The cost effectiveness of gentle remediation strategies considering technical uncertainty and reversibility

Abstract

Environmental resources are used not only as an input to our production processes, but also as a sink for the wastes of these processes. Groundwater quality is threatened by urbanization, industrial development, and agricultural activities. Once groundwater is contaminated, it may aversively affect human health, degrade the environment, render land unfit for reuse, cause public concern, and erode quality of life. To deal with groundwater contamination, a few basic steps should be followed. First, the site needs to be characterized properly and the risk associated with the contamination should be assessed. Based on these findings, a remediation objective is set. Then, different remediation approaches can be evaluated and compared. After a testing phase, the selected remediation strategy can be implemented on the field. By taking groundwater samples, it is possible to follow up the remediation progress and modify if necessary. Focus of this dissertation is the application of phytoremediation and bioremediation as a possible approach for groundwater remediation. Phytoremediation is the use of plants and their associated bacteria to degrade, sequester, or volatilize contaminants. The bioremediation strategies considered in this dissertation are natural attenuation and biostimulation. Whereas natural attenuation relies on natural processes of degradation, biostimulation involves the intentional stimulation of the contaminant degradation achieved by the addition of water, nutrients, electron donors, or acceptors. Within this dissertation, the cost effectiveness of phytoremediation and bioremediation is evaluated by using a multidisciplinary approach in which hydrogeological, technical, biological, and economic aspects are integrated. Besides this economic evaluation, it is also shown how firms responsible for clean-up can deal with variability within bio-physical processes, resulting in an uncertain contaminant removal efficiency and hence, an uncertain remediation time. By integrating the option to abandon phytoremediation or bioremediation when the application proves to be inefficient, the value of the remediation increases. Integrating the option to abandon stimulates the adoption of these gentle groundwater remediation strategies. Chapter 1 presents the techno-economic framework for groundwater remediation. It introduces the different steps that should be taken to realize site clean-up and the different remediation strategies considered in this dissertation. The following different problem statements are formulated: (i) how should the cost effectiveness of different remediation alternative be evaluated? (ii) Is the use of groundwater models valuable? (iii) How to integrate all the different aspects of groundwater remediation? (iv) Can technical uncertainty be integrated by the use of a decision tree? (v) Is it possible to apply the real options theory to define an optimal timing to abandon a remediation strategy? The different methodologies applied are listed in Chapter 2. Concerning the cost effectiveness analysis, both the average and incremental cost effectiveness analysis are described. It is also shown how both a decision tree and the real options theory can be applied to integrate the option to abandon a remediation strategy within the economic analysis. An overview of different valuation methods for groundwater remediation is provided as well. Besides these economic methods, also different hydrogeological concepts which are relevant for this study are described. Chapter 3 shows the results of the cost effectiveness analyses for both phytoremediation and bioremediation. It is demonstrated that when an incremental cost effectiveness ratio is calculated, the decision maker is more informed to select a remediation strategy. This ratio better defines the trade-off between costs and effects compared to the average cost effectiveness ratio. For the cases studied, both phytoremediation and bioremediation can be considered as cost effective alternatives among the available remediation strategies. Whether phytoremediation or bioremediation should be selected, depends on the benefit of the remediation. Moreover, it is shown that when the location at which the effectiveness is measured differs, or when the effectiveness is measured in another unit, the economic results will differ. Besides the economic evaluation of the different remediation strategies, also the value of hydrogeological modeling is determined. It is demonstrated that the correct use of groundwater flow and transport models can lead to better decision-making resulting in the application of more effective and less expensive groundwater remediation strategies. The value of the option to abandon the remediation strategy, if it fails to remove the contamination sufficiently, is first evaluated by the development of a decision tree (Chapter 4). Although this analysis shows that the introduction of this option increases the value of the remediation, it is not possible to determine the optimal timing at which the remediation strategy should be redirected. That is why the real option theory is applied (Chapter 5). For the bioremediation case study, it is demonstrated that without the option to abandon, the bioremediation strategy would not be selected. For phytoremediation however, the remediation cost is much lower compared to conventional remediation strategies. Whether it takes 5 or 25 years for phytoremediation to reach the remediation objective, if only the sale value of the property is considered as the benefit of the remediation, phytoremediation is the preferred remediation strategy (compared to excavation). Chapter 6 gives an overview of the main conclusions reached in this dissertation. Also a wider discussion on the main topics dealt with, is provided.

