Fytoremediering - Danske forsøgsoprensninger og international litteraturgennemgang.
2 Erfaringer med fytoremediering fra danske feltforsøg
2.1 Introduktion
I perioden 1999 til primo 2006 har Miljøstyrelsen, i samarbejde med Frederiksborg Amt, Københavns Kommune og Oliebranchens Miljøpulje, gennemført feltforsøg med fytoremediering på tre forskellige forurenede lokaliteter på Sjælland. Formålet med forsøgene var at tilvejebringe et videngrundlag for anvendelse af pil og poppel på lokaliteter forurenet med olie og tjærestoffer, herunder:
- at undersøge beplantningens betydning for nedbrydningen af olie og PAH i jorden,
- at undersøge hvor lave slutkoncentrationer af olie og PAH, der kan opnås ved beplantningen,
- at undersøge, hvorledes det hydrologiske kredsløb påvirkes af beplantninger
- at dokumentere anlægs- og driftsomkostninger for en planteassisteret oprensningsteknologi, og
- at bestemme tidsbehovet for en planteassisteret oprensningsteknologi.
De udvalgte lokaliteter indeholdt tilsammen følgende forureningskomponenter: olieprodukter (herunder BTEX), tjærestoffer (PAHer, NSO-forbindelser), phenoler, tungmetaller (Cu, Zn, Cd, Pb, Hg, Cr, Ni) og slamrelaterede stoffer (DEHP, NPE og LAS) i 2 til 6 meters dybde under terræn. Detaljerne af de tre enkelte projekter fremgår af de enkelte slutrapporter, der er udarbejdet af de konsulentfirmaer, som stod for udførelsen af projekterne, med Danmarks Miljøundersøgelser som faglig sekretær. Disse rapporter udkommer samtidig med denne rapport i den samme rapportrække fra Miljøstyrelsen (Miljøstyrelsen 2009a; 2009b; 2009c).
Danmarks Miljøundersøgelser fremlægger herved resumé’er af de tre projekter, og en samlet konklusion.
2.2 Resumé af de tre feltforsøg
Overordnet blev det observeret på alle tre lokaliteter, at etablering af vegetationen varede omkring 3 vækstsæsoner, altså indtil efteråret 2002. På alle lokaliteter var der problemer med, at nogle af træerne gik ud under den første sæson, hvilket skyldtes delvis utilstrækkelig lugning, delvis overgødskning og delvis utilstrækkelige vækstforhold som eks. mangel på vand tidligt på sommeren. Især poppel var følsom overfor utilstrækkelig pasning i den første vækstsæson.
På to af de tre lokaliteter blev træerne analyseret for indholdet af giftstoffer. Det viste sig, at de overjordiske plantematerialer ikke indeholdt toksiske organiske stoffer. Dog var der på en af lokaliteterne en mistanke om toksicitet ved tungmetalforureninger, især Cd.
2.2.1 Feltforsøg i Vassingerød
Grunden, som er et nedlagt asfaltværk, blev i 1999 tilplantet med pile- og poppeltræer i rækker med 1 m’s afstand og 0,5 m imellem planterne. Udgifterne til anlæg, nødvendig genbeplantning, lugning og gødskning er opgjort til kr. 121.000 ekskl. moms for et beplantet areal på 3500 m² over en periode på 6 år.
Figur 1: Situationsplan af det nedlagte asfaltværk i Vassingerød
Ved projektets påbegyndelse var grunden forurenet med hovedsageligt dieselolie i et område på grundens nordlige del, og tjærekomponenter (PAHer) i et område på grundens sydlige del. Under projektets forløb blev jordforureningen målt ved hjælp af jordbundsundersøgelser i to hot spots (områder med særlig høj forurening) i henholdsvis grundens nordlige og sydlige del. Dieselforureningen blev således fundet i koncentrationer på op til 1.600 mg/kg tørstof (TS) i ca. 1,5-2 m dybde, og tjæreforureningen i koncentrationer på op til knapt 2.000 mg/kg i ca. 2 m dybde. Diesel- og tjæreforureningen blev dog konstateret i mindre koncentrationer ned til 5-6 m dybde. Desuden blev grundens forureningsniveau moniteret ved hyppigere målinger i det terrænnære grundvand (2-5 m dybde). Her blev der påvist et stærkt varierende indhold af PAH, kulbrinte, BTEX og phenoler. Tillige blev der målt grundvandskemiske parametre i det terrænnære grundvand. Mens de sidste jordprøver blev taget primo 2006, sluttede grundvandsmoniteringen allerede i december 2004.
