Regnbetingede udløb fra kloaksystemer

4. Foranstaltninger til begrænsning af forurening fra regnbetingede udløb

4.1 Lokal nedsivning
4.2 Biologisk filtrering
4.3 Overløbsbygværker
4.3.1 Overløbsbygværker med høj overløbskant
4.3.2 Hvirvelseparator
4.3.3 Riste
4.4 Bassiner
4.4.1 Tørre bassiner
4.4.2 Våde bassiner
4.5 Rensning af overløbsvandet
4.5.1 Flokkulering og sedimentation
4.5.2 UV og kloring mm.
4.6 Sandfiltre
4.7 Sammenfatning

Da ikke alt regnvandet fra fælleskloakerede oplande kan opmagasineres i kloaksystemet, kan det under regn være nødvendigt at udlede en vis del af vandet til recipienten. Dette er som oftest gjort via et overløbsbygværk, hvor overløbsvandet enten via andre foranstaltninger (f.eks. grøfter) eller direkte ledes ud i recipienten. Overløbsbygværkerne kombineret med magasinering er en mere og mere anvendt metode til begrænsning af forureningen fra de regnbetingede udløb. Princippet bygger på, at ved at forsinke og tilbageholde et vis delvolumen, forbedres tilbageholdelsen af de sedimenterbare forureningskomponenter.

Udover tilbageholdelse i bassiner og i selve afløbsystemet, er der flere og til tider eksotiske måder at reducere forureningen fra regnbetingede udløb på, hvorfor kun et udpluk af foranstaltningerne er beskrevet i nedenstående kapitel.

4.1 Lokal nedsivning

Lokal nedsivning fra f.eks. tagarealer kan være med til at formindske vandvolumenet der ledes til kloakkerne. Der er ikke fundet litteratur, som viser at man har målt en reduktion i volumenet, som ledes til recipienten. Flere har dog vist vha. modelberegninger og antagelser om en reduktionsfaktor, at antallet af regnbetingede udløb og volumenet fra disse kan reduceres ( se. F.eks. Struhar et al., 1997).

Udformningen af nedsivningsdrænene kan variere fra brønde, bassiner til sivedræn og disse er normalt bedst egnede i små, lokale områder, hvor der er lille fare for forurening af grundvandet og hvor jordstrukturen tillader en stor infiltration.

4.2 Biologisk filtrering

Anderson et al. (1997) viste at det er muligt at anvende biologiske filtre til tilbageholdelse af forureningskomponenter fra overløbsvandet fra regnbetingede udløb. Konceptet er, at der i søjlen, hvori overløbsvandet infiltreres for oven, vil ske en mikrobiologisk nedbrydning af især de organiske stoffer og hvorved tilbageholdelsen forbedres i hele søjlen. Denne nedbrydning forbedres ved at tilføre ilt forneden, som derefter transporteres ved diffusion op gennem søjlen.

Pilotanlæg opstillet i forbindelse med udløb fra motorvejsafstrømning viser at der er god tilbageholdelse af især TSS, se Tabel 4.1.

Tabel 4.1 Tilbageholdelse i biologisk infiltrationsanlæg (Anderson et al., 1997)

De fandt samtidigt at ved at kombinere jordsøjlen med et bassin forbedres tilbageholdelsen betydeligt. Der foregår stadig en overvågning af pilotanlægget med henblik på at undersøge om anlægget tilstopper efter en tid eller om f.eks. temperatur mm. har betydning for tilbageholdelsen.

4.3 Overløbsbygværker

Den primære funktion for overløbsbygværker er at sikre en tilfredsstillende hydraulisk funktion af det samlede afløbssystem, mens en formindskelse af selve forureningen fra de regnbetingede udløb er et sekundær mål. De mest anvendelige overløbsbygværker i Danmark, er bygværk med overløbskant, varierende fra sideoverløb til centraltoverløb. Generelt er der dårlig stoftilbageholdelse i denne type bygværker, da de ikke er dimensioneret og vedligeholdt optimalt.

Nye overløbsbygværker, som for eksempel bygværker med høj overløbskant og hvirvelseparatorer kan i højere grad dimensioneres med henblik på en veldefineret stoftilbageholdelse (Sørensen, 1991).

4.3.1 Overløbsbygværker med høj overløbskant

Der er lavet flere undersøgelser af den optimale dimensionering af disse overløbsbygværker med henblik på optimal stoffjernelse.

