ph-regulering av tunneldrivevann

Transkript

1 ph-regulering av tunneldrivevann ved bruk av CO 2 Turid Hertel-Aas, Statens vegvesen Vegdirektoratet, Miljøseksjonen Teknologidagene 2014, Trondheim

2 Torp M. og Vikan H. (2013). SVV rapport nr 244 Garmo Ø. og Escudero C. (2014). SVV rapport nr 298 Teknologidagene 2014, Trondheim

3 Tunneldriving: kortversjon 1 1) Tunnelborerigg borer injeksjonshull Det drives ca 20 Tunneldrivevann 30 km ~ ny 300 l/min tunnel i Norge hvert år Illustrasjoner: Arild W. Solerød

4 1) Tunnelborerigg 1 Tunnelborerigg injeksjonshull borer injeksjonshull Tunneldrivevann ~ Tunneldrivevann 300 l/min ~ 300 l/min Illustrasjoner: Arild W. Solerød

5 2 1 1) Tunnelborerigg 1 Forinjeksjon borer injeksjonshull Sementblanding Tunneldrivevann pumpes ~ inn 300 i injeksjonshullene l/min Høy ph Illustrasjoner: Arild W. Solerød

6 ) Tunnelborerigg Boring borer injeksjonshull og lading Emulsjonssprengstoff: Tunneldrivevann ~ små dråper av 300 l/min Ammoniumnitratløsning (ca %) omgitt av mineralolje og voks Ammoniumnitrat (NH 4 NO 3 ) Illustrasjoner: Arild W. Solerød

7 ) Tunnelborerigg Sprenging borer injeksjonshull Andelen uomsatt sprengstoff Tunneldrivevann ligger ~ ofte mellom 300 l/min 10-15% 4 Ammoniumnitrat er lett løselig i vann Illustrasjoner: Arild W. Solerød

8 ) Tunnelborerigg 5) borer Utlasting injeksjonshull Utsprengte Tunneldrivevann fjellmasser ~ blir 300 lastet l/min på biler og fraktet dit de skal brukes eller til mellomlager/deponi Illustrasjoner: Arild W. Solerød

9 ) Tunnelborerigg 6) borer Rensk injeksjonshull Løst Tunneldrivevann fjell blir pigget ~ ned med 300 en l/min stor hydraulisk hammer før manuell rensk Illustrasjoner: Arild W. Solerød

10 ) Tunnelborerigg Sikring borer injeksjonshull Som Tunneldrivevann permanent sikring ~ blir 300 det l/min påført sprøytebetong ( mm) i hele profilet samt montert 5-7 stk. bolter pr. meter tunnel Høy ph Illustrasjoner: Arild W. Solerød

11 ) Tunnelborerigg Store borer mengder injeksjonshull vann Tidvis Tunneldrivevann høy ph (11-12) ~ 300 l/min Ammoniumnitrat Illustrasjoner: Arild W. Solerød

12 Hovedproblemer med høy ph Høy ph er giftig for vannlevende organismer ph Effekter på fisk 5-9 Normalt ingen skadelige effekter 9,0 9,5 Sannsynligvis skadelig for laksefisk og abbor over lengre tids eksponering. 9,5 10,0 Dødelig for laksefisk over lengre tids eksponering. Fisken er motstandsdyktig overfor slike ph-verdier i korte perioder. Kan være skadelig overfor enkelte fiskearters utviklingsstadier. 10,0 10,5 Laksefisk og mort kan være motstandsdyktige mot slike ph-verdier i korte perioder, men fisken dør ved lengre tids eksponering Laksefisk dør i løpet av kort tid. Forlenget eksponering gjør at også karpe, gjedde, gullfisk og suter dør Alle fiskearter dør i løpet av kort tid Teknologidagene 2014, Trondheim

13 Hovedproblemer med høy ph Dannelse av giftig NH 3 (ammoniakkgass) øker ved økende ph og temperatur NNHH 3 (g) + HH 3 OO + NNHH HH 2 OO 4000 µg NH 3 /L har blitt målt i tunneldrivevannet LC µg/l for juvenil laks (Salmo salar) Teknologidagene 2014, Trondheim

14 Renseanlegg for tunneldrivevann Mineralsyrer: HCl H 2 SO 4 (Norge) CO 2 (Tyskland, Østerrike, Sverige) 3rd Mar Figur modifisert fra NFF, teknisk rapport 09

15 Kjemisk prinsipp for bruk av CO 2 til ph-justering CO 2 produserer en svak syre (H 2 CO 3 ) når den løses i vann Fase I Fase II Fase III CO 2 Mineralsyre Liten/ingen bufferkapasitet vanskelig å dosere riktig for å få ønsket ph. Liten overdosering kan føre til drastisk fall i ph Ønsket ph i utslippsvann 2 OH - + CO 2 CO H 2 O CO CO 2 + H 2 O 2HCO 3 - Stor bufferkapasitet rundt ph må tilsette mye CO 2 for å få liten endring i ph forbruk Teknologidagene 2014, Trondheim

16 Fordeler ved bruk av CO 2 vs mineralsyrer Mineralsyrer (HCl, H 2 SO 4 ) Svært korrosive Feil håndtering kan gi alvorlig skade på driftsoperatører Feil dosering kan gi sterk forsuring og massiv død hos vannlevende organismer nedstrøms utslippet Økt konsentrasjon av klorider og sulfater i resipienten Karbondioksid (CO 2 ) Ikke korrosivt Liten fare for alvorlig skade på driftsoperatører Ingen fare for sterk forsuring under normale forhold Ingen økning i salinitet (salter) Mindre slitasje på maskinpark ved ev resirkulering av vannet Teknologidagene 2014, Trondheim

