Regnbed for rensing av forurenset overvann

Transkript

1 Regnbed for rensing av forurenset overvann Spor og spredning av forurensning Miljøringen, Årsmøte 2016 Kim H. Paus, dr.ing. 14.Mars 2016

2 Avrenning Utfordring 1: Fortetting påvirker avrenningen Kapasitet på ledningsnett (rørdiameter etc.) Tid Increasing Økende urbanisering Urbanization Figur fra Stream Corridor Restoration Principles, processes, and Practices (2001) USDA-Natural Resources Conservation Service

3 Avrenning Utfordring 2: Ledningsnettet har stadig dårligere tilstand Kapasitet på ledningsnett (rørdiameter etc.) Redusert kapasitet på ledningsnett Tid Increasing Økende urbanisering Urbanization Figur fra Stream Corridor Restoration Principles, processes, and Practices (2001) USDA-Natural Resources Conservation Service

4 Avrenning Utfordring 3: Effekt av forventede klimaendringer Kapasitet på ledningsnett (rørdiameter etc.) Redusert kapasitet på ledningsnett Tid Increasing Økende urbanisering Urbanization Figur fra Stream Corridor Restoration Principles, processes, and Practices (2001) USDA-Natural Resources Conservation Service

5 Utfordring 4: Overvann fra tette flater er ofte forurenset Tilstandsklasser for ferskvann (KLIF, 1997) Lindholm, O. (2004). Miljøgifter i overvann fra tette flater: Litteraturstudie, RAPPORT LNR , NIVA

6 Løsning: Hvordan håndterer naturen overvann? Tilbake til naturen

7 Paradigmeskiftet i håndteringen av overvann AVRENNING FRA TAK TIL RØR AVRENNING FRA TETTE FLATER TIL RØR AVRENNING FRA VEG TIL RØR Tradisjonell håndtering av overvann og vassdrag LUKKET SYSTEM LUKKET VASSDRAG Bærekraftig og klimatilpasset håndtering overvann og vassdrag GRØNNE VEGGER REGNBED AREAL TIL OVERSVØMMELSE GRØNNE TAK INFILTRASJON ÅPENT VASSDRAG DAM VÅTMARK ÅPEN GRØFT Illustrasjoner: Hanna Haukøya Storemyr, Bymiljøetaten, Oslo kommune (2015).

8 Regnbed: Prinsipper Norsk Vanns tre-trinnsstrategi Lokalt tiltak for å håndterere overvannsmengder og fjerne forurensning Vegetasjon bestående av varierte arter som tåler perioder med både stående vann og tørke Filtermediet som typisk består av sand, matjord og løv-kompost: 1. Infiltrere overvann 2. Fjerne forurensning 3. Gi gode vekstvilkår Paus og Braskerud (2013) Forslag til dimensjonering og utforming av regnbed for norske forhold. Vann (1) 48.

9

10 Vannføring [m 3 /t] Nedbør [mm/10 min] 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 2,5 NEDBØR 2,2 1,8 1,4 1,1 0,7 0,4 0.0

11 Vannføring [m 3 /t] Nedbør [mm/10 min] 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 2,5 NEDBØR 2,2 1,8 1,4 1,1 0,7 0,4 0.0

12 Vannføring [m 3 /t] Nedbør [mm/10 min] 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 2,5 NEDBØR 2,2 1,8 1,4 1,1 0,7 0,4 0.0

13 Vannføring [m 3 /t] Nedbør [mm/10 min] 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 2,5 NEDBØR 2,2 1,8 Reduksjon av flomtopp ca. 90% 1,4 1,1 0,7 0,4 0.0

14 Vannføring [m 3 /t] Nedbør [mm/10 min] 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 2,5 NEDBØR Tidsforsinkelse på flomtopp ca. 1 time 2,2 1,8 Reduksjon av flomtopp ca. 90% 1,4 1,1 0,7 0,4 0.0

15 Vannføring [m 3 /t] Nedbør [mm/10 min] 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 2,5 NEDBØR 2,2 1,8 1,4 1,1 0,7 Kapasitet på ledningsnett 0,4 0.0

16 Forskningsspørsmål Kunnskapsgrunnlag Fremmer naturlig vannbalanse: Reduksjon av avrenningsvolum og flomtopp Bevarer vannet lokalt Etterfyller grunnvannet Lav temperatur? Hydraulisk kapasitet Utforming? Sammensetning av filtermediet? Forventet levetid? Kaldt klima Varmt klima Fjerner forurensning fra overvann: TSS (> 90 %) Cd (> 90 %) Cu (50 to 80 %) Zn (> 90 %) PAH (70 90 %) Olje (> 90%) Vegsalt? Sammensetning av filtermediet? Forventet levetid? Road salt? Utforming? Rensing av tungmetaller Lav temperatur?

17 Metoder: Batch- og kolonne-forsøk Batch-eksperimenter for å bestemme sorpsjons-egenskapene for metaller til løv-kompost og sand. Kolonne-eksperimenter for å undersøke effekter av andelen løv-kompost og sand på rensing av løste metaller og hydraulisk kapasitet:

18 Metoder: Batch- og kolonne-forsøk Batch-eksperimenter for å bestemme sorpsjons-egenskapene for metaller til løv-kompost og sand. Kolonne-eksperimenter for å undersøke effekter av andelen løv-kompost og sand på rensing av løste metaller og hydraulisk kapasitet: Filtermedia med varierende mengde løv-kompost (0, 10, 30 and 50 %) Syntetisk overvann (~ 1.0 mg/l Cd, Cu og Zn) To temperaturer (3,6 ⁰C og 19,4 ⁰C) Tilsats av NaCl

19 Metoder: Felt-forsøk 10 cm in diameter Measuring tape Infiltrasjonstester i seks eksisterende regnbed i Minneapolis, USA og Norge for å bestemme påvirkning av alder og sesong-forskjeller i kaldt klima. 5 cm below surface Stopwatch Uttak av kjerneprøver (filtermedia) fra seks eksisterende regnbed for å undersøke forurensningsgrad og gjenværende rense-kapasitet. Tilsats av NaCl for å teste hvordan vegsalt påvirker rense-prosesser og hydraulisk kapasitet i felt.

20 Cd konsentrasjon i utløpet (C) [mg/l] Resultater: Kolonne-forsøk gir informasjon om hvordan metaller fjernes The Thomas Model: C C 0 = 1 + e 1 k TH Q q X C 0 V eff where: C er metal-konsentrasjonen i utløpet [mg/l] C 0 er metal-konsentrasjonen i innløpet [mg/l] k TH er Thomas rate konstanten [ml/(mg min)] q er sorpsjonskapasiteten [mg/g] Q er vannføringen gjennom kolonnen [ml/min] V eff ier akkumulert vannvolum gjennom kolonnen [L] X er sorbent-masse [g] Akkumulert vannvolum gjennom kolonnen (V eff ) [L]

21 Sorpsjons-kapasitet for Cd (q) [mg/g] Resultater: Sorpsjonskapasitet versus mengden løv-kompost 100% sand 10% kompost 90% sand 30% kompost 70% sand 50% kompost 50% sand Andel løv-kompost i filtermediet [%]

22 Sorpsjons-kapasitet for Cd (q) [mg/g] Resultater: Sorpsjonskapasitet versus mengden løv-kompost 100% sand 10% kompost 90% sand 30% kompost 70% sand 50% kompost 50% sand Andel løv-kompost i filtermediet [%]

23 Resultater: Sorpsjonskapasitet for løv-kompost er typisk like bra eller bedre enn andre sorbenter Sorbent Sorpsjons-kapasitet [mg/kg] Cd Cu Zn Mulch ,124 Alumina catalyst Activated bauxsol-coated sand Bauxsol-coated sand ,130 Fly ash Granulated activated carbon Granulated ferric hydroxide Iron oxide-coated sand Natural zeolite Spinel Olivine I - - 1,478 Olivine II Limestone Shell sand - 1, Zeolite Compost type I (MNC1) Compost type II (MNC2) ,136 Sand

24 Sorpsjons-kapasitet for Cd (q) [mg/g] Resultater: Hydraulisk konduktivitet versus mengden løv-kompost Mettet hydraulisk konduktivitet (K h ) [cm/h] Andel løv-kompost i filtermediet [%]

25 RENSING FOR LØSTE METALLER Resultater: Sammenheng mellom rense-evne for metaller, hydraulisk kapasitet og andel løv-kompost Andelen løv-kompost i filtermediet dikterer rense-evne og hydraulisk kapasitet HYDRAULISK KAPASITET ANDEL LØV-KOMPOST IFT. SAND

26 Cd konsentrasjon i utløpet (C) [mg/l] Resultater: Bestemmelse av sorpsjons-kapasiteter ved lav temperatur KALD (3,6 C) VARM (19,4 C) Akkumulert vannvolum gjennom kolonnen (V eff ) [L]

27 Sorpsjons-kapasitet for Cd (q) [mg/g] Resultater: Bestemmelse av sorpsjons-kapasiteter ved lav temperatur Lav temperatur (3,6 C) begrenser ikke sorpsjons-kapasitet for Cd og Zn Andel løv-kompost i filtermediet [%]

28 Resultater: Forventet levetid Gjennombrudd (sand) Kadmium Gjennombrudd (10% CVF) Gjennombrudd (30% CVF) Gjennombrudd (50% CVF) Gjennombrudd (sand) Sink Gjennombrudd (10% CVF) Gjennombrudd (30% CVF) Gjennombrudd (50% CVF) CVF = Compost Volume Fraction (andel løv-compost ift. sand) 1 år 10 år 100 år Forventet driftstid på regnbed (dybde på 22 cm)

29 Resultater: Forventet levetid Gjennombrudd (sand) Kadmium Gjennombrudd (10% CVF) Gjennombrudd (30% CVF) Gjennombrudd (50% CVF) Gjennombrudd (felt-prøver) Gjennombrudd (sand) Sink Gjennombrudd (10% CVF) Gjennombrudd (30% CVF) Gjennombrudd (50% CVF) Gjennombrudd (felt-prøver) CVF = Compost Volume Fraction (andel løv-compost ift. sand) 1 år 10 år 100 år Forventet driftstid på regnbed (dybde på 22 cm)

30 Resultater: Forventet levetid Gjennombrudd (sand) Gjennombrudd (10% CVF) Kadmium Gjennombrudd (30% CVF) Gjennombrudd (50% CVF) Gjennombrudd (felt-prøver) Tilstandsklasse 2 (god) Kobber Tilstandsklasse 2 (god) Gjennombrudd (sand) Gjennombrudd (10% CVF) Sink Gjennombrudd (30% CVF) Gjennombrudd (50% CVF) Gjennombrudd (felt-prøver) Tilstandsklasse 2 (god) CVF = Compost Volume Fraction (andel løv-compost ift. sand) 1 år 10 år 100 år Forventet driftstid på regnbed (dybde på 22 cm)

31 Resultater: Infiltrasjonsevne (mettet hydraulisk konduktivitet) over tid

32 Mettet hydraulisk konduktivitet (K h ) [cm/t] Resultater: Infiltrasjonsevne (mettet hydraulisk konduktivitet) over tid 2006 verdier (Asleson et al. 2009) 2010 verdier Samme regnbed Driftstid på regnbed (ST) [år]

33 Mettet hydraulisk konduktivitet (K h ) [cm/t] Resultater: Infiltrasjonsevne (mettet hydraulisk konduktivitet) over tid 2006 verdier (Asleson et al. 2009) 2010 verdier Samme regnbed Midlere hydraulisk konduktivitet (K h ) økte med ca. 10 cm/t per år i løpet av de seks første årene. R 2 = 0, 67 Driftstid på regnbed (ST) [år]

34 Resultater: Forventet levetid Infiltrasjonsevne Gjentetting? Gjennombrudd (sand) Gjennombrudd (10% CVF) Kadmium Gjennombrudd (30% CVF) Gjennombrudd (50% CVF) Gjennombrudd (felt-prøver) Tilstandsklasse 2 (god) Kobber Tilstandsklasse 2 (god) Gjennombrudd (sand) Gjennombrudd (10% CVF) Sink Gjennombrudd (30% CVF) Gjennombrudd (50% CVF) Gjennombrudd (felt-prøver) Tilstandsklasse 2 (god) CVF = Compost Volume Fraction (andel løv-compost ift. sand) 1 år 10 år 100 år Forventet driftstid på regnbed (dybde på 22 cm)

35 Saltforbruk i Norge

36 Konsentrasjon av sink i utløpet [mg/l] Tilsetning av overvann med høyt innhold av veisalt (NaCl) 1 mg Zn/L 0 mg NaCl/L Sink utløpskonsentrasjon Natrium-konsentrasjon Sink innløpskonsentrasjon Relativ konduktivitet Vannvolum [L] 0 mg Zn/L mg NaCl/L Relativ salt- og natrium-konsentrasjoner [ - ]

37 Konsentrasjon av sink i utløpet [mg/l] Gjennombrudd av salt (som elektrisk konduktivitet) 1 mg Zn/L 0 mg NaCl/L Sink utløpskonsentrasjon Natrium-konsentrasjon Sink innløpskonsentrasjon Relativ konduktivitet Vannvolum [L] 0 mg Zn/L mg NaCl/L Relativ salt- og natrium-konsentrasjoner [ - ]

38 Konsentrasjon av sink i utløpet [mg/l] NaCl i vannet bidrar til å mobilisere metaller i filtermediet 1 mg Zn/L 0 mg NaCl/L Vannvolum [L] 0 mg Zn/L mg NaCl/L Relativ salt- og natrium-konsentrasjoner [ - ]

39 Konsentrasjon av sink i utløpet [mg/l] Na + -ioner bytter plass med Me 2+ -ioner Hovedfunn: Andelen mobiliserte metaller var relativt lav (< 3,5 %) og ble påvirket av hvor mye metaller som var tilbakeholdt før 1 mg Zn/L 0 mg NaCl/L Sink utløpskonsentrasjon NaCl-eksponeringen. Natrium-konsentrasjon Sink innløpskonsentrasjon Relativ konduktivitet Temperatur har en betydelig effekt på metal-utvasking som resulterte i en reduksjon på ca. 50 % ved lav 3,6 C. NaCl bidrar til utvasking av metaller gjennom ionebytte-prosesser med Na (Cd og Zn), Cl-kompleksering (Cd) og dispersjon av organisk materiale Vannvolum [L] (Cu). 0 mg Zn/L mg NaCl/L Relativ salt- og natrium-konsentrasjoner [ - ]

40 Oppsummering 1. Filtermedie-sammensetningen (andelen løvkompost) er en viktig design-parameter som påvirker hovedfunksjoner (renseevne og infiltrasjon) 2. Lav temperatur begrenser ikke rensing av løste metaller men kan påvirke hydrologisk ytelse hvis infiltrasjonsevnen i utgangspunktet er lav 3. Det må forventes lang levetid mht. infiltrasjonsevne (under forutsetning av godt etablert vegetasjon) og mht. rensing av løste metaller Takk til Ray Hozalski, Joel Morgan, John Gulliver, forskningsgruppen ved University of Minnesota, TorOve Leiknes, Torstein Dalen, Mikael Bue, Tone Muthanna og Bent C. Braskerud 4. For enkelt-eksponering av NaCl er utvasking av metaller beskjeden - langtids-effekter er ukjente

41 Takk for oppmerksomheten

42 Referanser Paus K.H. og Braskerud, B. C. (2013). Dimensjonering og utforming av regnbed under norske forhold. Vann, 1 (48): Braskerud, B. C. and Paus, K. H. (2013). Anlegging av regnbed. En billedkavalkade over 4 anlagte regnbed, NVE rapport nr. 3/2013 LeFevre, G. H., Paus, K. H., Natarajan, P., Gulliver, J. S., Novak, P. J. and Hozalski, R. M. (2014). A Review of Dissolved Pollutants in Urban Stormwater and their Removal and Fate in Bioretention Cells. Journal of Environmental Engineering Paus, K. H., Morgan, J., Gulliver, J. S., Leiknes, T. and Hozalski, R. M. (2014). Assessment of the Hydraulic and Toxic Metal Removal Capacities of Bioretention Cells After 2 to 8 Years of Service. Water, Air, and Soil Pollution, 225 (1). Paus, K. H., Morgan, J., Gulliver, J. S., Leiknes, T. and Hozalski, R. M. (2014). Effects of Temperature and NaCl on Toxic Metal Retention in Bioretention Media. Journal of Environmental Engineering Paus, K. H., Morgan, J., Gulliver, J. S. and Hozalski, R. M. (2014). Effects of Bioretention Media Compost Volume Fraction on Toxic Metals Removal, Hydraulic Conductivity, and Phosphorous Release. Journal of Environmental Engineering Paus, K.H., Braskerud, B.C. (2014) Suggestions for Designing and Building Bioretention cells for Nordic Conditions. VATTEN Journal of Water Management and Research (70). Paus, K.H., Muthanna, T.M., Braskerud, B.C. (2016). The Hydrological Performance of Bioretention Cells in Regions with Cold Climates: Seasonal Variation and Implications for Design. Hydrology Research Dalen, T., Paus, K. H., Braskerud, B. C. og Thorolfsson, S. T. (2012). Målt og modellert hydrologisk ytelse til regnbed i Trondheim. Vann, 3 (47): Braskerud, B. C., Kihlgren, K. S., Saksæther, V. og Bjerkholt, J. T. (2012). Hydrologisk testing av regnbed for bruk som LOD-tiltak i småhusbebyggelse. Vann, 4 (47):