Luyckx et al. (1999) lavede forsøg for 20 forskellige konfigurationer af geometrien for et overløbsbygværk med sideoverløb. De konkluderede, at forholdet mellem sedimentationshastigheden og indløbshastigheden og Froude’s tallet var de betydende parametre for tilbageholdelse af sedimenterbart stof. Mameren et al. (1990) fandt i deres undersøgelse af stoftilbageholdelsen i et overløbsbygværk med dobbeltsidet overløb, en forholdsvis beskeden tilbageholdelse af forureningskomponenter, se Tabel 4.2. Effektiviteten er bestemt som et gennemsnit over 18 overløb. De konkluderer at ved et rationelt design kunne stoftilbageholdelsen optimeres, men at flere bygværker var dimensioneret uhensigtsmæssigt.

Tabel 4.2 Målt effektivitet i et overløbsbygværk med dobbelt- sidet overløb (Mameren et al., 1990)

4.3.2 Hvirvelseparator

Hvirvelseparatoren eller Vortexseparatoren er et bygværk som kan anvendes til at tilbageholde kloaksediment inklusiv store partikler (æstetisk forurening), sediment, og suspenderet stof og de tilhørende forureningenskomponenter (BOD, COD, tungmetaler mm.) (biologisk, kemisk forurening).

Bygværket har været anvendt til spildevandsrensning siden 1949, og fremstår i mange udformninger, f.eks. The Fluidsep, Storm King separator, EPA swirl concentrator m.fl. Se Figur 4.1 som viser en skitse af en Storm King separator. Hvirvelseparatoren anvendes mest i England, USA, Canada, Tyskland og enkelte andre europæiske lande og i meget begrænset omfang i Danmark.

Figur 4.1 The Storm King Hydrodynamic Separator

Se Her!

Princippet i separatorerne er fælles for dem alle, da princippet bygger på at sedimentationen i bygværket forstærkes af de roterende strømninger og bevirker sammen med den minimale turbulens en forbedret tilbageholdelse af stof.

Udenlandske erfaringer med hvirvelseparatoren

Averill et al. (1999) viste at ved at tilføje polymere til vandet i indløbet til en hvirvelseparator i Toronto, Canada opnådes en forbedret tilbageholdelse selv ved høje overfladebelastninger, Figur 4.2.

Figur 4.2 Tilbageholdelse i en Hvirvelseparator i Canada i årene 1993-1997 (Averill et al. 1999)

Følgende andre målinger af effektiviteten er fundet for hvirvelseparatorer.

Tabel 4.3 Observeret tilbageholdelse i en hvirvelseparatorer (Andoh, R. Y. G. et al., 1996)

Tabel 4.4 Tilbageholdelse af udvalgte forureningsparametre i en hvirvelseparator (Hedes et al., 1992)

Tabel 4.5 Tilbageholdelse af udvalgte forureningsparametre i en hvirvelseparator, 1 regnhændelse (Boneret al., 1995)

Målinger på fuldskala anlæg i USA har vist, at hvirvelseparatorer er op til 10 gange bedre til at tilbageholde suspenderet stof og andre forureningskomponenter, og op til 3 gange bedre til at tilbageholde bakterier m.m. i forhold til traditionelle overløbsbygværker.

Udviklingen indenfor de sidste år har bevirket, at den uheldige effekt med sedimentation i separatorerne under tørvejr er elimineret. Ydermere er især nogle designs indenfor hvirvelseparatorer stabile ved selv store hydrauliske belastninger (Andoh et al.,1998)

Danske erfaringer med hvirvelseparatoren

Der er ligeledes i Danmark udført målinger på flere hvirvelseparatorer. Der er bl.a. lavet et miljøprojekt, Miljøprojekt nr. 50 (Miljøstyrelsen,1993), samt et erhvervsforskerprojekt på Aalborg Universitet, (Sørensen, 1991), som eksperimentelt undersøgte tilbageholdelsen af partikler i en hvirvelseparator, henholdsvis i felten og i laboratoriet.

Følgende danske effektivitetsmålinger er udført for hvirvelseparatorer.

Tabel 4.6 Effektivitetsmålinger for hvirvelseparatoren i Ullerslev by 1991, 3 hændelser (Miljøstyrelsen, 1993)

Tabel 4.7 Effektivitetsmålinger for hvirvelseparatoren i Hvam, Holstebro kommune 1990, 11 hændelser (Hedeselskabet, 1991)

*COD-ss er total COD fratrukket COD-fil. Ingen prøver med en rensegrad på 0 er medtaget i middelværdi- og spredningsberegningerne

Tabel 4.8 Effektivitetsmålinger for hvirvelseparatoren i Sædding, Esbjerg kommune 1993-1994, (NIRAS, 1995)

Der er, som det kan ses, blandede og spredte erfaringer med brug af hvirvelseparatorer i Danmark. Dette kan skyldes de begrænsede ressourcer, der har været sat ind på målingerne af deres virkemåde.

