Täckning på plats av under vattenhaltigt avfall - In situ capping of subaqueous waste

In-Situ Capping (ISC) of Subaqueous Waste är en icke-avlägsnande av saneringsteknik för förorenat sediment som innebär att lämna avfallet på plats och isolera det från miljön genom att placera ett lager jord och / eller material över det förorenade avfallet för att förhindra ytterligare spridning av föroreningen . Täckning på plats ger ett lönsamt sätt att avhjälpa ett förorenat område. Det är ett alternativ vid pumpning och behandlingblir för dyrt och området kring platsen är ett lågenergisystem. Lockens utformning och karaktäriseringen av de omgivande områdena är lika viktiga och driver genomförbarheten för hela projektet. Många framgångsrika fall finns och fler kommer att finnas i framtiden när tekniken expanderar och blir mer populär. In-situ capping använder tekniker som utvecklats inom kemi , biologi , geoteknik , miljöteknik och miljögeoteknik .

Introduktion

Föroreningar i sediment utgör fortfarande en risk för miljön och människors hälsa. Några av de direkta effekterna på vattenlevande liv som kan förknippas med förorenat sediment inkluderar "utvecklingen av cancertumörer hos fisk som utsätts för polycykliska aromatiska kolväten i sediment." Dessa högrisksediment behöver åtgärdas. Det finns vanligtvis bara fyra alternativ för sanering:

  1. Icke-borttagningstekniker
    1. Inkapsling på plats (In-Situ Capping)
    2. Behandling på plats
  2. Borttagningstekniker
    1. Borttagning och inneslutning
    2. Borttagning och behandling

Kepsen kan bestå av många olika saker, inklusive men inte begränsat till sand, grus, geotextilier och flera lager av dessa alternativ.

Det finns många sätt att en förorening i sediment kan introduceras i miljön. Dessa sätt inkluderar men är inte begränsade till advektion, diffusion, bentiska organismer blandning och omarbetning av det övre skiktet av det kontaminerade sedimentet och sedimentresuspension av olika subkvatiska krafter. In-situ capping (ISC) kan åtgärda alla dessa negativa effekter med tre primära funktioner:

  1. Isolering av det förorenade sedimentet från den bentiska miljön; detta förhindrar att föroreningen sprids upp i livsmedelskedjan. Denna isolering av föroreningen är den viktigaste faktorn för att minska exponeringsriskerna.
  2. Förebyggande av återsuspension och transport av föroreningen, kallad stabilisering av sedimenten.
  3. Minskning av flödet av upplösta föroreningar i vattenpelaren, även känd som kemisk isolering.

En fjärde, även om det inte är nödvändig, funktion av en in-situ-keps bör vara "uppmuntran till livsmiljövärden." Detta bör inte göras till ett primärt mål utom under extrema omständigheter. Detta kan uppnås genom att ändra lockets ytliga egenskaper för att "uppmuntra önskvärda arter eller avskräcka oönskade arter."

Den uppenbara fördelen med att använda kapsling på plats är att avfallet inte kommer att störas, och det förhindrar ytterligare kontaminering av det omgivande området från att föroreningarna rör sig genom avlägsnande. Tyvärr har de långsiktiga effekterna av ISC inte studerats eftersom det är en framväxande teknik.

Täckning på plats har varit effektiv på många platser. På flera ställen i det inre av Japan har "in-cap-capping of näringsbelastade sediment med sand" till exempel fungerat mycket bra för att bevara vattenkvaliteten genom att minska "utsläpp av näringsämnen (kväve och fosfor)" och syreutarmning genom botten sediment.

