Regnbetingede udløb fra kloaksystemer

1. Introduktion

1.1 Regn
1.2 Afløbssystemet
1.3 Karakterisering af overløbsvand
1.4 Opgørelser fra 1997

Vandløb, søer og marine områder har i lang tid været anvendt som recipienter for udledning af kommunalt spildevand.

Disse udledninger har altid påvirket recipienterne, men voksede under den industrielle revolution, hvor øgede mængder af spildevand fra industrielle processer sammen med den øgede urbanisering resulterede i at store mængder spildevand blev ledt næsten urensede ud i de nærliggende recipienter.

På trods af store investeringer gjort i de vestlige lande siden 70’erne i udbygningen af renseanlæggene, er der stadig store problemer med udledningen af spildevand, specielt i udviklingslandene. Omkring 90% af den samlede spildevandsmængde fra udviklingslandene ledes stadigvæk urenset ud i de omkringliggende vandområder, med en kraftig forurening til følge (World Ressource Institut, 1996).

I Danmark blev en stor del af renseanlæggene bygget og udbygget op gennem 70’erne til 90’erne som konsekvens af stigende forureningsproblemer, til forbedret NPO- fjernelse som følge af "Vandmiljøplan I" fra 1987, hvorfor bidragene fra renseanlæggene er blevet kraftig reduceret. I alt ca. 8 % af det samlede danske spildevand ledes i dag urenset direkte ud i recipienterne (Miljøstyrelsen,1998).

I lyset af denne reduktion er belastningen fra de øvrige punktkilder blevet relativt forøget og effekterne i recipienterne af disse påvirkninger er derfor nu blevet mere synlig. På landsplan er det kun ca. 45 % af vandløbene der opfylder deres målsætning fastsat i regionsplanerne. Der er midlertidigt en stor geografisk variation. På Sjælland, Lolland og Falster er målopfyldelsen kun 20 % i vandløbene mens den for Fyn og Jylland er henholdsvis knapt 40% og ca. 50 %. De væsentligste årsager til at vandløbene ikke opfylder deres målsætning er spildevand fra spredt bebyggelse og udledningen af dårligt renset spildevand fra kloakerede områder, herunder også regnbetingede udløb, samt dårlig fysisk variation i vandløbenes bundforhold (Skriver, 1997).

Der er i Danmark ca. 14.000 regnbetingede udløb pr. år med større eller mindre effekter i recipienterne til følge. Regnbetingede udløb sker i princippet som konsekvens af den kloakeringspraksis der er valgt i Danmark og kan enten ske som en udledning fra separatkloakerede regnvandsledninger, via en direkte overfladeafstrømning eller som en udledning fra fælleskloakerede systemer via overløbsbygværker.

Regnbetingede udløb fra fælleskloakerede områder er ikke kun overfladevand men en blanding af overfladevand, husholdnings-, industrispildevand samt sediment der resuspenderes fra selve kloakledningerne, og indeholder derfor forureningskomponenter fra alle kilderne.

I de kommende år forventes det at der skal bruges mange milliarder kroner på renoveringen af det danske kloaksystem. Alene i forbindelse med bassinbyggeriet til begrænsning af følgerne fra de regnbetingede udløb forventes det at der skal anvendes i størrelsesorden af 6-12 mia. kr.

De nye store investeringer betinger at de nyeste og bedste metoder anvendes både i planlægningen, analysen og designet af det samlede afløbssystem, for derigennem at få mest miljø for pengene.

Der er derfor behov for at den nyeste viden og erfaring indsamles for derigennem at optimere dette arbejde og for at præcisere de observerede effekter i recipienterne.

1.1 Regn

Det er de store og længerevarende regnskyl der som oftest bevirker at fælleskloakerede kloaksystemer aflaster vand til recipienterne, for separate regnvandsledninger aflastes hver gang det regner mere end 0,5 - 1 mm. De store regnskyl sker som oftest om sommeren og først på efteråret, hvor de lokale tordenskyl introducerer meget store vandmængder i kloaksystemet.

Variationen af regnmængderne lokalt i Danmark i forhold til mange andre lande er relativt lille, pga. Danmarks beliggenhed og størrelse. Den største nedbørsmængde opnås ved den jyske vestkyst og i Midtjylland, mens den mindste mængde opnås lokalt på Sjælland og på øerne beliggende i Kattegat, se Figur 1.1.

Figur 1.1 Årsmiddel-nedbørens fordeling i Danmark baseret på nedbørsnormaler fra perioden 1961-1990 (Frich et. al. ,1997)

Der er i over 20 år blevet registreret regnserier på lokaliteter spredt ud over det ganske land, med en tendens til flest målestationer på Jyllands østkyst samt i Københavnsområdet (Spildevandskomitéen, 1999) .

På trods af disse registreringer, har de lokale regnserier i begrænset omfang været anvendt til dimensionering og analyse af afløbssystemerne. Derimod har regnserier som Odense-serien været anvendt.

Odense-serien har registeret regn i perioden 1933 - 1980, med i alt 33 helårs data.

