Kaatopaikan pintarakenteiden liukoisuusprosessit ja vesitase
Ali-Tolppa, Juho (2021)
2021
Ympäristö- ja energiatekniikan DI-ohjelma - Programme in Environmental and Energy Engineering
Tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunta - Faculty of Engineering and Natural Sciences
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2021-12-15
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202112149220
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202112149220
Tiivistelmä
Kiertotalousajattelu on keskeinen osa kaatopaikkarakentamista. Kaatopaikan pintarakenteissa on mahdollista hyötykäyttää ympäristökelpoisuuden täyttäviä ja teknisesti soveltuvia jätemateriaaleja. Kaatopaikan pintarakenteella pyritään estämään likaisen suotoveden muodostumista ja haitta-aineiden ja kaatopaikkakaasujen kulkeutumista ympäristöön. Käsitellyn jätteenpolton pohjakuonan soveltuvuutta pintarakenteisiin on tutkittu, koska pohjakuonan saatavuus on kasvanut jätteenpolton lisääntyessä ja pintarakenteissa käytetyt massamäärät ovat suuria. Kaatopaikan pintarakenteen toiminnan tehokkuutta voidaan tutkia vesitaseella, joka koostuu tulevista sekä poistuvista vesimääristä ja vesivaraston muutoksesta.
Tässä diplomityössä tutkittiin Ämmässuon jätteenkäsittelykeskuksen alueella sijaitsevien koepintarakenteiden vesitaseita ja pintarakenteiden rakennekerroksissa käytettyjen jätteenpolton pohjakuonan ja Helsinki-moreenin liukoisuusprosesseja. Kaatopaikan pintarakenteen toiminnan tehokkuutta voidaan tutkia vesitaseella, joka koostuu tulevista sekä poistuvista vesimääristä ja vesivaraston muutoksesta. Koerakenteiden vesitaseita seurattiin 29.1.-30.6.2021. Koerakenteista purkautuvien vesien laatua tutkittiin mittakaivoista kenttämittauksilla ja vesinäytteiden laboratorioanalyyseillä sekä jatkuvatoimisilla antureilla. Koerakenteiden rakennekerroksista purkautuvia vesimääriä seurattiin Luode Consultingin tuottaman virtaamadatan avulla. Lisäksi koerakenteiden rakennekerroksien lämpötila-, johtokyky- ja maankosteusarvoja seurattiin rakennekerroksiin asennettujen antureiden avulla. Veden laadullisessa analysoinnissa keskityttiin erityisesti pH:n ja johtokyvyn tarkasteluun ja liukenevien kloridien, sulfaattien ja tiettyjen raskasmetallien analysoimiseen. Tulosten perusteella arvioitiin koerakenteiden toimintaa ja koerakenteiden rakennekerroksien materiaalien liukoisuuskäyttäytymistä.
Vesitasetuloksien perusteella VNa 331/2013:n periaatteiden mukaisesti rakennetut ohennetut koerakenteet A.2 ja A.1 estivät tehokkaimmin veden suotautumista koerakenteen läpi tarkkailujakson aikana. Koerakenteessa A.2 on 0,5 metrin paksuinen tiivistyskerros kuonabentoniitista ja koerakenteessa A.1 bentoniittimatto. Koerakenteiden A.2 ja A.1 läpi suotautui tarkkailujaksolla noin 15 ja 20 % sadannasta. Kapillaarieristeestä eli koerakenteesta B.2 suotautui noin 73 % sadannasta.
Veden laadullisten tuloksien perusteella jätteenpolton pohjakuonasta liukenee ja kulkeutuu kloridia, sulfaattia ja joitakin raskasmetalleja. Sähkönjohtavuus on pääsääntöisesti selvästi laskenut kuonakerroksista purkautuvassa vedessä. Tulosten perusteella karkearakeisesta jätteenpolton kuonasta liukenevat pitoisuudet ovat pääsääntöisesti pienempiä kuin hienorakeisesta kuonasta liukenevat pitoisuudet, mikä korreloi liukoisuuskokeiden tulosten kanssa. Lämpötilatuloksien perusteella koerakenteiden tiivistyskerrokset eivät ole jäätyneet koko seurantajakson aikana edes ohennetun pintakerroksen alla, vaikka kuivatuskerroksena on käytetty ohutta salaojamattoa.
