Remediation of Hydrocarbon Contaminated Soil In-Situ

TEKNILLINEN KORKEAKOULU Rakennus-ja yhdyskuntatekniikan osasto

Pekka Määttänen

HIILIVEDYILLÄ SAASTUNEEN MAA-ALUEEN KUNNOSTAMINEN

Diplomityö, joka on jätetty opinnäytteenä tarkastettavaksi diplomi-insinööritutkintoa varten Espoossa 8.4.1998.

Työn valvoja ma. professori Pauli Vepsäläinen

Työn ohjaaja DI Timo Lempinen

Teknillinen Korkeakoulu DIPLOMITYÖN TIIVISTELMÄ

Tekijä: Pekka Määttänen

Työn nimi: Hiilivedyillä saastuneen maa-alueen kunnostaminen

Päivämäärä: 8.4.1998 Sivumäärä: 119

Osasto: Rakennus- ja yhdyskuntatekniikan osasto Professuuri: Pohjarakennus ja maamekaniikka Työn valvoja: ma. professori Pauli Vepsäläinen Työn ohjaaja: DI Timo Lempinen

Saastuneen maaperän kunnostusmenetelmiä on suuri määrä. Osa menetelmistä on ollut pitkään käytössä maailmalla, erityisesti Yhdysvalloissa, ja jatkuvasti on kehitteillä uusia tapoja puhdistaa tai eristää saastunut maa ja/tai pohjavesi.

Saastuneita maa-alueita voidaan kunnostaa in-situ sekä ex-situ menetelmillä. In-situ on latinaa ja tarkoittaa "alkuperäisessä paikassa". In-situ-kunnostusmenetelmissä maaperä pyritään puhdistamaan haitta-aineista sitä kaivamatta. In-situ-menetelmillä vältytään maan kalliilta kuljetuksilta, jatkokäsit­

telyiltä ja kunnostettavan alueen toiminnan häiritsemiseltä. Ex-situ-menetelmissä haitta-aineita sisältävä maaperä tai pohjavesi siirretään alkuperäisestä paikasta muualle käsiteltäväksi.

On tuskin yhtään sellaista puhdistusmenetelmää, jota käyttäen haitallisten aineiden saastuttaman alueen kunnostusohjelma voidaan etukäteen sitoa. In-situ-kurmostusmenetelmiä käytettäessä kenttä- ja labora­

toriotutkimukset antavat vain arvion tapahtuvista reaktioista. Usein tarvitaan ns. pienimittakaavainen pilot-koe ennen varsinaisten kunnostustoimien aloittamista, ja toteutettu kunnostusmenetelmä vaatii aina tarkkailumittauksia ja niiden perusteella tehtävää prosessin ohjaamista ja optimointia.

Tämän diplomityön tavoitteena on perehtyä hiilivedyillä saastuneen maaperän ja pohjaveden puhdistamiseen in-situ menetelmillä. Hiilivetyjen saastuttaman maan ja pohjaveden kunnostamiseen useita eri menetelmiä. Diplomityössä perehdytään tarkemmin huokoskaasun imumenetelmään (soil vapour extraction, SVE) ja biohuuhtelumenetelmään (bioventing). Huokoskaasuimulla saadaan maarakeiden välissä oleva huokoskaasu liikkeelle, minkä ansiosta haihtuvat hiilivedyt kulkeutuvat käsiteltäväksi maanpinnalle. Biohuuhtelussa pyritään maaperän mikrobiologista aktiivisuutta lisäämään hapen ja tarvittaessa myös ravinteiden avulla. Biohuuhtelumenetelmä tulee kyseeseen käsiteltäessä maaperäolosuhteissa heikosti liikkuvia tai haihtuvia hiilivetyjä, joita ei voida käsitellä huokoskaasuimu- menetelmällä.

on

Lähdeaineistona on käytetty alan kirjallisuutta sekä tieteellisiä julkaisuja. Esimerkkikohteina on käytetty kahta Suomen IP-Tekniikka Oy:n kohdetta. Tehtyjen tutkimusten perusteella kohteisiin on laadittu kunnostussuunnitelma. Varsinaisia saneeraustoimia ei ole vielä aloitettu, lukuun ottamatta toisen kohteen pohjevesipumppausta. Biohuuhtelumenetelmän tehokkuutta on tutkittu laboratoriossa kunnos­

tettavan alueen saastuneilla maanäytteillä.

Biohuuhtelumenetelmän laboratoriokokeet osoittavat hiilivetyjen määrän vähentyneen 56 vuorokauden aikana jopa 22,7 %, mikä osoittaa maaperässä luontaisesti olevan mikrobikannan kykenevän hajottamaan hiilivetyjä suotuisissa oloissa. Hajoaminen oli nopeinta näytteissä, joihin oli lisätty ravinteita ja kalkkia. Näytteissä oli tapahtunut myös öljyhiilivetyjen muuttumista toisiksi tuotteiksi, rasvoiksi.

Avainsanat: biohuuhtelu, huokoskaasuimu, biokunnostaminen, hiilivedyt

Helsinki Universityof Technology ABSTRACT OF THE MASTER'S THESIS

Author: Pekka Määttänen

Name of the thesis: Remediation of Hydrocarbon Contaminated Soil In-Situ.

Date: 8.4.1998 Number of pages: 119

Faculty: Department of Civil and Environmental Engineering Soil Mechanics and Foundation Engineering

Professorship:

Supervisor: pro tem Professor Pauli Vepsäläinen Instructor: M.Sc. (eng.) Timo Lempinen

There are several remediation technologies for contaminated soils and ground waters. Some of them have been in the market for a long time, especially in the USA. New technologies are developed all the time to clean up or insulate contaminated soil and/or ground water.

Contaminated areas can be remediated by in-situ and ex-situ methods. In-situ is Latin and means "in original place". In in-situ remediation methods contaminated soils will be treated without excavation.

By in-situ methods you can avoid expensive transportation costs, further treatment and disturbance the activity of the area. In ex-situ methods contaminated soil or ground water will be transported from original place to an other for treatment.

Probably there is no such a remediation method for contaminated areas which can be determined beforehand. When using in-situ remediation technologies site investigations and laboratory studies will give just an rough estimate about the reactions which are occurring. In many cases there will be needed a small scale pilot test before the full scale remediation action. Monitoring, process control and optimization are compulsory during the remediation action.

The purpose of this Master's Thesis is to study the in-situ remediation technologies for hydrocarbon contaminated soils and ground waters. There are several different remediation methods for hydrocarbon contaminated soils and ground water. Master's Thesis discusses more detailed about soil vapor extraction (SVE) and bioventing methods. By SVE-method the vapor between soil particles containing volatile organic compounds will be removed for treatment. In bioventing method microbial activity in soil and/or ground water is activated by oxygen and nutrients. Bioventing method will be an option when compounds which have a low mobility or volatility in subsurface environment can't be treated by SVE-method.

Literature and technical publications have been used as a source material for this Master's Thesis. In addition two projects of IP-Engineering Finland Ltd. have been used as example cases. Remediation plans are based on site investigations. Actual remediation action hasn't started yet, only the groundwater pumping is going on for one of the cases. The effectiveness of bioventing method is studied by testing soil samples from the site contaminated by fuel oil in laboratory.

Laboratory studies showed that after 56 days the content of hydrocarbons was up to 22,7 % less than in the beginning of the test. It indicates that natural microbial population in soil can biodegrade hydrocarbons in favorable environment. The degradation process is most effective in samples with nutrients and lime. Petroleum hydrocarbons were also transformed to other products, fats.

ALKULAUSE

Diplomityö on tehty Suomen IP-Tekniikka Oy:ssä, jota haluan kiittää mahdolli­

suudesta toteuttaa tämä työ. Esitän myös kiitokseni ohjaajalleni Suomen IP-Tekniikka Oy:n Timo Lempiselle, joka uutterasti jaksoi perehtyä opinnäytetyöni kirjalliseen osaan ja kommentoida sitä.

Haluan kiittää myös Teknos Winter Oy:tä Suomen IP-Tekniikka Oy:n heille laatiman jätehuoltoilmoituksen käyttämisestä esimerkkikohteena diplomityössäni.

Suuri kiitos kuuluu myös Suomen Petrooli Oy:Ile, jonka toimeksiannosta bioventing- menetelmän laboratoriokokeen suoritus sekä käyttö esimerkkikohteena diplomi­

työssäni oli mahdollista.

Lisäksi haluan kiittää professori Eero Slungaa, joka toimi valvojanani diplomityöni alkupuolella, ja ma. professori Pauli Vepsäläistä, joka valvoi diplomityöni loppuunsaattamista sekä Envitop Oy:n Jukka Palkoa, jolta sain arvokasta tietoa laboratoriokokeiden suorittamisessa.

Erityisesti haluan kiittää Suomen Konsulttiyhdistys SNIL ry:n stipendirahastoa diplomityöstipendistäni, joka auttoi ja motivoi diplomityöni tekemistä.

Lopuksi esitän kiitokseni saamastani tuesta ja kannustuksesta vaimolleni Hanna Kahanpäälle, joka on samaan aikaan tehnyt omaa diplomityötään.

Espoossa 8.4.1998 z Pekka Määttänen

SISÄLLYSLUETTELO

Tiivistelmä, Abstract.

Alkulause Sisällysluettelo Käsitteitä

1.Johdanto

2. Saasteiden ominaisuudet...

2.1 Saasteiden ryhmittely...

2.2 Fysikaaliset ja kemialliset ominaisuudet...

2.2.1 Liukoisuus...

2.2.2 Höyrynpaine...

2.2.3 Henry'n vakio...

2.2.4 Diffuusiokerroin...

2.2.5 Jakaantumiskerroin...

2.2.6 Biopitoisuustekijä...

2.2.7 Sorptio...

2.3 Yleisimmät saastuttavat hiilivedyt...

2.3.1 Alifaattiset ja alisykliset hiilivedyt.

2.3.2 Aromaattiset hiilivedyt...

2.3.3 MTBE...

2.3.4 Polyaromaattiset hiilivedyt...

2.3.5 Hologenoidut alifaattiset yhdisteet.

3. Hiilivetyjen kulkeutuminen maaperässä...

3.1 Kulkeutumi stavat...

3.2 Pohjaveden liike...

3.2.1 Darcyn laki...

3.2.2 Nestemäisen haitta-aineen kulkeutuminen...

pohjaveden yläpuolisessa kerroksessa.

