Air sparging

Översiktlig metodbeskrivning

Air sparging (svensk översättning saknas) innebär att tryckluft (alternativ kvävgas eller syrgas) blåses in i den mättade zonen under grundvattenytan. Metoden har funnits sedan mitten av 1980-talet och är i huvudsak inriktad på efterbehandling av flyktiga och halvflyktiga organiska föreningar i grundvattenzonen.

Enligt tidigare uppfattning ansågs injekteringen av trycksatt luft i grundvattenzonen ge upphov till ”luftbubblor” – därav namnet air sparging - som på sin väg upp mot den omättade zonen ”fångar in” de flyktiga och halvflyktiga organiska föreningar som föreligger i grund- vattenzonen. När luftbubblorna på grund av trycksänkningen vid inträdet i den omättade zonen ”spricker”, frigörs föroreningsämnena.

Numera har denna uppfattning frångåtts och det anses vara klarlagt att lufttransporten via den mättade zonen i huvudsak sker via 0,1-2 mm breda luftkanaler. Därmed har också för- ståelsen för att luftflödet i stor utsträckning styrs av inhomogeniteter och stratifiering i den mättade zonen ökat.

Möjligen kan transport i form av luftbubblor förekomma i mycket grova jordarter (fingrus, grus m m). Air sparging måste alltid kombineras med konventionell vakuumextraktion för att omhänderta de föroreningsämnen som genom sparging-processen avdrivs från grund-

vattenzonen.

Figur 3-2: Exempel på anläggning för air sparging (Källa: US EPA).

Air sparging kan också användes som ett behandlingssteg vid kemisk eller biologisk in situ- behandling av grundvattenföroreningar. T ex kan ozon injekteras till den mättade zonen för kemisk oxidation av klorerade lösningsmedel. Kväve och metan kan injekteras till grund- vattenzonen med syfte att skapa anaeroba förhållanden gynnsamma för reduktiv

Styrande faktorer

Det är i huvudsak tre processer som samverkar vid air sparging: x Stripping (= transport av i grundvattenzonen lösta VOC).

x Direkt volatilisering (mobilisering av på partikelytor adsorberad VOC) x Biologisk nedbrytning

För relativt lättflyktiga kolväten som t ex BTEX och TCE bedöms stripping vara den dominerande transportprocessen. För att stripping ska fungera krävs en nära kontakt mellan injekterad luft och förorenat grundvatten. Stripping fungerar sämre i de fall där lufttransporten via den mättade zonen går alltför snabbt och det för stripping nödvändiga jämviktsförhållandet (enligt Henrys lag) mellan luftfas och vattenfas inte hinner inställa sig. Strippingprocessen gynnas av att antalet luftkanaler är relativt stort per volymsenhet förorenad jord.

Strippingprocessen bedöms bidra till ett ökat massflöde av VOC från adsorberad fas till vattenlöst fas. När andelen förorening som föreligger i vattenlöst fas ökar blir också en större andel av föroreningen tillgänglig för stripping.

Benägenheten för direkt volatilisering styrs av föroreningsämnenas ångtryck. VOC har generellt en hög benägenhet för masstransport via direkt volatilisering. I zoner med höga residualkoncentrationer av NAPL eller VOC är direkt volatilisering från adsorberad fas till gasfas i allmänhet den dominerande transportprocessen. Direkt volatilisering förutsätter direktkontakt mellan inducerat luftflöde och VOC. En hög frekvens av luftkanaler är således en förutsättning för att volatilisering ska ge upphov till signifikant reningseffekt i den mättade zonen.

Aerob biologisk nedbrytning stimuleras genom tillförsel av syre/luft. Naturlig nedbrytning av kolväten leder i allmänhet till minskande halter av löst syre i grundvattenzonen. I oföro- renat grundvatten ligger halten löst syre i allmänhet kring 4 mg/l. Syreförbrukning till följd av naturlig nedbrytning kan leda till en syrehalt understigande 0,5 mg/l. Genom air sparging kan halten av löst syre ökas till mellan 6-10 mg/l vilket i sin tur leder till en ökad biologisk

aktivitet i grundvattenzonen. Generellt gäller att biologisk nedbrytning svarar för merparten av ”reningseffekten” i de fall föroreningen utgörs av tyngre kolväten som fallet är vid t ex

förorening av diesel och eldningsolja. I de fall föroreningen i huvudsak utförs av lättflyktiga kolväten (bensin, reabensin m m) dominerar stripping och direkt volatilisering. Biologiska processer är här av underordnad betydelse men kan trots det svara för att tyngre rest- föroreningar som inte påverkas av stripping/volatilisering bryts ner.