Platsutvärdering

Avhjälpande mål

Det är mycket viktigt att utvärdera webbplatsen och målen för ett specifikt projekt för att avgöra om ISC är rätt teknik att använda. För det första är det viktigt att ta reda på om ISC uppfyller alla önskade korrigerande mål. För att avgöra om ISC uppfyller de korrigerande målen är det viktigt att titta på de tre primära funktionerna som tidigare listats för ISC. För den första funktionen är det viktigt att inse att "ISC: s förmåga att isolera vattenlevande organismer från sedimentföroreningarna är beroende av" deponering av nya sedimentföroreningar som deponeras på locket. Om förorenat sediment deponeras tillbaka ovanpå locket byggdes ett lock för att separera till förorenade lager. Således bör "ISC endast övervägas om källkontroll har genomförts." Stabilisering av det kontaminerade sedimentet kan vara en designfunktion om målet med sanering är att förhindra negativ miljöpåverkan på grund av "återuppslamning, transport och återdeposition" av de kontaminerade sedimenten. Dessutom, om ett avhjälpande mål önskas, kan syftet med ISC vara att isolera den förorenade jorden från den omgivande miljön och därmed kontrollera miljön i den förorenade jorden och orsaka eventuell nedbrytning av föroreningen.

Kriterier

Utvärdering på plats för att se om ISC är en bra saneringsteknik baseras på flera kriterier: den omgivande fysiska miljön, nuvarande och långvariga hydrodynamiska förhållanden, de geotekniska och geologiska förhållandena, hydrogeologiska förhållanden, karaktärisering av sediment på plats och nuvarande och långa -tidsanvändning av vattenvägar.

Många av de fysiska egenskaperna i det omgivande området där locket skulle placeras är viktiga. Några saker att tänka på när man konstruerar en keps skulle vara "vattenvägsdimensioner, vattendjup, tidvattenmönster, isformationer, vattenvegetation, brokorsningar och närheten av land eller marina strukturer". Det är bäst om området kring ISC är platt för enkel installation.

Hydrodynamiska förhållanden

De hydrodynamiska förhållandena är lika viktiga. Det är bäst om in-cap-takprojekt utförs i vatten med lågenergi som hamnar, strömmar med lågt flöde eller mynningar. Miljöer med hög energi och högt flöde kan påverka lockets långvariga stabilitet och orsaka rimlig erosion över tiden. Strömmar är också viktiga. Strömmar varierar längs en vattenpelare och placeringen av ISC kan påverkas negativt av förändrade strömmar. Det är viktigt att ta hänsyn till de långsiktiga effekterna av episodiska händelser såsom tidvattenflöde på bottenströmshastigheter. Modellering måste göras för att avgöra om placering av locket på plats kommer att förändra befintliga hydrodynamiska förhållanden.

Geotekniska och geologiska förhållanden

En studie av de geotekniska och geologiska förhållandena måste göras innan placeringen av in-cap-kåpan placeras på grund av att det sätter sig under locket. Om sedimentering förutses vara signifikant kan mössans utformning behöva utformas tjockare än vad som ursprungligen projicerats för att låta sedimenteringen inte ändra lockets integritet.

Hydrogeologiska förhållanden är viktiga att tänka på före placering. Det är viktigt att lokalisera utsläppsområden, vilka är områden där grundvattenflödesvägen har en uppåtgående komponent. Denna urladdning kan orsaka att in-situ-locket förskjuts eller orsakar att inneslutningar transporteras till ytvattnet, vilket sålunda orsakar minskad effektivitet av in-situ-locket.

Sedimentkarakterisering

Typisk sedimentkarakterisering behövs innan konstruktion och design av ISC kan implementeras. Dessa tester på sedimenten inkluderar: ”visuell klassificering, naturligt vatteninnehåll / fasta koncentrationer, plasticitetsindex ( Atterbergsgränser ), total organiskt kol (TOC) -innehåll, kornstorleksfördelning, specifik vikt och Unified Soil Classification System (USCS)”.

Vattenvägar

Det är viktigt att inse vad den aktuella vattenvägsanvändningen är och hur de kan påverkas med placeringen av ett lokalt lock. Vissa vattenvägsanvändningar som kan påverkas av byggandet av en in-cap-keps inkluderar men är inte begränsade till ”navigering, översvämningskontroll, rekreation, vattenförsörjning, stormvatten eller avloppsvatten, utveckling av vattnet och korsning.” Sedan byggandet av ett lokalt lock kan begränsa en del av dessa aktiviteter på grund av vikten av att lockens integritet bibehålls under en längre tidsperiod, bör all användning som kan orsaka förskjutning av locket vara begränsad. Situ cap kommer att orsaka en minskning av vattendjupet och därmed begränsa storleken på fartyg som kan korsa området. Dessa begränsningar på vattenvägen kan också ha sociala och ekonomiska konsekvenser som måste beaktas.