Tutkimustuloksien perusteella laadittiin suunnitelma mittakaivojen veden laadullisten instrumentointien uudelleenjärjestelyistä, vesinäytteenoton jatkosta ja koerakenteen U.1 vesien johtamisrakenteiden tarkastamisesta ja korjaamisesta. Johtokyky osoittautui tulosten perusteella luotettavaksi ympäristövaikutuksia kuvaavaksi parametriksi, koska jatkuvan instrumentoinnin ja kenttä- ja laboratoriomittauksien tulokset olivat pääsääntöisesti yhteneviä. Pintarakenteista purkautuvien vesien laadullista seurantaa jatketaan. Circular economy is a focal point of landfill construction. In landfill cappings it is possible to utilize environmentally compatible and technically suitable waste materials. The purpose of a landfill capping is trying to prevent the formation of landfill leachate and the migration of the contaminants and landfill gas to environment. The volume of materials needed for landfill capping is high. The efficiency of landfill capping’s performance can be studied based on the water balance which consists of input and output water and the change of the water storage.
The availability of treated municipal solid waste incineration bottom ash (MSWI BA) has been increasing in Finland because the landfilling of waste has been replaced by waste incineration. Suitability of treated MSWI BA as a landfill capping material has been studied.
In this study, water balances of landfill capping systems built in Ämmässuo eco-industrial centre were studied, as well as the solubility processes of MSWI BA and so called “Helsinki-moraine” (i.e. surplus soil containing minor pieces of mineral construction waste) used in cover structures, were studied. The water balances of the landfill capping systems were monitored during 29.1.2021–30.6.2021. Quality of discharging water from landfill capping systems were examined from wells by 3 water sampling rounds and 6 in situ -measuring visits and through continuous measuring sensors installed into the structures and 3 wells. In addition, the temperature, conductivity and soil moisture values of the structural layers of the landfill capping systems were monitored by sensors installed in the structural layers. The qualitative analysis of water focused especially on pH and conductivity and the analysis of soluble chlorides, sulphates and certain heavy metals. Based on the results, the functionality of the landfill capping systems and the solubility behavior of materials used in structural layers were evaluated
According to the water balance results, the capping systems constructed in accordance with the principles of Government Decree on Landfills (331/2013) (A.2 and A.1) prevented filtration through the landfill capping the most efficiently during the monitoring period. The sealing layer in A.2 was constructed of fine-grained MSWI BA enriched by a polymer enhanced bentonite and in A.1 a geosynthetic clay liner was used. About 15 and 20 per cent of the cumulative precipitation seeped through the capping systems A.2 and A.1, respectively, during the monitoring period. The majority of the discharged water, ca. 73 per cent, seeped through the capping system B.2, which was a capillary barrier system built from various MSWI BA fractions.
Based on the quality of the water, salts, such as chloride and sulphate, and some heavy metals are dissolving and migrating from MSWI BA. However, conductivity has been decreasing since the construction phase in the water discharged from layers containing MSWI BA. Based on the results, the dissolving concentrations from coarse MSWI BA are mainly lower than the dissolving concentrations of fine-grained MSWI BA. Based on the temperature results in the structural layers, the sealing layers did not freeze, even though the drainage layer was thin drainage geocomposite.
Based on the findings, a proposal was made to reorganize the qualitative instrumentations of the wells connected to the capping systems, continue the water sampling and field water quality measurements, check and repair the water management and collection of the capping system U.1. Based on the results, conductivity proved to be a reliable measurable parameter representing the environmental loading, because the continuous instrumentation results, in situ – water quality results and laboratory analyses were generally consistent.
Tässä diplomityössä tutkittiin Ämmässuon jätteenkäsittelykeskuksen alueella sijaitsevien koepintarakenteiden vesitaseita ja pintarakenteiden rakennekerroksissa käytettyjen jätteenpolton pohjakuonan ja Helsinki-moreenin liukoisuusprosesseja. Kaatopaikan pintarakenteen toiminnan tehokkuutta voidaan tutkia vesitaseella, joka koostuu tulevista sekä poistuvista vesimääristä ja vesivaraston muutoksesta. Koerakenteiden vesitaseita seurattiin 29.1.-30.6.2021. Koerakenteista purkautuvien vesien laatua tutkittiin mittakaivoista kenttämittauksilla ja vesinäytteiden laboratorioanalyyseillä sekä jatkuvatoimisilla antureilla. Koerakenteiden rakennekerroksista purkautuvia vesimääriä seurattiin Luode Consultingin tuottaman virtaamadatan avulla. Lisäksi koerakenteiden rakennekerroksien lämpötila-, johtokyky- ja maankosteusarvoja seurattiin rakennekerroksiin asennettujen antureiden avulla. Veden laadullisessa analysoinnissa keskityttiin erityisesti pH:n ja johtokyvyn tarkasteluun ja liukenevien kloridien, sulfaattien ja tiettyjen raskasmetallien analysoimiseen. Tulosten perusteella arvioitiin koerakenteiden toimintaa ja koerakenteiden rakennekerroksien materiaalien liukoisuuskäyttäytymistä.
