Suomen ympäristökeskus | Finlands miljöcentral | Finnish Environment Institute

sykefi header valkoinen

Reaktiiviset seinämät pilaantuneen pohjaveden käsittelyssä (RESET)

+ Näytä tiedot

Hankkeen perustiedot

Lyhytosoite: http://syke.fi/hankkeet/reset

Tutkimuksen tavoite

Tutkimuksen tavoitteena oli tuottaa tietoa ja uusia ratkaisuja vaikeisiin pohjaveden pilaantumistapauksiin, joissa perinteiset menetelmät on todettu kalliiksi ja tehottomiksi. Hankkeessa

  1. selvitettiin reaktiivinen seinämä -tekniikan käyttökelpoisuutta pohjaveden puhdistuksessa Suomen geologisissa ja ilmastollisissa olosuhteissa koekohteeseen asennettavan seinämärakenteen avulla
  2. tutkittiin kotimaisen rautamateriaalin toimivuutta klooratuilla liuottimilla pilaantuneen pohjaveden käsittelyssä ja kehitettiin seinämämateriaalien testausmenetelmiä
  3. esitettiin kriteerit, joilla reaktiivisen seinämän soveltuvuutta pohjaveden puhdistamiseen erilaisissa pilaantumistapauksissa voidaan arvioida

Tausta

Suomessa havaitaan jatkuvasti uusia pohjaveden pilaantumistapauksia, jotka aiheuttavat riskejä ympäristölle ja ihmisten terveydelle. Pilaantuneiden alueiden riskinhallinta on Suomessa keskittynyt pohjaveden pinnan yläpuolella olevien maamassojen vaihtoon tai puhdistamiseen.

Pohjaveden pilaantumista aiheuttavien päästölähteiden poistaminen kokonaan maaperästä ei kuitenkaan yleensä ole mahdollista. Pilaantuneen maa-aineksen määrä on tavallisesti suuri ja esimerkiksi vettä raskaampien orgaanisten kemikaalien päästölähteet sijaitsevat usein syvällä pohjavesikerroksessa, kallioruhjeissa tai rakennusten alla. Tällaisilla alueilla pohjaveden pilaantuminen voi jatkua vielä kymmeniä vuosia maaperän kunnostuksen jälkeen. Pilaantuneen pohjaveden käsittely on tällöin ainoa keino estää haitta-aineiden leviäminen ja siten vähentää niistä aiheutuvaa riskiä.

Uusia menetelmiä

Pilaantuneen pohjaveden käsittelyssä perinteisesti käytettyjen pumppausmenetelmien puhdistusteho on todettu useimmissa tapauksissa heikoksi ja käyttökustannukset huomattavan suuriksi. Perinteisten menetelmien rajoitukset ovat lisänneet tarvetta uusien, innovatiivisten menetelmien kehittämiselle. Pilaantuneen pohjaveden käsittelyssä on monissa maissa alettu käyttää yhä enemmän ns. in situ -tekniikoita, joissa puhdistuminen tapahtuu pilaantuneen kohteen maaperässä. Pohjois-Amerikassa ja Keski-Euroopassa käytetään yhä useammin vaikeissa pilaantumistapauksissa reaktiivisia seinämiä. Menetelmän sovelluksia on käytössä eri puolilla maailmaa jo toista sataa, Euroopassa esimerkiksi Saksassa, Hollannissa, Italiassa ja Tanskassa

seinämänPeriaatekuva-iso.gif
Oriveden seinämärakenteen periaatekuva

Reaktiivisen seinämän toimintaperiaate

Reaktiivisilla seinämärakenteilla voidaan sopivissa hydrogeologisissa olosuhteissa puhdistaa pilaantunutta pohjavettä tehokkaasti, taloudellisesti ja ympäristöä säästäen. Reaktiivisesta materiaalista koostuva, vettä läpäisevä rakenne sijoitetaan pilaantuneen pohjaveden luontaiselle virtausreitille.

Pohjavesi puhdistuu, kun seinämän läpi kulkevat haitta-aineet reagoivat reaktiivisen materiaalin kanssa ja muuntuvat samalla haitattomiksi tai alkuperäistä vähemmän haitallisiksi yhdisteiksi tai pidättyvät seinämään. Koska puhdistusrakenne toimii passiivisesti, sen käyttö ei vaadi energiaa tai prosessin ohjausta. Tämä laskee merkittävästi pohjaveden käsittelykustannuksia perinteisiin puhdistusmenetelmiin verrattuna.

Kansainvälisten tutkimusten mukaan seinämärakenteen käyttöikä voi olla jopa kymmeniä vuosia. Maamme ilmasto-, maaperä- ja pohjavesiolosuhteet poikkeavat kuitenkin usein merkittävästi niistä ympäristöistä, joissa seinämärakenteita on tähän mennessä käytetty, eikä seinämien käyttöikää Suomen olosuhteissa vielä tiedetä.