3.2.3 BTEX-yhdisteiden pitoisuuksien suhteet...

3.3 Maaperän ominaisuuksien vaikutus saasteen kulkeutumiseen 3.3.1 Fysikaalisten ominaisuuksien vaikutus saasteen...

kulkeutumiseen

3.3.2 Mikrobiologisten ominaisuuksien vaikutus...

3.3.2.1 Maaperän kosteus...

3.3.2.2 Maaperän pH...

3.3.2.3 Maaperän lämpötila...

3.3.2.4 Epäorgaaniset ravinteet...

U)rom

м ю ю м ю м ю ю

m u -i4 0 < o r~

o o

3.3.3 Hiilivetyjen sitoutuminen maaperässä, 4. In-situ kunnostusmenetelmät...

4.1 Huokoskaasun poistaminen ja käsittely...

4.2 Biokunnostaminen...

4.2.1 Yleistä...

4.2.2 Biokunnostamiseeen vaikuttavat tekijät.

4.2.2.1 Vesipitoisuus...

4.2.2.2 Lämpötila...

4.2.2.3 pH...

4.2.2.4 Myrkyllisen aineen läsnäolo....

4.2.2.5 Hiili-ja energialähteet...

4.2.2.6 Happi...

4.2.2.7 Ravinteet...

4.2.3 Muita huomioitavia asioita...

4.3 Biohuuhtelu ilmalla...

4.3.1 Kaksifaasinen imumenetelmä...

4.4 Vapaan tuotteen keräys...

4.5 Pumppaus ja käsittely...

4.6 Pohjaveden käsittely...

4.6.1 Ilmaerotus...

4.6.1.1 Ilmaerotuslaitteen käyttö...

4.6.2 Aktiivihiili...

4.6.3 Bioreaktori...

4.6.3.1 Lietereaktori...

4.6.3.2 Kalvoreaktori...

4.6.3.3 Muut menetelmät...

5. Kunnostustavan valinta,

6. Huokoskaasun poistaminen ja käsittely...

6.1 Teoria maan ilmakäsittelystä...

6.1.1 Kaasun liike maaperässä...

6.2 Suunnittelussa huomioonotettavia asioita...

6.2.1 Imukaivon vaikutussäteen arviointi 6.2.2 Virtaus huokoisen aineen läpi...

6.2.3 Maaperän kosteuspitoisuus...

6.2.4 Kapillaarivyöhykkeen käsittely...

6.3 Menetelmän/prosessin kuvaus...

6.3.1 Huokoskaasun imukaivon rakenne..

6.3.2 Poistokaasujen tarkkailuja käsittely, 6.4 Ilmastus

6.5 Yhteenveto...

6.6 Esimerkkikohde saastuneen pohjaveden suodatuksesta, ja maan huokosilmakäsittelystä

6.6.1 Johdanto...

6.6.2 Alueen kuvaus...

0 0 0 '^ l/ il A tt v iU > U > b J4 0 4 0 4 0 < 0 0 0

ro m № ro m ro co m cn rn ro m m tt ‘

)

)

)

o

6.6.3 Saastuneisuuden arviointi...

6.6.3.1 Maaperän ja pohjaveden laadun arviointi...

6.6.3.2 Saastuneiden maamassojen määrä ja laatu...

6.6.4 Riskianalyysi...

6.6.4.1 Aineiden haitallisuuus...

6.6.4.2 Leviäminen maaperässä ja pohjavedessä...

6.6.4.3 Haihtuminen ilmaan...

6.6.4.4 Suun kautta tapahtuva altistuminen...

6.6.5 Kunnostusvaihtoehdot...

6.6.5.1 Saastuneen maamassan poistaminen kaivamalla 6.6.5.2 Saastuneen maan ja pohjaveden käsittely...

saastuneella alueella

6.6.6 Vaihtoehdon valinta... . 6.6.7 Kunnostusmenetelmä...

6.6.7.1 Kunnostustavoite...

6.6.7.2 Pohjaveden pumppaus ja käsittely...

6.6.13 Huokoskaasun imujärjestelmä...

6.6.1 A Kunnostukseen tarvittava aika...

6.6.7.5 Tarkkailusuunnitelma...

6.6.8 Johtopäätökset...

7. Biohuuhtelu ilmalla...

7.1 Teoria maan biohuuhtelusta ilmalla...

7.1.1 Ilman injektointi...

7.2 Biohajoavuuden tutkiminen laboratoriossa...

7.2.1 Mikrobiologisen kasvun testaaminen...

7.3 Suunnittelussa huomioonotettavia asioita...

7.3.1 In-situ-respiraatiokoe...

7.3.2 Redox-potentiaali...

7.3.3 Tolueenin mikrobiologinen hajoaminen...

7.3.4 Happilähteen valinta...

7.3.5 Ravinteet...

7.3.6 Kaivojen sijoittaminen...

7.3.7 Puhdistukseen kuluva aika...

7.4 Menetelmän/prosessin kuvaus...

7.4.1 Imukaivo...

7.5 Prosessivaatimusten laskeminen...

7.5.1 Tarvittavan hapen ja ravinteiden määrän laskeminen, 7.5.2 Kunnostukseen kuluva aika...

7.6 Esimerkkikohde biohuuhtelun käytöstä...

7.6.1 Johdanto...

7.6.2 Alueen kuvaus...

7.6.3 Saastuneisuuden arviointi...

7.6.4 Kunnostusvaihtoehdot...

< о ч о ю ю ч о ч о ч о ч о ч о ч о ю ч о о о о о о о 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 -~ J' ~ JO

4 0 0 0 0 0 -J ^ l- 4 0 \a \V > 4 X 4 ^ . o o o o o o o o o o o o o o o o ‘

» O

7.6.5 Tutkimusohjelma...

7.6.5.1 Näytteenotto...

7.6.5.2 Maalaji...

7.6.5.3 Laboratoriotutkimukset ennen koetta....

7.6.5.4 Laboratoriossa suoritettava hiilivetyjen hajoavuuskoe

7.6.5.5 Tarkkailumittaukset...

7.6.6 Biohajoavuuden alustavat tulokset... . 7.6.7 Johtopäätökset...

8. Yhteenveto Lähdeluettelo Liitteet

VOVO40OnOOOOO O u>VO

KÄSITTEITÄ

Absorptio Nesteen tai jähmeän aineen (absorbentin) kyky liuottaa tai imeä itseensä (absorboida) kaasuja.

Adsorbaatti Pintaan tarttuva aine, esim. raskasmetalli-ioni.

Adsorbentti Aine, jonka pintaan jokin aine tarttuu, esim. maarae.

Adsorptio Jähmeiden kappaleiden kyky tiivistää pinnalleen nesteissä tai kaasuissa olevia aineita.

Affiniteetti Reaktioon osaaottavien aineiden taipumus yhtyä toisiinsa.

Agar-agar Eräistä Itä-ja Etelä-Aasian merien punalevistä valmistettu hyytelöä muodostava aine.

Alifaattiset yhdisteet

Yksi orgaanisten yhdisteiden pääryhmistä, joille on ominaista hiiliatomien järjestäytyminen avoimiksi, joko suoriksi tai haarautuneiksi ketjuiksi. Vastakohta sykliset yhdisteet.

Air sparging Menetelmä, jolla käsitellään haihtuvia ja/tai hajoavia orgaanisia yhdisteitä pohjavedessä ja pohjaveden pinnan alapuolisissa maakerroksissa injektoimalla maahan tai veteen ilmaa. Ilma syrjäyttää veden maamatriisissa luoden tilapäisesti ilmalla täytetyn huokostilan. Injektoitu ilma siirtää haitta-aineet haihduttamalla ja/tai kiihdyttää mikrobiologista hajoamista.

Adsorboituvat halogenoidut hiilivedyt AOX

API American Petroleum Institute

BOC Biochemical oxygen demand.

BTEX-yhdisteet Bentseeni, tolueeni, etyylibentseeni ja ksyleeniyhdisteet.

BV Bioventing, biohuuhtelu.

COD Chemical oxygen demand.

Diffuusio Molekyylien ja atomien lämpöliikkeestä johtuva aineiden passiivinen sekoittuminen väliaineessa, esim. nesteessä tai kaasussa. Diffuusiossa aineiden pitoisuuserot pyrkivät tasoittumaan.

Eh Elektrodipotentiaali [mV], potentiaaliero Pt:n ja H elektrodin välillä. Ilmaisee hapetus-pelkistyspotentiaalin.

Elatusaine Esim. bakteerien kasvualustana käytetty aine, joka sisältää mm.

agaria ja vettä.

EPA U.S. Environmental Protection Agengy

Fenolit Myrkyllisiä aromaattisia alkoholeja, joita on käytetty desinfiointi-ja torjunta-aineina. Kloorifenoleita on käytetty erityisesti sahoilla puutavaran sinistymisen estämiseksi.

Eräät kloorifenolit ovat mutageenisiä ja epäiltyjä karsinogeenejä.

Haihtuvat orgaaniset yhdisteet

Haihtuvien orgaanisten yhdisteiden kiehumispiste on yleisen määritelmän mukaan pienempi kuin 180°C.

Niihin kuuluu mm. liuottimia (esim. asetoni, bentseeni, diklooribentseeni, tolueeni) ja petrokemian kemikaaleja Halogenidi Halogeenien (=suolanmuodostajien), fluorin, kloorin,

bromin ja jodin, muodostamia ionisidoksellisia tai kovalenttisia yhdisteitä alkuaineiden kanssa.