Regleringsstandarder

Det är viktigt att känna till alla regleringsstandarder som finns för den önskade placeringen av ISC. Alla ISC måste uppfylla kraven i Resource Conservation and Recovery Act (RCRA) och Toxic Substances Control Act (TSCA), även om kapaciteten på plats för att möta dessa standarder på lång sikt inte har undersökts och studerats framgångsrikt. tillräckligt på grund av brist på data.

Kepsdesign

Kepsdesign, som inkluderar komponenternas sammansättning och dimensioner, är förmodligen den viktigaste aspekten av in-cap-kapsling. Kepsdesignerna ”måste vara kompatibla med tillgängliga konstruktions- och placeringstekniker” tillsammans med att uppfylla de tre tidigare nämnda kriterierna ovan. Kepsens design är vanligtvis över små områden med små volymer föroreningar. Kepsen är vanligtvis konstruerad med många lager av granulärt medium, rustningssten och geotextilier. För närvarande är laboratorietester och modeller av de olika inblandade processerna (advektion, diffusion, bioturbation, konsolidering, erosion), begränsad fältupplevelse och övervakning av datadrevsdesign. Eftersom data och fältupplevelse är begränsad används ett konservativt tillvägagångssätt när man utformar en in-situ-keps. Detta tillvägagångssätt använder idén att de många olika komponenterna är additiva och att ingen cap-komponent ger en dubbel funktion, även om en komponent kan ge en dubbel funktion i praktiken.

De sex stegen med kepsdesign

De sex allmänna stegen för in-situ-kepsdesign, tillhandahållen av Palermo et al. listas nedan:

  1. Identifiera täckmaterial för kandidater och kompatibilitet med förorenat sediment på platsen.
  2. Bedöma bioturbationspotentialen för inhemska benthos och utforma en lockkomponent för att fysiskt isolera sedimentföroreningar från den bentiska miljön.
  3. Utvärdera potentiell erosion vid kapslingsplatsen på grund av strömmar, vågor, propellertvätt och utforma en lockkomponent för att stabilisera de förorenade sedimenten och andra lockkomponenter.
  4. Utvärdera det potentiella flödet av sedimentföroreningar och utforma en lockkomponent för att minska flödet av upplösta föroreningar i vattenpelaren.
  5. Utvärdera potentiella interaktioner och kompatibilitet mellan lockkomponenter, inklusive konsolidering av komprimerbara material.
  6. Utvärdera operativa överväganden och bestämma begränsningar eller ytterligare skyddsåtgärder som behövs för att säkerställa lockets integritet.

Val av material

Identifiering av material bör bedömas i början av projektet eftersom de vanligtvis utgör den största kostnaden för projektet. Således, om det material som behövs kostar för mycket, kanske projektet inte är genomförbart alls. Granulära material används i de flesta fall. Dessa kan inkludera men är inte begränsade till ”stenbrott, naturligt förekommande sediment eller markmaterial”. Studier har visat att finkorniga material och sandiga material kan vara effektiva vid konstruktionen av ett lokalt lock. Dessutom har finkorniga material visat sig fungera som bättre kemiska barriärer än sandlock. Således är ett finkornigt material en bättre kapslingskomponent än fabrikstvättad sand. Det är viktigt att ha kontroll över mängden organiskt material i kåpan eftersom bottenorganismerna har visat intresse för att gräva sig in i okonsoliderade finkorniga sediment innehållande organiskt material. Ökade nivåer av organiskt material i sand har visat en ökning av retardering av hydrofoba organiska föroreningar genom locket och uppmuntrar nedbrytning av föroreningar. Således är en noggrann balans mellan organiska ämnen nödvändig.