Brug af Odense-regnserien kan bevirke at størrelsen af udledningerne fra regnbetingede udløb samt dimensioneringen af bassiner underestimers, da Odense-serien’s regndybde pr. hændelse generelt er lavere end de lokale regnserier, især ved ekstremregn, se Figur 1.2.

Der er således i Danmark et veldefineret grundlag for en nøjagtig bestemmelse af dimensionsgivende regn ved projektering af afløbssystemer.

Figur 1.2 Ekstremværdier af regndybden pr. hændelse som funktion af gentagelsesperioden. Odense-serien plottet sammen med de 43 målte regnserier (Spildevandskomitéen, 1999)

1.2 Afløbssystemet

Afledningen af spilde- og regnvand i Danmark sker gennem et meget omfattende ledningsnet, placeret under jord bestående af både fællessystemer og separatsystemer. I nogle tilfælde kan afledningen af regnvand fra veje ske via grøfter.

Fællessystemet er betegnelsen for et afledningssystem, hvor husholdnings-, industrispildevand og regnvand ledes til samme ledning. Fællessystemet blev etableret fra det sidste århundrede op til omkring 1950’erne. Nye kloakker i Danmark er sidenhen overvejende blevet etableret efter separations princippet.

Separatsystemet består af 2 separate ledningssystemer, som afleder henholdsvis tag- og overfladevand og spildevand i separate ledninger, se Figur 1.3.

Figur 1.3 De 2 typer af kloaksystemer: fællessystemet øverst og separatsystemet nederst

De 2 systemer udgør hver ca. 50 % af kloaksystemet i Danmark med lokale variationer.

Det samlede antal overløbsbygværker i Danmark blev i 1997 opgjort til ca. 5400, hvor ca. 1500 af disse havde en eller anden form for magasinering. Det samlede kloakerede areal udgør 240.700 ha hvoraf ca. 71.600 ha er befæstede arealer (Miljøstyrelsen,1998).

Udledninger fra separatsystemer vil kun ske fra regnvandsledningen.

Denne udledning sker når nedbøren overskrider det såkaldte befugtningtab på ca. 0,5 – 1 mm nedbør. Disse udledninger sker direkte til recipienten eller over en foranstaltning som reducerer vandhastigheden i udledningen og dermed den lokale erosion. Ved motorveje anvendes ofte våde bassiner til beskyttelse af recipienterne.

Udledninger fra fællessystemer sker fra overløbsbygværker når den hydrauliske kapacitet i den videreførende (afskærende) ledning overskrides. Traditionelt har man dimensioneret den afskærende ledning for en kapacitet på 6 gange den maksimale spildevandsstrøm (5 dele regnvand og en del spildevand). Derfor vil der her, i modsætning til separatsystemer, blive ført en vis mængde forurenet regnvand til renseanlægget.

1.3 Karakterisering af overløbsvand

Udledninger fra fælles- og separatkloakerede systemer er ikke rutinemæssigt overvåget, undtagen for specielle undersøgelser, hvor der har været lokale eller videnskabelige interesser. Dette skyldes naturen i den pludselige udledning, og at de lange overvågningsperioder er både dyre og tidskrævende. Ikke desto mindre er der med tiden blevet udført en del undersøgelser af kommuner, amter og universiteter både i Danmark og i udlandet.

Der er lavet flere opsamlingsartikler, f.eks. Makepeace et al. (1995) hvor giftigheden i udløbsvand fra 140 undersøgelser blev sammenfattet.

Sammenfatningen fra Makepeace et al. (1995) opsummerer de mest skadelige giftstoffer fundet i overløbsvand, som kan påvirke mennesker og vandorganismer.

Resultaterne af undersøgelserne konkluderer ikke på sandsynligheden for at de givne stoffer vil optræde i giftige doser. Samtidig differentieres der heller ikke mellem på hvilken kemisk form stoffet optræder, men kun på forekomsten af stoffer, som er skadelige for mennesker og vandorganismer.

Udledninger af nedenstående stoffer kan være akut giftige, eller svært nedbrydelige og enten optræde på opløst eller partikulær form. Ydermere kan nogle af stofferne bindes i bundsedimentet, hvor der sker en akkumulering.

Tabel 1.1 Koncentrationer af forskellige stoffer der introduceres i recipienterne fra regnbetingede udløb som kan påvirke mennesker og vandlevende organismer (udpluk fra Makepeace et al., 1995)

Målinger af koncentrationerne i udløbsvandet er foretaget for både udledninger af fælles og separatsystemer, og kan opsummeres for danske og canadiske undersøgelser.

Udledninger fra separatsystemer, se Tabel 1.2.

I Danmark benyttes ofte begrebet "overvand" som skal betragtes som overløbsvandet korrigeret for bassisvandføringen af spildevand og beregnes derfor ud fra følgende udtryk:

Dette begreb benyttes ikke i udlandet.

Tabel 1.2 Typiske middelkoncentrationer over en hel hændelse i udledningen fra separatsystemer for danske (Miljøstyrelsen, 1997og Hvitved-Jacobsen, 1999) og canadiske målinger Marslek (1999). Enheden er mg /l, for E. coli antal pr. 100 m.l

Når variationsintervallet i visse tilfælde (f.eks. ved SS og COD) i tabellen er større end middelkoncentrationen, skyldes det at sandsynlighedsfordelingen for målingerne ikke er symmetrisk.

Der er blevet udført færre undersøgelser og karakteriseringer af udledningerne fra fælleskloakerede områder.

Følgende karakteristika er fundet fra både Danmark og Canada for udledninger fra fællessystemer, se Tabel 1.3.

Tabel 1.3 Typiske hændelsesmiddelkoncentrationer i overvandet og overløbsvandet fra fællessystemer for danske (Hvitved-Jacobsen, T, 1999) og canadiske (Hall et al., 1998 og Marsalek, 1999) målinger. Enheden er mg /l dog for E. coli antal pr. 100 ml og (m g/l) for benzo(a)pyrene

Sammenlignes de 2 ovenstående tabeller (Tabel 1.2 og Tabel 1.3) ses det, at stofkoncentrationerne fra fællessystemer er større for total N og P men mindre med hensyn til miljøfremmede stoffer, metaller og suspenderet stof.

Det er bemærkelsesværdigt, især mht. de miljøfremmede stoffer, at der udledes større koncentrationer af miljøfremmede stoffer fra de regnbetingede udløb fra separatsystemerne. Så meget tyder på, at det mht. de miljøfremmede stoffer, er udledningerne fra de separatkloakerede oplande, der belaster recipienterne mest. Dette forstærkes yderligere af at vand fra separatsystemerne normalt ledes til recipienten, hvorimod overløbsbygværkerne i fællessystemerne fører en vis mængde af regnvandet til rensning via de afskærende ledninger.

Det er vigtigt i en karakterisering af overløbsvandet, at vurdere sammenhængen mellem de fysiske og kemiske egenskaber for de undersøgte stoffer.

De fysiske egenskaber for PAH’erne og PCB’erne viser, at de fleste stoffer i begge stofgrupper absorberer på organiske partikler (Miljøstyrelsen,1997). Det er derved muligt at tilbageholde en stor del af PAH’erne og PCB’erne i bassiner sammen med det organiske materiale (Schwarzenbach et al., 1993).

Brombach (1993) lavede fuldskalamålinger af sedimentet fra overløbsvand udledt via regnbetingede udløb fra fælles kloakerede områder, og beskrev sammenhængen mellem forurening fra forskellige stoffer og sedimentationshastighed på partiklerne udfra målingerne.

Denne analyse er vigtig for at forstå sammenhængen mellem tilbageholdelse af det partikulære materiale og tilbageholdelse af forurening.

Analysen viste bl.a. at ca. 70 - 80 % af den samlede mængde af det miljøfremmede stof PAH kunne findes på partikler med en sedimentationshastighed større end ca. 0,30 cm/s. Dette betyder, at ved at bygge bassinerne med en overfladebelastning mindre end ca. 10 m³/m²t, vil det være muligt at tilbageholde en stor del af de miljøfremmede stoffer der absorberes på partikler. Begrebet overfladebelastning for et bassin er defineret som den tilførte vandføring divideret med bassinets overfladeareal. Anbefalingen betegnet A128 fra det tyske ATV svarer netop til denne overfladebelastning. Udover PAH’erne vil et bassin med en overfladebelastning på 10 m³/m²t tilbageholde ca. 68 % af sedimenterbart stof, 68 % af den totale organiske fraktion, 70% af COD’en og ca. 78% procent af tungmetallerne og de miljøfremmede stoffer (PAH) (Michelbach et al., 1994).

Denne undersøgelse er ikke udført på udledninger fra separatkloakerede oplande, men er meget interessant med henblik på at kunne bestemme sammenhængen mellem partikel sedimentationshastigheden og forureningen.

1.4 Opgørelser fra 1997

Der er i en årrække lavet en årlig opgørelse af kvalitet og kvantitet for regnbetingede udløb. Opgørelsen bygger på teoretiske antagelser om stofkoncentrationer og vandmængder. Følgende parametre for regnbetingede udløb er registreret af Miljøstyrelsen i 1997 (Miljøstyrelsen, 1998):

• Over 14.000 regnbetingede udløb i 1997
• 8 % af den samlede punktkildeforurening mht. BOD
• 15 % af den samlede punktkildeforurening mht. Tot-N
• 8 % af den samlede punktkildeforurening mht. Tot-P

Følgende mængder er opgjort for fælles- og separatsystemer i 1997, se Tabel 1.4.

Forureningsmængder

Tabel 1.4 Opgørelse over den samlede udledning af vand og stof fra regnbetingede udløb, fra både separat- og fællessystemer for året 1997 (Miljøstyrelsen, 1998)

Der er lokalt i Danmark meget stor forskel på antal regnbetingede udløb og regnmængden. Året 1997 havde følgende fordeling på amtsregi mht. regn og antal udløb, se Tabel 1.5.

Tabel 1.5 1997 fordelingen af regnbetingede udløb og regnmængden for amterne i Danmark (Miljøstyrelsen,1998) 1997 fordelingen af regnbetingede udløb og regnmængden for amterne i Danmark (Miljøstyrelsen,1998)