lähinnä teollisuuden kaatopaikkoja (Ympäristöministeriö ja Suomen ympäristökeskus 1998). Tässä työssä on keskitytty kunnallisiin kaatopaikkoihin.
Kaatopaikkaa lopetettaessa tavoitteena on minimoida kaatopaikan haitalliset ympäristövaikutukset. Yleisin käytetty haitanestomenetelmä on tiiviin pintarakenteen rakentaminen jätetäytön päälle. Tiivis pintarakenne vähentääjätetäyttöön imeytyvän veden ja siten muodostuvan suoto veden määrää. Näin myös vähemmän haitta-aineita pääsee liukenemaan jätteestä ja leviämään ympäristöön. Tiivis pintarakenne estää myös kaatopaikkakaasun suoran kulkeutumisen täytöstä ilmakehään. Kaasu voidaan täten ohjata hallitusti keräilyyn.
Tässä tutkimuksessa on selvitetty pintarakenteiden vaikutusta ympäristövaikutusten minimoimiseen erityisesti likaisten suotovesien muodostumisen osalta. Kahden Suomessa toteutetun kohteen pintarakenteita on tutkittu HELP-vesitasemallilla (Hydrologic Evaluation of Landfill Performance) sekä arvioitu näiden rakenteiden toimivuutta valtioneuvoston päätöksen (VNp 861/97) mukaiseen rakenteeseen verrattuna. HELP-mallin tulosten luotettavuutta on myös arvioitu vertailemalla aikaisemmin Kujalan kaatopaikalla tehdyn tiivistyskerrostutkimuksen yhteydessä tehtyjä suotovesimittauksia ja mallin antamia tuloksia. HELP-mallin tuloksia
tarkasteltiin erityisesti tiivistyskerroksen vedenläpäisevyyttä tutkien, koska sillä on aikaisemmissa tutkimuksissa todettu olevan merkittävin vaikutus suotovesimäärien muodostumiseen.
2. LOPETUSRAKENTEIDEN TARVE
Vaikuttavin lopetustoimia aikaansaava voima on lainmuutokset. Kaatopaikan pito on ollut luvanvaraista terveydenhoitolain (469/65) 26 §:n perusteella. Sijoituslupavelvoi- te säädettiin terveydenhoitoasetuksen (308/79) muutoksen yhteydessä. Vesilain (264/61) mukaan kaatopaikkatoiminnalle on voitu vaatia myöskin vesioikeuden lupaa, mikäli toiminnasta on aiheutunut vesien pilaantumisen vaaraa. Jätelain (1072/93) muutosten seurauksena kaatopaikkatoiminnan harjoittajalla tulee olla nykyisin ympäristölupamenettelyssä käsiteltävä jätelupa, joka tuli hakea myös vanhalle toiminnalle 1.1.1997 mennessä. Siihen mennessä lopetettujen kaatopaikko
jen tuli esittää jätehuoltosuunnitelmaan liitetty lopettamis- tai maisemointisuunnitel
ma.
Mikäli vanhasta kaatopaikasta on aiheutunut maaperän saastumista ja saastuminen on tapahtunut ennen jätelain voimaan tuloa 1.1.1994, edellytetään alueen haltijalta lopettamisajankohdasta riippumatta ympäristölupaviranomaiselle esitettävää jätehuoltosuunnitelmaa tai jos kaatopaikka joudutaan siirtämään pois, jätehuoltoil- moituksen tekemistä.
Kunnallisen kaatopaikan lopetusta (sulkemista ja kunnostusta) suunniteltaessa
Näitä ovat mahdolliset maankäytön muutokset sekä paikallisen jätehuollon tilanne.
Käytännössä myös kunnan taloudellinen tilanne vaikuttaa toteutukseen erittäin vahvasti etenkin kunnostuksen aikataulun osalta.
Varsinkin pohjavesialueilla lopettamistoimet voivat käsittää myöskin kaatopaikan siirron joko toiminnassa olevalle tai samaan aikaan lopetettavana olevalle kaatopai-
kalle. Tällöin on siirrossa noudatettu jätelain 21 a §:n mukaista menettelyä.
Kummassakin tapauksessa on siis käsittelypaikalla oltava jätelupa.
Kaatopaikan haitallisia ympäristövaikutuksia eliminoidaan tai vähennetään erilaisilla rakenteilla. Tähän voidaan päästä mm. vähentämällä ympäristöön purkautuvien likaisten kaatopaikkavesien määrää ja johtamalla kaatopaikkakaasu jätetäytöstä hallitusti täytön päälle rakennettavan pintarakenteen avulla.
Joissain tapauksissa käytettävän pystyeristyksen tehtävänä on estää haitta-aineiden kulkeutuminen kaatopaikalta pohjavesi virtauksen mukana ympäröivään maastoon.
Yleensä pystyeristystä ei toteuteta ainoana haitta-aineiden leviämisen estotoimenpi- teenä vaan sen yhteydessä voidaan toteuttaa pintaeristys ja suotoveden käsittely.
Pintaeristys on paikallaan erityisesti silloin, kun on mahdollista, että pystyeristyksen pohjaveden virtausta hidastava vaikutus saa aikaan vedenpinnan kohoamisen, ns.
ammeilmiön syntymisen. Tällöin pintaeristyksen vedenläpäisevyyden tulee olla vähintään yhtä alhainen kuin pystyeristyksen vedenläpäisevyys.
3. KAATOPAIKAN OLOSUHTEET
3.1 Pohjasuhteet
Vanhat suomalaiset kaatopaikat on yleensä perustettu luonnollisen pohj amaan varaan.
Niistä on tällöin voitu tehdä maalajimääritys, mutta muita ominaisuuksia, kuten vedenläpäisevyyttä, ei yleensä ole tarkemmin tutkittu. Maamme yleisimmän pintamaalaj in, moreenin, vedenläpäisevyys riippuu siinä olevasta hienoainespitoisuu
desta sekä tiiviydestä, mutta luonnontilaisen moreenin vedenläpäisevyys pienimmil
läänkin on vain lxlO"3 * * * * 8 m/s, joka ei vastaa nykyisiä vaatimuksia kaatopaikan pohjamaan tiiviydelle (Sjöholm ym. 1994). Kaatopaikkoja on perustettu myöskin harjuille sekä täyttöalueille, joiden vedenläpäisevyys on suurempi kuin luonnontilai
sessa maassa (Assmuth 1990). Vedenläpäisevyysominaisuuksiltaan yleensä edullisen pehmeikölle perustamisen ongelmana on painuminen ja huono kantavuus. Paras
pohjamaa lujuus- ja vedenläpäisevyysominaisuuksien kannalta on siis suhteellisen ohut savikko, jonka yläosaan on muodostunut paksu kuivakuorikerros (Sjöholm ym.
1994).
Valtioneuvoston päätöksen (Vnp 861/97) kaatopaikoista mukaan kaatopaikan maaperälle on asetettu seuraavat vaatimukset: maaperän on oltava kantava ja maaperän on täytettävä sellaiset vedenläpäisevyys-ja paksuusvaatimukset, että niiden yhdistetty vaikutus vastaa ongelmajätteen kaatopaikoilla vedenläpäisevyyttä k <
lxl O"9 m/s ja paksuutta ^ 5 m, tavanomaisen jätteen kaatopaikalla vedenläpäisevyyttä k 5 lx 10"9 m/s ja paksuutta ^ 1 m sekä pysyvän jätteen kaatopaikalla vedenlä
päisevyyttä k ^ lxlO"7 m/s ja paksuutta s 1 m. Jos kaatopaikan maaperä ei luonnostaan vastaa näitä vaatimuksia, niin paikalle on rakennettava tiivistyskerros, joka on vähintään 0,5 metrin paksuinen tavanomaisen jätteen kaatopaikoilla ja vähintään 1,0 metrin paksuinen ongelmajätteen kaatopaikoilla. Vanhoilla kaatopai
koilla ei näitä ominaisuuksia ole vaadittu.
3.2 Jätteen hajoaminen
Jätteen hajoamista kaatopaikalla hallitsevat fysikaaliset, kemialliset sekä biologiset prosessit. Näistä biologiset prosessit ovat hallitsevimpina silloin kun täyttö sisältää tarpeeksi orgaanisia jätteitä. Suomessa on toki muistettava kylmän ilmastomme prosessien etenemistä hidastava vaikutus. Hajoamisessa syntyy lopputuotteina ns.
kaatopaikkakaasua ja suo to vettä. Kaatopaikkakaasun muodostuminen alkaa varsinaisesti anaerobisen hajoamisvaiheen käynnistyessä yleensä lyhyen aerobisen vaiheen jälkeen. Yleisintä kaatopaikkakaasua, metaania, syntyy eniten selluloosan ja hemiselluloosan hajotessa anaerobisesti. Suotoveden muodostuminen riippuu pääasiallisesti sademääristä sekä pintamaiden vedenläpäisevyysominaisuuksista.