Halogenoitu alifaatti

Halogenoidut hiilivedyt ovat laajasti käytössä teollisuuden liuottimina sekä rasvanpoistajina. Nämä hiilivety-yhdisteet ovat korvanneet yhden tai useamman vetyatomin

halogeenilla, useimmiten kloorilla.

Hapettumis- ja pelkistymis­

reaktiot

Reaktiot, joissa tapahtuu elektronien siirtoja.

Hapettumisella tarkoitetaan elektronien luovuttamista ja pelkistymisellä vastaanottamista. Hapettuminen ja pelkistyminen ovat aina samanaikaisia.

Henry'n laki Henry'n lakia käytetään kuvaamaan kaasun liukoisuutta nesteeseen. Henry'n lain mukaan tasapainotilassa kaasun osapaine (herkästi haihtuva yhdiste) nesteen pinnalla on riippuvainen yhdisteen pitoisuudesta nesteessä, esim. vedessä.

Höyrynpaine Nesteen höyrynpaine on paine, jonka nesteestä haihtuva kaasu saa aikaan tasapainotilassa. Höyrynpaine mittaa siis yhdisteen taipumusta haihtua.

Hydrofiilinen Vesihakuinen.

Hydrofobinen Vesipakoinen.

Ko-metabolia Cometabolism. Yhdisteen hajoaminen ainoastaan toisen orgaanisen materiaalin läsnäollessa ja toimiessa pääasiallisena energianlähteenä /7, s. 57/.

Kovalenttinen sidos

Atomien välille syntyvä sidos, jossa molemmat atomit jakavat yhden, kaksi tai kolme yhteistä elektroniparia.

Vahvin kemiallinen sidostyyppi.

Kuningasvesiuutto Happoliuotus, väkevässä suola-typpihapossa (3:1), 90°C:n lämpötilassa.

Kresolit Kuuluvat fenolisiin yhdisteisiin.

Lipidit Sellaisten rasvaliukoisten luonnonyhdisteiden yleisnimi, jotka sisältävät pitkäketjuisia hiilivetyjä ja niiden

johdannaisia.

Lysimetri Suotoveden mittauslaite.

Metabolia Aineenvaihdunta.

Mikrobi-/

mikro-organismi

Yhteisnimi pieneliöille, joihin kuuluvat bakteerit, alkueläimet ja monet sienet.

Mineralisaatio Yhdisteen rakenteen täydellinen hajoaminen epäorgaanisiksi yhdisteiksi.

MTBE Metyyli-ter/-butyyli-eetteri. Moottoribensiinin komponentti, jota on lisätty bensiiniin 80-luvun puolivälistä alkaen.

Ohjearvo Haitta-aineen pitoisuus, jota pidetään ihmiselle ja ympäristölle vaarattomana. Tällöin maankäytölle tai maamassojen sijoittamiselle ei yleensä aseteta rajoituksia. Ohjearvon ylittyessä on mahdolliset ympäristövaikutukset selvitettävä.

Orgaaniset

halogeeniyhdisteet

Halogeenien (bromi, fluori, jodi ja bromi) muodostamia orgaanisia yhdisteitä, joihin kuuluvat useat ympäristömyrkyt.

Polyklooratut bifenyylit.

PCB's

Pelkistymis-ja hapettumis­

reaktiot

Reaktiot, joissa tapahtuu elektronien siirtoja.

Hapettumisella tarkoitetaan elektronien luovuttamista ja pelkistymisellä vastaanottamista. Hapettuminen ja pelkistyminen ovat aina samanaikaisia.

Pietsometri

РАН-yhdisteet1 Polyaromaattiset hiilivety-yhdisteet.

Fotoionisaatiomittari (photo ionization detector).

pm

Sellainen haitta-aineen pitoisuus, jonka ylittävä pitoisuus yleensä edellyttää kunnostustoimien tai altistuksen rajoittamista.

Raja-arvo

Redox-potentiaali Chemical Oxidation-Reduction. Hapetus-pelkistys- potentiaali. Ilmaisee ionin tai atomin kykyä menettää tai luovuttaa elektroni verrattuna standardiin Eq (vetykloridi, lämpötila 20°C, paine 1 ATM, pH 0 tai 14). Ilmaistaan usein millivoltteina [mV].

Retardaatio Hidastuminen, hidastaminen.

Sorptio Kaasun, höyryn tai nesteen imeytyminen kiinteään aineeseen; absorption, adsorption, kapillaarikonden- saation ja kemosorption (kem. reaktiota edellyttävän imeytymisen) yhteisnimi.

Stökiömetria Oppi niistä massasuhteista, joissa aineet reagoivat keskenään. Oppi alkuaineiden yhdistymispainoista ja käyttö kemiallisissa laskuissa.

Substituentti Atomi tai atomiryhmä, joka kemiallisessa reaktiossa korvaa toisen.

Substraatti Bakteriologia: perusaine, elatusaine, jossa bakteereja viljellään. Biokemia: aine, joka muuttuu kemiallisesti entsyymin vaikutuksesta.

Superfimd Superfund on yleisesti käytetty nimi USA:ssa CERCLAsta (Comprehensive Environmental Response, Compensation, and Liability Act), jonka liittovaltion oikeus (federal law) hyväksyi

1980. CERCLA mahdollistaa EPA:n toiminnan saastuneilla alueilla, jotka ovat vaaraksi yleiselle terveydelle ja ympäristölle ja joita eivät alueen omistajat tai toiminnan harjoittajat pysty

kunnostamaan tai halua kunnostaa aluetta.

SVE Soil vapor extraction, huokoskaasuimu.

Sykliset yhdisteet Orgaaniset yhdisteet, joiden molekyyleissä esiintyy yksi tai useampia atomirenkaita.

TOC Total organic carbon, kokonaishiilivetypitoisuus.

TPH Total petroleum hydrocarbons.

Tyydyttymättömät hiilivedyt

Tyydyttymättömissä yhdisteissä on hiiliatomien välillä kaksois-ja kolmoissidoksia.

Tyydyttyneet hiilivedyt

Tyydyttyneissä yhdisteissä on hiiliatomien välillä vain

yksinkertaisia sidoksia. Tyydyttyneisiin hiilivetyihin kuuluvat alkaanit ja sykloalkaanit.

VOC Volatile organic compound, haihtuva orgaaninen yhdiste.

1. Johdanto

Usein maaperän saastuneisuus tulee ilmi erilaisten maanrakennustoimenpiteiden yhteydessä, kun rakennustöissä on päästy jo hyvään vauhtiin. Tällöin saastuneen maaperän esiintyminen saattaa aiheuttaa koko työmaan pysähtymisen. Tarkempien tutkimusten perusteella saatetaan saada selville, että tontilla on ollut vanha huoltamo, tehdas tai jokin muu tuotantolaitos.

Erään arvion mukaan monissa maailman teollisuus- ja väestökeskuksissa joka kolmas rakennustonteista saattaa sisältää saastunutta maata. Yleisimmät saastuttajat ovat polttoainehiilivedyt, metallit ja liuottimet. Viljellyiltä alueilta, joille asutus monesti levittäytyy, löydetään usein torjunta-aineita ja rikkaruohomyrkkyjä.

Saastuneen maaperän kunnostusmenetelmiä on suuri määrä. Osa menetelmistä on ollut pitkään käytössä maailmalla, erityisesti Yhdysvalloissa ja muutamassa Keski- Euroopan maassa (Saksa ja Hollanti). Uusia tapoja puhdistaa tai eristää saastunut maa ja pohjavesi kehitetään jatkuvasti.

Saasteet voidaan jakaa viiteen pääryhmään kulkeutumistavan ja sijainnin mukaan: (1) liukenevat orgaaniset yhdisteet, (2) liukenemattomat nesteet (nonaqueous phase liquids, NAPE), (3) liukenevat epäorgaaniset yhdisteet, (4) haihtuvat hiilivedyt ja (5) metallit. Saasteiden kemiallinen ja fysikaalinen luonne tulee ymmärtää tarkoin, ennen kuin haitallisten aineiden likaamaa maata voidaan kunnostaa.

Saasteita päätyy maaperään ja pohjaveteen sekä piste- että aluelähteistä. Päästöt voivat johtua onnettomuuksista (vuotava maanalainen säiliö tai putki), tai ne ovat tarkoituksella aiheutettuja (kaatopaikat, maanvaraiset jätealtaat, saasteiden injektointi maaperään jne.). Jotta saasteiden kulkeutumista maaperässä voitaisiin ymmärtää, tarvitaan poikkitieteellistä asiantuntemusta: geotekniikkaa, geologiaa, virtausmeka- niikkaa, kemiaa, biokemiaa, fysiikkaa, hydrologiaa ja biologiaa.

Saastuneita maa-alueita voidaan kunnostaa in-situ- sekä ex-situ-menetelmillä. In-situ on latinaa, ja sen merkitys on 'alkuperäisessä paikassa'. In-situ-kunnostusmenetelmissä maaperä pyritään puhdistamaan haitta-aineista sitä kaivamatta. In-situ-menetelmillä vältytään maan kalliilta kuljetuksilta ja jatkokäsittelyiltä. In-situ-menetelmien etuna on myös kuljetuksiin liittyvien vaaratekijöiden poistuminen. Ex-situ-menetelmissä haitta-aineita sisältävä maaperä tai pohjavesi siirretään alkuperäisestä paikasta muualle käsiteltäväksi. Ex-situ-kurmostusmenetelmissä käsitellään usein suuria määriä kaivettuja maamassoja ja jätteitä. Monia materiaalien käsittelytekniikoita on lainattu rakennus-, kaivos- ja kemianteollisuudelta sekä yhdyskuntien jätteiden- käsittelystä.