Geomembran

Geomembraner kan tjäna många syften i en kepsdesign, inklusive ”ge en bioturbationsbarriär; stabilisera locket; minska föroreningsflödet; förhindra blandning av lockmaterial med underliggande sediment; främja enhetlig konsolidering och minska erosion av täckmaterial ”. Geomembraner har använts för stabilisering i två projekt tillsammans med granulärt media för ISC konstruerat vid Sheboygan River och i Eitrheim Bay, Norge. Även om geomembran tycks ha stora fördelar har problemet med upplyftning och ballongflygning uppstått och inte mycket forskning har gjorts för att bedöma vad som orsakar att geomembranen lyfter upp från ytan. Ytterligare forskning behövs för att bestämma den totala effektiviteten av geosyntetik för kemisk isolering.

Kepsarmering

Pansarsten , som är vilken sten som helst som används för att "skydda" resten av in-cap-kåpan, kan användas för motstånd mot erosion och bör övervägas vid utformningen av kepsen. Kapsylens långvariga förmåga att prestera beror främst på dess förmåga att motstå yttre krafter, mestadels hydrauliska krafter. Det finns tre grundläggande tillvägagångssätt som kan användas för att ha långvarig lockstabilitet:

  1. Kappskiktet måste armeras tillräckligt för att hålla sig under de olika hydrauliska krafterna.
  2. Locket på ett djupare lager eftersom hydrauliska krafter vanligtvis minskar med minskande djup.
  3. Försök att kontrollera de hydrauliska krafterna för att begränsa deras effekt på lockskiktet med vågbrytare, dammar, navigeringskontroller etc.

Bioturbation

Bioturbation definieras som störning och blandning av sediment av bentiska organismer. Många vattenorganismer lever på eller i bottensedimenten och kan kraftigt öka ”migrationen av sedimentföroreningar genom direkt rörelse av sedimentpartiklar, vilket ökar ytan på sediment som exponeras för vattenpelaren och som mat för epibentisk eller pelagisk organism som betar på benthos. "Bioturbationens djup i marina miljöer är större än i sötvattenmiljöer. För att förhindra och minska effekterna av bioturbation på locket, bör locket utformas med ett offerskikt, vanligtvis bara några centimeter tjockt ( 5–10 cm). Detta skikt antas vara helt blandat med miljön och bör förhindra att bentisk organism sjunker längre ner i in-cap-locket. Offerlagrets tjocklek bör baseras på en studie av de lokala organismerna och deras beteende i det omgivande sedimentet nära kappkonstruktionens område, eftersom det har varit känt att vissa bentiska organismer gräver på 1 m eller mer. Det har varit känt att pansarsten begränsar koloniseringen genom djupt grävande bentiska varelser. En annan metod för att förhindra bentiska organismer från att förstöra integriteten hos lockdesignen är att välja ett granulärt medium som den lokala bentiska organismen finner oattraktiva och inte är kända för att lätt kolonisera på den ytan, vilket begränsar risken för att en bentisk organism kommer att växa på locket .

Konsolideringen av in-cap-kåpan måste övervägas, förutsatt att det valda materialet för kåpan "är finkornigt granulärt material." Konsolideringen av det underliggande materialet bör beaktas på grund av "matning av porvatten uppåt i tak under konsolideringen. "

Erosionseffekter

Erosion bör övervägas noggrant. För att bestämma skyddsnivån mot erosion är det viktigt att titta på "den potentiella svårighetsgraden av miljöpåverkan som är förknippad med kapserosion och potentiell spridning av sedimentföroreningarna i en extrem händelse" (till exempel en 100-årig händelse). Ett underdesignat lock på plats kan äventyras av erosion och resultera i frisättning av föroreningar. Ett överdesignat lock skulle leda till extremt höga kostnader.

Konstruktion

Eftersom lockets konstruktion direkt kommer att påverka kapaciteten på platsen att utföra är det viktigt att planera noggrant. Det är viktigt att notera att "många kontaminerade sedimentställen uppvisar mycket mjuka sediment som lätt kan störas, kan förskjutas eller destabiliseras genom ojämn placering och kan ha otillräcklig bärförmåga för att stödja vissa lockmaterial."