3.2.1 Jätteen koostumus
Kaatopaikalle tuoduista jätteistä ei aina olla pidetty tarkkaa seurantaa ja näin ollen hajoamisprosessien ennustaminen voi olla vaikeaa. Suunniteltaessa kaatopaikan
lopettamista täytyy tällöin kohteessa selvittää jätteiden sijainti ja tilavuus. Ennen kaatopaikkojen pidon tuloa luvanvaraiseksi vuonna 1979 kaatopaikoille tuodun j ätteen koostumus ei ole aina ollut tiedossa ja siksi lopettamisen yhteydessä on näiden vanhempien kaatopaikkojen jätekoostumus selvitettävä saadun täyttötiedon lisäksi myös paikalla tehtävillä tutkimuksilla.
Pääkaupunkiseudun yhteistyövaltuuskunnan tekemän tutkimuksen mukaan Suomessa muodostuvan yhdyskuntajätteen koostumus painoprosentein ilmaistuna on seuraavanlainen: keräyskelpoinen paperi ja pahvi 26-40%, muu paperijäte 2-20%, kalvomainen tai jäykkä muovi 5-11%, muut helposti palavat ainekset 3-18%, eloperäinen jäte 20-33%, lasi 3-9%, metalli 2-5%, muu jäte 1-8%. Arvot perustuvat Suomessa, Ruotsissa ja Sveitsissä tehtyihin tutkimuksiin. Vuonna 1989 Suomessa muodostui 3,1 miljoonaa tonnia yhdyskuntajätettä, josta 2,45 miljoonaa tonnia toimitettiin suoraan kaatopaikoille. Kaatopaikoille on tuotu usein yhdyskuntajätteen lisäksi vaihtelevassa määrin teollisuudessa syntyvää jätettä, jätevesilietettä, maatalousjätettä ym. Pienillä kaatopaikoilla paikallisen teollisuuden jätteet saattavat muodostaa merkittävän osan jätetäytöstä. Karkeasti ottaen yhdyskuntajätteestä noin 70% on biologisesti hajoavaa. Jos paperin erilliskeräys on järjestetty, niin kaatopai
kalle päätyvästä jätteestä on noin 40% biologisesti hajoavaa. Nämä suhteet muuttunevat tulevaisuudessa lajittelun yleistyessä. (Airiola ym. 1997)
3.2.2 Hajoamisen vaiheet
Jätetäytön hajoamistilan perusteella voidaan arvioida syntyvien suotovesien laatua, kaasujen koostumusta sekä hajoamisprosessien kulkua. On huomioitava, että hajoamistila voi olla jätetäytön eri osissa erilainen. Hajoamisprosesseihin vaikuttaa fyysisistä olosuhteista tiiviys, kosteus ja lämpötila merkittävästi. Suomalaisten jätepenkereiden pienuuden vuoksi jätetäytön tyypillinen lämpötila vaihtelee 5 - 20 °C (Airiola ym. 1997). Jätetäytön hajoamistilaa arvioidaan kaatopaikkakaasu- ja suotovesimittauksilla, joita kuvaillaan tarkemmin seuraavassa luvussa.
Jätteen hajoaminen voidaan jakaa viiteen vaiheeseen: aerobiseen vaiheeseen, haponmuodostusvaiheeseen, epävakaaseen metaaninmuodostusvaiheeseen, vakaaseen metaaninmuodostusvaiheeseen sekäjälkivaiheeseen. Kuvassa 1 nähdään kaatopaik
kakaasujen ja eräiden suotovesien ominaisuuksien muodostuminen vaiheiden aikana.
Aerobinen hajoamisvaihe kestää yleensä lyhyen aikaa, koska jätteen voimakas hapenkulutus käyttää täytön ilmatilassa olevan hapen nopeasti. Aerobinen hajoami
nen edellyttää hapen lisäksi myös riittävää kosteutta. Tässä vaiheessa proteiinit hajoavat aminohapoiksi ja edelleen hiilidioksidiksi, vedeksi, nitraateiksi ja sulfideiksi, jotka ovat kaikkien aerobisten prosessien tyyppillisiä hajoamistuotteita.
Hiilihydraatit hajoavat hiilidioksidiksi ja vedeksi. Rasvat muuttuvat hydrolyysin seurauksena rasvahapoiksi ja glyseroliksi ja edelleen yksinkertaisiksi hajoamistuot
teiksi välivaiheessa muodostuvien haihtuvien happojen ja emästen seurauksena.
Selluloosa, josta suurin osa kaatopaikan orgaanisesta jätteestä koostuu, hajoaa glukoosiksi ja bakteerien vaikutuksesta edelleen hiilidioksidiksi ja vedeksi, mutta hajoavat määrät ovat pieniä vielä tässä vaiheessa. Yleensä tämä vaihe on melko lyhyt eikä silloin synny huomattavia suotovesimääriä (Andreottola & Cannas 1992).
Gos composition, vol V«
100 O
leochote
VFT (volat. fat. acid)
Leochote
Phase in B BY
figure 1. Illustration of developments in leachate and gas in a landfill cell (Christensen & Kjeldsen, 1989).
Kuva 1. Kaatopaikkakaasujen ja suotoveden muodostuminen hajoamisen eri vaiheissa (Andreottola & Cannas 1992).
Anaerobinen hajoaminen voidaan jakaa kolmeen vaiheeseen. Ensimmäisessä vaiheessa pH laskee orgaanisten happojen muodostumisen takia. Tässä haponmuo- dostumisvaiheessa voi liueta raskasmetalleja ja muita epäorgaanisia ioneja
(Andreottola & C annas 1992). Selluloosan hajoaminen on edelleen hidasta.
Hiilidioksidia ja vetyä muodostuu sokerin hajotessa. Metaaninmuodostus on pientä johtuen alhaisesta pH:sta. Haponmuodostaja-ja asetogeenisten bakteerien hajotettua happoja yksinkertaisempiin muotoihin kuten muurahais- ja etikkahapoiksi, metaanibakteerit voivat lisääntyä. Metaanibakteereille suotuisat olosuhteet voidaan päätellä happojen olemassaolon perusteella tai mittaamalla redox-potentiaali, jonka tulee olla alle -330 mV (Andreottola & Cannas 1992).
Anaerobisen hajoamisen toinen vaihe alkaa metaanin muodostumisen kiihtyessä.
Tässä vaiheessa pH nousee j a vedyn, hiilidioksidin sekä rasvahappoj en määrä laskee.
Kasvanut emäksisyys vähentää metallien liukoisuutta. Metaanibakteerien toiminta on suoraan verrannollinen orgaanisten happojen määrään, joten näiden hidas hajoaminen hidastaa myös metaanin muodostumista. Tässä vaiheessa kuitenkin metaanin muodostus lisääntyy selvästi.
Seuraavasssa vaiheessa, vakaassa metaaninmuodostusvaiheessa, orgaanisten happojen määrä laskee hyvin alhaiseksi ja pH nousee edelleen. Muodostuvien metaanin ja hiilidioksidin määrät tasaantuvat polymeerien hydro lyysin voimistuessa metaanin muodostusta rajoittavaksi tekijäksi orgaanisten happojen sijaan, joita vielä syntyy selluloosan hajotessa (Barlaz ym. 1993). Tämä vaihe kestää monia vuosia ja sitä kutsutaan myös jätetäytön stabilisoitumisvaiheeksi (Andreottola & Cannas 1992).
Jälkivaiheessa vanhoilla kaatopaikoilla, kun ainoastaan vaikeimmin hajoava orgaaninen aines on jäljellä jätteessä, pintakerroksiin pääsee tunkeutumaan taas typpi- ja happimolekyylejä diffuusion seurauksena. Redox-potentiaali nousee ja vaikuttaa
metaaninmuodostusta vähentävästi.
4. PÄÄSTÖT KAATOPAIKOILTA
4.1 Suotovesi ja kaatopaikkavesi
Kaatopaikan läpi suotautuvan veden määrään vaikuttavat sadanta, jätteen tiivistämi
nen, pintarakenteet, pinnan kaltevuus ja kasvillisuus. Kaatopaikan käyttöönoton jälkeisten ensimmäisten vuosien aikana osa suotautuvasta sadannasta imeytyy ja varastoituu jätteeseen, mutta pitkällä aikavälillä kaatopaikalta purkautuva suoto- vesimäärä on lähes sama kuin sateen mukana imeytynyt vesimäärä (Airiola & Lakso 1997). Jos peitekerros on ohut ja sen vedenläpäisevyys suuri, voi jopa 80%
sadannasta suotautua jätetäyttöön (Saarela 1997). Tiiviillä pintakerroksella voidaan taas päästä lähes läpäisemättömään rakenteeseen. Esimerkiksi Ruotsissa keskimää
räinen jätetäytöissä muodostuva suotovesimäärä on 250-300 mm vuodessa, mutta savesta tehdyllä tiivistyskerroksella saadaan suotoveden määrä laskemaan 10-40 millimetriin vuodessa (Hjelmar ym. 1995). Etelä-Euroopan maissa, joissa sadanta on niukempaa ja haihdunta suurempaa, ovat suotovesimäärät alhaisempia.