Vesitasetuloksien perusteella VNa 331/2013:n periaatteiden mukaisesti rakennetut ohennetut koerakenteet A.2 ja A.1 estivät tehokkaimmin veden suotautumista koerakenteen läpi tarkkailujakson aikana. Koerakenteessa A.2 on 0,5 metrin paksuinen tiivistyskerros kuonabentoniitista ja koerakenteessa A.1 bentoniittimatto. Koerakenteiden A.2 ja A.1 läpi suotautui tarkkailujaksolla noin 15 ja 20 % sadannasta. Kapillaarieristeestä eli koerakenteesta B.2 suotautui noin 73 % sadannasta.
Veden laadullisten tuloksien perusteella jätteenpolton pohjakuonasta liukenee ja kulkeutuu kloridia, sulfaattia ja joitakin raskasmetalleja. Sähkönjohtavuus on pääsääntöisesti selvästi laskenut kuonakerroksista purkautuvassa vedessä. Tulosten perusteella karkearakeisesta jätteenpolton kuonasta liukenevat pitoisuudet ovat pääsääntöisesti pienempiä kuin hienorakeisesta kuonasta liukenevat pitoisuudet, mikä korreloi liukoisuuskokeiden tulosten kanssa. Lämpötilatuloksien perusteella koerakenteiden tiivistyskerrokset eivät ole jäätyneet koko seurantajakson aikana edes ohennetun pintakerroksen alla, vaikka kuivatuskerroksena on käytetty ohutta salaojamattoa.
Tutkimustuloksien perusteella laadittiin suunnitelma mittakaivojen veden laadullisten instrumentointien uudelleenjärjestelyistä, vesinäytteenoton jatkosta ja koerakenteen U.1 vesien johtamisrakenteiden tarkastamisesta ja korjaamisesta. Johtokyky osoittautui tulosten perusteella luotettavaksi ympäristövaikutuksia kuvaavaksi parametriksi, koska jatkuvan instrumentoinnin ja kenttä- ja laboratoriomittauksien tulokset olivat pääsääntöisesti yhteneviä. Pintarakenteista purkautuvien vesien laadullista seurantaa jatketaan.
The availability of treated municipal solid waste incineration bottom ash (MSWI BA) has been increasing in Finland because the landfilling of waste has been replaced by waste incineration. Suitability of treated MSWI BA as a landfill capping material has been studied.
In this study, water balances of landfill capping systems built in Ämmässuo eco-industrial centre were studied, as well as the solubility processes of MSWI BA and so called “Helsinki-moraine” (i.e. surplus soil containing minor pieces of mineral construction waste) used in cover structures, were studied. The water balances of the landfill capping systems were monitored during 29.1.2021–30.6.2021. Quality of discharging water from landfill capping systems were examined from wells by 3 water sampling rounds and 6 in situ -measuring visits and through continuous measuring sensors installed into the structures and 3 wells. In addition, the temperature, conductivity and soil moisture values of the structural layers of the landfill capping systems were monitored by sensors installed in the structural layers. The qualitative analysis of water focused especially on pH and conductivity and the analysis of soluble chlorides, sulphates and certain heavy metals. Based on the results, the functionality of the landfill capping systems and the solubility behavior of materials used in structural layers were evaluated
According to the water balance results, the capping systems constructed in accordance with the principles of Government Decree on Landfills (331/2013) (A.2 and A.1) prevented filtration through the landfill capping the most efficiently during the monitoring period. The sealing layer in A.2 was constructed of fine-grained MSWI BA enriched by a polymer enhanced bentonite and in A.1 a geosynthetic clay liner was used. About 15 and 20 per cent of the cumulative precipitation seeped through the capping systems A.2 and A.1, respectively, during the monitoring period. The majority of the discharged water, ca. 73 per cent, seeped through the capping system B.2, which was a capillary barrier system built from various MSWI BA fractions.
Based on the quality of the water, salts, such as chloride and sulphate, and some heavy metals are dissolving and migrating from MSWI BA. However, conductivity has been decreasing since the construction phase in the water discharged from layers containing MSWI BA. Based on the results, the dissolving concentrations from coarse MSWI BA are mainly lower than the dissolving concentrations of fine-grained MSWI BA. Based on the temperature results in the structural layers, the sealing layers did not freeze, even though the drainage layer was thin drainage geocomposite.
Based on the findings, a proposal was made to reorganize the qualitative instrumentations of the wells connected to the capping systems, continue the water sampling and field water quality measurements, check and repair the water management and collection of the capping system U.1. Based on the results, conductivity proved to be a reliable measurable parameter representing the environmental loading, because the continuous instrumentation results, in situ – water quality results and laboratory analyses were generally consistent.