Det finns två grundläggande var att konstruera en in-cap-keps:

  1. Landbaserad placering: detta innebär att man använder utrustning nära stranden eller arbetar i smala kanaler. Kåpan är konstruerad med standardutrustning som "grävutrustning, musslor, dumpad från lastbilar och / eller spridning med bulldozrar." Den största begränsningen för denna metod är utrustningens räckvidd.
  2. Rörledning eller pråm placering: detta innebär att placera locket på plats med en pråm eller en rörledning. Använd olika typer av utrustning för att placera lockkomponenterna på havsbotten eller sjöbotten. Detta är vanligtvis den önskade metoden när man arbetar i djupa områden eller offshore.

Övervakning

Fem steg för ett övervakningsprogram

Fredette et al. beskriver fem steg för utvecklingen av ett fysiskt / biologiskt övervakningsprogram för ISC-projekt:

  1. Ange platsspecifika övervakningsmål
  2. Identifiera delar av övervakningsplanen
  3. Förutsäga svar och utveckla testbara hypoteser
  4. Ange provtagningsdesign och metoder
  5. Ange ledningsalternativ

Det är därför viktigt att ett övervakningsprogram införs vid byggnadens början. Ett kortvarigt övervakningsprogram bör användas för att övervaka in-locket under byggandet och omedelbart efter byggandet. Detta övervakningsprogram bör innehålla frekventa tester så att realtidsdata tillhandahålls för att möjliggöra snabba justeringar av den övergripande designen. Ett långsiktigt övervakningsprogram bör upprättas för att tillhandahålla data om den totala effektiviteten i lockkonstruktionen och för att säkerställa att locket uppfyller alla sina föreskrifter och att locket inte urholkas för mycket. Denna långsiktiga övervakning behöver endast bedömas årligen till halvårsvis om inte ett problem upptäcks. då kommer tätare tester att krävas.

Under övervakningen är det viktigt att planera rutinunderhåll. Detta kan inkludera placering av material som är lika med den förutsagda mängden material som tas bort på grund av erosion.

Fallstudier

Även om ISC är ett relativt nytt saneringsförfarande har flera grupper använt det med stor framgång.

General Motors Superfund-webbplats

I Massena, New York , på webbplatsen General Motors Superfund , muddrades PCB- förorenade jordar upprepade gånger men vissa områden hade fortfarande höga nivåer av föroreningar (> 10 ppm). Dessa områden var täckta, en ungefärlig yta på 75000 kvadratmeter (7000 m 2 ), med en treskikts ISC bestående av 6 tum sand, 6 tum grus och 6 tum pansarsten.

Manistique River, Michigan

I Manistique River , Michigan , täcktes PCB-kontaminerade sediment med ett 40 mm tjockt plastfoder över ett område på 1900 kvadratmeter (1900 m 2 ) med varierande djup upp till 15 fot.

Sheboygan River, Wisconsin

I Sheboygan River, Wisconsin, täcktes PCB-kontaminerade sediment med ett sandlager och pansarstenlager. Detta gjordes i grunda områden där direkt placering var möjlig.

Marathon Battery Remediation Project

I Cold Spring, New York , i Hudson River , förorenades sediment med kadmium och nickel från en batteritillverkningsanläggning. Ett geosyntetiskt lerfoder (GCL) och en 12-tums täckning av sandlamin planterades ovanpå det förorenade området.

Galaxy / Spectron Superfund-webbplats

I Elkton, Maryland , upptäcktes förorenat sediment med överflödiga mängder flyktiga organiska komponenter och täta icke-vattenhaltiga fasvätskor , vilket resulterar i svår utsläpp. Täcksystemet konstruerat över det kontaminerade avfallet involverade en geotextil arbetsmatta, en GCL, en scrim-förstärkt polypropenfoder, en geotextilkudde och en gabionmatta.

Framtida forskning

Det finns fyra stora forskningsområden som för närvarande behöver bedömas:

  1. "Forskning om öde och transportbeteende för specifika föroreningar som inte beter sig på det enkla sätt som antas i nuvarande tillvägagångssätt för utvärdering av tak (t.ex. kvicksilver)"
  2. "Forskning om öde processer associerade med fysiska, kemiska och biologiska gradienter inom ett tak"
  3. "Forskning om påverkan av transportprocesser som underlättas av vätska ( NAPL ) eller gasvandring "
  4. "Forskning om ändringar av taket som kan uppmuntra processer med bindning eller nedbrytning"

Se även

Referenser