Koko j ätetäytön läpi suotautuvan suotovedeksi kutsutun nesteen lisäksi kaatopaikalta purkautuu vesiä ympärysojiin, jätteen pinnalta, suoraan jätetäytöstä tai pintarakenteen läpi luiskien alaosista. Tämän kaatopaikkavedeksi kutsutun purkautuvan veden liikkeet hallitaan myöskin pintarakenteilla, mutta valitettavasti useimmilla lopetetuilla kaatopaikoilla, joilla pintarakenne on rakennettu, tätä kokonaisuuden osaa ei ole otettu huomioon. Ympärysojiin pääsee saastunutta vettäja tämä vesi on yleensä johdettu ympäristöön. Koko kaatopaikan likaisten vesipäästöj en hallinta tulee ulottaa siis näihin vesiin. Kaatopaikka- ja suotovesien laatua ei yleensä ole tarkkailtu erikseen, joten laadullista vertailua ei voida tehdä. Mitä jäljempänä puhutaan suotovesien laadusta, voidaan kuitenkin soveltaa myöskin kaatopaikkavesiin.
Kaatopaikkavesien j ohtamisesta puhutaan oj itusj äij estelyiden yhteydessä kappaleessa 6.
Veden kulkua kaatopaikalla kuvaa sen vesitase. Vesitase lasketaan kaavan 1 mukaisesti.
P= R+ E + AS
(1)jossa P on sadanta (mm), R on valunta (mm), E on haihdunta (mm) ja AS on varaston muutos (mm). Jätteeseen suotautuvan veden määrä riippuu pääasiallisesti sadannasta, koska ulkopuoliset vedet on ojitusjärjestelyin ohjattu pysymään alueen ulkopuolella.
Satavasta vedestä osa putoaa kasvien lehdille ja osa maan pinnalle, josta osa vedestä jatkaa matkaansa pintavaluntana, osa haihtuu ja osa imeytyy maahan. Kasvien juuret käyttävät osan maahan imeytyneestä vedestä ja osa varastoituu maahan. Maalajille ominaisen kenttäkapasiteetin ylittyessä vettä virtaa alempiin kerroksiin, joista ensimmäisenä yleensä kuivatuskerrokseen ja sitten veden edelleen suotautumisen estämistä varten rakennettuun tiivistyskerrokseen. Kuivatuskerroksen vedenjohtoky- vystä, siis vedenläpäisevyydestä ja kaltevuudesta, ja tiivistyskerroksen vedenlä
päisevyydestä riippuen vettä pääsee suotautumaan jätetäyttöön ja likaisen suo to-ja kaatopaikkaveden muodostuminen alkaa.
Hyvärisen ym. (1995) tutkimuksen mukaan sadanta vaihtelee Suomessa 533...778 mm/a, haihdunta 91...468 mm/a ja valunta (sadanta-haihdunta) 212...453 mm/a.
(Hyvärinen ym. 1995)
Suomessa j a muissa maissa, j oissa talvella sataa lunta, j ätetäyttöön suotautuvan veden määrää voidaan jossain määrin vähentää auraamalla talvella lumi pois jätetäytön päältä. Määrä riippuu lumen määrästä ja vesiarvosta. Esimerkiksi Helsingin korkeudella vähentävä vaikutus on 5-10%, Kuopion korkeudella 10-15 % ja Sodankylän korkeudella 20-25 % (Saarela 1997). Myös kasvillisuudella voidaan vaikuttaa suotovesimääriin (Saarela 1997).
Suotoveden laatu riippuu jätteen koostumuksesta ja tiiviydestä, täyttö tekniikasta, täytön syvyydestä, lämpötilasta ja vesipitoisuudesta, ravinne-, mikrobiologisista ja hydrologisista tekijöistä sekä kaatopaikan iästä. Jätteen koostumuksessa tärkeitä
suo to veden laatuun vaikuttavia seikkoja ovat mm. orgaanisen aineksen määrä sekä hajoittajabakteereille myrkyllisten aineiden olemassaolo. Arvioitaessa jätetäytön hajoamistilaa suotovesinäytteiden perusteella on otettava huomioon se seikka, että täytön eri osat voivat olla eri vaiheessa hajoamisprosessia. Tällöin suotovesinäytteet- kin ovat sekoitus eri vaiheissa liuenneita yhdisteitä ja kiinteitä aineita.
Suo to veden laatu siis vaihtelee hajoamisen eri vaiheissa. Kuten edellisessä luvussa mainittiin, suo to vesimäärät, joissa aerobisen hajoamisen vaikutus voidaan havaita, ovat pieniä. Anaerobisen hajoamisen ensimmäisessä vaiheessa syntyvillä suotovesillä on korkeat BODs -arvot, korkeat BOD5/COD suhteet, alhainen pH (5-6) sekä korkea ammoniumpitoisuus. Toisen vaiheen alkaessa pH nousee saavuttaen kolmannessa vaiheessa pH-arvon, joka vaihtelee kuudesta kahdeksaan. Rasvahappojen ja kiinteän aineksen määrä suotovedessä on tässä vaiheessa alhainen. (Andreottola & Cannas 1992)
Suotoveden laatua arvioidaan fysikaalisilla, kemiallisilla ja biologisilla parametreillä, jotka on koottu taulukkoon 1. Hjelmar ym.:n (1995) kuuden Euroopan maan käsittävän tutkimuksen mukaan suotovedet voidaan j akaa viiteen ryhmään jätetyypin mukaan. Nämä jätetyypit ovat ongelmajätteet, yhdyskuntajätteet, vähän orgaanista ainesta sisältävät tavanomaiset jätteet, epäorgaaniset jätteet ja inertit jätteet.
Tutkituilla yhdyskuntajätteiden kaatopaikoilla suotovesissä voitiin havaita aluksi korkea COD (n. 20 000 mg/l) ja korkea BOD:n ja COD:n suhde (>0,5), ja 2-10 vuoden jälkeen vastaavat arvot olivat 2000 mg/l ja <0,25. Korkean typpipitoisuuden (>1000 mg/l) odotettiin ilmenevän yli 50 vuotta. Ympäristöministeriön 12 kaatopaikasta julkaiseman tutkimuksen mukaan Suomessa tyypillisen kaatopaikan COD-arvo (interpoloituna) sopii Hjelmarin arvioihin. Keskiarvo näiden 10-30 vuoden ikäisten kaatopaikkojen COD-arvoille on alle 500 mg/l ja suurin arvokaan ei ylitä 5 000 mg/l (Kalliokoski 1987).
Taulukko 1. Vesinäytteiden fysikaalis-kemiallistenja bakteriologisten perusmääritys
ten menetelmät (Assmuth 1990).
Määritys, yksikkö Viite
Lämpötila, C -
Haju, skaala -/+/++/+++ -
Kiintoaine, mq/l SFS 3037
PH SFS 3021
Sähköjohtavuus SFS 3022
Kloridit, mc/l VYH-ohje
CODMn, mg/l SFS 3036
CODCr, mg/l SFS 3020
TOC, mg/l KTL-ohje
BOD7, mg/l SFS 3019
Kokonaiskovuus, mmol/l SFS 3003
Ammoniumtyppi, mg/l SFS 3032
Rauta, mg/l SFS 3047
Fekaaliset streptokokit, kpl/100 ml SFS 3014 Termotolerantit koliformit, kpl/100 ml SFS 4088 Kokonaiskoliformit, kpl/100 ml SFS 4089
Suotovettä on syntynyt täytössä vuosien aikana ja yksi kunnostuksen yhteydessä tehtävistä riskinarvioinneista tulisi koskea tätä täytön sisäistä vettä. Vaikka rakennetaankin toimiva pintarakenne, jo täytössä oleva vesi tulee ajan myötä kulkeutumaan täytöstä pois ja sen haittavaikutukset voivat olla merkittävät. Tätä vettä voidaan poistaa pumppaamalla, mutta se voi viedä paljon aikaa. Jätetäytön sisäisen veden pumppaus ennen pintarakenteen rakentamista on edullista myöskin pintaraken
teen toimivuutta silmällä pitäen, koska siten voidaan vähentää myöhemmin tapahtuvan kuormituksen lisäyksestä aiheutuvan painumisen pintarakennetta rasittavia vaikutuksia.
Suotoveden pumppaus jätevedenpuhdistamolle on tällä hetkellä käytetyistä menetelmistä yleisin suotoveden puhdistamiseen tähtäävissä toimenpiteissä, joskin suotovedessä olevat epäpuhtaudet j a sen tavallista viemärivettä alhaisempi lämpötila voivat haitata joitakin puhdistamon puhdistusprosessej a j a huonontaa puhdistustulos- ta. Erityisesti typpikuormituksen osuus on merkittävä eikä kaatopaikalta tulevien vesien osuus saisi ylittää yli 1 % jätevedenpuhdistamon tulovirtaamasta. Muita
suotoveden puhdistamiseen käytettyjä menetelmiä ovat ilmastrippaus, aktiivihii- lisuodatus ja biosuodinten käyttö. Kaatopaikoilla on kokeiltu myös juurakkopuhdista- mojen rakentamista sekä mm. ns. pajukerppupuhdistusta, joissa kierrätetty suotovesi puhdistuu biologisesti. Nämä menetelmät eivät kuitenkaan sovellu Suomen kylmiin olosuhteisiin kovinkaan hyvin. Suomessa Seutulan kaatopaikalla Vantaalla on kokeiltu myöskin suotoveden kierrätystä, jolloin suotoveden puhdistumisen lisäksi nopeutetaan jätteen hajoamisprosesseja ja näin voidaan ylläpitää kaasunpolttolaitok- sia jatkuvan metaaninsaannin seurauksena.
