Immobilisatie van verontreinigde grond

Transcriptie

1 104 1 Immobilisatie van verontreinigde grond Ir. C. G. J. M. Pijls en ir. H. G. A. van Elsen Tauw Infra Consult B.V. Deventer 1. Inleiding Transport van verontreinigingen in de bodem Principes van immobilisatie Mechanismen Toevoegingen Commerciële immobilisatietechnieken Normering Toepassingen Aanvullende informatie

2 Inleiding Sinds 1980 zijn in Nederland vele gevallen van bodemverontreiniging opgespoord (zie ook Chemische feitelijkheden 027 Bodemverontreiniging ). De meest recente schattingen spreken van meer dan verontreinigde lokaties. Als de bodemverontreiniging een ernstig gevaar vormt voor de volksgezondheid of het milieu, of indien er risico s aanwezig zijn voor de verspreiding van de verontreiniging, dan zal het probleem aangepakt moeten worden. De schattingen van de saneringskosten lopen op tot meer dan 50 miljard gulden. De sanering van grote terreinen zoals de Volgermeerpolder (Broek in Waterland) en het Griftpark (Utrecht) door het ontgraven van de verontreinigingen brengt dermate hoge kosten met zich mee, dat hier gezocht wordt naar alternatieve technieken voor het wegnemen van de risico s van de bodemverontreiniging. Immobilisatie zou in dergelijke gevallen een oplossing kunnen bieden. Immobilisatietechnieken zijn gericht op het voorkomen van de verspreiding van verontreinigingen in de bodem. De mogelijkheden tot (direct) contact met de verontreinigingen worden hierbij niet weggenomen: de verontreinigingen blijven in de bodem aanwezig. Immobilisatietechnieken onderscheiden zich dus wezenlijk van reinigingstechnieken, waarbij het gaat om de daadwerkelijke verwijdering van de verontreinigingen. In het laatste geval betreft het meestal thermische of extractieve technieken. Verontreinigde grond kan op twee manieren worden geïmmobiliseerd: na ontgraving; waarbij de grond ter plekke (on site) of elders (off site) wordt behandeld; in de bodem (in situ) zonder ontgraving. In Nederland wordt immobilisatie vooralsnog alleen op experimentele wijze toegepast.

3 104 4 Immobilisatie van verontreinigde grond 2. Transport van verontreinigingen in de bodem Om het werkingsmechanisme van de verschillende immobilisatietechnieken te kunnen aangeven is begrip van het transport van verontreinigingen in de bodem van belang. Dit transport vindt voornamelijk plaats via water. De transportverschijnselen worden door een aantal factoren beïnvloed: De ph heeft vaak een grote invloed op de mobiliteit van zware metalen. Veel stoffen die als toevoeging worden gebruikt bij het immobilisatieproces, hebben een positieve of een negatieve invloed op de ph, waardoor het bindingsgedrag van verontreinigingen kan worden beïnvloed. Zo leidt het toevoegen van bijvoorbeeld cement (alkalisch) tot een verhoging van de ph, waardoor de mobiliteit van een groot aantal metalen (o.a. zink en lood) verkleind wordt, terwijl andere metalen juist gemobiliseerd worden. Voor zink en lood geldt bovendien dat bij een verdere verhoging van de ph de mobiliteit weer toeneemt (ph > 10). De redoxpotentiaal is een maat voor de aanwezigheid van oxiderende en reducerende verbindingen in het bodemwater. De redoxpotentiaal beïnvloedt evenals de ph de mobiliteit van de zware metalen. In het algemeen geldt dat een lage redoxpotentiaal kan leiden tot het neerslaan van moeilijk oplosbare sulfides (bijvoorbeeld zink- en cadmiumsulfide), terwijl bij een hoge redoxpotentiaal bijvoorbeeld ijzer en arseen onoplosbare ijzerarsenaten kunnen vormen. Zoutconcentraties hebben invloed op het adsorptiegedrag van verontreinigingen aan kleimineralen en organische stof. Organische complexvormers die van nature in de bodem aanwezig zijn, waaronder humus- en fulvozuren, hebben een grote invloed op het evenwicht dat zich instelt tussen de verontreinigingsconcentraties in de vaste (geïmmobiliseerde) en de vloeibare (mobiele) fasen in de bodem.

