PFAS-yhdisteillä pilaantuneen maaperän kunnostus paloharjoitusalueilla : case Joensuun lentoaseman paloharjoitusalue

Abstract

Per- ja polyfluoratut alkyyliyhdisteet (PFAS) ovat tuhansien yhdisteiden laaja joukko, joita yhdistää niissä olevat vahvat hiili-fluori-sidokset. Niitä käytetty lukuisissa sovelluksissa, muiden muassa palosammutusvaahdoissa johtuen niiden ominaisuuksista, jotka antavat sammutusvaahdolle hyvän kyvyn sammuttaa nestepaloja. Paloharjoitustoiminnan yhteydessä PFAS-yhdisteitä on vuosien saatossa kulkeutunut maaperään ja pohjaveteen. Ongelmallisia PFAS-yhdisteet ovat niiden aiheuttamien terveysriskien ja pysyvyyden vuoksi.

Tässä työssä selvitettiin kirjallisuuden avulla, millaisia PFAS-yhdisteitä paloharjoitusalueilla esiintyy. Yhdisteistä selvitettiin niiden rakennetta ja ominaisuuksia, ympäristö- ja terveysriskejä, kulkeutumista ja hajoamista. Kirjallisuuden avulla selvitettiin maaperän kunnostusmenetelmiä, joilla on mahdollista kunnostaa PFAS-yhdisteitä maaperästä. Tässä työssä tapaustutkimuksen kohteena tarkasteltiin Joensuun lentoaseman paloharjoitusaluetta. Kohteelle tuotettiin teknistaloudellisen vertailun kautta parhaat kunnostusvaihtoehdot. Massanvaihto oli rajattu menetelmistä pois.

Palosammutusvaahdoissa on käytetty useita eri PFAS-yhdisteitä, mutta erityisen useasti PFOS:a ja PFHxS:a. Niiden on havaittu kertyvän eliöissä vereen ja elimiin, sekä aiheuttavan negatiivisia terveysvaikutuksia ihmisillä. Sammutusvaahtojen käytön seurauksena niitä on päätynyt maaperään ja edelleen pohjaveteen. Harjoitusalueilla esiintyvät PFAS-yhdisteet tai niiden hajoamistuotteina syntyvät PFAS-yhdisteet ovat kemiallisesti stabiileja ja luonnossa hyvin pysyviä. Ne voivat kuitenkin hajota korkeissa lämpötiloissa tai kemiallisissa radikaalireaktioissa.

PFAS-yhdisteillä saastuneiden maiden kunnostamiseksi on kehitetty menetelmiä, joista monet, kuten mekaaniskemiallinen kuulamyllyllä jauhaminen tai terminen menetelmä kydötys, ovat vielä varhaisessa tutkimusvaiheessa ja siten epävarmoja teknologioita. Kypsyytensä ja kunnostustehokkuutensa puolesta työssä nousivat esille menetelmistä terminen desorptio, poltto korkeissa lämpötiloissa sekä maan pesu. Näiden toimintaperiaatetta, ominaisuuksia ja toiminnallisuutta tarkasteltiin ja vertailtiin kirjallisuuslähteiden avulla tarkemmin.

Tarkasteltiin tapaustutkimuksen kohteena ollutta Joensuun lentoaseman paloharjoitusaluetta, alueen maaperää sekä siellä aiemmin tehtyjä tutkimuksia PFAS-yhdisteiden esiintyvyydestä. Kävi ilmi, että PFAS-yhdisteistä eniten alueella esiintyy PFOS:a. Selvitettiin kunnostusmenetelmän valintaan vaikuttavia tekijöitä, joita olivat mm. kunnostusprojektin laajuus, pystytäänkö menetelmillä kunnostamaan alue tavoitetasoon, menetelmien kypsyys, hinta ja sekä menetelmien kesto. Kunnostusprojekti osoittautui suureksi vertailtuna Suomessa toteutettuihin maankunnostusprojekteihin. Selvityksen perusteella suoritettiin pisteytysanalyysi, jossa pisteytettäviksi kriteereiksi valittiin menetelmän kypsyys, hinta, kesto ja jäännösjakeiden loppukäsittelyn tarve ja määrä.