Projektering och systemdesign

För att kunna projektera ett fullskalesystem för air sparging krävs kännedom om såväl den aktuella föroreningens egenskaper som jordlagerföljd, akviferförhållanden m m. Viktiga förorenings- och platsrelaterade egenskaper som måste vara kända för att en

fullskaleanläggning skall kunna projekteras är bl a: x Föroreningens koncentration och utbredning x Föroreningens ångtryck och Henrys lags konstant x Föroreningens löslighet och sorptionsegenskaper x Föroreningens densitet (DNAPL eller LNAPL)

x Föroreningens biologiska respektive kemiska nedbrytbarhet

x Jordmatrisens egenskaper m a p permeabilitet, porositet, jordartsstratigrafi m m x Mäktighet/utbredning av mättad respektive omättad zon

x Akviferens egenskaper (tryckförhållanden, transmissivitet m m)

Enligt litteraturdata bör den hydrauliska konduktiviteten för den del av den mättade zonen som avses behandlas med air sparging överstiga 1 x 10-5 _{m/s, vilket innebär att t ex grovmo utgör} ett ”gränsfall” ur behandlingssynpunkt. Vidare bör relativt homogena akviferförhållanden råda. T ex försvåras behandlingen avsevärt vid s k varviga lagerföljder, t ex växelvis före- komst av finkorniga och grovkorniga jordlager. Föroreningen får inte heller vara lokaliserad alltför ytligt eller alltför djupt i akviferen eftersom luftinjektion på djup överstigande 20 meter under grundvattenytan eller djup understigande 2,5 meter under grundvattenytan inte bedöms ge erforderlig effekt. Optimalt djup för luftinjektering bedöms vara 10-12 meter under grundvattenytan.

För att kunna projektera ett fullskalesystem för air sparging erfordras ett inledande pilotskaletest med syfte att klarlägga följande parametrar:

x Förväntad influensradie kring installerade sparging- och extraktionsbrunnar. x Injektionsdjup/sparging-djup för tillförd luft/gas

x Dimensionerande flöde och tryck vid lufttillförsel x Metod/strategi för luftinjektion

x Utformning av sparging-brunnar

Vidare kan pilotskaletestet användas för att undersöka halten av löst syre i grundvattenzonen (m a p potential för biologisk nedbrytning) och föroreningskoncentrationen i extraherad luft från den omättade zonen (m a p val av metod för omhändertagande av extraherad VOC).

Pilotskaleförsöket utförs i allmänhet med hjälp av en installerad sparging-brunn och ett antal tryckgivare som installeras på olika avstånd kring sparging-brunnen. Genom att mäta tryckförändringen i installerade tryckgivare vid applicering av olika injektionstryck kan sparging-brunnens influensradie fastställas. Vidare undersöks grundvattnets innehåll av löst syre. Erfarenhetsmässigt bör en syrgashalt av 2 mg/l upprätthållas för att inte den aeroba biologiska nedbrytningen ska avstanna.

Generellt gäller att injektionstrycket vid sparging-brunnen inte bör överstiga det

hydrostatiska trycket med mer än en faktor 1,5. Vidare bör tryckökningen ske successivt under en period av 1-3 dygn. En alltför snabb tryckuppbyggnad kan leda till hydraulisk uppspräck- ning och ett heterogent luftflöde via den mättade zonen. Normalt ligger luftflödet vid air sparging inom intervallet 0,03 – 0,5 m3 per minut.