Seinämämateriaalin testaus

Klooratuilla liuottimilla pilaantuneen pohjaveden puhdistamisessa seinämämateriaalina käytetään rakeista metallirautaa (Fe0). VTT on testannut ravistelu- ja kolonnikokeilla suomalaisia seinämämateriaaleja. Laboratoriokokeiden tulosten perusteella koeseinämä pystyttiin mitoittamaan siten, että puhdistusteho on riittävä.

Tutkimusalueen sijainti
Tutkimusalueen sijainti

Tutkimukset koealueella

Tutkimuksen koealueeksi valittiin alustavien hydrogeologisten selvitysten perusteella Orivedellä sijaitseva Asemanseudun pohjavesialue, jossa vuosina 1959–1989 toimineen kemiallisen pesulan liuottimet (tetra- ja trikloorieteeni) ovat pilanneet pohjavettä. Kyseinen pohjavesialue on pilaantumistapausten vuoksi poistettu vedenhankintakäytöstä vuonna 1981 ja ympäristöhallinnon pohjavesialueluokituksesta vuonna 2000.

Asemanseudun pohjavesialueella selvitettiin pilaantumisen laajuutta 1999–2003.

Koeseinämän sijainnin ja mitoituksen suunnittelua varten tehdyissä tutkimuksissa (2003–2006) käytettyjä menetelmiä olivat maaperäkairaukset ja maanäytteenotto, kallioporakaivojen videointi, vedenjohtavuuden ja pohjaveden laadun in situ -mittaukset, vesimenekki- ja merkkiainekokeet, pohjavedenpinnan tarkkailu ja pohjavesinäytteenotto sekä erilaiset geofysikaaliset menetelmät.

Koealueen tutkimuskartta
Koealueen kartta

Reaktiivisen seinämän toteutus

Maastotutkimusten ja koealueen virtauskuvan mallintamisen perusteella pilaantuneen pohjaveden virtausreitille suunniteltiin reaktiivinen seinämärakenne. Rakenne on tyypiltään säätökaivolla varustettu kanavoitu seinämä ("funnel & gate").

Reaktiivisen seinämän mitoituksessa käytettiin hydrogeologisten kohdetietojen lisäksi VTT:n materiaali- ja kolonnikokeiden tuloksia. Läpäisevä seinämä sekä tiiviit ohjausseinämät asennettiin pesulasta noin 200 m etelään sijaitsevan pallokentän kaakkoisosaan kesällä 2006.

Kallioperän heikkousvyöhykkeet täytettiin injektiomassalla. Näin eliminoitiin pilaantuneen pohjaveden virtaaminen reaktiivisen seinämän ohi alapuolelta.

Rakenteen toimivuutta ja alueen pohjaveden puhdistumista seurattiin pohjaveden laatutarkkailulla.

Pohjavesinäytteitä otettiin useista havaintoputkista kerran kuukaudessa. Näytteitä otettiin myös säätökaivosta rautapatjan sisään asennettujen näytteenottoputkien kautta.

Reset kaivu
Seinämää rakennettaessa tehtiin pohjavedenpintaan asti ulottuva luiskattu avokaivanto

Kokemuksia Oriveden seinämästä

Seinämä saadaan sekä hydraulisesti että puhdistumisprosessin kannalta toimivaksi myös Suomen hydrogeologisissa olosuhteisissa tyypillisissä vedenhankinnan kannalta tärkeissä pohjavesimuodostumissa.

Vaikka tetrakloorieteeni ja trikloorieteeni hajosivat täydellisesti jo seinämän viipymän alkuvaiheessa eikä merkittävää pilaantuneen pohjaveden ohivirtausta seinämän itä- tai länsipuolelta tai seinämärakenteen yläpuolelta tapahtunut, puhdistuneen veden vaikutus seinämän jälkeisissä pohjaveden havaintoputkissa näkyi hitaasti.

Lämpötilan vaikutus haitta-aineiden hajoamiseen osoittautui oletettua vähäisemmäksi. Lämpötilan keskiarvo ja mediaani seinämässä oli 8,7 ºC. Suomen olosuhteissa lämpötila pohjavesiesiintymässä on keskimäärin 5–7 ºC, joten kemialliseen hajoamiseen perustuvan puhdistumisprosessin voidaan olettaa toimivan riittävän tehokkaasti myös Suomen ilmastollisissa olosuhteissa.

Reset tuettu kaivanto
Pohjavedenpinnan alapuolinen osuus kaivettiin teräsponttien rajaamana tuettuna kaivantona

Biologiset prosessit

Kemiallisen puhdistumisprosessin lisäksi biologiset prosessit eli seinämän mikrobien aktiivisuus vaikuttaa seinämän läpi virtaavan veden laatuun.