Flere steder i Australien og i USA kombineres hvirvelseparatoren med en stor kurv som effektivt opsamler større fraktioner i overløbsvandet (f.eks. dåser m.m.). Denne løsning vurderes at være mindre relevant i Danmark, pga. udformningen af de danske nedløbsbrønde i forhold til de australske og amerikanske.

4.3.3 Riste

Riste i overløbsbygværker kan bruges til at tilbageholde suspenderet stof i overløbsvandet og derved begrænse den æstetiske effekt i recipienten. Påtrods af ristes anvendelse i bygværker i mange år er der meget lidt kvantitativ information omkring stoffjernelsen i disse.

Rister fungerer ofte uhensigtsmæssig, især hvor ristegods kan give en hurtig tillukning af ristearealet, hvilket kan give en uønsket opstuvning i tilløbsledningen. Denne tillukning medfører, at der er risiko for at ristemateriale bliver revet gennem risten pga. den høje gennemstrømningshastighed.

Flere riste er i de sidste år blevet udstyret med foranstaltninger som børster ristestoffet væk fra risten. Disse riste har vist at kunne tilbageholde op til 98,5 % af alt sediment over en diameter på 6 mm. og fungerer stabilt under høje hydrauliske belastninger (Pisano, 1995).

Dette bevirker at riste kan forhindre en primært æstetisk forurening.

Tromlesien fungerer i princippet på samme måde, hvor den vandrette tromle er placeret i et bassin, og udløbet foregår gennem selve risteåbningerne i tromlen. Tromlen vil kontinuerligt blive renset af børster, som gør at der ikke sker en tilstopning af ristearealet.

Brombach et al., (1997) fandt at ca. 21 % af COD og 18 % af det sedimenterbare materiale kunne tilbageholdes af tromlesien, målt over en periode på flere år.

4.4 Bassiner

Brug af bassiner til begrænsning af effekterne fra regnbetingede udløb har længe været anvendt til opmagasinering af overløbsvandet og udsedimentering af forureningen, både i Danmark og i resten af verden.

Bassiner kan både være tørre bassiner, dvs. bassiner der kun fyldes op under overløb fra kloakken og tømmes efter hændelsen, samt våde bassiner som kan fungere som rekreative områder og bassiner på samme tid. Våde bassiner er ikke særligt udbredte i Danmark.

4.4.1 Tørre bassiner

I mere end 20 år har bassiner været anvendt til at opmagasinere vand fra regnbetingede udløb. Til trods for denne lange anvendelse har bassiner ofte være anset for at være utilstrækkelige. Indtil for nylig var det kun effekten af opmagasineringen af vand og drænet til renseanlægget, der kunne beregnes, mens sedimentationen af sedimenterbart materiale ikke kunne beskrives pga., at de processer der påvirker sedimentationen i de stærkt turbulente bassiner var ukendte.

Der er især i USA, Tyskland og Frankrig lavet studier af eksisterende bassiners evne til at tilbageholde forureningskomponenter. Disse bassiner bl.a. first flush bassiner, altså et bassin med flere kamre samt bassiner af efterklarings typen mfl., viste en særdeles god tilbageholdelse af især sedimenterbart stof.

Michelbach et al. (1996) viste for et bassin af efterklarings typen at:

• En stor tilbageholdelse i bassinet ved små overfladebelastninger
• Op mod 80% af det sedimenterbare materiale kan udsedimenters, hvor det sedimenterbare materiale defineres som partikler med en faldhastighed større end 0,01 cm/s
• En reduktion af den samlede COD med 50 %

ISWW (1986) skriver, at hvis bassinet dimensioneres ordentligt vil følgende effektiviteter kunne opnås:

• TSS ca. 80%
• COD ca. 60 %
• Part. bly Ca. 65%
• Part cadmium Ca. 65 %
• Part. kobber Ca. 70 %

Standly (1996) undersøgte et amerikansk bassin i Greeville, N. C. og fandt en god tilbageholdelse af de partikulære fraktioner mens der var en negativ tilbageholdelse af det opløste stof, se Tabel 4.9. Samme forfatter lavede ydermere et litteraturstudium af andre tørre bassiner og fandt samme tilbageholdelse i andre bassiner om end med en stor spredning.