Udviklingen i de grundvandskemiske parametre indikerer tiltagende biologisk aktivitet efter vegetationens etablering, og en udvikling imod mindre reducerede forhold i det terrænnære grundvand.
Resultaterne af jordanalyserne viser, at det, med den meget heterogent fordelte jordforurening på lokaliteten, ikke er muligt at få et billede af udviklingen i forureningen over tid ved at udføre gentagne prøvetagninger indenfor små afstande. Alene på basis af jordanalyserne kan en positiv effekt af beplantning på nedbrydning af forureningerne tjærestoffer og kulbrinter ikke dokumenteres.
Der blev desuden set store udsving over tid i koncentrationerne af forureningskomponenter i det terrænnære grundvand. Fra december 2002 (altså fra tidspunktet da vegetationen var etableret) til december 2004 var der dog mindre udsving og gennemgående nedadvisende tendenser i de fleste parametre. Desværre var budgettet for vandanalyser herefter brugt op, og vandmoniteringsprogrammet stoppede derfor. Danmarks Miljøundersøgelser vurderer, at der i det terrænnære grundvand overordnet over hele moniteringsperioden (2000-2004) er sket et fald i koncentrationerne af phenoler, BTEXer og naphthalen. Desuden er der sket et fald i koncentrationerne af kulbrinter og NSO-forbindelser mellem 2002 og 2004.
Pga. variationerne har det dog ikke været muligt at beregne nedbrydningshastigheder. Der vurderes ikke at være sket et fald i koncentrationerne af PAHer (bortset fra naphthalen). Idet grunden ikke viser tegn på et egentligt sekundært grundvandsmagasin, afspejler forureningen, der blev målt i det terrænnære grundvand, den del af forureningen, som løbende afgives af den umiddelbart omkringliggende jord til vandfasen. Idet målingerne viser en faldende tendens i vandfasen, men ikke i jordmatricen (som er kilden for forureningen i vandfasen), peger resultaterne på nedbrydning af forureningerne i vandfasen ved lav, men stigende hastighed. Dette overensstemmer med overvejelserne om nedbrydning af den frit tilgængelige fraktion af forureningen, som bl.a. er fremlagt i afsnit 1.5.
Det er usikkert, om nedbrydningen i grundvandet skyldes beplantning af grunden, eller om den ville være forekommet uden beplantning pga. naturlig nedbrydning. Den tiltagende tendens af nedbrydningen efter 2002 peger dog på en effekt af beplantningen.
De senest udførte jordanalyser viser desuden, at jorden stadig er forurenet med kulbrinter og tjærekomponenter i koncentrationer, der væsentligt overstiger Miljøstyrelsens kvalitetskriterier for ren jord. Det konkluderes derfor, at tidshorisonten på 6 år langt fra er nok til en plantebaseret oprensning af lokaliteten.
2.2.2 Feltforsøg i Axelved
Den forurenede lokalitet, en nedlagt tankstation, består af to grunde, én vest for vejen (lavt forurenet med diesel) og én øst for vejen (højt forurenet med diesel, benzin og BTEX). På begge grunde ligger forureningen i omkring 1,25 m dybde. Begge sider blev i 1999 tilplantet med piletræer.
Figur 2: Situationsplan af den nedlagte tankstation Axelved.
Vandspejlet var fluktuerende og lå ved 1,7 m under terræn om sommeren og hen til starten af oktober og mellem 0 og 0,25 m undre terræn om vinteren, hvilket medførte, at det sekundære grundvand bliver forurenet ved periodisk optagelse af forureninger fra jorden. På østsiden blev der observeret fri fase af diesel og tilsvarende en mobil fase af kulbrinter i det sekundære grundvand.
For at undersøge virkningen af beplantningen på nedbrydningen blev forureningen i det sekundære grundvand målt under projektets forløb. Denne form for monitering er mulig, fordi jorden løbende afgiver en mindre fraktion af forureningen til det omgivende vand. Måleresultaterne viser, at vandkoncentrationerne aftog i områder med højest koncentration på vestsiden fra omkring 40 til omkring 0,3 mg/L fra 1999 – 2001 for derefter at forblive stabile på omkring 0,3 mg/L fra 2001 til projektets afslutning i december 2005. De tilsvarende koncentrationsforløb i områder med højest koncentration på østsiden var fra omkring 600 til omkring 5 mg/L fra 2000 – 2002 med ligeledes stabile værdier omkring 5 mg/L fra 2002 til december 2005. På østsiden er tolkning af vandkoncentrationer mere komplicerede pga. fri fase i jord og vand.
