Transport og rensing av forurensning i urbant overvann

Transkript

1 Transport og rensing av forurensning i urbant overvann Seminar Norsk Vannforening Oslo 16. november 2016 dr.ing, Kim H. Paus

2 Agenda 1. Utfordringer 2. Forurensning i overvann 3. Renseløsninger 4. 3-trinnsstrategien

3 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

4 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

5 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

6 Utfordring 4: Overvann fra tette flater er ofte forurenset Miljøtilstand Svært god God Grensen for bærekraftig bruk Moderat Dårlig Svært dårlig

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

8 Fordeling av tilførsler Forurensning til indre Oslofjord Berge, J. A., Ranneklev, S., Selvik, J. R. og Orderdalen Sten, A. (2013). Indre Oslofjord - Sammenstilling av data om miljøgifttilførsler og forekomst av miljøgifter i sediment. Rapport L.NR , Oktober / AquateamCOWI (2015) Avrenning av miljøgifter fra tette flater - litteraturstudium

9 Overvannskvalitet Sammensetning Tungmetaller: Pb (mest partikulært) Zn (50 % partikulært) Cd (50 % partikulært) Cu (50 % partikulært) Organiske miljøgifter PAH (> 90 % partikulært) PCB (> 90 % partikulært) Partikler Olje Næringsstoffer (fosfat, nitrat..) Vegsalt (NaCl; 0 % partikulært)

10 Forurensning Forurensning Forurensning Forurensning Overvannskvalitet Variasjon i tid og rom Minutter Dager Avrenning Avrenning Avrenning Minutter: Forurensning akkumulert på tette flater blir vasket bort ved regnvær. Den første avrenningen er mest forurenset (first flush effect). Dager: Avrenning etter lengre tørre perioder vil kunne inneholde høyere konsentrasjoner forurensning. Måneder: Snø vil kunne fange opp forurensning over vinteren før dette frigis gjennom smeltevann i høye konsentrasjoner. Måneder År: Skjerpede restriksjoner, nye stoffer ifm. materialbruk og ny kunnskap gir endring av forurensning over lengre tidsrom. år

11 Mengde forurensning Mengde forurensning Overvannskvalitet Variasjon som følge av klima Varmt klima Akkumulering på urbane flater Sommer Høst Vinter Vår Kaldt klima Akkumulering på urbane flater Akkumulering i snø Sommer Høst Vinter Vår

12 Forurensning i trafikknær snø Eksempel fra Trondheim

13 Forurensning i trafikknær snø Eksempel fra Trondheim Forurensning øker med økende trafikk-belastning.. Moghadas, S., Paus, K.H., Muthanna, T.M., Herrmann., Marsalek, J., Viklander, M. (2015) Accumulation of Traffic-Related Trace Metals in Urban Winter-Long Roadside Snowbanks, Water, Air and Soil Pollution.

14 Forurensning i trafikknær snø Eksempel fra Trondheim Forurensning akkumuleres over tid i snøen.. Moghadas, S., Paus, K.H., Muthanna, T.M., Herrmann., Marsalek, J., Viklander, M. (2015) Accumulation of Traffic-Related Trace Metals in Urban Winter-Long Roadside Snowbanks, Water, Air and Soil Pollution.

15 Forurensning i trafikknær snø Eksempel fra Trondheim Graden av forurensning kan uttrykkes som en funksjon av antall biler passert.. d Zn d bil c acc = d Zn d bil = 46 ng/(m2 bil) Moghadas, S., Paus, K.H., Muthanna, T.M., Herrmann., Marsalek, J., Viklander, M. (2015) Accumulation of Traffic-Related Trace Metals in Urban Winter-Long Roadside Snowbanks, Water, Air and Soil Pollution.

16 Forurensning i trafikknær snø Eksempel fra Trondheim Parameter Akkumuleringsrate Enhet R 2 c acc TSS 489 ± 85 μg/m 2 per kjøretøy 50 % Cu 46 ± 6 ng/m 2 per kjøretøy 66 % Pb 5 ± 1 ng/m 2 per kjøretøy 63 % Zn 108 ± 15 ng/m 2 per kjøretøy 65 % Cd 0.08 ± 0.01 ng/m 2 per kjøretøy 59 % W 14 ± 4 ng/m 2 per kjøretøy 85 % Pt ± ng/m 2 per kjøretøy 74 % Moghadas, S., Paus, K.H., Muthanna, T.M., Herrmann., Marsalek, J., Viklander, M. (2015) Accumulation of Traffic-Related Trace Metals in Urban Winter-Long Roadside Snowbanks, Water, Air and Soil Pollution. Norwegian University of Science and Technology 08 September 2011

17 Fordeling av tilførsel fra tette flater Til indre Oslofjord Berge, J. A., Ranneklev, S., Selvik, J. R. og Orderdalen Sten, A. (2013). Indre Oslofjord - Sammenstilling av data om miljøgifttilførsler og forekomst av miljøgifter i sediment. Rapport L.NR , Oktober / AquateamCOWI (2015) Avrenning av miljøgifter fra tette flater - litteraturstudium