Käytetyn menetelmän valinta riippuu suotoveden ensisijaisesti puhdistuksen tarvitsevista ainesosista. Ainesosat voivat vaihdella merkittävästikin kaatopaikan täyttöhistoriasta riippuen. Suomessa ei kuitenkaan ole annettu yhtenäisiä raja-arvoja kaatopaikkaveden laadulle vesistöön tai viemäriin johdettaessa, joten puhdistustoi
menpiteiden valinta perustuu tapauskohtaiseen riskinarvointiin. Lääkintöhallitus on asettanut raja-arvoja talousveden laadulle, joten mm. vedenottamoiden tai talous- vesikaivojen läheisyydessä voidaan käyttää näitä arvoja (Assmuth 1990).
4.2 Kaatopaikkakaasu
Kaatopaikkakaasu on orgaanisesta jätteestä hapettomassa tilassa tapahtuvan hajoamisen seurauksena syntyvää kaasua, joka sisältää pääosin metaania (50-70 %) ja hiilidioksidia (30-50 %) (Daniel 1993). Biokaasussa on usein löydettävissä myöskin pieniä määriä hiili-, fluori- ja rikkiyhdisteitä, joista viimeisenä mainitut antavat kaasulle sen ominaisen hajun.
Kaatopaikkakaasuista aiheutuvat ympäristöhaitat voivat olla joko paikallisia tai globaaleja. Globaaleja haittoja ovat metaanin voimakas kasvihuonekaasun luonne ja haitallisten aineiden pääsy ilmakehään. Paikallisia vaikutuksia ovat hajut, haitalliset aineet, räjähdykset ja kasvillisuudelle aiheutuvat haitat. Merkittävimmät hajuja aiheuttavat komponentit ovat rikkiyhdisteet ja merkaptaanit. Haitallisten aineiden on todettu laimenevan ilmassa varsin tehokkaasti, joten melko korkeidenkaan pitoisuuksien ei uskota aiheuttavan terveydellistä vaaraa esimerkiksi kaatopaikan
työntekijöille (Ainola & Lakso 1997). Metaanipitoisuuden ollessa ilmassa 5-15%
muodostuu räjähdysaltis seos. Kaatopaikkakaasu vaikuttaa kasvillisuuden kasvua rajoittavasti korvatessaan tilan juurien tarvitsemalta hapelta. Sen myrkylliset ainesosat voivat myöskin vaurioittaa kasvustoa.
Kaasuja voidaan kerätä hallitusti vertikaali- tai horisontaalijärjestelmillä. Näitä ovat kaasukaivot kokoojaputkistoihin yhdistettynä (vertikaalijäijestelmä) sekä horisontaa
liset kaasunkeräysputkistot. Suomessa on toteutettu paljon myös kaasujen ohjaamista ilmakehään pelkillä pintarakenteen rakentamisen yhteydessä rakennettavilla kaasunkeräyskaivoilla. Tämä kaasu tulisi kuitenkin yleensä käsitellä räjähdysvaaran vuoksi. Käsittelyssä voidaan käyttää esim. biosuotimia. Rakennettaessa tiivis pintarakenne on muistettava, että tästä seuraa yleensä jätetäytön kuivumista ja metaaninmuodostuksen vähenemistä, jolloin kerättävää kaasuakin muodostuu vähemmän. Suunniteltaessa lopettamistoimenpiteitä kaatopaikalle tuleekin mitata kuinka paljon kaasua kaatopaikalla muodostuu oikean käsittelytavan valintaa varten.
Kaatopaikkakaasun keräys tapahtuu joko aktiivisesti tai passiivisesti. Kaasun aktiivisen hyötykäyttömahdollisuuden määrää kaasuntuotto, jolla tarkoitetaan tiettyä jätemäärää kohti aikayksikössä syntyvää kaasumäärää. Muodostuvan kaasun määrä riippuu merkitsevästi seuraavista tekijöistä (Tanskanen 1992):
- haj oavan j ätteen määrä j a laatu jätteen kosteuspitoisuus
- jätteen ikä
- kaatopaikan läpäisevyys - kaatopaikan lämpötila - kaatopaikan pH
- ravinteiden määrä j a laatu - inhibiittorit
Kaasuntuottoa voidaan mitata kentällä kahta vaihtoehtoista koejärjestelyä käyttäen.
Rakentamalla imukaivoja kaatopaikka-alueelle ja määrittämällä koepumppauksella kaasun kokonaismäärä pyritään yleensä selvittämään kaasun hyötykäyttömahdolli
suuksia. Toisessa koepumppauksessa kaasua imetään vain yhdestä kaivosta, jolloin tavoitteena on selvittää pumppauksen vaikutussäde.
Aikaisemmin kuvatut kaasunkeräysjäijestelmät ovat lähinnä tarkoitetut aktiiviseen keräykseen ja pumppaukseen yhdistettäväksi (Heikkilä 1994). Passiivisessa keräyksessä kaasu jakautuu tasaisesti pintakerrokseen, johon rakennetaan esimerkiksi kompostista kerros tai yksittäisiin purkautumiskohtiin biosuodin. Passiivisen keräyksen yhteydessä on muistettava metaanin hapettumisen mahdollistavien olosuhteiden ylläpito. Näitä ovat mm. lämpötila (optimi 25-36 °C) ja kosteus (optimi 10-15 %), riittävä happi, orgaaninen hiilipitoisuus ja ravinteet (Väisänen 1999).
Keräys voidaan hoitaa passiivisesti, jos metaanikuormitus on vähäinen (alle 10 m3/ha h) (Väisänen 1999).
5. PINTARAKENTEEN SUUNNITTELU
5.1 Yleistä
Kaatopaikan lopettamisen yhteydessä on yleensä edullisinta toteuttaa ympäristön
suojelua rakentamalla alueelle rakenteita, joilla vähennetään tai estetään kaatopaikan haitalliset vaikutukset. Kyseeseen voi tulla pystyeristysseinämät, mutta useimmiten suojaus hoidetaan suo to veden syntymistä vähentävällä tiiviin pintarakenteen rakentamisella. Pintarakenteiden lisäksi tulee hoitaa suotovesien ja kaatopaikka
kaasujen asianmukainen käsittely. Pintarakenteiden toimivuutta varmistetaan lisäksi oikeilla ojitusjäijestetyillä ja kunnossapitotoimenpiteillä.
Suljetun tai lopetettavaksi aiotun kaatopaikan aiheuttamat vaikutukset ympäristöön on tutkittava. Koska jätetäyttö on kiinteässä kosketuksessa maaperään ja sen läpi suotautuvista vesistä voi adsorboitua haitallisia aineita ympäröivään maa-ainekseen, lopetettavan kaatopaikan ympäristöä voidaan tutkia saastuneena maa-alueena.
Tutkimusten toteuttamisessa voidaan käyttää hyväksi Teknologian kehittämiskeskuk
sen julkaisua “Saastuneiden maiden tutkiminen ja kunnostus” (Järvinen ym. 1996).
5.2 Pintarakennevaihtoehdot
5.2.1 Valtioneuvoston päätös 861/97 kaatopaikoista
Valtioneuvoston päätös 861/97 kaatopaikoista määrittelee liitteessään 1 kaatopaikalle asetettavia yleisiä vaatimuksia koskien sijaintia, vesien hallintaa ja käsittelyä, maaperän ja vesien suojelua (mm. pintarakenteita), kaatopaikkakaasun hallintaa sekä niihin liittyviä poikkeuksia. Päätös tuli voimaan 1.10.1997, mutta mm. pintarakentee
seen liittyviä määräyksiä sovelletaan vasta tammikuun 1. päivästä 2002.
Päätöksen mukaan täyttöalueen saavutettua lopullisen korkeutensa on sen päälle rakennettava pintakerros, jossa ovat taulukon 2 mukaisesti rakennekerrokset ylhäältä alaspäin lueteltuna. Rakennejärjestystä voidaan perustellusta syystä muuttaa.
Taulukko 2. VNp:n (861/97) mukaiset kaatopaikan pintarakenteet.
Kerros Kaatopaikkaluokka
T avanomaisen j ätteen Ongelmajätteen
Pintakerros ä 1 m Vaaditaan Vaaditaan
Kuivatuskerros 2 0,5 m Vaaditaan Vaaditaan
Tiivistyskerros ä 0,5 m Vaaditaan Vaaditaan
Keinotekoinen eriste Ei vaadita Vaaditaan
Kaasunkeräy skerro s Vaaditaan Tarpeen mukaan
Valtioneuvoston päätöksen (861/97) mukaan lupaviranomainen voi lieventää näitä vaatimuksia, jos kaatopaikan pitäjä voi luotettavasti osoittaa, ettei kaatopaikasta ja jätteiden sijoittamisesta sille voi aiheutua pitkänkään ajan kuluessa jätelaissa tai - asetuksessa taikka päätöksessä tarkoitettua vaaraa tai haittaa terveydelle tai ympäristölle eikä maaperän saastuttamiskiellon rikkomista. Rakenteiden on tällöinkin täytettävä päätöksessä tarkemmin esitetyt edellytykset.