For yderligere at dokumentere virkningen af beplantningen på nedbrydningen blev forureningen dokumenteret ved at analysere jordprøver ved starten og ved afslutningen af projektet. Det viste sig, at den observerede reduktion af vandkoncentrationer er relateret til en parallel reduktion af jordkoncentrationerne på begge sider. Således viste modelberegningerne på basis af jordanalyser, at koncentrationen af kulbrinter i områder med højest koncentration på vestsiden blev reduceret med omkring 2000 mg/kg fra 1999 – 2005, og i områder med højest koncentration på østsiden med omkring 30.000 mg/kg fra 1999 – 2005.
På basis af jordanalyser er det muligt at beregne den samlede reduktion af jordens indhold af kulbrinter. På den vestlige del af området, hvor den samlede forureningsmasse oprindeligt vurderedes til ca. 270 kg kulbrinter, viser beregninger en reduktion på omkring 50 % i perioden 2001-2005. Beregningerne gælder for området med højets koncentration på vestsiden, som har en størrelse på omkring 60 kvadratmeter. Nedbrydningen på vestsiden beregnes altså til omkring 2 kg per kvadratmeter. På den østlige del vurderedes den oprindelige forurening at udgøre ca. 2.700 kg kulbrinter koncentreret i en område med høj koncentration. I dette område blev forureningsmassen i 2005 beregnet til omkring 1000 kg. Resultaterne tyder dog på, at en væsentlig del af denne reduktion skyldes udbredelse af forureningen over et større areal på i alt 120 kvadratmeter, altså en fortyndingseffekt området. Beregning af den samlede masse af restforurening på hele østsiden er derfor behæftet med stor usikkerhed. Den samlede nedbrydning på hele østsiden anslås dog at ligge på omkring 100 kg total kulbrinter, dvs. omkring 1 kg per kvadratmeter. Med andre ord ligger størrelsesordenen af nedbrydningen på begge sider af den forurenede lokalitet ifølge et forsigtigt skøn på omkring 1-2 kg total kulbrinter per kvadratmeter i perioden 2001-2005.
De til enhver tid målte vandkoncentrationer er et resultat af to processer med modsat virkning: løbende frigivelse af en mindre del af jordforurening til vandet, og nedbrydning af forureningen i vandet. Frigivelsesraten må anses at være kemisk bestemt og begrænset af termodynamiske forhold, herunder koncentrationsgradienten mellem jord og vand. Til gengæld er nedbrydningsraten begrænset af bakteriel aktivitet og tilstedeværelse af elektronacceptorer (f.eks. ilt eller nitrat). Kraftig reduktion af vandkoncentrationerne indikerer således ikke umiddelbart en reduktion af jordkoncentrationer, men en forøgelse af nedbrydningsrater. Idet reduktionen af vandkoncentrationerne skete sideløbende med etableringen af vegetation i årene 1999-2002, viser projektets resultater, at vegetationen har bidraget væsentligt til nedbrydning af forureningerne på begge grunde, f.eks. ved at hjælpe med at forbedre jordens bakterielle aktivitet eller ved at tilføje ilt til jorden. Det kan dog ikke udelukkes, at anvendelse af store mængder hønsegødning inden plantningen i foråret 1999 har bidraget til den accelererede nedbrydning i 2000-2001. I 1999 blev der målt høje nitratkoncentrationer i vandet med faldende tendens i 2000-2001. Nitrat kan fungere som elektronacceptor for bakteriel nedbrydning af kulbrinter under iltbegrænsede forhold, og tilførsel af nitrat til dieselforurenet grundvand er adskillige gange blevet påvist som en effektiv afværgemetode. Idet nitratkoncentrationerne var gennemgående lave efter 2001 (svarende til, at der ikke mere blev gødet), mens kulbrintekoncentrationerne forblev på lavt niveau i vandet fra 2001-2005, og jordkoncentrationerne var aftagende i hele projektets forløb fra 1999-2005, kan nedbrydningen af kulbrinter kun i starten tilskrives gødningens effekt.