Tämän diplomityön tarkoitus on tarkastella hiilivedyillä saastuneen maaperän ja pohjaveden saneerausta sekä teorian että käytännön karmalta. Diplomityössä käsitellään aluksi yleisesti yleisimpien haitta-aineiden ominaisuuksia sekä saastuneen maaperän ja pohjaveden kunnostusmenetelmiä. Tarkemmin käsitellään in-situ

Huokoskaasuimutekniikka ja biohuuhtelutekniikka ovat olleet käytössä ulkomailla lähinnä USA:ssa ja muutamassa Keski-Euroopan maassa jo useita vuosia ja monia kohteita on saneerattu menestyksekkäästi kyseisillä menetelmillä. Suomessa menetelmät ovat verrattain uusia, eikä niiden suunnittelusta ja toteutuksesta ole paljon kokemuksia, puhumattakaan loppuunviedyistä saneerauskohteista. Suomen geologiset olot luovat,omalta osaltaan vaativan tehtävän soveltaa kyseisiä menetelmiä.

Diplomityön tavoitteena on esittää saneerausmenetelmien teoreettinen tausta.

Molempia saneerausmenetelmiä tarkastellaan myös käytännön "case"-tapauksina.

Esimerkkikohteista toiseen on tehty jätehuoltosuunnitelma, jossa esitetään pohjaveden pumppausta ja käsittelyä yhdistettynä huokoskaasuimutekniikkaan saneeraustoimena.

Toisessa kohteessa tutkitaan laboratoriokokeilla biohuuhtelumenetelmän soveltu­

vuutta saneerausmenetelmänä.

2. Saasteiden ominaisuudet

2.1 Saasteiden ryhmittely

Saasteet voidaan jakaa viiteen pääryhmään kulkeutumistavan ja sijainnin mukaan /1, 3, 4 s.44-59/:

1) Liukenevat orgaaniset yhdisteet. Nämä sisältävät vesiliukoisia hiilivety-

tuotteita. Jo äärimmäisen pieninä määrinä jotkut näistä yhdisteistä, esimerkiksi fenolit ja kresolit, voivat vaikuttaa juomavesilähteiden hajuun ja makuun.

Tämä ominaisuus tekee niiden kulkeutumis-ja sijoittumisanalyysit erittäin tärkeiksi.

2) Liukenemattomat nesteet (nonaqueous phase liquids). Kuvassa 2-2 on kaksi tapausta, joissa liukenematonta nestettä on vuotanut maanalaisesta säiliöstä.

Kohdassa (a) neste on painavampaa kuin vesi (dense nonaqueous phase liquid, DNAPL) ja kohdassa (b) kevyempää kuin vesi (light nonaqueous phase liquid, LNAPL). Liukenemattomat orgaaniset nesteet sisältävät useita halogenoituja hiilivetyjä (esim. PCB-yhdisteitä), ja niiden tapana on jäädä jälkeen veden kulkeutumisesta. Haitta-aineiden kulkeutuminen riippuu suuresti myös nesteen ominaispainosta. Vettä raskaampi neste (esim. trikloorietyleeni) saattaa valua pohjaveden pinnan alapuolella sijaitsevan tiiviin maakerroksen päällä

päinvastaiseen suuntaan varsinaiseen pohjaveden liikkeeseen verrattuna. Nämä ominaisuudet tekevät hiilivetyjen täydellisen siirtämisen pois pohjavedestä ja maakerroksista vaikeaksi.

3) Liukenevat epäorgaaniset yhdisteet. Monia epäorgaanisia yhdisteitä, kuten nitraatteja, on luonnostaan pohjavedessä.

Haihtuvat orgaaniset yhdisteet, VOC. Esimerkiksi polttonesteet, liuottimet ja erilaiset öljytuotteet sisältävät haihtuvia hiilivety-yhdisteitä. Haihtuvilla hiilivedyllä on korkea Henry'n vakio ja höyrynpaine. VOC-yhdisteitä joutuu maaperään esimerkiksi huoltoasemien vuotavista tuotesäiliöistä.

4)

5) Metallit. Toksikologisesti yleisimmät maaperästä analysoitavat raskasmetallit ovat kadmium, sinkki, lyijy, nikkeli, kromi, elohopea, kupari, arseeni ja koboltti.

2.2 Fysikaaliset ja kemialliset ominaisuudet

Fysikaaliset ja kemialliset ominaisuudet määrittävät, miten kemikaali käyttäytyy tietyssä ympäristössä. Nämä ominaisuudet kontrolloivat, kuinka kemikaalit liikkuvat ja kuinka tehokkaasti ne on siirrettävissä erilaisilla menetelmillä.

ri

Sill b

Leaking underground storage tank —< ^ with DNAPL

.V—-V • : ••'• •С|ШГ^): •

roun water • .• .

• ow direction • . . • • , • .. ~ • . . ■

• ■ . ■/>2- Clayey stringer .

ч|Н\\\\^N—r.J:^

-s-

‘AquitardTLZ

(a)

2.2.1 Liukoisuus

Liukoisuus kertoo, kuinka paljon liuotettavaa ainetta liukenee liuottimeen, esimerkiksi veteen. Kevyet aromaattiset hiilivedyt, kuten bentseeni, tolueeni, etyylibentseeni ja ksyleeni (BTEX-yhdisteet), liukenevat veteen erittäin hyvin. Bensiinin lisäaineina käytettävävien MTBE:n, etanolin ja metanolin liukoisuus veteen on vieläkin suurempi kuin kevyiden aromaattien. Liukoisuus riippuu lämpötilasta, liuottimesta sekä liuotettavasta aineesta. Liukoisuus veteen ilmoitetaan yleensä milligrammoina litrassa (mg/l) tai miljoonasosina (parts per million, ppm). Usein käytetään myös yksikköä mikrogrammaa litrassa (pg/1) tai biljoonasosa (parts per billion, ppb).

Г

w-

Leaking underground storage tank i

with LNAPL

:

Capillary fringe -4 • .

. —-—► ■ . . . Ground water ' • • ;

■ Flow direction . (b)

Kuva 2-2 Liukenemattoman nesteen liike /6, s. 171/.

Q_.

CDCl

2.2.2 Höyrynpaine

Kun neste on kosketuksissa ilman kanssa, molekyylejä lähtee nesteestä haihtumalla.

Tasapainotila vallitsee, kun lähtevien ja nesteeseen takaisin liukenevien molekyylien määrä on sama. Nesteen höyrynpaine (vapor pressure) on paine, jossa vallitsee tasapainotila. Höyrynpaine muuttuu suuresti lämpötilan muuttuessa /2/.

Ideaaliliuoksessa tasapainotila noudattaa Raouliin lakia (Raoult's law):

(2-1)

Pa Pvp 'Xa

pa on kemikaalin a osapaine [atm]

pvp puhtaan yhdisteen höyrynpaine [atm]

jossa

xa = (mol a) / (mol a + mol vesi) « (mol a) / (mol vesi)

2.2.3 Henry’n vakio

Henry'n vakiota käytetään kuvaamaan kaasun liukenemista nesteeseen. Kun haihtuva kemikaali on liuenneena veteen, pieni määrä kemikaalia poistuu ilmaan veden pinnasta kaasumaisessa muodossa. Henry'n lain mukaan: Kaasun osapaine (haihtuva kemikaali) nesteen yläpuolella on tasapainotilassa verrannollinen kemikaalin pitoisuuteen nesteessä /2/:

Pg = HCL ₍2-2)

Pg on kaasun osapaine [atm]

Henry'n vakio [atm-m3/mol]

kemikaalin pitoisuus nesteessä [mol/m3]

jossa

H CL

Jos Pg\n yksikkö on ilmakehä [atm] ja C¿:n yksikkö moolimäärä, H:n yksikkö on atm.

Osapaineen määritelmässä, Henry'n vakio edustaa myös kaasun pitoisuuden suhdetta pitoisuuteen nesteessä.

H = Cg/CL _(2-3)

Cg on tietyn kemikaalin pitoisuus kaasussa (ilma) Cl tietyn kemikaalin pitoisuus nesteessä (vesi) jossa

Henry'n vakioon vaikuttaa huomattavasti lämpötila ja veden kemikaalinen koostumus.

Esimerkiksi Henry'n vakio haihtuville hiilivedyille tulee kolminkertaiseksi lämpötilan kohotessa 10°C /6, s. 92/.

2.2.4 Diffuusiokerroin

Yhdisteet vedessä tai ilmassa liikkuvat korkeammista pitoisuuksista pienempiin pitoisuuksiin. Diffuusio voidaan määritellä kemikaalin liikkeenä, jonka saa aikaan pitoisuusgradientti. Saasteen määrä, joka läpäisee tietyn alan tietyssä ajassa määritetään Fickin lain (Pick's law) mukaan /6, s. 94/:

J - - D (dC/dx) _(2-4)

J on virtaus [mol/m2-s]

D diffuusiokerroin [m2/s]

pitoisuus [mol/m3]

pituus liikkeen suunnassa [m]

jossa

C

x

2.2.5 Jakaantumiskerroin

Jakaantumiskerroin (partition coefficient) on empiirinen vakio, joka kuvaa, kuinka kemikaali jakaantuu kahden median välillä. Kemikaalien jakaantumisen hallinnassa ovat tärkeitä seuraavat kolme jakaantumiskerrointa: oktanoli-vesikerroin (octanol- water coefficient), maa-vesikerroin (soil-water coefficient) ja kaasu-vesikerroin (vapor-water coefficient) /2,6, s. 98/.

Oktanoli-vesikerroin, Kow, on yksikötön vakio:

Kow — Cq / C (2-5)

Cq on pitoisuus orgaanisessa aineessa [ mg/l tai pg/1 ] C pitoisuus vedessä [ mg/l tai pg/1 ]

jossa

Tämä vakio määrittää, kuinka orgaaninen yhdiste jakaantuu veden ja orgaanisen faasin välillä. Esimerkiksi vakio antaa suuntaa antavaa tietoa siitä, kuinka vedessä olevat organismit pääsevät vaikuttamaan kemikaaliin. Kow-arvot ovat välillä 10"3...107.