Valtioneuvoston päätöksessä on huomioitavaa keinotekoisen eristeen sijoitus.
Käytännössä sijoituskohdaksi esitetään yleensä taulukossa! esitetyn tiivistyskerrok- sen alapinnan sijaan yleisemmin tiivistyskerroksen yläpintaa, jolloin mineraalinen tiivistyskerros toimii teoreettisesti vettäläpäisemättömän keinotekoisen eristeen toimivuuden varmistavana kerroksena.
5.2.2 Pintarakennekerrokset
Tyypillinen rakenne:
Kaatopaikan pintarakenne koostuu seuraavista kerroksista: jätetäytön päällä oleva esipeittokerros, kaasunkeräyskerros, tiivistyskerros, kuivatuskerros, pintakerros ja kasvukerros. Tiivistyskerroksen läpäisemättömyyttä voidaan parantaa asettamalla kerroksen päälle keinotekoinen eriste. Myös suodatinkerrosten tai -kankaiden käyttö rakennekerrosten toiminnan turvaamiseksi voi joskus tulla kysymykseen. Kuvassa 2 on esitetty esimerkki pintarakenteesta, joka sisältää kaikki edellä luetellut osat.
IV f \\l \M \ll JK/ W \Wl\U W/ \\UI \\llt
Pintakerros >1,0 m Suodatinkangas Kuivatuskerros >0,5 m Suojageotekstiili Keinotekoinen eriste esim. geomembraani Mineraalinen tiivistekerros >0,5 m Suodatinkangas Kaasunkeräyskerros Suodatinkangas Esipeittokerros Tiivistetty jäte
Kuva 2. Esimerkki kaatopaikan pintarakenteen kerroksista (Leppänen 1998).
Esipeittokerrosta rakennettassa jätetäyttö tiivistetään siihen kaltevuuteen, johon pintarakenne on suunnitelmissa esitetty rakennettavaksi. Esipeittokerroksella varmistetaan
täytön yläpinnan tasaisuus. Näin yläpuolelle tulevat rakennekerrokset voidaan helposti levittää oikeassa paksuudessaan ja niiden materiaali ei valu jätetäyttöön.
Kaasunkeräyskerros rakennetaan karkearakeisesta materiaalista, jonka tärkeimpiä ominaisuuksia on kaasunkeräyskyky. Tähän kerrokseen kerääntynyt kaasu johdetaan yleensä pystysuoriin kaasunkeräyskaivoihin, joista kaasu johdetaan hallitusti joko ilmaan tai poltettavaksi. Tätä kerrosta sanotaan joskus myös perustuskerrokseksi sen usein kantavuutta lisäävän vaikutuksen vuoksi.
Tiivistyskerros kaasunkeräyskerroksen yläpuolella rakennetaan estämään sadevesien suotautumista jätetäyttöön. Näin vähennetään jätetäytössä muodostuvien haitallisten suotovesien määrää. Tiivistyskerroksen vedenläpäisevyys tulisi suositusten mukaan olla alle lxlO'9 m/s (Leppänen 1998).
Kuivatuskerroksen tehtävänä on johdattaa pintakerroksen läpäisevä vesi pois tiivistyskerroksen päältä, jotta vedenpaine ei lisäisi veden suotautumista tiivistyskerrok
sen läpi. Pintakerroksen kuivatus lisää myös sen kykyä varastoida vettä j a vähentää aikaa, jolloin maa on vedellä kyllästetty ja eroosiolle altis. Myös vakavuus paranee, kun
huokosvedenpaine on pienempi.
Pintakerroksen tehtävänä on tiivistyskerroksen routasuoj ausj a sen kuivumisen estäminen, kasvualustana toimiminen ja alempien kerrosten suojaus kasvien juurilta, sadevesien imeytymisen vähentäminen j a pintavalunnan edistäminen.
Kasvukerros toimii alustana kasvillisuudelle, ja yhdessä niiden tehtävänä on suojata pintarakennetta eroosiolta. Kasvillisuus myöskin lisää haihduntaa ja näin vähentää imeytyvän veden määrää. Kasvukerros ja kasvillisuus suunnitellaan alueen maisemointitavoitteiden mukaan. Valitun kasvillisuuden tulee ollamatalajuurista, etteivät juuret yletä vaurioittamaan tiivistyskerrosta. Juurien tunkeutuminen voidaan estää juurimatolla tai geomembraanilla.
Muut vaihtoehdot
Kaikkiin ilmastoihin edellä kuvatunlainen rakenne ei välttämättä ole paras vaihtoehto niin toiminnallisesti kuin kustannussyistäkin. Kapillaarinen katkaisu j a monoliittinen rakenne ovat esimerkkejä ainakin kuiviin ja puolikuiviin ilmastoihin (esimerkiksi Länsi- Yhdysvalloissa) soveltuvista ratkaisuista.
Kapillaarinen katkaisu pintarakenteessa on eräs vaihtoehtoinen ratkaisu edellä esitetylle
"perinteiselle" rakenteelle. Rakenne koostuu seuraavista osista: pintakerros, tiivis kerros hienorakeisesta maa-aineksesta, karkearakeinen kerros, tiivistyskerros ja perustuskerros.
Rakenneratkaisun tarkoituksena on pidättää vesi kapillaarisen imun avulla pintakerroksen alla olevaan tiiviiseen kerrokseen. Vesi ei valu alempaan karkearakeiseen kerrokseen, koska tämän maa-aineksen synnyttämä imu on selvästi alhaisempi kuin tiiviin maan. Tii
vis kerros siis vähentää tiivistyskerroksen läpi suotautuvaa vesimäärää. Ratkaiseva vaikutus on maalajiominaisuuksilla, erityisesti kenttäkapasiteetilla. Karkearakeisen kerroksen tuuletuksesta on olemassa myös hyviä kokemuksia kapillaarisen katkaisun toimivuutta edistettäessä (Stormont 1998).
Vesi liikkuu ylimmissä pinta-ja tiiviissä kerroksissa vuorotellen kyllästäen kerroksia ja haihtuen jälleen pois. Runsaiden sateiden jälkeen osa vedestä voi suotautua karkeaan kerrokseen, mutta silloin kalteva rakenne kuljettaa vettä ympärysojiin tai muihin keräilyjäijestelmiin. Tärkeä seikka rakenteen toiminnan turvaamisessa on tiiviin kerroksen eheys. Kuivumisesta ja jäätymisestä aiheutuneet halkeamat tai kasvien juurien tekemät kanavat heikentävät toimintavarmuutta selkeästi, jos ne pääsevät ulottumaan karkearakeiseen kerrokseen asti.
Monoliittinen rakenne:
Kuiviin ja puolikuiviin ilmastoihin soveltuu joskus myös yksinkertainen, tiiviistä ja perustuskerroksesta muodostuva monoliittiseksi kutsuttu rakenne. Sen toiminta perustuu tiiviin kerroksen kykyyn varastoida sadannasta vettä kasvillisuuden käyttöön tai siihen asti kunnes kuivana kautena vesi haihtuu. Tiiviin kerroksen alhainen vedenläpäisevyys estää veden pääsemisen alla oleviin kerroksiin. Sen paksuus määräytyy sadannan määrän
j a intensiteetin, maamateriaalin hydraulisten ominaisuuksien sekä haihdunnan nopeuden perusteella (Jesionek ym. 1997).
5.3 Jätteen ominaisuuksien ottaminen huomioon suunnittelussa
5.3.1 Yleistä
Jätteen geoteknisen käyttäytymisen arviointi lähtee liikkeelle jätelaadun määrittämisestä.
Jäte voidaan jakaa esimerkiksi kolmeen geoteknisiltä ominaisuuksilta erilaiseen materiaaliluokkaan: inertti jätemateriaali (esim. lasi, metalli, valimojäte), helposti muotoaan muuttavat materiaalit (esim. kankaat, paperi, muovi) ja helposti hajoavat materiaalit (orgaaniset) (Grisolia ym. 1996). Inertin jätteen voidaan olettaa käyttäytyvän mekaanisesti karkearakeisen ja heterogeenisen maa-aineksen tavoin. Helposti muotoaan muuttavat materiaalit taas painuvat pienenkin kuormituksen alla. Helposti hajoavat materiaalit muuttuvat fysikaalis-kemiallisten ja biologisten prosessien seurauksena lyhyessä ajassa, ja aiheuttavat tilavuudenmuutoksia ja muuttavat täytön mekaanisia ominaisuuksia.