Grondwater wordt niet enkel gebruikt als input voor productieprocessen, ook het afval van diezelfde processen komt terecht in grondwater. De kwaliteit van het grondwater wordt bedreigd door verstedelijking, industriële ontwikkeling en landbouwactiviteiten. Verontreinigd grondwater kan leiden tot negatieve gezondheidseffecten, een beperking van het landgebruik en publieke onrust. Wanneer grondwater verontreinigd is, moeten verscheidene stappen gevolgd worden om het grondwater te zuiveren. Eerst moeten de karakteristieken van de site bepaald worden, evenals het risico dat de verontreiniging veroorzaakt. Gebaseerd op deze bevindingen wordt een saneringsdoelstelling opgelegd. Vervolgens worden verscheidene saneringsstrategieën met elkaar vergeleken en geëvalueerd. De geselecteerde saneringsstrategie kan eerst getest worden om nadien toegepast te worden op de verontreinigde site. Gedurende de sanering worden er stalen genomen om de saneringsvooruitgang te evalueren en het saneringsproces indien nodig te wijzigen. Deze doctoraatsstudie richt zich op de toepassing van fytoremediatie en bioremediatie voor de sanering van grondwater. Fytoremediatie is het gebruik van planten en hun bacteriën om de verontreiniging af te afbreken, te fixeren of te vervluchtigen. Natuurlijke attenuatie en biostimulatie zijn de vormen van bioremediatie die beschouwd worden in deze studie. Bij natuurlijke attenuatie wordt er uitgegaan van de natuurlijke processen reeds aanwezig in de ondergrond om het grondwater te saneren. In het geval van biostimulatie wordt biodegradatie van de verontreiniging gestimuleerd door het toevoegen van water, nutriënten, elektron donors of acceptors. De kosteneffectiviteit van fytoremediatie en bioremediatie wordt vanuit een multidisciplinaire benadering onderzocht. Hierbij worden hydrogeologische, technische, biologische en economische aspecten geïntegreerd. Bovendien wordt er aangetoond hoe bedrijven die verantwoordelijk zijn voor de sanering, kunnen omgaan met de variabiliteit eigen aan bio-fysische processen. Deze variabiliteit leidt tot een onzekere verwijderingsefficiëntie van de verontreiniging, waardoor men ook niet zeker is van de saneringsduur. Door een bedrijf de mogelijkheid te geven fytoremediatie of bioremediatie stop te zetten indien blijkt dat er onvoldoende verontreiniging verwijderd wordt, stijgt de waarde van de sanering. De integratie van deze optie in het economisch model stimuleert de adoptie van deze niet-ingrijpende saneringsstrategieën. Hoofdstuk 1 introduceert het technisch-economisch kader voor grondwatersanering. Hierin worden de verschillende stappen die genomen moeten worden om te komen tot een sanering, voorgesteld. Verder wordt er ook een overzicht gegeven van de verschillende onderzoeksvragen en probleemstellingen waarop deze studie een antwoord tracht te bieden. Fytoremediatie wordt namelijk vaak beschouwd als een kosteneffectieve saneringsstrategie, zonder dat dit aangetoond wordt met een correcte economische analyse. Een dergelijke analyse zou erop gericht moeten zijn om de verscheidene aspecten van een sanering te integreren, hierbij gebruik makend van grondwatermodellen. Daarnaast moet ook rekening gehouden worden met onzekerheden. De onzekerheid die beschouwd wordt in deze thesis is de moeilijkheid om de saneringsdoelstelling te bereiken. De verschillende methoden die toegepast worden in deze studie, zijn voorgesteld in Hoofdstuk 2. Wat betreft de kosteneffectiviteitsanalyse, is de berekening van zowel de gemiddelde als de incrementele kosteneffectiviteitsratio beschreven. Er wordt ook aangetoond hoe een beslissingsboom en de reële optie analyse toegepast kunnen worden om een optie tot stopzetting van een saneringsstrategie te integreren in de economische analyse. Daarnaast wordt een overzicht van verscheidene methoden voor de waardering van grondwatersanering gegeven. Dit hoofdstuk sluit af met een omschrijving van de hydrogeologische concepten relevant voor deze studie. Hoofdstuk 3 stelt de resultaten van de kosteneffectiviteitsanalyse van zowel fytoremediatie als bioremediatie voor. Er wordt aangetoond dat wanneer de incrementele kosteneffectiviteitsratio berekend wordt, de beslissingsnemer beter geïnformeerd is om een bepaalde strategie te selecteren. Deze ratio slaagt er beter in om de afweging tussen kosten en effectiviteit weer te geven, in vergelijking met de gemiddelde kosteneffectiviteitsratio. Wat betreft de cases die bestudeerd zijn, kunnen zowel fytoremediatie als bioremediatie beschouwd worden als kosteneffectieve saneringsalternatieven die een plaats kunnen innemen naast andere beschikbare saneringsstrategieën. Of fytoremediatie of bioremediatie geselecteerd kunnen worden, hangt af van de waarde van de sanering. Bovendien wordt er aangetoond dat wanneer de effectiviteit van een saneringsstrategie verschillend bepaald wordt, ook de te verkiezen strategie kan verschillen. Naast de economische evaluatie van de verschillende saneringsstrategieën wordt ook de waarde van een hydrogeologisch model bepaald. Het gebruik van een grondwatermodel leidt tot de toepassing van meer effectieve en goedkopere saneringen. De onzekerheid van biodegradatie en de waarde van de optie tot stopzetting van de saneringsstrategie bij toepassing van bioremediatie worden eerst onderzocht aan de hand van een beslissingsboom (Hoofdstuk 4). Hoewel deze analyse aangeeft dat een dergelijke optie de waarde van een sanering doet stijgen, bleek het niet mogelijk om een precies tijdstip tot omschakeling te bepalen. Daarom wordt er in Hoofdstuk 5 overgegaan op de toepassing van de reële optietheorie voor zowel bioremediatie als fytoremediatie. Wat betreft de case waarbij bioremediatie toegepast is, blijkt dat deze optie nodig is. Zonder deze optie zou bioremediatie niet geselecteerd worden. In tegenstelling tot bioremediatie is fytoremediatie goedkoper. Dit maakt dat wanneer alleen de verkoopprijs van de grond beschouwd wordt, het niet relevant is dat de saneringsduur bij fytoremediatie 5 of 25 jaar kan duren, fytoremediatie is sowieso te verkiezen (in vergelijking met bodemontgraving). Hoofdstuk 6 geeft een overzicht van de conclusies en voorziet in een bredere discussie.