17 Giftvirkninger av CO 2 CO 2 er et naturlig sluttprodukt ved aerobt stoffskifte Fisken avgir CO 2 enten i gassform eller som oppløst HCO 3 - Kortvarig eksponering for høye CO 2 - konsentrasjoner påvirker fiskens syre-base-regulering oksygenopptak blodsirkulasjon og nerveaktivitet Ved svært høye CO 2 -konsentrasjoner vil fisken bedøves og til slutt dø Gjeller kronisk tålegrense for fisk i landbaserte akvakulturanlegg: 15 mg/l Anbefalte grenseverdiene for CO 2 ligger generelt på mg/l Teknologidagene 2014, Trondheim

18 3rd Mar Giftighet av sjøvann surgjort med CO 2 Midlere dødelig CO2-dose (LD50) for 3 forskjellige beinfisk i sjøvann surgjort med CO 2 -gass Eksponering (min) Stadium Art P co2 (kpa) CO 2 [mg/l]* Estimert ph** 15 Egg (embryo) Pagrus major Silago japonica 15 Larve Pagrus major (preflexion) Silago japonica 15 Larve (flexion) Pagrus major Silago japonica 15 Larve (postflexion) Pagrus major Silago japonica 15 Ung fisk Pagrus major Silago japonica Paralichthys olivaceus 360 Egg (embryo) Pagrus major Silago japonica 360 Larve Pagrus major (preflexion) Silago japonica 360 Larve (flexion) Pagrus major Silago japonica 360 Larve (postflexion) Pagrus major Silago japonica 360 Ung fisk Pagrus major Silago japonica Paralichthys olivaceus > 9,90 > 9,80 > 9,90 > 9,80 > 6,93 > 9,80 5,96 > 4,90 3,56 3,72 > 6,9 8,39 4,88 > 9,90 5,87 6,84 6,13 5,68 4,06 2,56 2,66 11,84 > 139 > 138 > 139 > 138 > 98 > > > > < 5,8 < 5,8 < 5,8 < 5,8 < 6,0 < 5,8 6,0 < 6,0 6,2 6,2 < 6,0 Hva vil CO 2 konsentrasjonen være i ph-justert tunneldrivevann ved ønsket ph (8-9)? Vil disse konsentrasjonene kunne utgjøre en risiko for vannlevende organismer? 5,9 6,1 < 5,8 6,0 6,0 6,2 6,0 6,0 6,3 6,3 5,8 Modifisert fra Torp og Vikan (2013)

19 Små-skala laboratorieforsøk (NIVA): Sammenlikne ph-justeringsprosessen mellom 2 Syntetiske tunneldrivevann m/forskjellig ph Tunneldrivevann fra Gran, rv.4. Hva er konsentrasjonene av CO 2 i vannet ved ønsket PH (ved forskjellig temperatur)? Kan disse konsentrasjonene utgjøre en risiko for vannlevende organismer? Simulere effekten av gassoverdosering (uhell) Hva er praktisk oppnåelig nedre ph-verdi, Hva er den tilhørende CO 2 -konsentrasjonen Teknologidagene 2014, Trondheim

20 Eksperimentelt oppsett Vann ph Temperatur ph-justert og 15 C springvann Syntetisk Lofast og 15 C Syntetisk Frodeåsen Tunneldrivevann fra Gran, rv og 15 C C Kilde: Garmo og Escudero (2014) Teknologidagene 2014, Trondheim

21 Resultater: Lofast og tunneldrivevann fra Gran, rv. 4 ph som funksjon av tid ved konstant tilførsel av CO 2 Mengden CO 2 (Aq) i vannet som funksjon av tid 4 C Syntetisk «Lofast» 15 C Akkumulert CO 2 forbruk Syntetisk «Lofast» ph C ph C ph 7 4 C løst CO 2 : ~ mg/l Konsentrasjonen av løst CO 2 som trengs for å senke ph i tunneldrivevann til 8,0 er trolig ikke akutt toksisk for fisk, men kan raskt nå toksiske nivåer hvis ph fortsetter å falle. Tid (min) Tunneldrivevann Gran Tid (min) Tunneldrivevann Gran ph 7 15 C 40 mg/l: bør ikke overskrides mer enn i noen få timer 20 mg/l: bør ikke overskrides ved langtidseksponering 10 C Akkumulert CO 2 forbruk Løst CO 2 : ~ 550 mg/l ph C Tid (min) ph 7 10 C Tid (min) 40 mg/l: bør ikke overskrides mer enn i noen få timer 20 mg/l: bør ikke overskrides ved langtidseksponering Kilde: Garmo og Escudero (2014)

22 Måling av CO 2 -nivåer i ph-justert tunneldrivevann fra et fullskalaanlegg E39: Eiganestunnelen i Stavanger Entreprenør: Teknologidagene 2014, Trondheim

23 Renseanlegg E39 Eiganestunnelen (gamlingen): Skal måle Konsentrasjonen av CO 2 i utløpsvannet i perioder Med sprøyteinjeksjoner Bruk av sprøytebetong Skillevegg Skal relatere målingene til CO 2 -forbruk ph i vannet partikler 3 stk containere for gjenbruk av vann Måling av ph og turbiditet CO 2 -probe Tilsetting av CO 2 1) Slambasseng (275 m 3 ) CO 2 -container Foto: Mette Alsvik

24 Renseanlegg E39 Eiganestunnelen (gamlingen): Ønsker også å innhente innformasjon om Innstallasjons og driftskostnader Driftssikkerhet og rutiner Skillevegg 3 stk containere for gjenbruk av vann Måling av ph og turbiditet CO 2 -probe Tilsetting av CO 2 1) Slambasseng (275 m 3 ) CO 2 -container Foto: Mette Alsvik

25 TAKK FOR OPPMERKSOMHETEN! Foto: Mette Alsvik