Lufttillförseln kan ske intermittent eller kontinuerligt. Intermittent lufttillförsel har visat sig fördelaktig genom att nya luftkanaler tillskapas varje gång lufttillförseln återupptas. Därigenom ökar sannolikheten för att adsorberade residualföroreningar i den mättade zonen ska komma i kontakt med den injekterade luften. Vid kontinuerlig lufttillförsel tenderar luft- transporten att ske inom en begränsad del av det förorenade området och stora delar av föro- reningen förblir opåverkad av behandlingen. En dansk studie av air sparging-tekniken utförd inom ramen för den danska MiljØstyrelsens ”Teknologiudviklingsprogram for jord- och grundvandsforurening” har visat att intermittent lufttillförsel generellt leder till en högre grad

av föroreningsreduktion och en högre VOC-halt i den omättade zonen ovanför grundvattenytan.

Sparging-brunnarna utgörs i allmänhet av vanliga grundvattenrör med perforering för luft- tillförsel. Perforeringens diameter bör ungefär motsvara den genomsnittliga pordiametern i den omgivande formationen.

Fullskaleanläggningens huvudkomponenter utgörs av: x Kompressor för lufttillförsel med tillhörande tryckmätare x Vakuumpump för extraktion i den omättade zonen x Behandlingsanläggning för extraherad VOC

x Sparging-brunnar med tillhörande rörsystem för anslutning till kompressor x Extraktionsbrunnar med tillhörande rörsystem för anslutning till vakuumpump x Kalibrerade flödesmätare

x Kalibrerade vakuummätare för omättad zon

x Kalibrerade tryckgivare/piezometrar för mättad zon

x Utrustning för kontinuerlig provtagning och analys av extraherad porluft (t ex PID, fält-GC och FID)

Tillämpning

Air sparging tillämpas nästan uteslutande på grundvattenföroreningar bestående av flyktiga organiska föreningar (VOC och s-VOC) i den mättade zonen. Jordlagren bör vara homogena och uppvisa en relativt hög permeabilitet. Det råder delade meningar om metodens tillämp- barhet i jordar med finare kornstorlek än sand. Kornstorleksgränsen för metodens

tillämpbarhet anses utifrån litteraturdata ”ligga kring” grovmo.

Som en tumregel brukar anges att air sparging är tillämpbar på föroreningar som uppfyller följande två kriteria:

x Föroreningsämnenas ångtryck bör överstiga 0,5 mmHg vid 20oC

x Henrys lags konstant (sortlös form) för de aktuella föroreningsämnena bör överstiga 0,0001

Exempel på föroreningssituationer där air sparging anses vara tillämpbar är: x Förorening av fordonsbensin, jetbränsle (JP-4 m fl), diesel och eldningsolja x Förorening av klorerade alifater (trikloretylen, dikloretylen, vinylklorid m fl)

Kontroll av behandlingsresultat

Behandlingsresultatet vid vakuumextraktion kan i huvudsak kontrolleras på följande två sätt: x Kvantitativ bestämning av mängden extraherad förorening

x Uppföljande jord- och grundvattenprovtagning inom det förorenade markområdet (prover tas i allmänhet både i mättad och omättad zon)

Mängden extraherade kolväten kan kvantifieras genom kombinerad VOC- och flödesmätning på extraherad luft i vakuumextraktionssystemet.

Uppföljande jord- och grundvattenprovtagning med avseende på fastställda åtgärdsmål utförs inom det behandlade markområdet efter avslutad (eller tillfälligt avbruten) behandling.

För uppföljning av behandlingseffekten tas i allmänhet också prover under behandlingsperioden. Följande standardparametrar bör ingå i den periodiska utförandekontrollen:

x Föroreningskoncentrationen i grundvattenzonen x Koncentrationen av löst syre i grundvattenzonen x Temperatur, redoxpotential och pH i grundvattenzonen

x Grundvattnets innehåll av koldioxid och eventuella andra nedbrytningsprodukter från pågående aerob biologisk nedbrytning.

x Porluftens innehåll av VOC

Samtliga grundvattenprover tas i på förhand installerade kontrollbrunnar. Innan

grundvattenprovtagning genomförs bör air sparging-anläggningen ha varit avstängd under minst något dygn.