Kerroin on hyödyllinen arvioitaessa kemikaalien kulkeutumista ja sijoittumista. Kow liittyy

(bioconsentration factor, BCF) ja vesiliukoisuuteen. Kemikaalit, joilla on pieni (<10), ovat vesihakuisia (hydrophilic) ja adsorpoituvat huonosti maarakeisiin, ja niillä on pieni BCF.

läheisesti myös maan adsorptiokertoimeen, biopitoisuustekijään aw

Maa-vesikerroin, Kp, määrittää kemikaalin taipumusta adsorboitua maarakeisiin, ja se määritetään seuraavasti:

KP=X/C (2-6)

X on pitoisuus maa-aineessa [ pg/1 tai ppb ] C pitoisuus vedessä [ pg/1 tai ppb ] jossa

Koska orgaanisen kemikaalin adsorptio maa-ainekseen johtuu useimmiten orgaanisen hiilen pitoisuudesta maaperässä, orgaanisen hiilen jakaantumiskerroin (organic carbon partition coefficient), Koc määritetään seuraavasti:

Koc = Cc/C _(2-7)

Cc on adsorboitunut pitoisuus [pg adsorbtio/kg orgaaninen hiili tai ppb]

C pitoisuus vedessä [pg/1 ] jossa

Kaasu-vesi jakaantumiskerroin on yhdisteen pitoisuus kaasussa suhteessa pitoisuuteen nesteessä tasapainotilassa. Tämä kerroin riippuu lämpötilasta, kaasunpaineesta, ilmanpaineesta, nesteen ja kaasun koostumuksesta ja kyseessä olevasta yhdisteestä.

Raoulfin laki ideaaliliuoksista ja Henry'n laki pieniin pitoisuuksiin jakaantumiskertoimen erityisiä tapauksia.

ovat

2.2.6 Biopitoisuustekijä

Biopitoisuustekijä (bioconsentration factor, BCF) ilmaisee kemikaalin määrän, joka kerääntyy vedessä olevaan organismiin. Se voidaan ilmaista matemaattisesti seuraavasti /2,6 s. 99/:

BCF = C0rg / C (2-8)

Corg on pitoisuus organismissa tasapainotilassa [mg/kg tai ppm]

C pitoisuus vedessä [ mg/l]

jossa

Biopitoisuustekijä on oleellinen riskiarvioinnissa. Eläinten kudoksien lipidipitoisuus on tärkeä tekijä arvioitaessa kemikaalin taipumusta biokerääntyä.

2.2.7 Sorptio

Sorptiossa aines (esim. haitallinen aine) liikkuu faasista toiseen yli jonkun rajan.

Sorptio aiheutuu kolmen erillisen molekyylin, esimerkiksi aktiivihiilen, saasteen ja veden vuorovaikutuksesta.

Sorptio aiheutuu seuraavista (affiniteetti) voimista /2/:

• Sähköinen vetovoima.

• Van der Waalsin voimat.

• Kovalenttinen sidos.

• Vetysidos.

Absorptiossa neste tai jähmeä aine (absorbentti) liuottaa tai imee itseensä (absorboi) esimerkiksi saasteita. Mikro-organismien haitta-aineiden pidätyskyky on yksi esimerkki absorptiosta.

Adsorptiossa prosessi tapahtuu pinnassa. Adsorptio on jähmeiden kappaleiden kyky tiivistää pinnalleen nesteissä tai kaasuissa olevia aineita. Tyypillinen esimerkki on aktiivihiili (kappale 4.6.2).

Sorptiolla on suuri merkitys saasteen lopulliselle jakaantumiselle ympäristössä.

Hydrofobisen orgaanisen haitta-aineen sorptiolla maa-aineeseen, orgaaniseen aineeseen ja humukseen on erilaisia vaikutuksia kulkeutumisen kannalta. Sorptio on erityisen merkittävä voimakkaasti hydrofobisille yhdisteille kuten PCB:lle ja klooratuille liuottimille. Maarakeiden ja orgaanisten haitta-aineiden välillä sorptiota arvioidaan usein käyttämällä saasteen orgaanisen hiilen jakaantumiskerrointa (organic carbon partition coefficient), K0c /11, s. 207/.

Maaperän nesteen pidätyskapasiteetti kasvaa, kun nesteen viskositeetti kasvaa ja/tai maalaji muuttuu hienorakeisemmaksi. Sorptio on pääasiassa orgaanisten kemikaalien kasaantumista maarakeen pinnalle. Seuraavaa lineaarista adsorptiomallia voidaan käyttää arvioitaessa vedessä olevan orgaanisen yhdisteen sorptiota maarakeisiin vakiolämpötilassa /16/ :

S = KdC (2-9)

jossa S on maarakeeseen adsorboitunut massa [mg/kg tai ppm]

Kd jakaantumiskerroin (kiinteä-vesi) C pitoisuus vedessä [mg/l]

Usein pohjavesikerroksessa olevan orgaanisen hiilen määrän perusteella voidaan arvioida kemikaalien sorptio maarakeisiin. Erityisesti hydrofobisten orgaanisten yhdisteiden ollessa kyseessä voidaan käyttää seuraavaa yhtälöä j akaantumiskertoimen Kd arvioimiseen /16/:

Kd K0çfoc (2-10)

jossa Koe on kemikaalin orgaanisen hiilen jakaantumiskerroin Kd jakaantumiskerroin (kiinteä-vesi)

orgaanisen aineen pitoisuus maaperässä (0,2...3% 161, 0,5...5% /16/)

foc

Kun Koc on tuntematon, voidaan sen arvioimisessa käyttää seuraavaa yhtälöä /6,s.l88/:

Koc = 0,63 кtnv (2-11)

Kow on kemikaalin oktanoli-vesikerroin.

jossa

2.3 Yleisimmät saastuttavat hiilivedyt

Suurin osa vaarallisista päästöistä on öljу-hiilivetypohj aisia, haihtuvia liuottimia tai polyaromaattisia hiilivetyjä (РАЯ). Alueita, jotka ovat saastuneet esimerkiksi tuholaismyrkyistä, polyklooratuista bifenyyleistä (PCB), on huomattavasti vähemmän.

2.3.1 Alifaattiset ja alisykliset hiilivedyt

Alifaattiset hiilivedyt ovat eripituisia suoraketjuisia tai haarautuneita hiilivetyjä.

Alifaattiset hiilivedyt ovat jakaantuneet alkaaneihin, alkeeneihin, alkyyneihin, alkoholeihin, aldehydeihin, ketoneihin, happoihin ja syklisiin analogeihin (cyclic analogs). Alisyklisillä hiilivedyillä on erilaisia muotoja. Niihin kuuluu yleisiä komponentteja öljyhiilivedyistä ja monimutkaisia substitoituja yhdisteitä joita valmistetaan tuholaismyrkkyihin.

2.3.2 Aromaattiset hiilivedyt

Aromaattiset hiilivedyt muodostuvat yhdestä (monoaromaatti) tai useammasta (polyaromaatti) bentseenirenkaasta. Aromaattiset hiilivedyt, kuten bentseeni, tolueeni, etyylibentseeni ja ksyleeni, ovat pääasiallisesti käytössä kevyissä öljytuotteissa kuten bensiini. Aromaattisia hiilivetyjä tosin on pieniä määriä kaikentyyppisissä öljytuotteissa. Lisäksi yhdisteet ovat yleisesti käytössä teollisuuden liuottimina sekä välituotteina kemikaalien tuotannossa. Aromaattiset hiilivedyt ovat verrattain hyvin veteen liukenevia (esim. bentseeni 1780 ppm 20°C:n lämpötilassa), mistä syystä ne voivat kulkeutua ympäristöön aiheuttaen laajan maaperän ja pohjaveden likaantumisen. Pienen molekyylikoon ja matalan kiehumispisteen takia yhdisteet voivat haihtua nonnaalissa ympäristön lämpötilassa ja siten olla ilman, maaperän ja pohjaveden saastelähteenä. Aromaattiset hiilivedyt ovat erittäin myrkyllisiä (erityisesti bentseeni), ja niillä on mutageenisia ominaisuuksia, minkä vuoksi ne ovat myös karsinogeenisia.

Bensiini muodostaa suurimman osan varastoidusta polttoaineesta. Bensimi ei ole yksinkertainen yhdiste, vaan monimutkainen yhdistelmä erilaisia hiilivetyjä ja lisäaineita. Seitsemän kemikaalia, jotka muodostavat pääosan bensiinistä, ovat isopentaani, p-ksyleeni, n-propyylibentseeni, 2,3-dimetyylibutaani, n-butaani, n- pentaani ja tolueeni. Taulukossa 2-3 on eriteltynä bensiinin pääainesosien prosentti­

osuudet. Bentseenin prosenttiosuus on lisätty taulukkoon aineen myrkyllisyyden takia /11,8.17/.

Kreosootti on USEPAn mukaan toiseksi yleisin vaarallisen saasteen ongelma.

Kreosootti on monimutkainen yli 200 kemikaalin sekoitus. Kreosootti koostuu pääasiasssa, noin 85 %:n osuudella, РАН-yhdisteistä. Fenoliyhdisteitä on n. 12% ja heterosyklisiä yhdisteitä n. 3% /11, s. 17/.

Isopentaam p-Ksyleeni

n-Propyylibentseeni 2,3-dimetyylibutaani n-Butaani

n-Pentaani Tolueeni Bentseeni Kaikki

p-Ksyleeni Tolueeni

2,3-dimetyylipentaani n-Propyylibentseeni n-Heptaani

Bentseeni

2.3.3 MTBE

Bensiinin lisäaineena käytetty MTBE eli metyyli-fó/T-butyyli-eetteri on yksi yleisimmistä hiilivedyistä, joita joutuu maaperään esimerkiksi vuotavista maanalaisista säiliöistä. MTBE:tä on ryhdytty käyttämään bensiinin lisäaineena 80- luvun puolivälin jälkeen. MTBE on vesiliukoinen ja huonosti haihtuva, eikä se myöskään kiinnity maahiukkasten pinnalle vaan kulkeutuu vajoveden mukana pohjaveteen. MTBE:n akuutti myrkyllisys on vähäinen. Tietoja ei ole kroonisista vaikutuksista ympäristöön eikä myöskään mikrobien kyvystä muuttaa tätä yhdistettä toisiksi orgaanisiksi yhdisteiksi /37/. Bensiinin happipitoinen lisäaine MTBE voi vuototapauksen yhteydessä erottua hiilivetyseoksesta ja kulkeutua maaperässä hiilivetyjä kauemmas.

2.3.4 Polyaromaattiset hiilivedyt

Polyaromaattiset hiilivedyt, РАН-yhdisteet, koostuvat aromaattisista renkaista jotka sisältävät ainoastaan hiiltä ja vetyä. Ne voivat sisältää kaksi bentseenirengasta tai useampia, jotka ovat liittyneet toisiinsa vähintään kehdella yhteisellä hiiliatomilla.

Monet РАН-yhdisteet liittyvät öljynjulostukseen ja kivihiilitervan tislaamiseen. Suuri määrä erilaisia РАН-yhdisteitä voidaan löytää kivihiilitervalla saastuneilta alueilta.

Kivihiilitervaa on usein varastoitu maa-altaissa /7, s.l 17/.

Haihtuvat orgaaniset yhdisteet (VOC, volatile organic compounds) ovat kolmanneksi yleisin saastuttaja (USEPA). Osa näistä haihtuvista kemikaaleista päätyy maaperään esimerkiksi bensiinin osa-aineina, BTEX-yhdisteinä (bentseeni, tolueeni, etyylibentseeni ja ksyleeni). Muita haihtuvia hiilivetyjä ovat halogenoidut liuottimet.

Taulukko 2-3 Bensiinin pääainesosat prosenttiosuuksina tuoreessa sekä ympäristön vaikutuksen alaisena olleessa bensiinissä /11 s. 19-21/.

Yhdiste Prosentti

(tuore)

Yhdiste Prosentti

(vanha)

OVlVtON-^ООЧОО 00<Vl40U>U>4X<^0nUJ4^m "4.

^

o o

2.3.5 Halogenoidut alifaattiset yhdisteet

Halogenoidut alifaattiset yhdisteet muodostavat pääosan EPA:n haihtuvien kemikaalien listasta. Niihin kuuluu vinyylikloridi, hiilitetrakloridi, kloroformi, dikloorimetaani, trikloroetyleeni, 1,1,1 -trikloorietaani ja tetrakloorietaani.

Näitä kemikaaleja tuotetaan suuria määriä ja käytetään liuottimina puhdistamisessa ja kemiallisissa synteeseissä. Tyypillisiä käyttökohteita ovat mm. metalliteollisuus, maalien ja musteiden valmistus, kuivapesukemikaalit, synteettisen kumin valmistus, desinfioimisaineet, ponnekaasut, bensiinin lisäaineet, maalien ja lakkojen liuottimet, rasvanpoistajat, tuholaismyrkyt, sideaineet, valokuvauskemikaalit, lääkealan tuotteet ja monet kotitalous- sekä toimistotuotteet /7, s. 143/.

3. Hiilivetyjen kulkeutuminen maaperässä

3.1 Kulkeutumistavat

Saasteita päätyy maaperään ja pohjaveteen sekä piste- että aluelähteistä. Päästöt voivat johtua onnettomuuksista (vuotava maanalainen säiliö tai putki), tai ne ovat tarkoituksella aiheutettuja (kaatopaikat, maanvaraiset jätealtaat, saasteiden injektointi maaperään jne.).

Jotta saasteiden kulkeutumista maaperässä voitaisiin ymmärtää, tarvitaan poikkitieteellistä asiantuntemusta: geotekniikkaa, geologiaa, virtausmekaniikkaa, kemiaa, biokemiaa, fysiikkaa, hydrologiaa ja biologiaa. Useinkaan ei ole mahdollista, että yhdellä ihmisellä on kaikkien alojen tietoutta, joten usein tarvitaan eri alojen asiantuntijoiden yhteistyötä.

Useat eri kemikaalit sekä yhdisteiden fysikaaliset ja biologiset ominaisuudet yhdessä ympäristön luonteen kanssa vaikuttavat kulkeutumisprosessiin. Muutamia niistä ovat seuraavat /2/:

1) Fysikaaliset: advektio (neste-ja kaasumassan virtausliike, esimerkiksi ilmavirtaus vaakatasossa maanpinnan lähellä), dispersio (hajaantuminen), haihtuminen, sorptio (kaasun tai höyryn imeytyminen kiinteään aineeseen), diffuusio ja ioninvaihto.

2. Kemialliset: ionisaatio, hydrolyysi ja hapettuminen/pelkistyminen Biologiset: biologinen kasaantuminen ja hajoaminen

3.

Biologisessa kasaantumisessa organismit kasaantuvat ja keskittävät saasteita.

Biologinen hajoaminen on kemikaalien muuttumista biologisesti useimmiten mikro- organismien vaikutuksesta.

Pääasiassa saasteet kulkeutuvat maan vetovoiman aiheuttamana virtauksena (advektio). Pohjavesi toimii usein saasteiden kuljettajana laajemmalle alueella.

Saasteiden kulkeutuessa laajemmalle alueelle tapahtuu laimenemista saastelähteestä kauemmaksi mentäessä. Taulukossa 3-1 on esitetty tekijöitä, jotka vaikuttavat saasteiden kulkeutumiseen maaperässä.

Haitta-aineet ovat maaperässä eri faaseissa: liukenemattomana, liuenneena ja kaasumaisena. Saasteilla on maaperässä kaksi kulkeutumistapaa: advektio ja diffuusio.

Advektio on usein määrävänä tekijänä saasteiden kulkeutumisessa. Saastunut pohjavesi tai orsivesi kulkeutuu maa-aineksen huokostilassa hajaantuen jatkuvasti laajemmalle alueelle. Hajaantuminen tapahtuu pohjaveden virtaussuuntaan, mutta

laajemmalle alueelle. Tapahtumaa kutsutaan mekaaniseksi hajaantumiseksi (mechanical dispersion).

Diffuusio on aineen liikkumista alueelta, jolla on korkeampi pitoisuus, alueelle, jonka pitoisuus on pienempi (vrt. 2).

Voidaan yleisesti sanoa, että advektio sekä mekaaninen hajaantumisprosessi hallitsevat saasteen kulkeutumista kerrostumissa, jotka ovat verrattain hyvin vettä läpäiseviä. Kerrostumissa, jotka ovat huonosti vettä läpäiseviä ja sisältävät paljon silttiä ja savea, on diffuusio määrävänä tekijänä kulkeutumisprosessissa.

Taulukko 3-1 Tekijät, jotka vaikuttavat saasteen kulkeutumiseen maaperässä /2/.

Ympäristö: Saaste:

Pohjavesi

Liike: Fysikaaliset ominaisuudet

Viskositeetti, määrä Tiheys

Kemikaaliset ominaisuudet Liukoisuus Haihtuvuus Korkeus/Taso

Virtaus Maa-aines

Lämpötila Kosteus Läpäisevyys Paikalla

pysyminen:

Maaperän ominaisuudet Rakenne Kemia

Kemikaaliset ominaisuudet Liukoisuus Sorptiokyky

Reaktiot: pH Kemikaalinen reaktiivisuus

Happi/hapen vähyys Biohajoavuus Ympäristöolot

Mikrobiologia

3.2 Pohjaveden liike

3.2.1 Darcyn laki

Darcyn laki auttaa ymmärtämään pohjaveden liikkeitä maaperässä ja on samalla apuna arvioitaessa saasteen leviämistä pohjavedessä. Darcyn koe on esitetty kuvassa 3-2.

Darcyn yhtälö on alla olevassa kaavassa 3-1 /10,8.121-123/:

Q=kiA _(3-1)

Q on virtaama [m3/s]

k hydraulinen johtavuus [m/s]

i hydraulinen gradientti [m/m]

A poikkipinta-ala [m2]

jossa

i = (h1-h2)/\ _(3-2) jossa hi on pinnan korkeus pisteessä 1 [m]

h2 pinnan korkeus pisteessä 2 [m]

virtausmatka [m]

/

Darcyn laki on empiirinen. Huonosti vettä läpäisevillä materiaaleilla tarvitaan tietty vähimmäisgradientti, ennen kuin virtaus tapahtuu.

Inflow water level A

Ah

h, _У Outflow water level

I I

h2 Sand . • 1 r*

Datum L Cross-sectional

area, A

Kuva 3-2 Darcyn koe /6,8.140/.

Käytettäessä Darcyn lakia huokoisessa aineessa tapahtuvan virtauksen tutkimiseen edellytetään aineen homogeenisuutta tarkastelusuunnassa. Jos aine sisältää esim.

halkeamia tai kanavia, joilla on suurempi läpäisevyys, virtaus poikkeaa näillä kohdin Darcyn lain mukaisesta virtauksesta. Aineen läpäisevyyden pienentyessä, aineen homogeenisuuden merkitys kasvaa /38,5.23/.

Pohjaveden liikettä hallittaessa injektio- ja pumppauskaivoilla olisi hyvä suorittaa merkkiainekoe kaivojen välillä varmistamaan virtaussuunnat, nopeudet ja injektoitujen aineiden todelliset kulkeutumisajat. Kloridi ja bromidi ovat merkki­

aineina käytettyjä suoloja, jotka eivät adsorboidu maarakeisiin ja ovat inerttejä.

Luontaiset kloridipitoisuudet saattavat haitata kloridimerkkiaineen käyttöä, joten bromidin käyttö on merkkiaineena on suositeltavampaa /7,s.238, 239/.

3.2.2 Nestemäisen haitta-aineen kulkeutuminen pohjaveden yläpuolisessa kerroksessa

Huonosti veteen liukenevat VOC:t kilpailevat virratessaan maaperässä siellä jo olevan veden kanssa paikallaanpysymisestä. Vettä on yleensä enemmän, ja maarakeiden pinnan oksidi- ja alumiinisilikaatit vetävät vesimolekyylejä puoleensa. Maapartik- keleiden pinnalla oleva orgaaninen aines vetää puolestaan orgaanisia nesteitä puoleensa, mutta useimmissa tapauksissa yli puolen metrin syvyydessä maanpinnasta orgaanisen aineen määrä on pieni /1, 20/.

Maaperän kerroksellisuus laajentaa ja vääristää saastepilven muotoa verrattuna

Ainoastaan silloin, kun läpäisemättömämmän maakerroksen vedenpidätyskyky ylittyy, voivat pienemmät huokoset yläpuolisesta kerrostumasta luovuttaa nestettä alempaan, suurempia huokosia sisältävään kerrokseen.

Jos tilanne on päinvastainen ja neste kohtaa huonommin läpäisevän kerroksen, nestevyöhyke leviää ja kerääntyy rajapintaan. Huonosti läpäisevä kerros pidättää enemmän nestettä ja samalla hiiilivetyjä aiheuttaen suuremman hiilivetypitoisuuden.

Suurin osa nesteiden ja ilman liikkeestä maaperässä tapahtuu makrohuokosissa tai muissa vyöhykkeissä, joilla on suurempi läpäisevyys. Nämä vyöhykkeet tai makrohuokoset ovat ainoastaan 0,001.„0,05% prosenttia maan koko tilavuudesta, kun koko huokostilavuus on 35.„50% maan tilavuudesta /20/.

3.2.3 BTEX-yhdisteiden pitoisuuksien suhteet

Bentseenin, tolueenin, etyylibentseenin ja ksyleenien (BTEX) pitoisuuksien suhteita pohjavedessä voidaan käyttää saastuneiden alueiden erottelussa ja saastelähteiden määrittämisessä. Tietokonemallintaminen, jossa käytetään hyväksi maa-vesi- jakaantumiskerrointa ja biohajoavuutta, osoittaa, että hydraulinen dispersio, retardaatio ja biohajoaminen eivät merkittävästi muuta pohjaveden BTEX- pitoisuussuhteita. Erityisesti etyylibentseenin ja ksyleenien suhde pysyy melko muuttumattomana. Siksi BTEX-pitoisuussuhteet ovat samoja saastuneilla alueilla, jotka ovat peräisin yhteisestä lähteestä tai lähteistä, joilla on samanlainen BTEX- koostumus. Pohjaveden yläpuolisessa kerroksessa BTEX-yhdisteiden pitoisuuksien suhteet, vapaan tuotteen valuessa alaspäin, pysyvät likipitäen muuttumattomina. Ainut merkittävä muutos BTEX-pitoisuussuhteissa tapahtuu vapaan tuotteen kohdatessa pohjaveden. Muutos johtuu eri yhdisteiden liukoisuuseroista. Pohjaveteen joutuessaan BTEX-yhdisteiden suhteet muuttuvat seuraavasti: bentseeni/tolueeni- ja tolueeni/

etyylibentseeni-pitoisuussuhteet ovat 3,6 ja 3,3 kertaa suuremmat pohjavedessä kuin vapaassa tuotteessa etyylibentseenin ja ksyleenien pitoisuuksien suhteen pysyessä muuttumattomana /24/.

3.3 Maaperän ominaisuuksien vaikutus saasteen kulkeutumiseen

3.3.1 Fysikaalisten ominaisuuksien vaikutus saasteen kulkeutumiseen

Yksinkertaiset saasteen kulkeutumismekanismit maaperässä on kuvattu edellä.

Kuitenkin on monia mekaanisia, kemiallisia ja biologisia prosesseja, joiden takia saasteiden kulkeutuminen ei noudata edellä käsiteltyjen kulkeutumismekanismien oletuksia. Jotta saneerausmenetelmän kunnollinen suunnitteluja asennus onnistuu, on tärkeää ymmärtää fysikaaliset, kemialliset ja biologiset maaperän ominaisuudet.

Taulukko 3-3-1 Tärkeitä maaperän ominaisuuksia.

Raekoon j akaantuminen Luokitus:

Hiekkapitoisuus Silttipitoisuus Savipitoisuus Huokoisuus Irtotiheys Kosteuspitoisuus

Maalajin ominaisuuskäyrä V edenpidätyskyky Kyllästymiskapasiteetti Orgaaninen aines Redox-potentiaali pH

Halkeillut maa- tai kallioperä luo ympäristön, jossa saaste kulkeutuu pääasiassa halkeamia pitkin. Kulkeutuminen muistuttaa enemmän nesteen liikettä putkessa kuin liikettä huokoisessa materiaalissa. Halkeilleen kallioperän puhdistaminen on ongelmallinen tehtävä, koska jo pohjaveden virtauksen mallintaminenkin on vaikeaa.

Maaperän heterogeenisuus luo pohjavedelle ja samalla saasteille erilaisia kulkeutumisreittejä. Saastuneen alueen geologiset maaperäsuhteet on tarkoin tunnettava, jotta voidaan määrittää saastuneen pohjaveden kulkeutumisreitit.

Maaperässä saattaa olla esimerkiksi kerrostuma, jolla on korkeampi läpäisevyys ja jossa saastuneen pohjaveden pääasiallinen liike tapahtuu. Taulukossa 3-3-2 on esitetty

eri maalajien huokostilavuuksia.

Taulukko 3-3-2 Maalajien huokoisuuksia eri kirjallisuuslähteiden mukaan

/7, S.227, 9, S.28, 42 s. 102/.

Maalaji Huokoisuus [%]

/9/: /7/: /42/:

Sora, karkea Sora, keskikarkea Sora, Meno Hiekka, karkea Hiekka, keskikarkea Hiekka, hieno Siltti

Savi

28* 24.„36 25...

32*

34* 25...38

31.„46 39

39

43 26.„53

34.. .61 34.. .60

...50

46 35.. .55

40.. .75 42

* Arvot ovat uudelleentiivistetyistä näytteistä.

Liukenemattomien nesteiden kulkeutumista on käsitelty kappaleessa 2. Kuvasta 2-2 näkee, että vettä painavamman nesteen liike ei välttämättä noudata pohjaveden virtaussuuntaan /2, 6, s. 167-173/.

SUURESTI VAIHTELEVA KOSTEUSPITOISUUS n. 5...55%

SUURI MIKROBIOLOGINEN AKTIIVISUUS

'UURI 0.3... m

0,3...1m kosteilla alueilla

Kymmeniä metrejä kuivilla alueilla

VAJ В SUHTEELLISEN VAKIO KOSTEUSPITOISUUSn. 25...35%

HUOKOSKAASU PMSEE LIIKKUMAAN VAPAASTI

S SUHTEELLISEN VAKIO KOSTEUSPITOISUUS, JOKA ON LÄHELLÄ KYLLÄSTYMISTÄ n. 35...50%

0.01...4m

VYÖ! VÄHÄINEN HUOKOSKAASUN LIIKE JA VAIKEASTI HALLITTAVA HYDROLOGIA

POHJAVESI- VYÖHYKE

VEDELLÄ KYLLÄSTYNYT

HYDROLOGIA HALLITTAVISSA JA VÄHÄINEN HUOKOSKAASUN LIIKE VAIHTELEE

Kuva 3-3 Maaperän kerrokset

3.3.2 Mikrobiologisten ominaisuuksien vaikutus

Mikro-organismit eivät ole jakaantuneet tasaisesti maaperässä, vaan lähinnä keskittyneet alueille, joilla vallitsee sopiva mikroympäristö. Mikro-organismien aktiivisuuteen maaperässä vaikuttavat useat tekijät, kuten maaperän kosteus, pH, lämpötila, ravinteet, happi ja hiilisubstraattien tyyppi ja määrä /11,8.210-212/.

Tyypillisesti yli 95% pohjavesikerroksen mikro-organismeista on tarttuneena maamatriisiin ja vedessä olevaan kiintoainekseen /23/.

3.3.2.1 Maaperän kosteus

Haitta-aineiden hajoaminen on riippuvainen maaperän riittävästä vesimäärästä. Vettä tarvitaan tyydyttämään mikrobien fysiologisia tarpeita, mutta myös kuljettamaan ravinteita ja metabolisia sivutuotteita /11, s. 212/.

Vettä on maaperässä kolmessa muodossa: gravitaatiovesi, kapillaarivesi ja hygroskooppinen eli sidottu vesi. Gravitaatiovesi liikkuu vapaasti maaperässä painovoiman vaikutuksesta. Saastuneilla alueilla haitta-aineet kulkeutuvat lähinnä veden virtauksen ansiosta alempiin kerroksiin ja lopulta pohjaveteen ja sitä kautta muualle ympäristöön. Kapillaarinen vesi sijaitsee maaperän mikrohuokosissa ja on riippuvainen maaperän rakeisuudesta (savi, siltti, hiekka). Kapillaarivesi on mikro- organismien käytettävissä. Hygroskooppinen vesi on sitoutunut maa-ainekseen vety- tai dipolisidoksella eikä ole mikrobien käytettävissä.

Haitta-aineen biohajoaminen maaperässä on optimaalinen kosteuspitoisuuden ollessa 30...80% vedenpidätyskyvystä. Erään kirjallisuuslähteen mukaan dieselpolttoaineen hajoaminen oli optimaalinen kosteuspitoisuuden ollessa 60% vedenpidätyskyvystä.

painosta, maalajin mukaan. Esimerkiksi 50%:n osuus vedenpidätyskyvystä voi vaihdella välillä 2,5...20% kokonaisvesipitoisuudesta /11, s. 213/.

3.3.2.2 Maaperän pH

Biohajoaminen on nopeinta lähellä neutraalia pH-arvoa (pH 7). Useimmiten maaperä on hapanta (pH < 7). Maaperää voidaan neutraloida maanviljelyksessäkin käytettävää kalkkia. Kaksi tärkeintä tekijää määritettäessä kalkitsemisen tarvetta on pH ja maaperän puskurikapasiteetti. Puskurikapasiteetilla tarkoitetaan maaperän "reservi- happamuutta", jonka saavat aikaan Al3+-ionit. Mitä hienompaa maaperä on, sitä suurempi on sen "reservihappamuus" ja samalla puskurikapasiteetti. Markkinoilla on useita testejä, joilla voidaan määrittää tarvittavan kalkin määrä /11, s. 214/.