5.3.2 Geotekniset ominaisuudet
Jätteen tilavuuspaino täytössä vaihtelee välillä 10... 16 kN/m3 riippuen jätteen laadusta ja täyttötekmikasta (Leppänen 1998). Uudemmilla kaatopaikoilla)ätepenkereen tiivistys on suoritettu paremmin, joten tilavuuspaino on yleensä yli 14 kN/m3. Jätteen kokoonpuristu
minen muuttuu alkuperäisen huokosluvun funktiona ja siihen vaikuttaa myöskin helposti hajoavan orgaanisen aineksen osuus (Petäjä 1985). Suomessa on sortumatapausten jälkilaskentojen perusteella arvioitu jätetäytön kitkakulmaksi 34°...38° ja koheesio on 0 (Petäjä 1985). Fangin tutkimusten mukaan taas yhdyskuntajätteen kitkakulma vaihtelee välillä 15°...25° koheesion ollessa 65 kPa (Oweis 1990).
5.3.3 Vesisuhteet täytössä
Täytön sisäinen vedenpinta vaikuttaa hajoamistilaan ja ennen pintarakenteen rakentamista korkealla ollut sisäinen vedenpinta voi olosuhteiden muutoksesta laskiessaan johtaa
vaikuttaa syntyvän kaatopaikkakaasun laatuun ja määrään sekä suotoveden laatuun.
Kaatopaikan kunnostamisen yhteydessä siis selvitetään nykyisen vedenpinnan taso ja ennakoidaan pinnan laskua pintarakenteen rakentamisen seurauksena. Selvityksen
on muistettava niiden edustavan vain tiettyjä pisteitä, ja näiden aiheuttama kuormitus ympäristöön voi olla vaikeasti ennustettavissa. Korkea vedenpinta täytössä voi olla
teen rakentamisen jälkeen voi olla varsin hidasta. Korkea vedenpinta aiheuttaa pintarakenteen rakentamisen jälkeen vesipainetta myös peittävästä rakenteesta ulospäin.
Epätasaisten painumien vaikutusta pintarakenteeseen voidaan vähentää suorittamalla vedenpinnan laskeminen selvästi ennen tiivisterakenteen rakentamista.
5.4 Pintarakennemateriaalit
5.4.1 Määritettävät ominaisuudet
Kaatopaikan lopettamisessa käytettävistä pintarakennemateriaaleista tulee mitoitusta varten määrittää normaalit geotekniset ominaisuudet, jotka esimerkiksi penkereen mitoituksessa määritetään. Näitä ovat maalajin rakeisuus, maan sisäinen kitkakulma, koheesio, tilavuuspaino ja leikkauslujuus. Pintarakenteen tarkoituksenmukaisen toiminnan varmistamiseksi tulee määrittää myös vedenläpäisevyys sekä eri tyyppisten rakennekerrosten välisten rajapintojen kitkakertoimet.
Pintarakenteen vesitaseen laskemista varten on tiedettävä rakennekerroksissa käytettävien maalajien vedenpidätysominaisuudet. Näitä kuvaavat kokonaishuokoisuus, kenttäka- pasiteetti ja kuihtumisraja. Ne määritetään niin sanotusta pF-käyrästä, joka kuvaa
maalajin vesipitoisuuden ja maaveden sitoutumisvoimakkuuden suhdetta. pF-käyrä voidaan määrittää teoreettisesti, kun tiedetään maalaj in kokonaishuokoisuus, matrikpoten- tiaali sekä maalajikohtainen laskentaparametri p. Käytännössä kenttäkapasiteetti ja kuihtumisraja vaihtelevat saman getoteknisen luokituksenkin omaaville maalajeille.
Liitteeseen 1 on koottu ulkomaisessa kirjallisuudessa esiintyviä vedenpidätysparametreja sekä esitetty tässä tutkimuksessa käytetyt vastaavuudet suomalaisiin maalajeihin.
Mineraalisessa tiivistyskerroksessa käytettävistä materiaaleista tulee lisäksi määrittää konsistenssirajat, vesipitoisuus, orgaanisen aineksen määrä, kiintotiheys, kalsiumkar- bonaattipitoisuus, vedenpidätyskyky sekä tilavuuskutistuma (Leppänen 1998).
Bentoniittimattoj a arvioidaan niiden bentoniittipitoisuuden, liittämistavan ja geotekstiilin laadun mukaan.
Tällä hetkellä Suomessa useimmin käytettäviä keinotekoisia eristemateriaaleja ovat geomembraanit. Myös tiiviin asfaltin käyttöä on tutkittu (Alhroos 1998). Teollisuuden sivutuotteita voidaan käyttää pintarakennekerroksissa, mikäli tuotteet täyttävät määrätyt edellytykset Tutkittavia ominaisuuksia ovat mm. painuman aiheuttama maksimimuodon- muutos ja sen vaikutukset, ominaisuuksien säilyminen kastumis-, kuivumis- sekä routimis-sulamissykleissä, biologinen hajoaminen, tuotteen ympäristökelpoisuus, suotoveden kestävyys, ultraviolettisäteilyn kestävyys, terminen kestävyys, eroosiokestä- vyys sekä vedenläpäisevyys.
Suomessa on tiivistyskerroksissa toistaiseksi käytetty teollisuudessa syntyvistä sivutuotteista lentotuhkaa (70% turvetuhkaa, 30% puujätettä) sekä paperiteollisuudessa syntyvää kuitulietettä. Lentotuhkan vedenläpäisevyys on kuitenkin tutkimuksissa todettu liian korkeaksi ja niinpä sen käyttöä tiivistyskerrosmateriaalina ei yleensä suositella (Kotola 1998). Lentotuhkan ominaisuudet kuitenkin vaihtelevat tuotantolaitoksittain, joten osoituksen jälkeen lentotuhkakin voitaneen tapauskohtaisesti kelpuuttaa pintaraken- nemateriaaliksi. Lentotuhkan ympäristökelpoisuus on kuitenkin osoitettava. Käytettäessä lentotuhkaa pintarakenteessa ei metallien liukeneminen yleensä ole vaarana kuten pohjarakenteen tapauksessa, jossa muodostunut hapan suotovesi saattaa tämän ilmiön aiheuttaa.
5.4.2 Eri rakennekerrosten materiaalivaatimukset
Kasvukerros rakennetaan pohjaksi kasvillisuudelle sekä suojaamaan tiivistyskerrosta.
Se on rakennettu yleensä paikallisista tiivistämättömistä maalajeista ja vaihtelee paksuudeltaan 15 crmstä 60 cm:iin. Paksuutta määrättäessä on otettava huomioon seuraavat vaatimukset:
- ruohokasvillisuuden tulee pystyä kasvamaan
- vedenpidätyskyvyn tulee olla riittävä, jotta kasvillisuus ehtii käyttää veden ja sitä riittää myös kuivina kausina
- eroosion aiheuttama pitkän ajan maan menetys ei aiheuta kerroksen toiminnan heikkenemistä
- tiivistyskerroksen kuivuminen j a j äätyminen estyy.
Istutetun kasvillisuuden tulee ehkäistä tuulen ja veden aiheuttamaa eroosiota, minimoida pintaveden suotautuminen jätetäyttöön ja maksimoida haihdunta. Kasvillisuus toimii myöskin esteettisenä suojana ja auttaa toimivan ekosysteemin muodostumista jätetäytön päälle. Ekosysteemin muodostuminen on tärkeää, koska kunnossapitoa ei voida ylläpitää lopetetulla kaatopaikalla määrättömiä aikoja.
Kasvukerrokseen voidaan käyttää tavallisten pintamaiden lisäksi kompostoidun ja lietteen ja hakkeen seosta. Lietteestä suotautuvat aineet tulisi kuitenkin määrittää, etteivät ne pääse haittaamaan tiivistyskerroksen toimintaa.
Pintamaata käytetään yleisimmin kasvukerroksen materiaalina sen helpon saatavuuden takia. Paikallisten pintamaiden käyttö on suositeltavaa taloudellisuuden lisäksi sen vuoksi, että paikallinen kasvillisuus todennäköisesti viihtyy siinä. Kasvien juuret vahvistavat pintamaata, vähentävät maan eroosiota, pienentävät valuntaveden nopeutta ja poistavat vettä maasta haihdunnan kautta. Jonkin tyyppiset kasvit luovat lehdillään suojan, joka pienentää sadeveden vaikutusta ja vähentävät tuulennopeutta, jolloin tuulen ja veden eroosiovaikutus vähenee. Pintamaan käytön haittapuoliin kuuluu kasvillisuuden kunnossapito kuivina kausina ja eroosionesto erityisesti vastasiemennetyillä ja jyrkillä pinnoilla. Esimerkiksi Swope (1975) tutki Pennsylvaniassa 24 pintarakennetta ja näistä
33 prosentilla oli havaittavissa lievää eroosiota, 40 %:lla kohtuullista eroosiota ja yli 20
%:lla oli vakavaa eroosiota (Jesionek ym. 1995). Kuivilla alueilla on tarvittu kastelua, kun käytetyn pintamaan vedenpidätyskyky on ollut liian alhainen.