Begränsningar och kända negativa effekter

Metoden tillämpbarhet bedöms vara begränsad till flyktiga organiska föreningar. Om en biologisk nedbrytningsprocess kan stimuleras genom tillförsel av syre/luft kan i viss mån även halvflyktiga och svårflyktiga organiska föreningar behandlas. Det råder dock delade meningar om metodens tillämpbarhet för svårflyktiga kolväten. Goda behandlingsresultat finns i stort sett bara rapporterade från platser där jordlagerföljden utgörs av genomsläppliga homogena sandjordar och där föroreningen i huvudsak utgörs av lättflyktiga kolväten härrörande från bensinprodukter (fordonsbensin, reabensin m m). Möjligheten att behandla flyktiga klorerade kolväten är omdiskuterad eftersom flertalet klorerade organiska lösningsmedel utgörs av s k DNAPL´s med tendens att ”sjunka” och ansamlas på stora djup i en grundvattenakvifer.

Att jordlagrens homogenitet är av avgörande betydelse illustreras av de upprepade svårigheterna att tillämpa metoden framgångsrikt i t ex skandinaviska glacialkustrina - och delvis även glacifluviala randbildningar - där silt- och lerskikt ofta finns inlagrade i sand- och grusmaterial. I denna typ av geologiska formationer blir luftkanalerna i allmänhet inte tillräckligt uthålliga för att extraherad VOC ska kunna avledas till den omättade zonen.

Air sparging kan om ett alltför högt injektionstryck tillämpas, eller om en alltför snabb tryckuppbyggnad sker, leda till en oönskad hydraulisk uppspräckning. Därigenom kan en sekundär permeabilitet tillskapas i den mättade zonen och delvis nya spridningskanaler för föroreningen tillskapas.

Närbesläktade metoder

Med air sparging närbesläktade metoder är bl a: x Biosparging

x C-sparging eller injektion av oxidationsmedel, exv MgO [ORC – Oxygen release compounds, används i sanering under 2006 i Strövelstorp (Ola Hansson, Sweco Viak)]

Bensinprodukter som föreligger i löst form i den s k diffusionszonen omedelbart under

grundvattenytan uppvisar i allmänhet en relativt hög biotillgänglighet. Låg halt av löst syre till följd av naturliga nedbrytningsprocesser medför emellertid att de aeroba nedbrytnings-

processerna avstannar.

De anaeroba nedbrytningsprocesserna är i regel mindre effektiva även om nyare forskning tyder på att de kan spela en roll för s k ”naturlig självrening”. Vid biosparging tillförs

atmosfärisk luft (eller ren syrgas) i syfte att återstarta de aeroba biologiska nedbrytnings- processerna. Biosparging är enbart tillämpbart i de fall de biologiska nedbrytningsprocesserna avstannat till följd av syrebrist. Är orsaken till den låga biologiska aktiviteten istället avsaknad eller brist på näringsämnen/NPK kommer syre- och lufttillförseln inte att medföra någon ökad aerob biologisk transformation.

C-sparging är en metod som hittills uteslutande tillämpats för behandling av grundvatten som förorenats av klorerade organiska lösningsmedel (tetrakloretylen m fl). Metoden innebär att ozonhaltig luft inblåses i den mättade zonen varvid de klorerade lösningsmedlen oxideras till koldioxid och saltsyra.

Status och referensprojekt

Air sparging har framförallt tillämpats i USA. Metoden har varit representerad i det amerikanska SITE-programmet och hittills tillämpats vid 58 av de sammanlagt 1 800 amerikanska Superfundobjekten. Trots att metoden existerat sedan mitten av 1980-talet föreligger utifrån litteraturdata relativt få dokumenterade fall där metoden bedöms ha varit framgångsrik.

Flera fallstudier indikerar emellertid att air sparging kan åstadkomma en betydande och varaktig reduktion av VOC-innehållet i grundvattenzonen. Vid officiellt rapporterade fall- studier i USA har totalinnehållet av petroleumkolväten med air sparging kunnat reduceras från haltnivåer mellan 1-300 mg TPH/l ned till haltnivåer kring 5 μg TPH/l. Uppfattningen är dock att metoden än så länge får betraktas som innovativ och att flera fall finns där metoden inte varit framgångsrik. Ännu i slutet av 1990-talet beskrevs air sparging i vetenskaplig litteratur som ”a new approach for groundwater remediation”.