Veden laadun muutokset seinämässä osoittavat, että ainakin nitraatinpelkistäjäbakteerit, sulfaatinpelkistäjäbakteerit ja metanogeenit olivat aktiivisia.

Menetelmän kustannukset

Reaktiivisen seinämän käytön kustannukset painottuvat maasto- ja materiaalitutkimuksiin sekä asennustyöhön.

Tarvittavien hydrogeologisten tutkimusten laajuus vaihtelee kohteen monimuotoisuuden ja aiempien tutkimusten kattavuuden mukaisesti. Geoteknisesti ja hydrogeologisesti reaktiivisen seinämän menetelmän käyttöön soveltuvassa kohteessa seinämän asennuksen kokonaiskustannukset suuntaa-antavan arvion mukaan ovat 80 000–400 000 €.

Reset injektointi
Kallioperän injektointi

Oriveden koekohteen kaltaisissa paksujen maakerrosten harju- ja reunamuodostumissa reaktiivisen seinämän asennus on vaativaa ja kallista. Perinteisten pohjaveden käsittelymenetelmien käyttö kloorieteenien pilaamilla alueilla on kuitenkin tehotonta.

Vaikka reaktiivinen seinämä olisikin kustannustehokkain menetelmä, maanrakennuksen korkeiden kokonaiskustannusten vuoksi yhtenäinen reaktiivinen seinämä ei yleensä tulle kyseeseen alueilla, joilla maakerrospaksuudet ovat yli 10–15 m. Menetelmä soveltuu hyvin ja on kustannuksiltaan edullisempaa pohjaveden puhdistamiseen suppea-alaisemmilla moreenimuodostumilla, missä kokonais- ja kyllästyneen kerroksen maakerrospaksuudet ovat pienempiä kuin harjualueilla ja vedenläpäisevyys suuruusluokkaa 10-4–10-6 m s-1.

Huomioon otettavaa

Kotimaisten materiaalien reaktiivisuutta testattaessa tulee ottaa huomioon suomalaisen pohjaveden lämpötila. Reaktioiden hidastumista viileässä vedessä kuvaava korjauskerroin on varminta määrittää tekemällä ainakin osa materiaalitesteistä 5–10 ºC lämpötilassa.

Reset rauta
Rautalastua reaktiiviseen seinämään käytettiin 280,7 t

Seinämän mitoitusta varten on syytä testata käytettävää materiaalia käyttäen myös maastokohteen pohjavettä, jotta saadaan selville mahdollisimman todellinen viipymätarve sekä voidaan arvioida, onko odotettavissa kyseisen seinämän toiminta-aikaan vaikuttavaa passivoitumista tai saostumien muodostumista.

Oriveden hankkeessa perinteinen avo- ja tuettu kaivanto -tekniikka oli käytännössä ainoa tarjolla ollut maanrakennusmenetelmä. Injektointikaluston sopiva modifiointi lienee helpoin tapa luoda mahdollisuuksia myös syvemmällä maaperässä virtaavan pilaantuneen pohjaveden käsittelyyn passiivisesti reaktiivisen materiaalin avulla.

Reset kaivo
Näytteenottoputket rautatäytteestä kaivoon

Injektoinnin, syvästabiloinnin tai erilaisten paalutusmenetelmien soveltaminen antaisi lisäksi paremmat mahdollisuudet reaktiivisten seinämien asentamiseen asutuksen tms. seikan vuoksi rajalliselle alueelle.

Tulosten hyödyntäminen

Projektin tuloksia voidaan hyödyntää pilaantuneen pohjaveden puhdistamiseen sekä pohjaveden suojeluun liittyvässä toiminnallisessa ja hallinnollisessa päätöksenteossa. Tieto on sovellettavissa myös muissa, Suomen hydrogeologisia ja ilmastollisia olosuhteita vastaavissa ympäristöissä.

Projektiorganisaatio

Projektin toteutukseen osallistuivat Suomen ympäristökeskuksen lisäksi Pirkanmaan ELY-keskus (aik. Pirkanmaan ympäristökeskus), VTT, Oriveden kaupunki, FCG Planeko Oy (aik. Suomen IP-Tekniikka Oy), Helsingin yliopisto ja Testele Products Oy.

Projektin rahoittivat Teknologian kehittämiskeskus (Tekes), Suomen ympäristökeskus, ympäristöministeriö, Ekokem-Palvelu Oy, Niska & Nyyssönen Oy sekä Salvor Oy. Suomalaisen seinämämateriaalin toimitti Metso Foundries Jyväskylä Oy.

Lisätietoja

TkL Sirkku Tuominen, Suomen ympäristökeskus (SYKE)
puh. +358 400 148619
etunimi.sukunimi@ymparisto.fi (sirkku tuominen)

Julkaistu 15.8.2013 klo 13.00, päivitetty 3.10.2014 klo 21.10

Kohderyhmä: