O-11173 KU - Nussir ASA Delutredning Avgangens sedimenteringsegenskaper Oslo, 15.april 2011 Birger Bjerkeng Eigil Iversen
Innhold Sammendrag 3 1. Innledning 4 2. Metode 4 3. Resultater 5 4. Beregninger av sedimenteringsegenskaper 12 4.1 Bakgrunn for beregningene 12 4.2 Grafisk basert analyse av resultatene fra forsøk 1 og 2 13 4.3 Kvantitativ analyse av utsynking av finfraksjon i forsøk 1 og 2 15 4.4 Analyse av supplerende forsøk 19 4.5 Konklusjon 21
Sammendrag Det er gjort sedimenteringsforsøk med avgang fra prøveoppredning av malm fra Nussir/Ulveryggen. Avgangen ble sendt NIVA som fuktig avgang fra SGS Research, Lakefield, Canada. Hensikten med forsøkene var å studere hvilken effekt en oppnår vha det syntetiske flokkuleringsmiddelet Magnafloc 10. Flokkuleringsmiddelet ble tilsatt i en anbefalt dose som tilsvarer 30 mg Magnafloc pr. kg tørr avgang. Det er ikke gjennomført forsøk for å finne optimal dose. Laboratorieforsøkene viste at Magnafloc 10 er et velegnet middel for å bedre sedimenteringsegenskapene til avgangen. Det dannes sterke fnokker som tåler en del belastning og en oppnår en rask effekt etter tilsetningen. Forsøkene viste at en oppnår best effekt med økende tørrstoffinnhold i avgangen, noe som betyr at det er viktig at avgangen fortynnes så lite som mulig på veien ned mot deponeringsområdet. Det ble også gjort er forsøk på å etterligne hva som vil hende i praksis. Det ble utført en flokkulering med et høyt tørrstoffinnhold. Deretter ble suspensjonen flokkulert videre i en mer fortynnet suspensjon før sedimenteringen ble startet. Forsøket viste at det er gunstig å starte en flokkulering i en suspensjon med høyt tørrstoff innhold. Den videre flokkuleringen som skjer etter at avgangen har forlatt avgangsledningen vil derved bli mer effektiv. Flokkuleringen som pågår på utslippsledningen fortsetter mens partiklene sedimenterer mot bunnen. Erfaringene fra dette forsøket er benyttet i en annen utreding, 3
1. Innledning For å kunne vurdere hvilke egenskaper en fremtidig avgang vil ha ved deponering i fjorden ble det utført 2 kvalitative forsøk i laboratorieskala i en såkalt Long-tube. Forsøkene ble utført med fuktig avgang fra prøveoppredning hos SGS Research, Lakefield, Canada og med innblanding av polymeren Magnafloc 10 i en mengde som ble foreslått av SGS. 2. Metode Forsøkene ble utført i et rør av plexiglass med en diameter på ca 20 cm og en høyde på ca 1 m. Røret hadde et volum på 30 liter. Røret var utstyrt med et røreverk og det var muligheter for prøveuttak like under overflaten og ved dyp på 10 cm, 30 cm, 50 cm, 70 cm og ved 90 cm dyp. Det ble brukt sjøvann fra 60 meters dyp uttatt ved NIVAs forsøksstasjon på Solbergstrand ved Drøbak. Røret ble fylt med vann, og avgang og polymer tilsatt under kraftig omrøring. Etter 5 minutters omrøring for innblanding av polymeren ble røreverket stoppet og det ble tatt ut prøver for analyse av suspendert tørrstoff etter ulike tidsrom. Tørrstoffbestemmelsene er utført ved filtrering gjennom Nuclepore-filter med poreåpning 0,45µ. Prøven fra 90 cm dyp etter 2 minutter var for tykk til å kunne filtreres; den ble i stedet analysert ved å dekantere overskuddsvannet, dampe inn resten av vannet, og veie den tørrede prøven. Det ble gjort forsøk med to suspensjoner med hhv 1 % og 5 % tørrstoffinnhold. Etter vurdering av resultatene ble det gjort et supplerende forsøk der flokkuleringen ble gjort i to trinn. Først ble det laget en suspensjon av 300 g avgang i 6 liter sjøvann som tilsvarer 5 % suspensjon. Det ble tilsatt samme mengde polymer som tidligere (30 mg/kg avgang) og suspensjonen ble rørt om med flokkulering i 5 minutter, dvs. med samme forhold som i forsøk 2. Deretter ble suspensjonen helt over i sedimenteringsrøret som på forhånd var fylt opp med en passende mengde sjøvann, slik at samlet volum ble 30 liter og vannstanden ble det planlagte nivå over øverste uttak (10 cm). En får derved en 1 % suspensjon, dvs. med samme konsentrasjon som i forsøk 1. Etter en ny flokkuleringstid på 5 minutter av denne suspensjonen ble røreverket stoppet. Hensikten med det supplerende forsøket var å se om de fnokkene som dannes ved en gitt konsentrasjon og flokkuleringstid er stabile etter fortynning og ny omrøring med lavere total partikkelkonsentrasjon. Det kan si noe om hvordan avgangen vil oppføre seg når den først tilsettes polymer og røres om i en blandingstank i et oppredningsverk og deretter sendes gjennom rørledningen og fortynnes i en turbulent stråle i resipienten. 4
3. Resultater Resultatene fra sedimenteringsforsøkene er samlet i tabell 1, tabell 2 og tabell 3, og vises grafisk i figur 1, figur 2 og figur 3. Tabell 1. Sedimenteringsforsøk med 1 % suspensjon. Tørrstoff i mg/l. Dyp, cm/ tid, min 2 5 20 60 120 240 0 127 22,7 15,6 14,0 11,5 9,08 10 123 26,2 16,1 11,6 8,64 7,64 30 121 45,4 15,4 10,7 10,3 8,09 50 144 52,3 17,8 10,6 10,5 11,6 70 124 69,0 18,5 8,03 11,1 10,2 90 93,8 60,2 22,4 13,6 12,7 10,1 Tabell 2. Sedimenteringsforsøk med 5 % suspensjon. Tørrstoff i mg/l. Dyp, cm/ tid, min 2 5 20 60 120 240 0 240 18,0 8,50 4,56 2,45 2,82 10 216 14,5 6,59 2,05 2,63 2,30 30 247 18,3 5,82 1,45 2,57 2,10 50 129 25,0 3,86 2,81 1,77 2,87 70 83,6 25,0 3,56 2,67 3,30 2,78 90 181 400 31,8 3,98 1,23 2,18 2,30 Tabell 3. Sedimenteringsforsøk i to trinn med 1 % suspensjon. Tørrstoff i mg/l. Dyp, cm/tid, min 2 5 20 60 120 240 0 9,34 2,88 3,20 1,62 1,01 1,98 10 58,5 4,48 4,59 1,08 1,65 3,06 30 278 31,0 4,02 1,85 1,96 2,75 50 1 020 40,8 4,66 2,04 2,26 2,89 70 9 320 83,1 4,88 2,12 2,60 1,32 90 10 700 134 6,34 2,58 2,56 1,55 5
1 % TS 1000 TS mg/l 100 0 cm 10 cm 30 cm 50 cm 70 cm 90 cm 10 1 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 Sed. tid i min. Figur 1. Tørrstoffinnhold ved ulike tider og dyp for 1 % suspensjon. 5 % TS 1000 TS mg/l 100 0 cm 10 cm 30 cm 50 cm 70 cm 90 cm 10 1 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 Sed.tid i min Figur 2. Tørrstoffinnhold ved ulike tider og dyp for 5 % suspensjon. En svært høy verdi for 90 cm dyp etter 2 minutter er ikke med i figuren. 6
1 % susp. flokkulering i 2 trinn 10000 mg TS/liter 1000 100 0 cm dyp 10 cm dyp 30 cm dyp 50 cm dyp 70 cm dyp 90 cm dyp 10 1 0 50 100 150 200 250 300 350 400 Sedimenteringstid i min Figur 3. Tørrstoffinnhold ved ulike tider og dyp for 1 % suspensjon og flokkulering i to trinn. Høyeste verdi er litt utenfor figuren. I figur 4 og figur 5 er resultatene for uttakene ved 10 cm og 70 cm dyp presentert for de to forsøkene. 10 cm dyp 1000 100 1 % TS 5 % TS TS mg/l 10 1 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 Sedimenteringstid i min. Figur 4. Tørrstoffinnhold ved 10 cm dyp ved ulike tider for 1 og 5 % suspensjon. 7
70 cm dyp 1000 100 1 % TS 5 % TS TS mg/l 10 1 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 Sedimenteringstid i min Figur 5. Tørrstoffinnhold ved 70 cm dyp ved ulike tider for 1 og 5 % suspensjon. I figur 6 og figur 7 er det gitt en grafisk fremstilling av de to forsøkene med 1 % suspensjon og vist tørrstoff-forløpet ved 10 cm og 70 cm dyp, 1000 100 TSM, mg/l Flokkulering i ett trinn 10 cm dyp Flokkulering i to trinn 10 cm dyp 10 1 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 Sedimenteringstid i min Figur 6. 1 % suspensjon. Tørrstoffinnhold ved 10 cm dyp ved ulike tider ved sedimentering i ett trinn og to trinn. 8
10000 1000 Flokkulering i ett trinn 70 cm dyp Flokkulering i to trinn 70 cm dyp TSM mg/l 100 10 1 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 Sedimenteringstid i min Figur 7. 1 % suspensjon. Tørrstoffinnhold ved 70 cm dyp ved ulike tider ved sedimentering i ett trinn og to trinn. Erfaringene fra forsøkene er: - Etter at polymeren ble tilsatt, kunne en raskt observere fnokkoppbyggingen. Store og sterke fnokker var synlig selv under kraftig omrøring. Når det gjelder 5 % suspensjonen, var det ikke mulig å holde alt slammet i suspensjon under omrøringen. - Da røreverket stanset, sedimenterte slammet meget raskt. Data for prøveuttak etter 2 minutter blir av den grunn litt unøyaktige da tidspunktet for uttak varierte med noen sekunder. - Forsøkene viser tydelig at 5 % suspensjonen sedimenterte bedre enn 1 % suspensjonen. Dette betyr at det er gunstig at avgangen sedimenterer så konsentrert som mulig, dvs. at det er kort avstand fra enden av avgangsledningen til deponeringsområdet, og utslippet fortynnes så lite som mulig i resipienten etter utslipp. - Flokkuleringsforsøket i to trinn viste at det er gunstig at en får til en god flokkulering før en slipper avgangen ut til sedimentering. Figur 8 og figur 9 viser foto av sedimenteringsrørene etter 5 minutter og 4 timers sedimentering og for de to suspensjonene i de to første forsøkene. 9
Figur 8. 1 % suspensjon etter 5 minutter og 4 timers sedimentering (4 timer til høyre). Figur 9. 5 % suspensjon etter 5 minutter og 4 timers sedimentering (4 timer til høyre). 10
Det er kanskje vanskelig å se av bildene at 5 % suspensjonen sedimenterte bedre, men alle bildene viser den bemerkelsesverdige effekten av polymertilsetningen. Etter 5 minutters sedimentering ser vannfasen klar ut. 11
4. Beregninger av sedimenteringsegenskaper 4.1 Bakgrunn for beregningene De utførte sedimenteringsforsøkene tar sikte på å vise hvordan avgangsmassen fordeler seg mht. synkehastighet, ideelt sett definere en kumulativ fordelingsfunksjon. I beregningene er det ikke korrigert for endringen av vannstanden i røret som følge av at en tapper ut vann for analyse. Ved start av forsøkene inneholdt røret så mye vann at en etter endt forsøk hadde en vannstand som omtrent var like mye under 30-litersmerket som en var over merket ved start av forsøk. For partikler opp til ca. 100 µm som synker ut enkeltvis og uavhengig av hverandre gjelder Stokes lov. Den sier at synkehastigheten varierer proporsjonalt med kvadratet av partikkeldiameteren 1 og med forskjell i densitet (egenvekt) mellom partikler og omgivende medium (dvs. vann). Større partikler vil skape turbulens, og synke langsommere enn Stokes lov skulle tilsi, men fortsatt med økende synkehastighet med økende partikkelstørrelse og densitet. Det ble observert under forsøkene at avgangen danner fnokker under omrøringen. Når omrøringen stopper synker fnokkene ut, og det er rimelig å anta at synkehastigheten for fnokkene vil variere på tilsvarende måte som for enkeltpartikler, dvs. som funksjon av størrelse, form og densitet for fnokkene. Hvis aggregatene inneslutter vann, vil densiteten være mindre enn partiklenes densitet, og det kan også antas å være variasjoner i form mellom fnokkene som påvirker synkehastigheten. Hvis partikler og fnokker synker enkeltvis og uavhengig av hverandre, kan utsynkingsegenskapene for en gitt blanding av partikler og fnokker av forskjellig størrelse beskrives som en veldefinert kumulativ fordelingsfunksjon F(w) over synkehastighet w, dvs. at en vektandel F(w) har synkehastighet w. Hvis partiklene i startfasen etter omrøringen er homogent fordelt over alle dyp med tørrstoffkonsentrasjon C sum, og turbulent og molekylær diffusjon kan neglisjeres, vil restkonsentrasjonen c ik for gitt dyp z i og tid t k tilsvare nettopp den andelen av partikkelmassen som har synkehastighet w z i /t k : c ( z t ) = C F( z t ) i, (1) k sum I så fall skal målt konsentrasjon være en funksjon bare av forholdstallet mellom dyp og tid. Alle datapunktene for ett forsøk skal da falle langs én kurve i et plott av konsentrasjon mot w= z i /t k. En slik kurve vil gi et direkte bilde av fordelingen F(w) når den skaleres mot startkonsentrasjonen. Dette gjelder uansett hvordan partiklene er fordelt mht. synkeegenskaper, og uavhengig av om partiklene er helt eller delvis aggregert i fnokker av forskjellig størrelse, form og densitet, såfremt utsynkingen skjer uten videre interaksjon mellom partikler og fnokker. Dersom resultatene avviker markert fra en slik fordeling langs én kurve, betyr det at partikkelmassen ikke har noen veldefinert fordeling mht. synkehastigheter, men at fordelingen endrer seg med dyp eller tid i løpet av forsøket. Den mest naturlige forklaringen på slike endringer vil være at det i løpet av forsøket skjer en videre interaksjon mellom partiklene og/eller fnokkene som var fordelt i vannsøylen ved starten av forsøket. Det kan skje en videre aggregering i større partikler slik at synkehastigheten øker, men det kan også tenkes at partikkeltettheten nederst etter hvert blir så stor at videre utsynking bremses. Avvik fra det som gjelder for uavhengig utsynking i stillestående vann fra homogen fordeling av partikler og fnokker kan selvsagt også forekomme av andre årsaker. Det kan for eksempel være at det i k 1 Gjelder kuleformedepartikler; hvis partikkelen har en annen form vil det også påvirke synkehastigheten, og det blir da en ekvivalent diameter som evt. må inngå i Stokes lov. 12
ikke har lykkes å homogenisere over dyp, slik at raskt synkende partikler er konsentrert nederst når utsynkingen starter, eller at det er turbulens eller konveksjon i vannet som transporterer partikler rundt i forsøksrøret. 4.2 Grafisk basert analyse av resultatene fra forsøk 1 og 2 Måleresultatene fra de to første forsøkene med flokkulering i ett trinn er vist med konsentrasjon mot dyp/tid-forhold z/t i figur 10. Konsentrasjonen er vist langs logaritmisk skala slik at en gitt relativ endring blir like stor visuelt i alle faser av forsøket. Det samme gjelder i hovedsak horisontal akse med dyp/tid-forhold, men her er det brukt en litt forskjøvet logaritmisk skala, slik at startkonsentrasjonene ved t=0 også kan vises. Det fremgår av figuren at resultatene i liten grad stemmer med en antagelse om uavhengig utsynking av partiklene eller fnokker. I stedet er hovedinntrykket at konsentrasjonene ved et gitt tidspunkt varierer relativt lite vertikalt. Dvs. at konsentrasjonen synker like fort i alle dyp og i hovedsak er en funksjon bare av tid og ikke av forholdet dyp/tid. Det er naturlig å se på dette som et tegn på at partiklene flokkulerer eller aggregerer til større partikler i løpet av utsynkingen. Flokkulering skjer ved kollisjoner mellom partikler, fremkalt av Brownske bevegelser, hastighetsgradienter (turbulens) og differensiert utsynking av ulike partikkelfraksjoner (van Leussen 1988) som gir ulik synkehastighet og derved kollisjoner mellom ulike fraksjoner. I det første forsøket, med startkonsentrasjon 10 g/liter, er det en viss tendens til høyere konsentrasjoner med dyp i nedre halvdel av røret (de tre observasjonene til høyre i hver kurve i figur 10) i forhold til den øverste halvdelen av røret, men data fra ulike dyp og tider ligger ikke langs en felles kurve; reduksjonen med tid er mye mer lik i alle dyp enn det en nedsynkning av uavhengige fnokker eller partikler skulle tilsi. Det tyder på at synkehastigheten øker nedover i røret. Det er en viss tendens til økende konsentrasjoner med økende dyp ved gitt tidspunkt i nedre del av røret, mest tydelig etter 5 minutter. I den øvre delen av røret (de tre punktene til venstre i hver kurve, dvs. 0, 10 og 30 cm) er det nesten helt parallell reduksjon på alle tre dyp, og det avviker sterkt fra en antagelse om uavhengig utsynkning uten videre aggregering. I løpet av de siste tre timene av forsøket synker konsentrasjonen fortsatt langsomt i de øverste 30 cm, men med mye mindre relative reduksjonsrater enn i den første timen. Det andre forsøket, med startkonsentrasjon 50 g/l, viser enda klarere resultater som avviker fra det en uavhengig utsynking av enkeltpartikler og fnokker skulle gi. Forløpet er preget av at konsentrasjonene avtar omtrent like fort i alle dyp. Etter 2 minutter er det faktisk slik at den vertikale konsentrasjonsgradienten går motsatt av den en ville vente; konsentrasjonen avtar med en faktor 3 fra 30 til 70 cm dyp. Denne forskjellen kan ikke skyldes tidsforskjellen i uttak av prøver fra ulike dyp som omtalt ovenfor, fordi de nederste prøvene ble tatt ut først. Ved samme tidspunkt bør den negative vertikale gradienten ha vært enda sterkere enn det målingene viser direkte, og resultatene må derfor tolkes slik at økningen i utsynkingshastighet ved videre aggregering er mest effektiv i nedre del av røret. I så fall kan det ikke bare skyldes at de partiklene og fnokkene som synker raskest i større grad er konsentrert i nedre del av vannsøylen når omrøringen stopper. En slik startprofil kan riktignok føre til at konsentrasjonene synker relativt raskest i den nedre delen av vannsøylen, fordi det opprinnelige innholdet i nedre del av kolonnen synker raskere enn det som blir tilført ved nedsynkning ovenfra. Som nevnt ovenfor var sedimenteringen så effektiv at det ikke lyktes å holde hele partikkelmassen i suspensjon under omrøringen, og det betyr at det antagelig var en slik segregering etter synkehastighet. Men utgangspunktet bør da ha vært en situasjon hvor total startkonsentrasjon økte nedover i røret, med noenlunde homogen fordeling av fraksjoner med lav synkehastighet, og større økning i konsentrasjon nedover i røret nedover for fraksjoner med høyere synkehastighet. Det skulle gi en 13
gradvis utjevning av konsentrasjonene, men ikke kunne snu gradienten slik at konsentrasjonen avtar med dypet. Bare en videre aggregering som gir økt synkehastighet over tid, og er mer effektiv i nedre del av røret, synes å kunne forklare at konsentrasjonene ved et gitt tidspunkt avtar nedover i røret. 200 100 Test 1: startkonsentrasjon 10 000 mg/l Konsentrasjon (mg/l) 50 20 10 5 2 1 Tid (minutter) Tid: 2 Tid: 5 Tid: 20 Tid: 60 Tid: 120 Tid: 240 0.0 0.1 0.2 0.5 1.0 2.0 5 10 20 50 Dyp/Tid (cm/minutt) 200 Test 2: startkonsentrasjon 50 000 mg/l Konsentrasjon (mg/l) 100 50 20 10 5 2 1 0.0 0.1 0.2 0.5 1.0 2.0 5 10 20 50 Dyp/Tid (cm/minutt) Tid (minutter) Tid: 2 Tid: 5 Tid: 20 Tid: 60 Tid: 120 Tid: 240 Figur 10. Konsentrasjon mot forholdstall dyp/tid fra utsynkingsforsøk. Punktene på hver kurve representerer fra venstre dyp 0, 10, 30, 50, 70 og 90 cm. Kurven for 2 minutter for test 2 har ikke med det avvikende punktet med svært høy konsentrasjon 181 400 mg/l fra 90 cm. 14
Helt nederst, på 90 cm dyp, altså ca. 10 cm over bunnen av røret, er det etter 2 minutter en helt avvikende høy konsentrasjon på 180 gram/liter, altså nesten 4 ganger høyere enn gjennomsnittlig startkonsentrasjon. Det henger nok sammen med det omtalte problemet med å holde hele partikkelmassen i suspensjon. Antagelig har startkonsentrasjonene vært mye høyere i nedre del av røret i det røringen stopper, og dette resultatet er en rest av dette. Hvis vi antar at det meste av partikkelmassen har vært konsentrert i den nederste ¼ av røret (4 ganger høyere konsentrasjon enn ved jevn fordeling), skulle det tilsi synkehastigheter for denne fraksjonen på ca. 7 cm/minutt. Etter 5 minutter er alle spor av denne høye konsentrasjonen borte, og senere i forsøket synker konsentrasjonen ved 90 cm videre nedover til like lave nivåer som lenger opp i røret. Etter 5 minutter er det en tendens til økende konsentrasjon med dypet på samme måte som i det første forsøket, men deretter går det heller motsatt vei, med avtagende konsentrasjoner nedover i vannsøylen ved gitt tidspunkt. I dette forsøket stopper utsynkingen stort sett helt opp etter ca. 1 time; de neste 3 timene skjer det ingen videre reduksjon i restkonsentrasjonene i det meste av røret. De to forsøkene viser altså i liten grad noen tendens til at utsynkingen er preget av at partikler og fnokker synker ut som uavhengige partikler. I stedet synker konsentrasjonen omtrent like fort i alle dyp og avtar til dels også nedover i røret, og det tyder på at gjennomsnittlig synkehastighet øker nedover i kolonnen fordi det skjer en videre aggregering underveis. Den parallelle reduksjonen av konsentrasjoner på ulike dyp er minst like framtredende i den øvre delen av kolonnen som i den nedre delen, og det ser derfor ut til at videre aggregering er viktige for utsynkingsforløpet også av de små partiklene og fnokkene som synker langsomt, og at det ikke bare er den fnokkingen som skjer under omrøringsfasen som avgjør sedimenteringsegenskapene. Når de to forsøkene ses i sammenheng, blir det også klart at det er sterkt avhengig av konsentrasjon hvor effektiv utsynkingen er. Startkonsentrasjon 10 g/l gir en sluttkonsentrasjon på ca. 10 mg/l, altså en restmengde på ca 1 av opprinnelig partikkel mengde som synker ut i svært liten grad. Med startkonsentrasjon 50 g/l blir sluttkonsentrasjonen bare 2-3 mg/l; her er det altså bare ca. 0,05 av den opprinnelige partikkelmengden som henger igjen etter 4 timer. Denne forskjellen skyldes ikke i bare at det er en mindre andel av partikkelmengden som holdes i suspensjon under omrøringen; etter 2 minutter er restkonsentrasjonen fortsatt nesten dobbelt så høy i det forsøket som starter med 5 ganger mer partikler. Det må altså være mer effektiv utsynking i resten av forsøket som gjør at sluttkonsentrasjonen blir 5 ganger lavere i forsøk 2. 4.3 Kvantitativ analyse av utsynking av finfraksjon i forsøk 1 og 2 Når det gjelder miljøpåvirkningen fra utslippet på vannmassene er finfraksjonen det mest interessante. Vi skal derfor se nærmere på målingene fra øvre del av røret i de to forsøkene. Tabell 4 viser beregnet vektet middelkonsentrasjon i de øverste 60 cm av vannsøylen, både med enhet mg/l og som relativ verdi i forhold til nominell startkonsentrasjon (forutsatt homogen fordeling av hele den tilsatte partikkelmassen). Målingene i 0, 10, 30 og 50 cm er da vektet i forhold til den vannsøylen de antas å representere, dvs. hhv. 5, 15, 20 og 20 cm. 15
Tabell 4. Vektet middelkonsentrasjon 0-60 cm (målinger i 0, 10, 30 og 50 cm dyp) som absolutt konsentrasjon og som relative verdier i forhold til nominell startkonsentrasjon for forsøket. Tid (minutter) Forsøk 1 nominell startkonsentrasjon C nom =10 g/l Konsentrasjon C (mg/l) Relativ konsentrasjon R=C/C nom Forsøk 2 nominell startkonsentrasjon C nom =50 g/l Konsentrasjon C (mg/l) Relativ konsentrasjon R=C/C nom 2 129.667 0.012967 199.333 0.003987 5 41.008 0.004101 19.558 0.000391 20 16.392 0.001639 5.582 0.000112 60 11.167 0.001117 2.313 0.000046 120 10.052 0.001005 2.308 0.000046 240 9.230 0.000923 2.467 0.000049 Forsøk 2, som hadde høyest startkonsentrasjon, ga i de første 5 minuttene ca. 3 ganger større relativ reduksjonsrate enn forsøk 1, og andelen som er igjen etter 4 timer er 20 ganger mindre i forsøk 2 enn i forsøk 1. Forklaringen på dette kan delvis være at høyere konsentrasjon gir høyere frekvens av kollisjoner mellom partikler og fnokker under omrøring, og derved mer fnokkdannelse. Men som drøftet ovenfor tyder den parallelle reduksjonen i flere dyp på at videre aggregering underveis i utsynkingsfasen er viktig for utsynkingen. Det ser derfor ut til at også den prosessen blir mer effektivt når startkonsentrasjonen er høyere. Virkningen av den høyere startkonsentrasjonen varer også for utsynkingen i tidsrommet fra 5 til 60 minutter. Selv om restkonsentrasjonen i forsøk 2 da er lavere enn i forsøk 1, er den relative utsynkingen fortsatt større. Utsynkingsraten ser altså ut til ikke bare å være bestemt av gjenværende konsentrasjon, men influeres av hvor høye konsentrasjonene har vært tidligere. En mulig forklaring kan kanskje være at en høy startkonsentrasjon kombinert med omrøring gir større og flere fnokker, og at det bidrar til en mer effektiv utsynking og videre aggregering også i den senere fasen. For å se om det er en rimelig forklaring, kunne en gjøre en detaljert modellering av fnokkingen og interaksjonen mellom synkende fnokker og partikler av forskjellig størrelse, men det ligger utenfor rammen av dette prosjektet. Derimot kan det gjøres en empirisk modelltilpasning for å sammenfatte resultatene. Hvis vertikal transport ved utsynkingen betegnes q (mengde pr. tid og flateareal), er integrert konsentrasjon C fra overflaten av sedimenteringskolonnen til dyp z (=samlet mengde over z pr. flateareal) gitt av differensialligningen z ( ζ, t) C dζ = q( z, t) (2) t 0 Hvis C endres parallelt i alle dyp, slik som observert i disse forsøkene, særlig i øvre del av røret, dvs. C(z,t) = C(t) uavhengig av z, blir ligningen: C t ( t) z = q Da må q være proporsjonal med z og ellers bare en funksjon av t og/eller C for å forklare måleresultatene. Midlere synkehastighet for partiklene i dyp z, definert som w=q/c, må da være gitt ved (3) 16
w=k(t,c) z. Det vil altså si at midlere utsynkingshastighet øker proporsjonalt med tykkelsen av det partikkelholdige laget ovenfor. Det er ikke urimelig dersom fnokkdannelsen er dominerende under utsynkingsfasen, slik at en har fnokker som vokser i størrelse når de beveger seg nedover i røret og derved synker med økende synkehastighet nedover i vannsøylen. Differensialligningen for C kan da skrives C t = k, ( t C) C (4) altså som en reduksjon over tid, homogent over hele vannsøylen. Koeffisienten k (med dimensjon t -1 ) kan som nevnt variere med tid og/eller partikkelkonsentrasjon, men den kan ikke variere med dyp dersom konsentrasjonene avtar likt i hele vannsøylen ned til et gitt dyp hvor ligningene antas å gjelde. Ut fra en slik modell vil reduksjonen gå like raskt uansett hvor tykk skyen er, dvs. med spesifikke utfellingstider, og kan ikke beskrives enkelt ved synkehastigheter som har dimensjon lengde pr. tid. I virkeligheten vil vi ikke vente at en så enkel beskrivelse av virkningen av aggregering kan være dekkende, men det antyder likevel at de oppnådde resultater kan forklares rimelig av at det skjer aggregering underveis. Utsynking beskrives ofte ved synkehastigheter med dimensjon lengde/tid anvendt på partikkelkonsentrasjonen i hvert dyp, eller innenfor et vertikalsjikt. For utsynking som domineres av aggregering vil slike synkehastigheter gjelde som midlere verdier for utsynking fra den vannsøylen det synker ut fra. Hvis aggregeringsmodellen som er beskrevet ovenfor er riktig, vil den tilsynelatende synkehastigheten avhenge av bl.a. tykkelsen på partikkelskyen, og kan ikke ha almen gyldighet for partikkelsammensetningen i hvert dyp; den vil være en egenskap ved partikkelskyen, og ikke bare være knyttet til enkeltpartikler eller enkeltfnokker. For å estimere k som funksjon av tid og/eller konsentrasjon kan en gå ut fra kurvene for konsentrasjon som funksjon av tid. Ved empirisk prøving er det funnet en enkel modell som beskriver ganske godt den relative restkonsentrasjonen R i øvre halvdel av vannsøylen som funksjon av tid: R t ( t+ a ) = R 0 (5) Modellen er satt opp slik at R=1 for t=0 og går mot en konstant verdi R 0 når t. Koeffisientene R 0 og a bestemmes ved ikke-lineær regresjon for hvert av de to forsøkene, med minimering av summen av kvadratavvik på logtransformerte verdier (dvs. relative avvik). Resultatet er vist i tabell 5. For forsøk 1, hvor det antas at det ble oppnådd homogene konsentrasjoner ved omrøring, er også et startpunkt med relativ konsentrasjon =1 ved t=0 tatt med som grunnlag for kurvetilpasningen. For forsøk 2 er det ikke tatt med noe slikt startpunkt i kurvegrunnlaget, fordi det her ikke var mulig å holde hele partikkelmengden i suspensjon. Modellen er likevel slik at den vil gi relativ konsentrasjon = 1 ved t=0. Tabell 5. Tilpassede modellkoeffisienter for relativ konsentrasjon for de to forsøkene Koeffisient Forsøk 1 startkonsentrasjon C nom =10 g/l Forsøk 2 startkonsentrasjon C nom =50 g/l R 0 9.67 10-4 4.34 10-5 a 1.245 1.531 17
Modellverdien R er altså forholdet mellom målt konsentrasjon og den startkonsentrasjon en ville hatt dersom partiklene da var fordelt likt over hele røret. Antagelig var startkonsentrasjonen i øvre del av røret, i alle fall i forsøk 2, lavere enn det en homogen fordeling ville tilsi, men siden en slik startkonsentrasjon allerede representerer en utskilling av partikler og fnokker med lavere synkehastighet enn gjennomsnittet, og dessuten ikke er målt, er det både riktig og nødvendig å benytte hele partikkelmengden som basis i en modell for hvor stor andel av avgangen som slippes ut som vil henge igjen lenge i vannmassene. 2 Figur 11 viser målte gjennomsnittskonsentrasjoner fra tabell 4 med tilpassede modeller tegnet inn med koeffisientene i tabell 5. Også her er det brukt logaritmiske akser, og tidsaksen er forskjøvet for å få med verdien 0. 1.0000 Test 1, startkonsentrasjon 10 g/l Test 2, startkonsentrasjon 50 g/l 0.1000 Relativ kons. R 0.0100 0.0010 0.0001 1E-5 0 2 5 20 60 120 240 Tid (minutter) Figur 11. Vektet gjennomsnittskonsentrasjon 0-60 cm mot tid, vist som andel av startkonsentrasjon. Tilpassede modellforløp for konsentrasjon som funksjon av tid er tegnet inn for de to forsøkene, og asymptisk sluttnivå R 0 er også vist i figuren. I følge modellen er den tidsderiverte av relativ restkonsentrasjon gitt ved: dr dt Det gir et uttrykk for k som funksjon av tid: a = 0 ( t + a) ln R R (6) 2 1 dr a k = = ln R (7) R dt 0 ( t + a) 2 2 Det ble prøvd kurvetilpasning hvor startverdien ved t=0 varierer fritt, men det gir ikke noe bedre resultater. 18
Midlere effektive synkehastighet ved tid t og dyp z blir da: z w = kz = ln R a (8) 0 ( t + a) 2 Disse ligningene uttrykker selvsagt ingen fundamental sammenheng, men er bare en ad hoc empirisk tilpasning som sammenfatter hovedtrekk i måleresultatene, og er knyttet til det konkrete forsøksoppsettet. Ligning (5) kan løses mht. t: a ln R t = (9) ln R ln R Når det settes inn i ligning (8) fås effektiv synkehastighet i dyp z som funksjon av konsentrasjon i stedet for tid: 0 ( ln R0 ln R) 2 2 a ( ln R ) 0 2 [ ln( R R0 )] ln( 1 R ) z w = ln R0az = (10) a Det er altså slik at synkehastigheten for gitt dyp z ikke bare er en funksjon av restandelen av partikler i øyeblikket R, men også avhenger av det tidligere forløpet; både a og R 0 avhenger som vi har sett av startkonsentrasjonen. En effektiv utsynkingshastighet som passer med resultatene i den øvre del av røret øker altså omtrent lineært nedover i vannsøylen, og avhenger ellers av både startkonsentrasjon (gjennom R 0 og a) og av gjenværende restandel av partikler. Utsynkingsforløpet ser altså ut til å være en funksjon av det helt konkrete forsøksoppsettet, og kan ikke uten videre generaliseres til bruk i en modellsimulering av partikkelspredning i vannmassene etter utslipp av avgang i en fjord. Det er mulig å avlede ekvivalente synkehastigheter av forsøkene, men resultatet må brukes med forsiktighet. 4.4 Analyse av supplerende forsøk De to første forsøkene som ble gjort viste at høy startkonsentrasjon ga mye mer effektiv utsynking, ikke bare relativt til startkonsentrasjonen, men at det faktisk ble lavere partikkelkonsentrasjoner igjen i vannfasen etter 4 timer. Startkonsentrasjon 10 g/l ga en sluttkonsentrasjon på 10 mg/l med lite videre utsynking, mens 50 g/l startkonsentrasjon reduksjon ned til 2.5 mg/l i løpet av omtrent samme tid. Høy startkonsentrasjon ser ut til å gi en mer effektiv fnokking i en blandefase, og resultatene tyder på at det både gir en raskere utsynking i startfasen, men også mer effektiv utsynking i en senere fase, selv når restkonsentrasjonen har nådd lavere nivåer enn det en vil få med en lavere startkonsentrasjon. Som beskrevet ovenfor ble det derfor gjort et supplerende forsøk hvor elementer av de to forsøkene ble kombinert i en flokkulering i to trinn. Først ble partiklene tilsatt polymer med omrøring under samme forhold som ved forsøk 2, altså med partikkelkonsentrasjon 50 g/l. En vil vente at det gir en suspensjon hvor sammensetning og størrelse av fnokker er omtrent som i forsøk 2. Etterpå ble denne suspensjonen tilsatt røret og blandet ut ved ny omrøring til en partikkelkonsentrasjon 10 g/l. I dette andre trinnet har suspensjonen samme partikkel- og polymer-konsentrasjon som i forsøk 1, men da er partikkelinnholdet allerede fnokket ved den høyere konsentrasjonen. 0 2 19
Resultatet er vist i figur 12. I dette forsøket er det i starten en mye klarere vertikal gradient med økende konsentrasjoner nedover i røret, spesielt etter 2 minutter, men også etter 5 minutter. I de øverste 10-20 cm av røret synker konsentrasjonene raskt ned til lavere verdier enn i de to første forsøkene, mens det går langsommere lengre ned i røret. Etter 20 minutter har konsentrasjonen sunket til 3-5 mg/l i alle dyp; det er mye lavere enn i forsøk 1, og omtrent det samme som i forsøk 2. Etter 60 minutter ligger restkonsentrasjonen på 1-2 mg/l, det varierer noe i tid videre utover i forsøket, men viser ingen videre reduksjon. 20000 10000 5000 Test 3: Flokkulering i to trinn (50 g/l, deretter fortynning til 10 g/l) 2000 1000 500 Konsentrasjon (mg/l) 200 100 50 20 10 5 2 1 0.0 0.1 0.2 0.5 1.0 2.0 5 10 20 50 Dyp/Tid (cm/minutt) Tid (minutter) Tid: 2 Tid: 5 Tid: 20 Tid: 60 Tid: 120 Tid: 240 Figur 12. Konsentrasjon mot forholdstall dyp/tid fra supplerende utsynkingsforsøk med flokkulering i to trinn. Punktene på hver kurve representerer fra venstre dyp 0,10,30,50,70 og 90 cm. Dimensjonene på grafen er tilpasset slik at vertikalaksen blir sammenlignbar med figur 10. Sluttkonsentrasjonen er omtrent som i forsøk 2, kanskje til og med litt lavere. Siden konsentrasjonen i starten av forsøket er 5 ganger lavere enn i forsøk 2, betyr det at gjenværende andel av partikler er 4-5 ganger større i det supplerende forsøket sammenlignet med forsøk 2. Startkonsentrasjonen i røret er den samme som i forsøk 1, men sluttkonsentrasjonen er 5 ganger lavere enn i det forsøket. Rest- 20
andelen R 0 beregnet som forholdet mellom sluttkonsentrasjon og nominell startkonsentrasjoner er ca. 2 10-4, som er omtrent midt mellom de to første forsøkene. Figur 13 viser utviklingen i relativ restkonsentrasjon over tid i de øverste 40 cm av vannsøylen for alle tre forsøkene, og det sees at det supplerende forsøket ligger omtrent midt mellom de to andre mht. relativ restkonsentrasjon som er igjen i vannsøylen etter 2-4 timer. Det ser altså ut til at virkningen av flokkuleringen med høy konsentrasjon i trinn 1 gir mer effektiv utsynking også etter at suspensjonen blir fortynnet og rørt om videre i trinn 2, sammenlignet med om partiklene ble fnokket bare i fortynnet suspensjon. Restandelen av partikler er imidlertid mye høyere enn i forsøk 2. Det kan tenkes å henge sammen med at fnokkingen delvis blir reversert når suspensjonen fortynnes og røres om, men det kan også være bare en bekreftelse på at videre fnokking under utsynking spiller en stor rolle, slik som resultatene fra forsøk 1 og 2 tyder på, og at den videre fnokkingen er mye mer effektiv når partiklene er i en mer konsentrert suspensjon fra starten av utsynkingen. 1.0000 0.1000 Test 1, startkonsentrasjon 10 g/l Test 2, startkonsentrasjon 50 g/l Test 3, Supplerende forsøk (50 --> 10 g/l) Relativ kons. R 0.0100 0.0010 0.0001 1E-5 0 2 5 20 60 120 240 Tid (minutter) Figur 13. Vektet gjennomsnittskonsentrasjon 0-40 cm mot tid for alle tre forsøk, vist som andel av startkonsentrasjon. 4.5 Konklusjon Bruken av Magnafloc 10 ser ut til å gi en meget effektiv utsynking av partiklene. Det kan se ut til at fnokkingen blir vesentlig bedre med så høy partikkelkonsentrasjon som mulig, men også at det er gunstig å redusere fortynning i utsynkingsfasen etterpå, hvis en vil ha så stor andel som mulig til å synke ut relativt raskt. Ut fra resultatene ser det ut til at det ikke er mulig å angi noen bestemt synkehastighet som kan brukes til å beregne en grense for hvor langt finfraksjonen av suspenderte partikler kan spre seg. Utsynkingen av de fine partiklene ser ut til å være sterkt avhengig av hvilke partikkelkonsentrasjoner en får i vannmassene etter utslipp, og av hva slags startkonsentrasjon en har i utslippsskyen. For en gitt partikkelmengde vil det være viktig å unngå spredning i store vannmasser, men sørge for så høy konsentrasjon som mulig innenfor et avgrenset volum, for at utsynkingen skal gå raskere. 21
Resultatene gir ikke grunnlag for å beregne noen videre utsynking etter at konsentrasjonen er kommet ned i 2 mg/l. Grenseverdien er avhengig av startkonsentrasjon og effektivitet av fnokkingen. Resultatene er oppnådd i laboratoriet med i hovedsak stillestående vann, og kan ikke uten videre overføres til frie vannmasser i resipienten, hvor en har naturlig turbulent strøm. Turbulensen genereres da i stor grad i et sjikt ved bunnen. Det må antas at det kan bidra til å holde sedimentene suspendert over lengre tid enn det laboratorieresultatene tyder på. 22