4 Principes van immobilisatie Immobilisatietechnieken hebben in eerste instantie ten doel de emissie van de verontreinigingen uit afvalstoffen zo veel mogelijk te beperken. De mobiliteit van de verontreinigingen draagt immers in belangrijke mate bij aan de gevaarsaspecten van de afvalstof. Natuurlijk is hierbij de duurzaamheid van de immobilisatie van groot belang, omdat het vastleggen van de verontreinigingen liefst definitief moet zijn. In verband met mogelijke toepassingen van de geïmmobiliseerde grond kunnen daarnaast secundaire eisen als draagkracht, waterdoorlaatbaarheid en weerstand tegen bepaalde weersomstandigheden van belang zijn Mechanismen Er kan een aantal mechanismen worden onderscheiden voor het immobiliseren van verontreinigingen: Soldificatie Het soldificeren (letterlijk het tot vaste stof maken ) is een proces waarbij bindmiddelen worden toegevoegd, met als voornaamste doel het verkrijgen van een produkt met verbeterde mechanische eigenschappen, dat tevens een grotere weerstand tegen weersinvloeden bezit. De immobilisatie van verontreinigingen is daarbij een positief bijverschijnsel. Chemische binding Bij de chemische binding worden de verontreinigingen ingebouwd in het kristalrooster van verbindingen die tijdens het immobilisatieproces toegevoegd worden of ontstaan. Precipitatie Precipitatie of neerslagvorming is een techniek die bij een aantal zware metalen kan worden toegepast, middels de toevoeging van verbindingen die leiden tot de vorming van een alkalisch milieu (hydroxidevorming). Voor andere metalen en verontreinigingen moeten andere chemicaliën worden gebruikt om een neerslag van de verontreiniging te laten ontstaan.

5 104 6 Immobilisatie van verontreinigde grond Fixatie en sorptie Fixatie is het vastleggen van verontreinigingen aan elektrisch geladen oppervlakken. Onder sorptie wordt het proces van chemische adsorptie (binding met een enthalpie van Kj/mol, ionbinding) en fysische adsorptie (4-8 Kj/mol, van der Waalsbinding) verstaan. Voor de sorptie van metalen worden veelal kleiachtige verbindingen met een groot specifiek oppervlak toegepast. Thermische technieken Thermische immobilisatietechnieken zijn technieken waarbij de immobilisatie tot stand wordt gebracht door het verhitten van de grond. De grond wordt verhit tot temperaturen variërend van 1000 C (sintering) tot meer dan 1500 C (verglazing), waarbij alle organische verbindingen worden verwijderd. Door de hoge temperatuur ontstaat een smelt waarin de metalen fysisch en chemisch worden gebonden. Fysische binding vindt plaats doordat de metalen worden ingekapseld in de bestaande silikaatmatrix (sintering) of worden ingebouwd in een nieuwe silikaatmatrix (verglazing), terwijl de metalen chemisch worden vastgelegd doordat nieuwe verbindingen ontstaan in de smelt. In de Verenigde Staten is een techniek voor de in situ thermische behandeling van verontreinigde bodem ontwikkeld. Vanwege de hoge kosten zijn thermische technieken meestal echter niet erg interessant voor de behandeling van verontreinigde bodem Toevoegingen De toevoegingen die bij niet-thermische technieken worden gebruikt kunnen worden onderverdeeld in bindmiddelen, die ten doel hebben de grond te verstevigen en de doorlaatbaarheid te verlagen, en additieven, die specifiek ten doel hebben de verontreinigde bodem te binden. De bindmiddelen die toegepast worden bij de diverse immobilisatietechnieken zijn onder te verdelen in anorganische en organische bindmiddelen. Anorganische bindmiddelen die kunnen worden gebruikt zijn

6 104 7 bijvoorbeeld cement, waterglas, gips, kalk, vliegas uit kolengestookte energiecentrales, en slakken uit thermische processen. De laatste twee typen worden niet in situ gebruikt vanwege hun verontreinigingsgraad. Organische bindmiddelen bestaan in de meeste gevallen uit thermoplasten (kunststoffen die bij temperatuurverhoging vloeibaar worden) of bepaalde typen monomeren welke in de grondmatrix gepolymeriseerd kunnen worden. De verontreinigde bodem wordt op microschaal door het polymeer omsloten, waardoor geen contact met water meer mogelijk is. De benodigde temperatuurverhoging en de eventuele toxische eigenschappen zorgen ervoor dat organische bindmiddelen alleen na ontgraving kunnen worden toegepast. Additieven worden toegevoegd om specifiek de verontreinigingen te binden door adsorptie of precipitatie. Voor het binden van organische verbindingen worden organofiele kleisoorten of alkydharsen toegepast. Voor de binding van metalen worden bijvoorbeeld ionenwisselaars of zeolieten gebruikt, terwijl voor de precipitatie van metalen waterglas, ijzerzouten of sulfides worden toegevoegd. Verder kunnen additieven worden toegepast die de vorming van de cementmatrix beïnvloeden. 4. Commerciële immobilisatietechnieken Immobilisatietechnieken worden door een groot aantal bedrijven op de markt gebracht. De kern van de apparatuur die ingezet wordt bij de on- of off-site behandeling (dus met ontgraving) bestaat uit een menginstallatie, waarin het bindmiddel/additieven-mengsel met de grond vermengd wordt. Er wordt daarbij zowel van batchgewijze als van continue mengers gebruik gemaakt. Bij in situ toepassing (dus zonder ontgraven) moet de menging zich in de bodem afspelen. Daartoe worden technieken gebruikt die gebaseerd zijn op de zogenaamde holle avegaar (een holle pijp met zijarmen die in de bodem rondgedraaid wordt, waarbij via de zijarmen het bindmiddel/ additieven-mengsel in de bodem gebracht wordt) of op VHP jet grouting (een gesloten pijp met alleen aan de onderzijde een opening, waardoor onder hoge druk (VHP = Very High Pressure) het

7 104 8 Immobilisatie van verontreinigde grond bindmiddel/additieven-mengsel wordt gespoten, dat zich vervolgens vermengd met de bodem). Met name in de Verenigde Staten en in Japan is veel ervaring opgedaan met in situ immobilisatie. De bedrijven die immobilisatietechnieken aanbieden hanteren vaak een gepatenteerd bindmiddelen/additieven-mengsel. Hierbij worden merknamen gehanteerd als IWT, Geosta, Archon, FAKMAD, Solicrete, HDT, DCR, Soliroc en Hazon. In de regel gaat het om een anorganisch bindmiddel (al dan niet afgeleid van reststoffen uit thermische processen) met specifieke additieven. 5. Normering Om vast te stellen wat het uitlooggedrag van het geïmmobiliseerde produkt is, is een aantal uitloogtesten beschikbaar. Deze uitloogtesten zijn gestandaardiseerd in de NVN 2508 (met name de kolomtest; hierbij wordt water onder bepaalde condities door met een geïmmobiliseerd produkt gevulde kolom geleid, waarna de mate van uitloging wordt gemeten) en de O-NVN 5432 (standtest). (Beide zullen op korte termijn worden vervangen door de Nederlandse normen NEN 7343/7344 (kolomtest) en NEN 7345/7346 (standtest)). Aan de hand van het uitlooggedrag van de geïmmobiliseerde grond en de concentratie aan verontreinigingen in de grond kan de verdere verwerking vastgesteld worden. Indien de concentraties in de geïmmobiliseerde grond hoger zijn dan de concentratiegrenzen zoals aangegeven in het Besluit Aanwijzing Gevaarlijke Afvalstoffen (BAGA), dan betreft het produkt een afvalstof. Afhankelijk van de uitloging kan dan worden vastgesteld in welke categorie de grond valt (C1 (sterk uitlogende) tot C4 (praktisch niet uitlogende) afvalstof) en op welke wijze de grond gedeponeerd dient te worden. Stoffen met een sterke uitloging van verontreinigingen zullen op een zorgvuldiger en daardoor duurdere wijze opgeslagen moeten worden dan stoffen met een geringe uitloging. Indien de concentraties beneden de BAGA-concentratiegrenzen gelegen zijn, kan de geïmmobiliseerde grond, bij een voldoende