I Europa har metoden fått en relativ begränsad tillämpning. Inom ramen för den danska Miljöstyrelsens ”Teknologiprogram för jord- och grundvandsforurening” har air sparging tillämpats för behandling av grundvatten förorenat av olja och klorerade lösningsmedel vid en industritomt i Köpenhamns kommun. Projektet betraktas som ”relativt lyckat” med avseende på volymen/mängden avlägsnad förorening, men även efter genomförd behandling överskrider halterna av petroleumkolväten och klorerade kolväten danska grundvattenkvalitetskriteria.

I Sverige har air sparging tillämpats i ett flertal projekt, varav SPIMFAB har genomfört ett tiotal saneringsprojekt med air sparging, se bilaga 1. Inom ramen för Miljöteknikdelegationens demonstrationsprojekt avseende klorerade kolväten i grundvatten genomfördes ett fullskale- försök med air sparging för behandling av grundvatten som förorenats av trikloretylen. Någon signifikant reduktion av halten klorerade kolväten i grundvattenzonen kunde inte påvisas efter avslutad behandling.

Vid efterbehandlingen av ett bensinstationsområde i Haninge kommun (2001-2005) tillämpades inledningsvis air sparging/vakuumextraktion. Behandlingen pågick i ca 6 månader varefter uppföljande provtagning tydligt visade att uppställda åtgärdsmål inte uppnåtts.

huvudsak baserade på biologisk nedbrytning genom tillförsel av näringssubstrat m m. En kompletterande miljöteknisk markundersökning visade också att föroreningens utbredning var betydligt större än vad den inledande undersökningen indikerat samt att jordlagren sannolikt inte var tillräckligt permeabla för att air sparging framgångsrikt skulle kunna tillämpas. Projektet beskrivs närmare i Bilaga 2/Fallstudier in situ, on site och ex situ, nr 201. Källor och referenser

Cleanup Information Bulletin Board System/CLU-IN (2005): http://www.clu-in.org

Broms, S (2005): Muntlig information angående SPIMFAB:s erfarenheter av air sparging. SPI Miljösaneringsfond/Sandra Broms.

Christensen, Nielsen, Fisher, Rank & Pedersen (2004): “ C-sparging til oprensning af grundvandsforurening med chlorerede oplØsningsmedler.” ATV-mØde. Vintermöte om jord-

og grundvandsforurening. Vingstedcentret 9.-10. marts 2004.

Däldehög AB (2005): Informationsblad beträffande ”biosparging” och ”vakuumventilation och air sparging”.

Envipro Miljöteknik, 2001: ”Slutrapport från Miljöteknikdelegationens forsknings- och utvecklinsgprojekt av mark och grundvatten förorenade med klorerade lösningsmedel.” Elkjaer, Lars (2005): Muntlig information angående tillämpning och erfarenheter av air sparging i Danmark. Lars Elkjaer, Watertech A/S

Miljöstyrelsen/miljöministeriet (2003): ”Evaluering af teknologiprogram för jord- och

grundvandsforurening.” Miljöprojekt nr. 751 2003. Teknologiudviklingsprogrammet for jord- og grundvandsforurening.

Reddy, K.R, Kosgi, S & Zhou, J (1995): ”A review of in situ air sparging for remediation of VOC-contaminated saturated soils and groundwater.” Hazardous waste & hazardous materials. Vol. 12, nr 2, 1995. Mary Ann Liebert, Inc.

Suthersan, S.S (1997): ”Remediation Engineering. Design Concepts.” Lewis Publishers. ISBN 1-56670-137-6.

U.S Environmental Protection Agency (maj 2003): SITE Demonstration Program. Completed projects may 2003.

Walsted, L & Christensen, A-G (2002): ”Air sparging og jordventilation med vandrette boringer. Afslutningsrapport.” MiljØstyrelsen, Miljöprojekt nr.679.

3.2.3 Jordtvättning