På grund af usikkerheden med hensyn til årsagen til iltsvind (jævnfør afsnit 2.5.2) i vandløbet i forbindelse med regnbetingede udløb må det påpeges at en reduktion af udledningen af organisk stof med anvendelsen af bassiner i relation til iltsvind, ikke er dokumenteret i litteraturen (SVK,1985).

Tabel 4.9 Udvalgte stoffers tilbageholdelse i det undersøgte bassin i Greenville N. C. (Standly, 1996)

4.4.2 Våde bassiner

Våde bassiner er ikke udbredt til brug til opmagasinering af regnbetingede udløb fra urbane arealer i Danmark, men bruges meget til magasinering og udjævning af afstrømninger fra motorveje. I USA og Canada er de våde bassiner derimod meget anvendt til brug til opmagasinering og stoffjernelse af regnbetingede udløb fra separatkloakerede udløb. Mange af bassinerne udformes som søer og passes ind i de omkringliggende omgivelser.

Schueler et al. (1997) lavede et litteraturstudium af tilbageholdelsen i 28 våde bassiner. For en fuld gengivelse af tilbageholdelsen for alle de undersøgte stoffer henvises til kompendiet.

TSS-tilbageholdelse var gennemsnitlig for de 28 bassiner 71 %, se Figur 4.3. 

Figur 4.3 Tilbageholdelse af TSS for 28 våde bassiner i USA (Schueler et al., 1997)

Pettersson (1998) lavede en undersøgelse af tilbageholdelsen i et motorvejsbassin nær Gøteborg og en god tilbageholdelse af udvalgte metaller og TSS, se Tabel 4.10.

 Tabel 4.10 Forureningstilbageholdelse i motorvejsbassin nær Gøteborg, Sverige for 3 hændelser (Pettersson, 1998)

Der er generelt en god tilbageholdelse af partikulært stof i våde bassiner.

4.5 Rensning af overløbsvandet

Rensning af overløbsvandet vinder mere og mere frem, da det vha. denne metode er muligt at rense vandet på en hurtig og kompakt måde. Mange af metoderne er hentet fra vandrensningen.

4.5.1 Flokkulering og sedimentation

Der findes flere mekanisk-kemiske renseprocesser der muliggør en fjernelse af suspenderet stof, organisk stof og fosfor i overløbsvandet. Processen er kompakt og kan klare store variationer i indløbsbelastningen. Processen udføres ved at tilsætte flokkuleringsmidler og mikrosand til overløbsvandet og derved flokkulere partiklerne til større slamflokke, som kan udsedimenteres i sedimentationstanken. Derved bindes forureningskomponenterne til de udsedimenterede slamflokke.

Plum et al.(1998) fandt at der var en god tilbageholdelse af SS, Total-P og COD i et pilot ACTIFLO-anlæg i Lyngby-Taarbæk selv under høje overfladebelastninger, se Tabel 4.11.

Tabel 4.11 Tilbageholdelse af SS, Total-P og COD i et ACTIFLO pilot anlæg i Lyngby-Taarbæk (Plum et al., 1998)

Booker et al. (1996) vist at der i et pilot SIROFLOC anlæg ligeledes var en god tilbageholdelse af forureningskomponenter, se Tabel 4.12.

Tabel 4.12 Typisk tilbageholdelse i pilot SIROFLOC anlæg (Booker et al., 1996)

Det er bemærkelsesværdigt at næsten alle coliforme bakterier kan fjernes i denne proces.

4.5.2 UV og kloring mm.

Desinficering af overløbsvand fra fælleskloakerede udløb udføres for at mindske udledningen af patogener til recipienten. Denne desinficering kan udføres på følgende måder:

• Varme behandling og elektricitet (meget energikrævende)
• Tilsætning af desinficerende midler
• Brug af hurtig oxiderende stoffer, såsom ozon mm.
• Bestråling med intense energikilder, f.eks. UV-lys.
• En kombination af ovenstående måder.

Fælles for alle metoderne er at de er mest effektive ved høj omrøring.

Metoderne er forholdsvis dyre, og det bør i ethvert tilfælde vurderes hvorvidt der er et behov, f.eks. ved badestande, drikkevands interesser mm..

Lainé et al. (1998) viste at ved at påvirke udløbsvandet med UV-stråling kunne næsten alle patogener og bakterier fjernes, se Tabel 4.13.