Disse konklusioner er i overensstemmelse med resultaterne af modelberegninger, der blev gennemført ved projektets påbegyndelse. Disse modelberegninger konkluderede, at den begrænsende faktor for nedbrydningen vil være levering af elektronacceptorer til de nedbrydende bakterier, f.eks. ved diffusion af ilt til områder med høje koncentrationer, der ligger under det sekundære grundvandsspejl (Larsen et al 2001). De grundvandskemiske undersøgelser bekræfter denne forudsigelse, idet der under hele projektet blev målt reducerende forhold i områder med høje koncentrationer på østsiden, men kun dér, altså i det område hvor frigivelsesraten af kulbrinter fra jord til vand vil være højest. Reducerende forhold i jord opstår ved løbende bakterielt forbrug af den iltmængde, der tilføjes jorden ved diffusion gennem jordporer og planterødder. Iltforbruget er således højest dér, hvor frigivelse af kulbrinter til bakterierne foregår ved højest hastighed, hvilket er tilfældet ved tilstedeværelse af fri fase.
Konklusionerne bliver støttet af de fortløbende (1999 – 2005) aftagende toluenkoncentrationer, der er blevet målt i vandet på østsiden. Toluen er blevet fjernet, mens benzen (et stof med højere vandopløselighed) er forblevet konstant, hvilket udelukker, at fjernelse af toluen skyldes udvaskning. Faktisk viser toluen i områder med høje koncentrationer på østsiden, som den eneste forureningskomponent på hele lokaliteten, et eksponentielt aftagende koncentrationsforløb. Toluen er relativt let nedbrydelig for jordbakterier, forudsat at der er en elektronacceptor tilstede. Nedbrydningkurvens form taler for, at nedbrydningen skyldes bakteriel aktivitet, og at beplantning af arealet har bevirket, at denne bakterielle aktivitet er blevet sat i gang.
Med de foreliggende resultater er det ikke muligt at forudsige med sikkerhed, hvornår jorden på denne lokalitet bliver oprenset ved den nuværende behandlingsmetode. Et forsigtigt skøn, baseret på en fjernelsesrate på 1 kg kulbrinter per kvadratmeter i 5 år, er dog, at vestsiden vil være forureningsfri omkring 5 år efter projektets afslutning i 2005, altså ultimo 2010. På østsiden, hvor der i alt var omkring 2600 kg tilbage i december 2005 (fordelt over 120 kvadratmeter), vil der gå omkring 108 år. Perioden vil kunne blive forkortet på østsiden ved tilførsel af nitrat til området med høje koncentrationer, og hvis området med høje koncentrationer vil fortynde sig over et endnu større areal end de i 2005 påviste 120 kvadratmeter.
2.2.3 Feltforsøg i Valby slambassin
Et tidligere slambassin, tilhørende renseanlægget i Valbyparken, var blevet fyldt op med afvandet renseslam, som herefter blev omdannet til organisk jord. Jorden er pga. sin oprindelse forurenet med tungmetaller (Cu, Zn, Cd, Pb, Hg, Cr, Ni), kulbrinter, tjærestoffer (PAH) og slamrelaterede stoffer (DEHP, NPE og LAS). Mens overfladejorden er aerob og rig på næringsstoffer, er underjorden stærkt anaerob med metandannelse.
Forsøget blev anlagt ved at opdele slambassinets overflade i tre ensartede arealer, ét som kontrol (uden beplantning), ét beplantet med poppel og ét beplantet med pil. Blandt de vigtigste resultater var følgende.
Gennemsnitskoncentrationen af total-kulbrinter i jorden er faldet signifikant i de to plantefelter (50 til 55 % til omkring 1600 mg/kg TS) i forhold til kontrollen (ca. 20 % til omkring 2200 mg/kg TS). Dette indikerer, at beplantningen har øget fjernelsen af kulbrinter fra jorden. Der var ikke signifikant forskel mellem pil og poppel.
Tjærestofkoncentrationer (sum af 16 PAHer) i jorden blev ikke forandret som effekt af beplantningen og lå ved projektets afslutning på mellem 6 og 11 mg/kg TS.
For de slamrelaterede stoffer (DEHP, NPE og LAS) ses der heller ingen entydig effekt af træbeplantningen i forhold til kontrollen.
Jordens næringsstofindhold var generelt højest i kontrolarealet, hvilket demonstrerer, at træerne under vækst forbruger næringsstofferne i jorden.
I begge beplantede arealer fandtes større rodtæthed og dermed rodudvikling i den aerobe zone end i den anaerobe zone. Samtidigt sås der en langsom, men sikker udvikling af dybden af den aerobe zone, ligesom der skete en stigende rodudvikling også i den anaerobe zone fra år til år.