Kalkin lisäyksellä on myös epäsuoria vaikutuksia maaperän kemiaan ja biologiseen aktiivisuuteen. Kalkitsemisella ei vaikuteta ainoastaan vety- ja hydroksidi-ionien (hydroxyl) pitoisuuksiin, vaan se vaikuttaa suuresti myös kemialliseen muotoon, liukoisuuteen ja ravinteiden käytettävyyteen /11, s. 214/.

3.3.2.3 Maaperän lämpötila

Lämpötilan nousu lisää mikrobiologista aktiivisuutta, ja nyrkkisääntönä on pidetty, että lämpötilan 10°C:n nousu kaksinkertaistaa mikrobiologisen aktiivisuuden.

Joidenkin kirjallisuuslähteiden mukaan hiilivetyjen hajoaminen oli nopeinta lämpötilassa 27°C.

Maaperän lämpöä voidaan nostaa erilaisilla peitteillä tai eristeillä. Talviaikana eriste estää lämmön haihtumista maasta ja kesällä auringon lämmittävää vaikutusta voidaan tehostaa esimerkiksi mustalla tai tummalla muovipeitteellä. Maaperän lämpötilaa voidaan kohottaa lisäksi johtamalla kuumaa höyryä pohjaveden yläpuoliseen kerrokseen. Injektoitavaa vettä voidaan myös lämmittää. Jo pienikin lämpötilan nousu saattaa merkitä mikrobitoiminnan huomattavaa kasvua /11, s. 218/.

3.3.2.4 Epäorgaaniset ravinteet

Tärkeimmät epäorgaaniset ravinteet biologisessa hajoamisessa ovat typpi (N) ja fosfori (P). Typpeä on maaperässä monessa eri muodossa. Typen epäorgaaniset muodot maaperässä ovat ammoniakki, nitraatti, nitriitti, typpioksiduuli ja typpioksidi.

Fosforia on yleisimmin maaperässä muodossa H 2PO4" ja HPO42" /11, s. 219/.

Fosforin vähyys johtuu usein fosforin huonosta liukoisuudesta veteen. Hiekkapitoisia maita biokunnostettaessa on suositeltavaa käyttää ortofosfaatin ja trimetafosfaatin (TMP) yhdistelmää.

3.3.2.5 Elektronien vastaanottajat

Kunnostettavan alueen karakterisoinnissa tulisi selvittää olemassa olevat elektronien vastaanottajat (electron acceptors). Elektronien vastaanottajat määrittävät kemialliset reaktiot ja hajoamisessa tapahtuvan mikrobiologisen metabolian. Halutut reaktiot saadaan aikaan kontrolloimalla elektronien vastaanottajia. Monissa hankkeissa, joissa biokunnostaminen tulee kyseeseen, happi toimii elektronien vastaanottajana.

Pääasialliset epäorgaaniset elektronien vastaanottajat ovat /7, s. 212-213/:

• Happi (02)

• Nitraatti (NCV)

• Sulfaatti (SO4"2)

• Hiilidioksidi (CO2)

Yleiset maamineraalit, kuten mangaani-(IV)- ja rauta-(III)-oksidit voivat toimia myös vaihtoehtoisina elektronien vastaanottajina.

Aerobisessa hajoamisessa elektronin vastaanottajana on happi. Siksi maaperän riittävä hapen määrä on välttämätöntä aerobiselle hajoamisprosessille. Yhden kilogramman öljyhiilivetyjä hajottamiseen tarvitaan keskimäärin 2...3 kg happea. Maaperän happipitoisuus riippuu sen huokostilasta ja vesipitoisuudesta. Yleisesti vähintään 10%:n ilmalla täytetty huokostilavuus on tarpeen ylläpitämään aerobiset olot /11, s.

221/.

Maaperän happipitoisuutta voidaan lisätä usealla tavalla. Happea voidaan lisätä maaperään puhaltimen tai alipainepumpun avulla. Ilmaa voidaan myös puhaltaa erilaisilla putkilla suoraan pohjaveteen. Monesti käytetty menetelmä pohjaveden alapuolisten kerrosten käsittelyyn on hapella tai erilaisilla happea muodostavilla kemikaaleilla rikastetun veden johtaminen pohjaveteen. Useimmiten käytetty happea muodostava molekyyli on vetyperoksidi H2O2 /11, s. 223/.

3.3.2.6 Maaperässä olevan hiilen tyyppi ja määrä

Hiilen ei yleensä katsota rajoittavan mikrobitoimintaa. Maaperän orgaaniset haitta- aineet riittävät yleensä mikrobien toiminnan ylläpitämiseen. Joissakin tapauksissa kyseessä oleva yhdiste ei olekaan mikrobien hajotettavissa, esimerkiksi tapauksissa, joissa yhdiste on adsorboitunut maamineraaleihin ja/tai maaperän orgaaniseen materiaaliin. Samoin on laita, jos orgaanisella haitta-aineella on liian suuri tai pieni pitoisuus.

4 800 15 000 39 000 2 200

6 500 17 000 Karkea sora

Karkea hiekka Hieno hiekka/hiesu

2.5 950 7.5 2 800 20,0 7 500

* Maan tiheydeksi on arvioitu 1,85 kg/l. Hiilivetyjen tiheydeksi on arvioitu polttoaineissa 0,7 kg/l, keskitisleissä 0,8 kg/l ja polttoöljyssä 0,9 kg/l.

3.3.3 Hiilivetyjen sitoutuminen maaperässä

Vettä kevyemmät hiilivedyt, jotka ovat päätyneet maaperään ja pohjaveteen, sijaitsevat useimmiten pääosin pohjaveden vaihteluvyöhykkeessä /7, s.222/.

Maaperä, joka sisältää 25% tilavuudestaan vettä, on vielä selvästi kostea, mutta nestefilmin keskimääräinen paksuus maapartikkelin pinnalla on vain 0,1 pm. Nesteen virtaus tässä hyvin ohuessa filmissä on erittäin hidasta, vain muutama millimetri vuorokaudessa /20/.

Hiilivetyjen joutuessa maaperään helpoiten liikkuvat ja kulkeutuvat maaperässä bensiinihiilivedyt. Dieselöljyt kulkeutuvat bensiinejä vähemmän, ja raskaimpien öljyjen kulkeutuminen on vähäistä. Bensiineillä on taipumus haihtua voimakkaasti ilmaan, mikä voi vähentää oleellisesti maaperään jäävää osuutta.

Hiilivetyjen kemiallisia ominaisuuksia on käsitelty kappaleissa 2.1 ja 2.2.

Öljytuotteiden haihtuvuus, viskositeetti, vesiliukoisuus ja sorptio-ominaisuudet ovat tärkeimmät kemiallisista ominaisuuksista, jotka vaikuttavat hiiilivetyjen leviämiseen ja sitoutumiseen maaperässä. Määräävin tekijä on kuitenkin vuotoalueen maaperä- ja pohjavesiolosuhteet, jotka ratkaisevat sen, miten maaperään joutunut kemikaali käyttäytyy. Taulukossa 3-3-3 on esitetty kokeellisia tuloksia öljytuotteiden sitoutumisesta erilaisiin maalajeihin.

Taulukko 3-3-3 Kokeellisia tuloksia öljytuotteiden sitoutumisesta erilaisiin maalajeihin /41/.

Bensiinit Keski tisleet Polttoöljy

l/m3 l/m3 l/m3

Maamateriaali mg/kg* mg/kg*

00

o o o

ir>

o

4. In-situ kunnostusmenetelmät

In-situ on latinaa ja merkitsee "alkuperäisessä paikassa". In-situ-kunnostusmene- telmissä maaperä pyritään puhdistamaan haitallisista tuotteista sitä kaivamatta. In-situ- menetelmillä vältytään maan kalliilta kuljetuksilta ja jatkokäsittelyiltä. In-situ- menetelmien etuna on myös kuljetuksiin liittyvien vaaratekijöiden poistuminen.

4.1 Huokoskaasun poistaminen ja käsittely

SVE-menetelmässä (soil vapor extraction & treatment, SVE) haitalliset yhdisteet siirretään maaperästä ilmavirtauksella, joka saadaan aikaan tyhjiöpumpulla. Pumppu imee huokoskaasua maahan asennetuista kaivoista (kuva 4-1). SVE-menetelmää käytetty laajasti erilaisissa geologisissa oloissa sellaisten maakerrosten kunnostamiseen, jotka ovat saastuneet herkästi haihtuvilla orgaanisilla hiilivedyillä kuten bensiini, lentokoneiden polttoaine ja klooratut hiilivedyt. Menetelmä on yksi yleisimmin käytetyistä in-situ-kunnostusmenetelmistä. SVE-käsittelyä on sovellettu tuhansissa kohteissa esiintulonsa, 1980-luvun, jälkeen /28/. Jos saneetattava alue koostuu hyvin läpäisevistä maalajeista ja haitta-aineet ovat herkästi haihtuvia (esim.

bensiini) SVE-menetelmä voi siirtää hiilivedyt kohtuullisessa ajassa. Jos haitta-aineet taas koostuvat sekä haihtuvista että osittain haihtuvista kemikaaleista kuten diesel tai polttoöljy, ja ne sijaitsevat heterogeenisessa maaperässä, on maaperässä erittäin vaikeaa saavuttaa alhaisia hiilivetypitoisuuksia hyväksyttävällä aika-välillä.

on

Clean air exhaust

Knockout drum to remove water

t

Ambient

v v air

Vacuum manifold

▼

pii i

J □ c □ c

■' ' :.v?' ~~7r

: .X-

Carbon adsorption

system

-■;/ v

/

Г ■■ M

i ' ' x> A

.•••

;■ Lx

Vacuum

pump \ L- _\v.

p#:";

. : x'j, '

' i

VU ;\\L . V • ;w- 'x-

Xv • " "

/

X *//

s' I 'I 4 .

Subsurface У.'~

vacuum wells

Kuva 4-1 Huokoskaasun imujärjestelmä /6, s. 461/.