 Tabel 4.13 Fjernelsen af patogener i overløbsvandet vha. UV-stråling (Lainé et al., 1998)

Stimnson (1999) lavede pilotforsøg ved brug af UV-lys til reduktion af patogener fra regnbetingede udløb og fandt, at der ca. kunne fjernes mellem en faktor 1000 - 100000 afhængig af overløbsvandet.

Flere artikler nævner kloring af udløbsvandet, f.eks. O´Shea et al.(1991) og Stimnson (1999), som en effektiv metode til at begrænse indholdet af patogener i overløbsvandet fra regnbetingede udløb.

Der er dog ikke fundet litteratur, som med målinger kan bekræfte denne påstand.

Ozon kan også anvendes som desinficeringsmiddel, og Stimnson (1999) fandt at overløbsvand fra fælleskloakerede områder kan reduceres til <200 E. coli/100 ml. ved 3 min. kontakttid.

Det er ikke bevist at UV og kloring fjerner de sygdomsfremkaldende vira og bakterier fra overløbsvandet.

4.6 Sandfiltre

Sand og andre filtermedier kan anvendes til at tilbageholde bestanddele i overløbsvandet, primært gennem en fysisk filtrering. I Canada og USA anvendes der flere steder et sandfilter i forbindelse med udløbet fra bassiner og overløbsbygværker, hvor udløbsvandet skal gennem dette sandlag inden det strømmer til recipienten.

Urbonas (1999) undersøgte tilbageholdelsen af forureningskomponenter i et sandfang, og fandt at der var en god tilbageholdelse, se Tabel 4.14.

Tabel 4.14 Feltundersøgelse af tilbageholdelsen af forureningskomponenter i et sandfilter (Urbonas, 1999)

Urbonas (1999) kommenterede at der kunne være problemer med tilstopningen af sandfilteret samt der var tvivl omkring holdbarheden af samme. Dette undersøges i øjeblikket i Canada (Marsalek, 1999).

4.7 Sammenfatning

Som det ses af ovenstående foranstaltninger er der flere muligheder der kan anvendes til at mindske især den partikulære forurening fra regnbetingede udløb. Foranstaltningerne kan enten anvendes enkeltstående eller kobles til. Der er f.eks. stor succes med at kombinere et bassin med en hvirvelseparator.

Opsummeres de beskrevne foranstaltninger, ses der at være en stor mulighed for at begrænse udledningen af forureningskomponenter fra regnbetingede udløb.

I tilfælde med angivne negative effektiviteter skal forstås således, at der er strømmet mere forurening ud af foranstaltningen (oftest bassinet) end ind, hvilket formentlig skyldes resuspension af bundsedimenter.

Det er vigtigt at forstå, at foranstaltninger der med fordel kan anvendes i ét tilfælde, ikke nødvendigvis er den optimale løsning i andre tilfælde, da forholdene varierer meget lokalt. Ovenstående tabel viser også den store spredning der er for foranstaltningerne. Derfor må ovenstående foranstaltninger nøje holdes op mod hinanden og sammen med målinger af hydrografen og polutografen udvælges.

Målinger er ikke inkluderet i den danske dimensioneringspraksis, men kan med fordel inkluderes ved dimensionering af større anlæg eller anlæg som aflaster til særlig følsomme recipienter. Målinger af vandføring og stofbelastninger kan med større sikkerhed bestemme hvilken løsning der er optimal i netop den konkrete opgave.

Nye undersøgelser har vist at numeriske modeller kan bruges til at optimere dimensioneringen af foranstaltninger til begrænsning af især partikulært materiale. Modellerne gør brug af meget komplicerede strømnings- og partikeldynamiske betragtninger, og beregner den givne effektivitet udfra indparametre som vandføring og partikelsedimentationshastighed, se f.eks. Neerup-Jensen et al.,(1999) og Saul et al. (1998) mfl..

Disse undersøgelser, koblet med studier, som viser at det med forholdsvis simple modeller er muligt at bestemme belastningen fra kloaksystemet som funktion af tiden, gør at det er muligt at bestemme stofbelastningen fra kloaksystemet som funktion af vandføringen og tørvejrsperioden (Schlütter, 1999).

Det er derved med numeriske modeller muligt at bestemme det mest optimale design af foranstaltningen, da indparametrene med stor sikkerhed er bestemt. Modellerne mangler dog at blive verificeret på eksisterende foranstaltninger.