Geosynteettistä eroosiosuojausta voidaan käyttää kylvön jälkeen asettamalla suojaus pintamaan päälle. Se voidaan jättää tarvittaessa paikalleen tai poistaa kasvillisuuden juurruttua tarpeeksi. Geosynteettinen eroosiosuoj aus on erityisen hyvä jyrkissä luiskissa.
Se voidaan ankkuroida tai vahvistaa luiskassa, jolloin myös vakavuus paranee. Se auttaa myöskin eläinvahinkojen torjunnassa.
Kiviä käytetään yleensä alueilla, joilla sadanta on alhainen eikä kasvillisuutta voida näin ollen istuttaa. Kasvillisuuden puutteen vuoksi haihdunta jää alhaiseksi ja kaikki vesi pääsee kivien välistä imeytymään maahan. Kivien käytön etuja ovat kasvillisuuden kunnossapitotöiden välttäminen, suojaus tuulen ja veden aiheuttamalta eroosiolta, syväjuuristen kasvien juurtumisen estäminen ja eläinten aiheuttamien vahinkojen estäminen. Haittoja ovat haihdunnan vähyys, tuulen kuljettaman hienoaineksen pakkautuminen kivien väliin ja täten kasvualustan ja kasvillisuuden syntyminen sekä vakavuusongelmat jyrkissä luiskissa.
Asfalttibetonin käyttö ei ole kovin yleistä kaatopaikkojen pintamateriaaleina paitsi kohteissa, joissa lopetetun kaatopaikan päälle on rakennettu tie tai pysäköintialue.
Asfalttibetonin etuja ovat materiaalien saamisen helppous, alueen käyttö pysäköintiin, pinnan toimiminen osittain myös tiivistyskerroksena ja eroosiokestävyys. Haittoja ovat päällysteen kunnossapitoja haihdunnan esto. Lisäksi epätasainen painuminen aiheuttaa helposti halkeamia päällysteeseen.
Pintakerroksen materiaalia valittaessa on otettava huomioon kerroksen veden varastointitehtävän lisäksi seuraavat toiminnot:
- pintakerros erottelee jätteen ja mahdollisesti tunkeutuvat eläimet ja kasvillisuu
den sekä estää ihmisen toiminnasta aiheutuvan käsiksipääsyn jätteeseen
- pintakerros suojaa alla olevia kerroksia liialliselta kuivumiselta ja jäätymiseltä halkeamien ehkäisemiseksi.
Mineraalinen maa-aines on selvästi yleisin pintakerrokseen käytetty materiaali sen saatavuuden ja sopivuuden takia. Kierrätettyjä jätemateriaaleja on vähemmän käytetty pintarakenteen osana, mutta tutkimukset osoittavat niiden soveltuvan varsin hyvin tähän kerrokseen. Mahdollisia käytettäviä materiaaleja ovat esim. lento-ja pohjatuhka. Nämä materiaalit voivat antaa vastusta tunkeutuville kasvien juurille ja riittävän ruotasuojauk- sen. Haittana on kuitenkin usein kuljetuskustannukset kaukaa hankittaville materiaaleille.
Isoja kiviä käytetään joskus pintakerroksessa, kun jätteeseen tunkeutumisen estäminen on tärkeää (esim. radioaktiivisten jätteiden suojaus). Kivet asennetaan suodatingeotekstii- lin alle. Haittoja ovat huono vedenvarastointikyky sekä kivien mahdollisesti huono saatavuus Josta seuraa kuljetuskustannusten kasvua.
Kuivatuskerros on korkean vedenläpäisevyyden omaavasta materiaalista tehty tiivistyskerroksen päällä oleva vedenjohtokerros. Tarkoituksenmukaisen toiminnan varmistamiseksi on materiaalivalintojen lisäksi huolehdittava siitä, että mahdollisesti käytetyt salaojaputket eivät tukkeudu. Pintakerroksen j a kuivatuskerroksen rakeisuuksien yhteensopivuus tulee myös selvittää, jotta kuivatuskerros ei kuivata pintakerrosta aivan kuiviin. Kuivatuskerroksen vedenjohtavuusvaatimus on 10"3 m/s.
Hiekan ja soran käyttö kuivatuskerroksessa riippuu materiaalin saatavuudesta ja vedenläpäisevyydestä, imeytymisnopeudesta, luiskan kaltevuudesta sekä tiivistyskerrok
sen vedenläpäisevyydestä. Paksu kerros suojelee tunkeutumisilta, lävistyksiltä ja äänlämpötiloilta. Hiekan ja soran pitkä käyttöhistoria helpottaa ominaisuuksien analysointia sekä suodattimen käyttämiseltä voidaan välttyä. Ongelmia voi aiheuttaa materiaalin saatavuus, hienoaineksen kulkeutuminen luiskien alapäähän ja täten suotopaineiden kasvaminen ja vakavuuden huononeminen.
Soraa voidaan käyttää geotekstiilin kanssa yhdessä, jolloin suunnittelutulos on yleensä kestävä. Tällaisen ratkaisun etuja ovat alempien kerrosten suojaus äärilämpötiloilta ja lävistyksiltä, geotekstiilin sorakerroksen tukkeutumista ehkäisevä vaikutus sekä geotekstiilin helppo toimitus. Materiaalin saatavuuden lisäksi ongelmia voi koitua siitä,
että sora puhkaisee alla olevan geomembraanin tai bentoniittimaton. Vaara on vältettävä jo suunnitteluvaiheessa eri kerrosten keskinäisiä sopivuuksia arvoitaessa.
Geosynteettinen kuivatuskerros geotekstiilin kanssa käytettynä on helppo kuljettaa ja asentaa kohteeseen ja tätä yhdistelmää käytetään usein geomembraanitiivisteen päällä.
Bentoniittimaton kanssa käytettynä tarvitaan väliin yleensä vielä suodatin. Merkittävä haittapuoli on huono routasuojaus sekä pieni kitka geotekstiilin ja geosynteettisen kuivatuskerroksen välillä, johon voi muodostua liukupinta. Vaakasuuntaisten saumojen toimivuus on testattava laboratoriossa.
Suomessa harvemmin käytettävän geokomposiitin etuja ovat helppo kuljetettavuus, kevyt asennus, jolloin samalla vähenee tiivistyskerroksen vahingoittumisen riski, ei yleensä tarvitse suodatinkerroksia kummallekaan puolelle sekä vaakakiinnitys on helppoa. Haitat:
huono routasuojaus, liukupintojen muodostuminen.
Tiivistyskerros on pintaeristeen kriittisin suunnittelukomponentti. Kerroksen tarkoitukse
na on estää päällä olevien kerrosten läpi päässeen veden suotautumista sekä ohjata kaatopaikkakaasujen purkautumista. Yleisimmin käytetyt materiaalit ovat tiivistetty savi, geomembraani tai bentoniittimatto. Tiivistyskerrokselle asetetuista vaatimuksista kerrotaan tarkemmin kappaleessa 5.5.
Kaasunkeräyskerros toimii kaasunkeräystoimintansa lisäksi perustuksena ylemmille kerroksille ja siksi siltä vaaditaan kantavuutta ylempien kerrosten toiminnan turvaamisek
si. Joskus kerros jaetaan kahteen osaan, jolloin alempi kerros toimii nimenomaan perustuksena ja ylempi kerros kaasunkeräyksessä. Perustuskerroksen materiaalilta vaaditaan riittävää lujuutta ja kokoonpuristumattomuutta, jotta se kestää päällä työskentelevien koneiden painon. Vedenläpäisevyydeksi suositellaan vähintään 10"4m/s (EPÄ 1991).
Kaasunkeräyskerroksessa käytettävä materiaali voi olla hiekkaa tai soraa geotekstiilien tai maa-ainessuodattimien kanssa, kuivatusgeotekstiilejä tai geosynteettisiä kuivatuskerroksia geotekstiilisuodattimia käyttäen. Jätemateriaaleista masuunikuonaa
voidaan myös käyttää. Geotekstiilejä käytettäessä alla oleva esipeittokerros on välttämätön. Yleisin käytetty materiaali on hiekka tai sora, suodattimella tai ilman.
Rakeisten materiaalien käyttöä puoltaa hyvät kantavuus- ja kaasunjohto-ominaisuudet.
Geotekstiilien etuna on taas ohut rakenne. Kolmiuloitteisella geosynteettisellä materiaalil
la on korkea kaasunjohtavuus ja asennus on erittäin helppoa, mutta tällä materiaalilla, kuten myös geotekstiilillä, ongelmana on liukupintojen mahdollinen muodostuminen.
Esipeittokerros voidaan rakentaa lähes minkälaisesta maa-aineksesta vain paitsi märästä savesta tai orgaanista ainesta sisältävästä materiaalista. Esipeittokerroksessa voidaan käyttää myös jätemateriaaleja kuten saastunutta maa-ainesta tai tuhkaa.
5.5 Tiivistyskerroksen ominaisuudet ja niiden vaikutus ympäristövaikutusten minimoimiseen
5.5.1 Yleistä
Tiivistyskerroksen toimintaan vaikuttavia mekanismeja on monia (Fang ym. 1995):
- sisäinen ja ulkoinen eroosio (tulva, jäätyminen/sulaminen, rankkasade, turpoaminen/kutistuminen, kastuminen/kuivuminen)
k . . .