Figur 3: Skitse over forsøgsarealet i det nedlagte slambassin i Valbyparken.
Forureningen af grundvandet fra alle 3 arealer med mellemtunge kulbrinteforbindelser (C10-C25) viste ingen umiddelbar effekt af beplantningen. Jordvæskeprøver taget i niveau med træernes rodnet viste heller ikke forskelle mellem beplantede og kontrol-arealer.
Træernes optag af de undersøgte forureningskomponenter var lavt eller ikke målbart, hvilket betyder, at planternes optag ikke vil bidrage til en væsentlig reduktion i jordens indhold af de forurenende stoffer. Dog vil især pil optage cadmium (og til dels zink) i et omfang, der ideelt set vil kunne føre til en reduktion af cadmiumindholdet til under kvalitetskriteriet i løbet af i størrelsesordenen 30 år.
Det er endvidere vist, at høje tungmetalkoncentrationer i jorden, især Cu, vil have en hæmmende effekt på udviklingen af pile- og poppeltræer.
Desuden blev det observeret, at de strengt anaerobe forhold, der fandtes forholdsvis tæt under overfladen, bidrog til den kun langsomme og sporadiske udvikling af både pile- og poppeltræer.
2.3 Samlet konklusion for de tre feltforsøg
Udgifterne til anlæg, nødvendig genbeplantning, lugning, gødskning og en gang tilbageklipning er opgjort til kr. 35 ekskl. moms per m² over en periode på 6 år. Den væsentlige del af disse udgifter falder i de første to vækstsæsoner. Fra den tredje vækstsæson regnes der kun med anlægsudgifter, hvis nogle af de nyplantede træer er gået ud. Omkostninger for høst af træerne er ikke medregnet, fordi høst ikke er blevet gennemført som en del af projektet. Ideelt set bør høstomkostningerne dækkes af træernes værdi som energikilde (brændsel) eller råmateriale (f.eks. fletpil).
Det viste sig, at de overjordiske plantematerialer ikke indeholdt toksiske organiske stoffer. Dog var der en mistanke om toksicitet ved tungmetalforureninger, især Cd. Under forudsætning af, at der ikke dyrkes føde- eller fodervarer på forurenede grunde, opstår der ikke problemer pga. af eksponering af de overjordiske plantedele til mennesker og naturen, og ved hovedsagligt organiske forureninger kan fytoremediering uden videre sikkerhedsforanstaltninger anvendes på offentligt tilgængelige grunde. Denne konklusion gælder dog indtil videre kun overjordiske plantedele. Ved betydelig tungmetalforurening bør plantematerialerne checkes for tungmetalindhold af hensyn til mulige nødvendige sikkerhedsforanstaltninger.
Pile- og poppeltræer kan under danske forhold anvendes til at fremme nedbrydning af kulbrinter, naftalen og BTEX i jordens umættede zone, samt zoner med fluktuerende vandstand. Tidshorisonten for oprensning ligger i størrelsesordenen mellem 10 og 100 år og er mest afhængig af start-koncentrationen af forureningen. Nedbrydningshastigheden er ved et forsigtigt skøn anslået til 0,2 kg kulbrinter per kvadratmeter og år. Anvendelse af nitrat for at forøge nedbrydningsraten bør i de fleste tilfælde overvejes.
Der er ikke fundet forskel mellem pilearter eller mellem pile- og poppeltræer med hensyn til deres evne til at fremme nedbrydning af kulbrinter. Der er dog blevet observeret forskel i de forskellige arters evne til at gro under aktuelle forhold på forurenede grunde, hvilket kan være kendetegnet ved bl.a. dårlig jord, stor ukrudtkonkurrence og uregelmæssig pasning af de nyplantede træer. Erfaringerne fra to af de tre feltforsøg viste, at anlægsarbejde er nemmere med pil end med poppel.
Fytoremediering er med den nuværende udvikling af teknologien ikke egnet til at oprense jord for tjærestoffer (PAHer og NSO-forbindelser) indenfor en overskuelig tidsramme.
Ligeledes er fytoremediering ikke egnet som oprensningsteknologi for visse slamrelaterede stoffer (DEHP, NPE og LAS), hvis de forekommer som forureninger i slam eller organisk jord.
Version 1.0 April 2009, © Miljøstyrelsen.