8 104 9 geringe uitloging van de verontreinigingen, toegepast worden als bouwstof (bijvoorbeeld dijklichaam). De eisen die gesteld worden aan met name de uitloging van deze bouwstof zijn weergegeven in het ontwerp Bouwstoffenbesluit. Het Bouwstoffenbesluit geeft aan onder welke voorwaarden de bouwstof mag worden toegepast (boven het grondwaterniveau, bouwstof moet terugneembaar zijn, controlemaatregelen). Als de geïmmobiliseerde grond niet voldoet aan de normen uit het Bouwstoffenbesluit dan zal de geïmmobiliseerde grond als afvalstof op een stortplaats verwerkt moeten worden. 6. Toepassingen In het buitenland zijn reeds meerdere projecten gerealiseerd waarbij verontreinigde grond is geïmmobiliseerd en hergebruikt. In Nederland is het immobiliseren van verontreinigde grond die vrijkomt bij grondsanering tot op heden echter niet uitgevoerd. Dit wordt met name veroorzaakt door het overheidsbeleid, dat gericht is op het zoeken naar duurzame oplossingen voor bodemverontreinigingen. Daarbij wordt gestreefd naar het verwijderen van de verontreiniging. Immobilisatie van grondverontreinigingen is slechts een tijdelijke oplossing van het probleem, waarbij de nadruk ligt op de verlaging van het risico van de verspreiding van de verontreiniging. Er bestaat hierbij nog onvoldoende duidelijkheid over de lange-termijneffecten. Mede doordat er andere en meer doelmatige reinigingstechnieken voor verontreinigde grond voorhanden zijn, passen immobilisatietechnieken voor het wegnemen van risico s van bodemverontreiniging vooralsnog niet in het Nederlandse beleid. Er wordt in Nederland echter wel onderzoek verricht naar de toepassing van immobilisatietechnieken. Het betreft hier met name onderzoek naar de mogelijkheden tot immobilisatie van baggerspecie. Van de hoeveelheid van 50 miljoen m 3 baggerspecie die jaarlijks vrijkomt bij onderhouds- en saneringsmaatregelen is circa 7 miljoen m 3 sterk tot zeer sterk verontreinigd en kan slechts zeer moeilijk tegen hoge kosten met bestaande technieken worden gereinigd. In het ka-

9 Immobilisatie van verontreinigde grond der van een onderzoek naar verwerkingstechnieken voor verontreinigde waterbodems (POSW, Programma Ontwikkeling Saneringsprocessen Waterbodems) door Rijkswaterstaat, worden de mogelijkheden van immobilisatie voor deze afvalstroom onderzocht. Verder wordt in Nederland onderzoek verricht naar de immobilisatie van afvalstoffen, waaronder zeer sterk verontreinigde grond en grondreinigingsresidu. 7. Aanvullende informatie Staatsuitgeverij, Leidraad Bodembescherming, RIVM/TNO/TU Delft, Studie naar alternatieve fysisch/chemische en thermische reinigingstechnieken voor verontreinigde grond, Eerste selectie van technieken, november CSO, Inventariserend onderzoek naar de state of the art van immobiliseren, DBW/RIZA (deel 20, fase 1 POSW programma), TAUW Infra Consult B.V., Handbuch Immobilisierung von Schadstoffen in Altlasten, LfU Baden Württemberg, CSO, Immobilisatie van afvalstoffen: inventarisatie van kennis en beleidsaspecten, mei 1992.