- sasvit ja eläimet: juurten tunkeutuminen, hyönteisten tunkeutuminen, eläinten kaivautuminen
- jätteen hajoaminen - painumat
muut: maankuoren liikkeet, happosade.
Tietyissä olosuhteissa myös termisosmoottiset virtaukset vaikuttavat vesimolekyylien liikkeisiin tiivistyskerroksessa. Ulkomailla on raportoitu kaatopaikan sisäisen lämpötilan vaihtelevan 25-85 °C välillä. Maan lämpötila pysyy lähes vakiona 10 asteen tietämissä routasyvyyden alapuolella. Termisosmoottiset voimat työntävät vesimolekyylejä tiivistyskerroksen läpi jätetäytön ja pintarakenteen ulkopuolelle kylmempään maahan.
Tähän monimutkaiseen ilmiöön vaikuttaa maalajin termisosmoottinen siirtymiskerroin, joka riippuu mm. seuraavista tekijöistä: maassa olevan “satimessa” olevan ilman
aiheuttaman hydrostaattisen gradientin vaikutuksesta, joka syntyy kyseisen ilman eri tilavuuksista eri lämpötiloissa; edellä mainitussa ilmatilassa tapahtuvan veden mikro virtausten johdosta; lämpögradientti aiheuttaa gradientteja vesikalvojen pintajänni
tyksissä, sisäisen maanpinnan ioni-ilmakehässä, paikkaa vaihtavien hydrataatiossa, veden liukoisuudessa maarakeiden pinnalla sekä veden geometrisessä rakenteessa. (Fang ym.
1995)
Jäätymis-sulamissyklejä tarkastellessa on havaittu, että näistä ensimmäinen on kriittisin maalajin lujuusominaisuuksien kannalta. Vettymislämpö taas kasvaa mitä pienempi on raekoko. Eri savimineraaleille tehdyissä paisumistutkimuksissa havaittiin montmorillonii- tin (bentoniitin) turpoavan eniten. (Fang ym. 1995)
5.5.2 Savi tiivistyskerrosmateriaalina
Tiivistetty savikerros on ollut yleisimmin käytetty pintaeristeiden tiiviste. Kerroksen paksuus vaihtelee tavallisesti 0,3 mistä 0,6 metriin ja maksimivedenläpäisevyydeksi suositellaan lxl O"9 m/s. Saven käyttäminen tiivistyskerroksessa on kuitenkin ongelmallis
ta kuivumishalkeilun, routavaurioiden ja epätasaisen painumisen vuoksi. Haitallisten vaikutusten ehkäisemiseksi rakennettavan kerroksen paksuus kasvaa usein taloudellisuu
den rajojen ulkopuolelle. Pelkän savikerroksen etuja ovat savirakenteiden rakentamisen ja käytön pitkä historia, rakentamisen helppous, jos savea on saatavissa paikallisesti, ja jos savea ei ole paikallisesti saatavissa, tuodun saven ominaisuuksia voidaan parantaa esimerkiksi sekoittamalla bentoniittia. Haittoja ovat edellä mainittujen lisäksi:
tiivistämisen vaikeus kokoonpuristuvan j ätteen päällä - saven huono saatavuus
- huono koijattavuus
vakavuusongelmat jyrkissä luiskissa.
Ominaisuudet:
Savi on yleisin käytetty pintarakenteiden tiivistemateriaali nimenomaan alhaisen vedenläpäisevyytensä johdosta. Saven alhainen vedenläpäisevyys johtuu mm. sen hienorakeisuudesta, alhaisesta veden virtauksen mahdollistavastajatkuvasta huokostilasta
sekä savipartikkeleiden pinnalla olevasta negatiivisesta pintavarauksesta, joka aiheuttaa vapaan veden liikettä estävän kaksoiskerroksen syntymisen. Kaksoiskerros muodostuu, kun huokosveden kationit ja vesimolekyylien positiivisesti varautuneet päät adsorboituvat eli kiinnittyvät negatiivisesti varautuneen mineraalin pintaan.
Hienorakeisuus tarkoittaa sitä, että savimineraaleilla on suuri ominaispinta-ala, jolla kationien adsorboitumista voi tapahtua. Ominaispinta-ala vaihtelee savimineraalien kesken, kuten taulukosta 3 voidaan nähdä. Suomessa yleisimmät savimineraalit ovat illiitti, vermikuliitti ja kloriitti (Kujala 1985).
Taulukko 3. Yleisimpien mineraalien ominaispinta-ala (Kujala 1985).
Mineraali Ominaispinta-ala (m2/g)
Illiitti 65-100
Vermikuliitti 870
Kloriitti 80
Kaoliniitti 36452
Montmorilloniitti 700-840
Saven luokitusominaisuuksista tärkeätä vedenläpäisevyyden kannalta on selvittää rakeisuus, huokostila sekä konsistenssirajat. Rakeisuudessa kiinnitetään huomiota karkearakeisen aineksen, hienoaineksen sekä savipitoisuuden osuuksiin. Veden virtauksen mahdollistavan jatkuvan huokostilan määrä korreloi yleensä käänteisesti hienoainespitoisuuden kanssa, koska hienoaines täyttää suurten rakeiden välitilat vähentäen virtauspolkuj en määrää. Konsistenssiraj at kuvaavat kuitenkin koheesiomaalaj i- en käyttäytymistä paremmin kuin pelkkä rakeisuus. Erityisesti juoksurajalle sekä plastisuusluvulle on löydetty korrelaatio vedenläpäisevyyden kanssa (Benson ym. 1994).
Juoksurajan minimiarvoksi Benson ym. (1994) suosittavat 20:ta 67 kaatopaikan savinäytteistä määritettyjen vedenläpäisevyyksen perusteella. Kuvassa 3 nähdään, että vedenläpäisevyys laskee nopeasti plastisuusluvun välillä 10..30. Tämän jälkeen lasku on hitaampaa.
Q) o
Plasticity Index
Kuva 3. Vedenläpäisevyys plastisuusluvun funktiona (Benson ym. 1994).
Jotta savi voitaisiin tiivistää haluttuun vedenläpäisevyyteen, sen thvistymisominaisuudet on selvitettävä laboratoriokokein. Savesta valmistetaan sylinterinäyte Proctor- tiivistysmenetelmän mukaisesti. Näytteen tiivistämiseen käytetty työmäärä määräytyy rakennustyössä käytettävän kaluston mukaisesti. Materiaalin optimivesipitoisuus käytetylle työmäärälle määritetään näytteen maksimikuivatilavuuspainosta. Yleensä savimateriaalit saavuttavat alhaisimmat vedenläpäisevyytensä optimivesipitoisuutta suuremmissa vesipitoisuuksissa, j oten seuraavaksi tehtävät vedenläpäisevyyskokeet tulisi suorittaa tämän periaatteen mukaisesti (Daniel ym. 1990). Optimivesipitoisuutta alhaisemmissa vesipitoisuuksissa mahdollisesti saavutettujen alhaisten vedenläpäisevyyk
sien on todettu olevan epäluotettavia kenttäolosuhteiden ennustajia, koska näissä vesipitoisuuksissa savipaakut eivät yleensä ole isommassa mittakaavassa tarpeeksi muovautuneita ja vesi pääsee virtaamaan paakkujen väleistä (Benson ym. 1990).
Vedenläpäisevyyskoe sylinterinäytteelle tehdään joustavaseinäisessä sellissä.
Tiivistysvesipitoisuutta määritettäessä on otettava huomioon alhaisen vedenläpäisevyyden lisäksi myös muita tavoitteita. Tiivistyskerroksellä on tarkoituksenmukaisen toimivuuten
sa kannalta oltava riittävästi leikkauslujuutta. Sen tulee säilyttää veden virtausta estävät ominaisuutensa mahdollisten kuivumis-paisumis- ja jäätymis-sulamissyklien sekä epätasaisen painumisen jälkeen. Näihin ilmiöihin voidaan toki vaikuttaa muillakin toimenpiteillä. Kuvassa 4 on esitetty esimerkki vedenläpäisevyys-kuivatilavuuspainoku- vaajasta, johon on sovitettu leikkauslujuuden ja kuivumiskutistuman kriteerit.
Hyväksyttävä alue
leikkauslujuuden perusteella
Optimialue tiivistämiselle
Hyväksyttävä alue vedenläpäisevyyden perusteella
Hyväksyttävä alue
kuivumiskutistuman perusteella
Tiivistysvesipitoisuus
Kuva 4. Tiivistysvesipitoisuuden valintaan vaikuttavat tekijät.
Kuivuminen:
Tiivistyskerroksessa oleva savi kuivuu, kun päällä oleva kasvillisuus imee kaiken pintakerrokseen suotautuvan veden. Savi kutistuu kuivumisen aikana ja tämä aiheuttaa halkeamia ensiksi saven pintaan ja edelleen syvemmälle veden haihtuessa pinnasta sekä suotautuessa syvemmälle. Kuivumishalkeamat syntyvät, kun maan imu ylittää passiivisen
