Sustainable risk management in a future residential area with CVOC contaminated groundwater

Abstract

The aim of this thesis was to present an overview on the remediation techniques and risk management methods that can be introduced in areas where groundwater is contaminated with chlorinated volatile organic compounds (CVOC). These compounds can often be found in old industrial areas with a history of dry-cleaning or metal industry. In the first chapters of the thesis the characteristics and use of the main degreasing agent, tetrachloroethene (PCE), are presented. Following chapters offer a glance at the ways the PCE behaves in the subsurface and groundwater.

Because of the characteristics of the compounds, any site with CVOC contamination should be investigated carefully considering different pathways of migration and exposure. The investigations should include not only chemical analysis of the soil samples but also determination of the physical features of the soil. Thus, together with comprehensive groundwater investigations, the magnitude of the plume will be conceived more accurately. Nowadays, there are several ways to treat the contaminated groundwater. The thesis presents five remediation methods known to be effective in the degradation of CVOCs, also, the principle of monitored natural attenuation will be described.

CVOC compounds pose a significant human exposure risk, because they can migrate through the unsaturated zone upwards to the lowest floors of buildings. Therefore, also soil gas investigations play an essential role when selecting the most suitable groundwater remediation method(s) and determining the magnitude of the measures. Soil gas investigations will set the baseline for risk management measures that need to be introduced below the building foundation. Sometimes available, indoor air investigations in the old buildings can be of great help as they would suggest the level of vapour intrusion that would occur if no remedial measures or vapour mitigation methods were to be introduced.

Later, the thesis presents a case study located in Tampere, Finland. Over 70 years of manufacturing at the site resulted, among other contaminants, in CVOC contamination on soil and groundwater. The extent of contamination posed challenges for site redevelopment. Remedial measures included excavating contaminated soil, and in June 2019 a groundwater remediation was initiated. Targeting the remedial measures into areas with the highest concentrations is estimated to eliminate the long-term risks of exposure and to lower the overall amount of CVOCs to levels that will allow future site development without additional engineering controls. Passive ventilation and crawl spaces are designed to control natural radon gas intrusion in the area. Additionally, active venting will be initiated if CVOC concentrations during the monitoring exceed the action limits set for the site.

The case study provides an example of how the remediation community and developers face the challenge of enabling property reuse while extensive remedial activities are being conducted. Furthermore, the thesis suggests a set of risk management methods to be linked with sustainable building design to redevelop brownfields while minimising the energy expenditures and emissions associated with remedial actions.

Opinnäytetyön tavoitteena oli esittää yleiskatsaus puhdistustekniikoista ja riskinhallintamenetelmistä, joita voidaan käyttää alueilla, joilla pohjavesi on pilaantunut klooratuilla haihtuvilla orgaanisilla yhdisteillä (CVOC). Kyseisiä yhdisteitä löytyy usein vanhoilta teollisuusalueilta, joilla on ollut kuivapesutoimintaa tai metalliteollisuutta. Opinnäytetyön ensimmäisissä luvuissa on esitetty tyypillisesti käytetyn rasvanpoistoaineen, tetrakloorieteenin (PCE), ominaisuudet ja käyttö. Seuraavissa luvuissa kerrotaan, miten PCE käyttäytyy maaperään päästessään ja myöhemmin pohjavedessä.

CVOC-yhdisteillä pilaantuneissa kohteissa tehtävät tutkimukset on suunniteltava poikkeuksellisen huolellisesti ottaen huomioon erilaiset kulkeutumis- ja altistumisreitit. Tutkimuksissa tulisi huomioida maaperän kemiallisten analyysien lisäksi myös maaperän fysikaaliset ominaisuudet. Näin, yhdessä kattavien pohjavesitutkimusten kanssa, pilaantuneisuuden laajuudesta saadaan parempi käsitys. Markkinoilla on nykyään tarjolla useita erilaisia tapoja käsitellä pilaantunutta pohjavettä. Opinnäytetyössä esitellään viisi puhdistusmenetelmää, joiden tiedetään olevan tehokkaita CVOC-yhdisteiden hajottamisessa. Näiden lisäksi kuvataan luonnollisen hajoamisen ja seurannan periaate.

CVOC-yhdisteet aiheuttavat merkittävän terveysriskin, koska ne voivat kulkeutua vajovesivyöhykkeen läpi nousten rakennusten alimpiin kerroksiin. Tästä syystä myös huokosilmatutkimuksilla on keskeinen rooli valittaessa kohteeseen sopivinta pohjaveden puhdistusmenetelmää tai menetelmien yhdistelmää, ja määritellessä niiden laajuutta. Lisäksi huokosilmatutkimukset asettavat vaatimustason riskinhallintatoimenpiteille, joita on tarpeen toteuttaa rakennusten alapohjissa. Joskus kohteiden vanhoista rakennuksista on saatavilla hyödyllisiä sisäilmatutkimustietoja, joiden avulla voidaan arvioida haitta-aineiden kulkeutumista sisäilmaan ja millaiset olosuhteet kohteessa olisi, jos pohjavettä ei puhdistettaisi tai alapohjan ilman haitta-aineiden aiheuttamia riskejä hallittaisi.

Jälkimmäisessä osassa opinnäytetyössä esitellään Tampereella sijaitseva esimerkkikohde, jossa yli 70 vuotta jatkunut teollinen toiminta aiheutti laaja-mittaisen maaperän ja pohjaveden pilaantumisen muun muassa CVOC-yhdisteillä aiheuttaen samalla haasteita kohteen suunnitellulle kehitykselle. Kohteen kunnostustoimenpiteisiin sisältyi pilaantuneen maaperän kunnostaminen massanvaihdolla vuosien 2013–2017 aikana, ja kesäkuussa 2019 alueella aloitetaan pohjaveden puhdistaminen. Puhdistustyöt kohdistetaan osa-alueille, joilla on havaittu korkeimpia pitoisuuksia, millä pyritään poistamaan pohjavedestä aiheutuvat altistumisriskit pitkällä aikavälillä ja alentamaan CVOCyhdisteiden kokonaismäärä tasolle, joka mahdollistaa alueen kehittämisen ilman normaalista poikkeavia rakenteellisia ratkaisuja. Alueen rakennuksissa toteutetaan maaperän luonnollisen radonkaasun kulkeutumisen hallitsemiseksi passiiviset tuuletusjärjestelmät sekä ryömintätilat. Mikäli tarkkailun aikana rakennusten alapuolisessa ilmassa havaitaan asetetut rajat ylittäviä haitta-ainepitoisuuksia, voidaan kohteessa ottaa käyttöön myös aktiivinen tuuletus.

Kohde toimii esimerkkinä siitä, miten kunnostuksista vastaavat tahot ja alueiden kehittäjät voivat toimia mahdollistaakseen pilaantuneen kiinteistön uusiokäytön samalla, kun alueella toteutetaan laajamittaisia kunnostustoimenpiteitä. Lisäksi tarkastellaan, miten haihtuvien haitta-aineiden riskienhallintamenetelmät voidaan yhdistää kestävään rakentamiseen ja miten uudelleenkehitettäviä brownfield-kohteita voidaan suunnitella minimoimalla mittaviin kunnostustoimenpiteisiin liittyvät energiakustannukset ja päästöt.