Richtlijn herstel en beheer (water)bodemkwaliteit

In situ vastlegging zware metalen, principe van de techniek

In situ vastlegging is een saneringstechniek die bestaat uit het immobiliseren, al dan niet gestimuleerd, van een (potentieel) mobiele verontreiniging met zware metalen in de bodem. Met vastlegging wordt in dit verband bedoeld: het overgaan van de zware metalen van de waterfase naar de vaste fase. Vastlegging van metalen kan plaatsvinden of vindt reeds plaats door de natuurlijke processen van adsorptie of precipitatie. Indien de bodemcondities dusdanig zijn dat deze natuurlijke processen niet of niet voldoende optreden kan met name de precipitatie worden gestimuleerd door het toevoegen van substraten, bijvoorbeeld een koolstofbron, aan de bodem.

Natuurlijke vastlegging zware metalen
In elke bodem worden metalen op natuurlijke wijze vastgelegd, behalve als er sprake is van extreme pH-waarden. De vraag is daarom niet zozeer of er vastlegging optreedt, maar of de capaciteit van een bodem om metalen vast te leggen in relatie tot de aanwezige verontreinigingsvracht voldoende groot is. De bindingscapaciteit van een bodem is vooral afhankelijk van de samenstelling (gehalten aan organische stof, lutum en ijzer- en aluminiumoxiden) en de pH. In sommige situaties is de redoxpotentiaal ook van groot belang. Bij de beoordeling van de potentie van natuurlijke vastlegging moet niet alleen de actuele situatie worden beoordeeld maar dient ook te worden nagegaan of de vastlegging stabiel is. Condities zoals de pH of de redoxpotentiaal kunnen in de toekomst veranderen. De kans dat dit gebeurt, is afhankelijk van de buffercapaciteit van de bodem, de samenstelling van het bovenstroomse grondwater en eventuele ingrepen op de locatie zelf of in de onmiddellijke omgeving. Hierbij geldt dat niet iedere verandering meteen een bedreiging is, soms kan een verandering in condities de vastlegging van metalen bevorderen.

In de praktijk blijkt dat -zeker in pluimen van verontreinigingen- sorptie meestal het proces is dat de vastlegging bepaalt. De capaciteit van een bodem om metalen vast te leggen is dus afhankelijk van de sorptie-capaciteit. In een klein deel van de onderzochte situaties wordt de natuurlijke vastlegging bepaald door precipitatie. De grote invloed van de pH op de sorptie van metalen wordt geïllustreerd in figuur 1.

Figuur 1 Verloop van de concentratie opgelost zink bij langdurige schudproeven met diverse grondmonsters. Door de lage pH (4-5) van de meeste monsters is de bindingscapaciteit gering. Na 161 dagen is de pH gecorrigeerd naar waarden van 6 - 7. Dit resulteert in een sterke afname van de concentratie opgelost zink door precipitatie (mogelijk) en sorptie (zeker).

In SKB-kader is een BeslissingsOndersteunend Systeem (BOS) ontwikkeld om de vastlegging van zware metalen te beoordelen [1]. Dit systeem bevat hulpmiddelen om snel een eerste indruk te verkrijgen van de capaciteit en de stabiliteit van de vastlegging. Dit systeem is gevalideerd door onderzoek op een aantal locaties [9].

Gestimuleerde vastlegging zware metalen
Gestimuleerde vastlegging is in de regel gericht op het doen precipiteren van metalen in de bodem. Met name precipitatie met sulfiden tot slecht oplosbare metaalsulfiden wordt hierbij toegepast. In geval van extreme pH-waarden is neutralisatie een optie om de adsorptiecapaciteit te vergroten.

Om neerslag met sulfiden mogelijk te maken dient als eerste stap sulfaatreductie te worden toegepast. Dit is een biologisch proces. Om dit biologische proces op gang te brengen worden specifieke hulpstoffen (koolstofbron, substraat) in de verontreinigde zone van het watervoerende pakket geïnjecteerd. Bij de afbraak van dit substraat door bacteriën (als zuurstof, nitraat, ijzer en mangaan al grotendeels zijn gereduceerd) wordt sulfaat omgezet in sulfide.Het sulfide kan vervolgens samen met de zware metalen die als verontreiniging aanwezig zijn als een stabiele verbinding neerslaan. De reactie-vergelijkingen zijn navolgend weergegeven, waarbij is uitgegaan van methanol als organisch substraat:

Sulfaatreductie: 4 CH3OH + 3 SO42- → 4 HCO3- + 3 HS- + H+ + 4 H2O

Sulfide-precipitatie: Zn2+ + HS- → ZnS + H+

Behalve de injectie van een organisch substraat, moeten soms ook sulfaat of nutriënten aan de bodem worden toegevoegd. De substraatinjectie kan op verschillende manieren plaatsvinden en kan gecombineerd worden met de afbraak van gechloreerde oplosmiddelen (ckw’s, vocl). In figuur 2 is dit proces in de vorm van een reactieve barrière afgebeeld.

Figuur 2 Combinatie van gestimuleerde ckw-afbraak en sulfideprecipitatie van metalen

Sulfaatreductie treedt in een neutrale bodem op bij een redox van circa -100 tot -150 mV en lager. Ook voor deze vorm van vastlegging geldt dat de toekomstige stabiliteit moet worden beoordeeld. Sulfiden zijn alleen stabiel onder anaërobe condities. Dit betekent dat niet alleen zuurstof maar ook nitraat op een laag niveau moet blijven. Een beperkte aanvoer van oxidatoren hoeft geen probleem op te leveren. De oxidatie van de sulfiden verloopt dan zo traag dat metaalconcentraties in het grondwater aan grenswaarden blijven voldoen.

Voordelen van gestimuleerde vastlegging ten opzichte van een traditionele oplossing (pump & treat) zijn:

  • (veel) lagere saneringskosten;
  • kortere saneringsduur (eindige sanering);
  • geen grondwaterverlaging (geen risico voor zettingen, aantrekken verontreinigingen uit de omgeving);
  • minder ruimtebeslag (geen bovengrondse zuivering);
  • geen vergunningen nodig voor onttrekken en lozen van grondwater;
  • alleen in geval van gestimuleerde vastlegging gelden ook de volgende punten:
    • kortere saneringsduur (eindige sanering)
    • uitstekend te combineren met gestimuleerde afbraak van VOCl verontreinigingen;