18 Forurensning i trafikknær snø Håndteringsstrategier 1. Snøen smelter på stedet / fraktes til lokalt deponi 2. Snøen blir dumpet direkte i vannforekomster Roadside snow at Risvollan Photo: S.Thorolfsson 3. Snøen transporteres til sentral snødeponi Snow dumping to Sandvikselva Photo: Budstikka Åsland Snow Deposit Photo: Erik Andersen

19 Tilbake til naturen

20 Renseløsninger Systematisk gatefeiing Fjerning av forurensning før det fanges av overvannet Kan være utfordrende å få med de minste, og ofte mest forurensede, partiklene Trafikk og gateparkering kan gi utfordringer ift. gjennomføring Foto: Drammens tidene (2014)

21 Renseløsninger Sandfang Prosess: Sedimentasjon Fjerner anslagsvis rundt 50 % av grove partikler Krever regelmessig/systematisk tømming finpartikler blir lett vasket ut ved kraftig regnvær Det er veieier som er ansvarlig for drift, tømming og vedlikehold.. Prinsipp

22 Renseløsninger Rensedammer Prosess: Sedimentasjon Renseeffekt øker med økende overflateareal og/eller oppholdstid (forutsetter rolige strømningsforhold) God og robust renseeffekt for partikler Liten renseeffekt for løst forurensning, flytestoffer og bakterier Regelmessig fjerning av slam/vegetasjon Foto: COWI (2013)

23 Renseeffekt Renseløsninger Rensedammer Prosess: Sedimentasjon Renseeffekt øker med økende overflateareal og/eller oppholdstid (forutsetter rolige strømningsforhold) God og robust renseeffekt for partikler Liten renseeffekt for løst forurensning, flytestoffer og bakterier n [ - ] Regelmessig fjerning av slam/vegetasjon Statens vegvesen, Vannbeskyttelse i vegplanlegging og vegbygging (Håndbok 261, utkast) Foto: COWI (2013)

24 Renseløsninger Konstruert våtmark Foto: COWI (2013) Prosess: Filtrasjon/sedimentasjon/biologisk opptak Variabel renseeffekt (biologiske faktorer) Renseeffekt øker med økende overflateareal og/eller oppholdstid (forutsetter rolige strømningsforhold) Regelmessig fjerning av opprenskning

25 Renseløsninger Rensing av Hovinbekken ved Teglverksdammen

26 Renseløsninger Sentraldammen Fornebu

27 Renseløsninger Sentraldammen Fornebu MIKROSIL TRAPPERIST SKIMMERE BIOFILTER

28 Renseløsninger Infiltrasjonstiltak Prosess: Filtrering og sorpsjons-prosesser Ikke permanent vannspeil Lokal renseløsning (håndterer små nedbørfelt) Forventede renseeffekter for regnbed: 90 % for partikler % for løste tungmetaller 90 % for olje % for PAHer 60 % fosfat

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

30 Filtermedium 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

31 Sorpsjons-kapasitet for Cd (q) [mg/g] Filtermedium Infiltrasjonskapasitet reduseres med økende mengde kompost Mettet hydraulisk konduktivitet (K h ) [cm/h] Andel løv-kompost i filtermediet [%]

32 RENSING FOR LØSTE METALLER Filtermedium Sammenheng mellom rense-evne for metaller, infiltrasjonsevne og andel løv-kompost Andelen løv-kompost dikterer rense-evne og infiltrasjonsevne INFILTRASJONSEVNE ANDEL LØV-KOMPOST IFT. SAND

33 Regnbed: 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)

34 Regnbed: 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)

35 Resultater: Infiltrasjonsevne (mettet hydraulisk konduktivitet) over tid

36 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]

37 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]

38 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)

39 Regnbed Optimalisering av renseprosesser for alle forurensningstyper: Partikler, tungmetaller, organiske miljøgifter, fosfor, og nitrogen Oslo commune (2016) Regnbed som renseløsning for forurenset vann, Faktaark om blågrønne løsninger

40 Strategi for håndtering av overvann Planlegging Fang opp og infiltrer Forsink og fordrøy Sikre trygge flomveier TRINN 0 Avrenning fra mindre regn Avrenning fra store regn Avrenning fra ekstreme regn TRINN 1 TRINN 2 TRINN 3

41 Strategi for håndtering av overvann Planlegging TEK10: TEK10: TEK10: Fang opp og infiltrer Overvann skal i størst mulig grad infiltreres eller på annen måte håndteres lokalt for å sikre vannbalansen i området. Bortledning av overvann skal skje slik at det ikke oppstår oversvømmelse ved dimensjonerende Forsink og fordrøy regnintensitet. Tilførselen av overvann til hovedledning skal minimaliseres. Når tilrenningen er større en anleggets kapasitet, skal overskytende vannmengder bortledes med minst mulig skade ved anlegg av flomveier. Sikre trygge flomveier Grunneier må påregne vannets naturlige løp over sin grunn. TRINN 0 Avrenning fra mindre regn Avrenning fra store regn Avrenning fra ekstreme regn TRINN 1 TRINN 2 TRINN 3

42 Strategi for håndtering av overvann Planlegging TEK10: TEK10: TEK10: Fang opp og infiltrer Overvann skal i størst mulig grad infiltreres eller på annen måte håndteres lokalt for å sikre vannbalansen i området. Bortledning av overvann skal skje slik at det ikke oppstår oversvømmelse ved dimensjonerende Forsink og fordrøy regnintensitet. Tilførselen av overvann til hovedledning skal minimaliseres. Når tilrenningen er større en anleggets kapasitet, skal overskytende vannmengder bortledes med minst mulig skade ved anlegg av flomveier. Sikre trygge flomveier Grunneier må påregne vannets naturlige løp over sin grunn. TRINN 0 Avrenning fra mindre regn Avrenning fra store regn Avrenning fra ekstreme regn TRINN 1 TRINN 2 TRINN 3 Normal-Regn? Systemet fylles opp én gang per 20 år i fremtidens klima Systemet fylles opp én gang per 200 år i fremtidens klima

43 Regnmengde [mm/dag] Forslag til grense for et trinn 1 «regn» Et tiltak som dimensjoneres for 33 mm nedbør på 1 døgn vil håndtere 99 % av årsnedbøren TRINN 1

44 Trinn 1 Forslag til grense for et trinn 1 «regn» Et tiltak som dimensjoneres for å håndtere en regnmengde på 21.4 mm vil kunne fange opp 99 % av årsnedbøren (forutsatt dimensjonerende regnvarighet på 180 min) % % % % % Basert på minuttdata for nedbør i perioden 2006 til 2016 for Blindern, Oslo TRINN 1

45 Dimensjonering av regnbed for trinn 1 og 2 «regn» Eksempel: Dimensjoner nødvendig overflate på regnbed for å håndtere avrenningen fra et tett trafikkert areal på 2400 m 2 ( A ). Anta at infiltrasjonskapasiteten har verdi 15 cm/t (K h ) og at maksimal vannstand på overflaten før vannet går ut i overløp er 30 cm (h maks ). V inn = A φ P A regnbed = V inn h maks + K h t r Regnvarighet (t r ) [min] Trinn 2 (P) [mm] Volum inn (V inn ) [m 3 ] Overflate (A regnbed ) [m 2 ] Regnvarighet (t r ) [min] Trinn 1 (P) [m] Volum inn (V inn ) [m 3 ] Overflate (A regnbed ) [m 2 ] Oslo commune (2016) Regnbed for lokal flomdemping, Faktaark om blågrønne løsninger

46 Dimensjonering av regnbed for trinn 1 og 2 «regn» Eksempel: Dimensjoner nødvendig overflate på regnbed for å håndtere avrenningen fra et tett trafikkert areal på 2400 m 2 ( A ). Anta at infiltrasjonskapasiteten har verdi 15 cm/t (K h ) og at maksimal vannstand på overflaten før vannet går ut i overløp er 30 cm (h maks ). V inn = A φ P A regnbed = V inn h maks + K h t r Regnvarighet (t r ) [min] Trinn 2 (P) [mm] Volum inn (V inn ) [m 3 ] Overflate (A regnbed ) [m 2 ] Trinn 45 2: år og K F = ,4 Arealkrav: ~11 % Regnvarighet (t r ) [min] Trinn 1 (P) [m] Volum inn (V inn ) [m 3 ] Overflate (A regnbed ) [m 2 ] Trinn 1: 99 % Arealkrav: ~ 4 % Oslo commune (2016) Regnbed for lokal flomdemping, Faktaark om blågrønne løsninger

47 Dimensjonering av regnbed for trinn 1 og 2 «regn» Eksempel: Dimensjoner nødvendig overflate på regnbed for å håndtere avrenningen fra et tett trafikkert areal på 2400 m 2 ( A ). Anta at infiltrasjonskapasiteten har verdi 15 cm/t (K h ) og at maksimal vannstand på overflaten før vannet går ut i overløp er 30 cm (h maks ). V inn = A φ P A regnbed = V inn h maks + K h t r Regnvarighet (t r ) [min] Trinn 2 (P) [mm] Volum inn (V inn ) [m 3 ] Overflate (A regnbed ) [m 2 ] Trinn 45 2: år og K F = ,4 Arealkrav: ~11 % Regnvarighet (t r ) [min] Trinn 1 (P) [m] Volum inn (V inn ) [m 3 ] Overflate (A regnbed ) [m 2 ] Trinn 1: 95 % Arealkrav: ~ 1-2 % Oslo commune (2016) Regnbed for lokal flomdemping, Faktaark om blågrønne løsninger