Evaluation of in situ remediation methods in soils contaminated with organic pollutants

Soil contamination is a result of human activities that allow hazardous substances to accumulate in soil and thereby to increase the risk to the environment or to human health. There is an estimate of over 2.5 million contaminated sites in Europe and nearly 24 000 of these are in Finland. The most common soil contaminants are oil hydrocarbons and metals. The main anthropogenic activities that contribute to soil contamination include fuel distribution and storage, industrial activity, waste treatment, shooting ranges as well as sawmill and impregnation areas. Soil restoration has mainly been done by excavating and treating or placing the contaminated soil elsewhere (ex situ -treatment). An alternative method is to treat the soil in the contaminated area, i.e. in situ, without excavation, which reduce both environmental effects and remediation costs. Various in situ remediation methods were evaluated in this PhD project by using laboratory-, pilot- and field scale experiments and comparing their usefulness and effectiveness in treating soils contaminated with fuels (diesel, gasoline) or wood preservatives (creosote, chlorophenols). The indigenous microbes in soil are capable of degrading organic contaminants. Degradation can be enhanced by increasing the soil nutrient- and oxygen concentration (biostimulation), and this was found to be applicable as an initial remediation method to decrease easily degradable, organic contaminants from the soil. Biostimulation of fresh oil-contaminated soil also reduced oil leakage through the soil, which indicated that it can help prevent contaminant migration into the groundwater. Chemical oxidation with hydrogen peroxide was not effective for fresh, oil-contaminated soil but it increased the oil migration through the soil. The method also requires large amounts of reagents and an effective infiltration system. Surface-active compound (methyl-β-cyclodextrin) was found to be useful in the solubilisation, and it enhanced biodegradation of contaminants which are strongly adsorbed onto soil particles (creosote components). Organic forest soil was found to have a natural chlorophenol degradation capacity and the addition of this soil on top of chlorophenol contaminated mineral soil increased chlorophenol degradation. An electric field that was applied into the dense and wet soil caused soil dewatering. After this the soil vapor extraction was effective for the removal of volatile organic contaminants (gasoline compounds) from soil. The combination of different methods and their sequential use can remove or decrease the need for excavation. Decisions about the remediation should be done early enough to make the use of the in situ methods feasible.Maaperä pilaantuu kun ihmisen toiminnan seurauksena maaperään päätyy haitallisia aineita, jotka aiheuttavat vaaraa ympäristölle tai ihmisen terveydelle. Pilaantuneiksi luokiteltuja alueita on Euroopassa arvioitu olevan yli 2.5 miljoonaa ja Suomessa lähes 24 000. Yleisimmät pilaantumista aiheuttavat haitta-aineet ovat öljyhiilivedyt ja metallit ja merkittävimpiä pilaantumista aiheuttavia toimintoja polttoaineen jakelu ja varastointi, teollinen toiminta, jätteen käsittely, ampumaradat sekä sahat ja kyllästämöt. Pilaantuneen maaperän kunnostamista on tehty pääosin kaivamalla maamassat ja käsittelemällä tai sijoittamalla ne muualle (ex situ kunnostus). Vaihtoehtoisesti maaperä voidaan kunnostaa in situ, paikan päällä ilman kaivamista, mikä vähentää sekä ympäristövaikutuksia että kunnostuskustannuksia. Tässä väitöskirjatyössä tutkittiin laboratorio-, pilot- ja kenttämittakaavan kokeilla erilaisia in situ soveltuvia kunnostusmenetelmiä ja arvioitiin niiden toimivuutta ja tehokkuutta polttoaineilla (diesel, bensiini) tai puunsuoja-aineilla (kreosootti, kloorifenolit) pilaantuneiden maiden puhdistamisessa. Luonnon omat mikrobit pystyvät hajottamaan maaperässä olevia orgaanisia saasteyhdisteitä. Hajotusta voidaan tehostaa parantamalla maan ravinne- ja happipitoisuutta (biostimulaatio) ja tämä osoittautui olevan kannattavin keino aloittaa puhdistus helposti hajoavien yhdisteiden kohdalla. Mikrobihajotuksen tehostaminen vähensi myös öljyn kulkeutumista maan läpi, pienentäen näin pohjavesien pilaantumisriskiä. Saasteyhdisteiden hajottaminen kemiallisesti, hapettavan aineen (vetyperoksidi) avulla ei toiminut öljyllä saastutetussa maassa vaan lisäsi öljyn kulkeutumista maan läpi. Menetelmä vaatii suuria reagenssiannoksia ja tehokasta reagenssin syöttötapaa. Pinta-aktiivinen aine (metyyli-β-syklodekstriini) oli hyödyllinen maahan tiukasti sitoutuneiden saaste-yhdisteiden (kreosootin sisältämät yhdisteet) irrottamiseksi maasta ja paransi niiden saatavuutta mikrobien hajotettavaksi. Metsämaan pintakerroksessa todettiin olevan kloorifenolien hajotukseen kykeneviä mikrobeja ja tämän kerroksen lisäys saastuneen mineraalimaan päälle lisäsi kloorifenolien hajoamista. Maahan muodostetun sähkökentän avulla saatiin tiivis savimaa kuivumaan, jolloin haihtuvien orgaanisten yhdisteiden (bensiini) imeminen maasta (huokoskaasukäsittely) tehostui. Eri menetelmien yhdistelmällä ja vuorottaisella käytöllä voidaan vähentää tai poistaa maamassojen vaihdon tarvetta. In situ -menetelmien hyödyntäminen vaatii kuitenkin sen, että päätökset pilaantuneiden alueiden kunnostamisesta tehtäisiin tarpeeksi joustavilla aikatauluilla