Analysoituja menetelmiä olivat maan pesu on-site-, ja ex-situ-toteutuksina sekä terminen desorptio in-situ-, on-site- ja ex-situ-toteutuksina. Poltto korkeissa lämpötiloissa maa-ainesten kunnostamiseksi hylättiin sen korkeiden kustannuksien vuoksi. Sen sijaan sillä arvioitiin voitavan loppukäsitellä menetelmissä syntyvät jäännösjakeet. Menetelmistä valikoitui parhaaksi pisteytysanalyysin pohjalta maan pesu on-site-kunnostuksena. Se osoittautui analyysin pohjalta tapaustutkimuksen kohteeseen teknistaloudelliselta kannalta parhaaksi kunnostusmenetelmäksi.

Tulosten arvioitiin olevan yleistettävissä myös muihin vastaaviin tapauksiin Suomessa. Loppukäsiteltävien jakeiden määrä voi vaihdella alueen maalajista ja pilaantuneisuudesta riippuen.

Per- and polyfluoroalkyl substances (PFAS) are a large group of thousands of compounds characterized by strong carbon-fluorine bonds. They have been used in many applications, including fire fighting foams, due to their properties that give the foam excellent ability to extinguish liquid fires. During firefighting training activities, PFAS compounds have over the years migrated into the soil and groundwater. PFAS compounds are problematic because of health risks they pose and their persistence in the environment.

In this thesis, a literature review was concluded to determine what types of PFAS compounds occur at fire training areas. The study examined their structures and properties, environmental and health risks, migration and degradation. The literature review also explored soil remediation methods capable of removing PFAS compounds from soil. The case study focused on the fire training area of Joensuu airport. Through a technical and economic comparison, the most suitable remediation options for the site were identified. The soil replacement as a method was excluded from consideration.

Several different PFAS compounds have been used in firefighting foams, particularly PFOS and PFHxS. These substances have been observed to accumulate in the blood and organs of organisms and to cause negative health effects in humans. As a result of use of the firefighting foams, they have entered the soil and subsequently the groundwater. PFAS compounds and their degradation products present at training areas are chemically stable and highly persistant in the environment. However, they can degrade at high temperatures or through chemical radical reactions.

Several methods have been developed for remediating PFAS-contaminated soils, many of which, such as mechanochemical grinding using a ball mill or thermal treatment smouldering, are still in the early stages of research and therefore remain uncertain technologies. Based on their maturity and remediation efficiency, thermal desorption, high-temperature incineration and soil washing were identified as the most promising methods. Their principles, properties and functionality were examined and compared in more detail through literary sources.

Joensuu airport training area, its soil characteristics and previous studies on the occurence on PFAS compounds there were analyzed. It was found that PFOS is the most prevalent PFAS-compound at the site. Factors influencing the selection of the remediation method were identified, including the scope of the remediation project, the ability of the methods to meet the target cleanup levels, their maturity, cost, and duration. The project was found to be large compared to soil remediation projects carried out in Finland. Based on the review, a scoring analysis was carried out, using the following evaluation criteria: method maturity, cost, duration, and the need and quantity of residual waste treatment.

The analyzed methods included soil washing (on-site and ex-situ) and thermal desorption (in-situ, on-site, and ex-situ). High-temperature incineration of soil was excluded due to its high costs, but it was considered suitable for the final treatment of residual materials produced by other methods. Based on the scoring analysis, on-site soil washing was selected as the best remediation method. It was found to be the most technically and economically feasible method for the case study site.

The results were considered to be generalizable to other similar cases in Finland. However, the amount of residual material requiring final treatment may vary depending on the soil type and the level of contamination in the area.