| Forside | | Indhold | | Forrige | | Næste |

Miljøkonsekvenser ved nedsivning af spildevand renset i økologiske renseanlæg sammenlignet med traditionel nedsivning

3. Miljøfremmede stoffers binding og omsætning i jord og grundvand

Kommunalt spildevand indeholder et stort antal miljøfremmede stoffer i varierende koncentrationer. Stofferne hidrører dels fra virksomheder tilsluttet det offentlige spildevandsnet, men også i betydeligt omfang fra den generelle brug af kemiske stoffer og produkter, der finder sted overalt i det moderne samfund, herunder i de private husholdninger. Dette er f.eks. dokumenteret i Miljøprojekt 357 (Miljøstyrelsen 1997), der afrapporterer resultaterne af en konkret dansk undersøgelse og i en publikation fra Nordisk Ministerråd (1993), hvori eksisterende nordiske data om miljøfremmede stoffer i kommunalt spildevand er sammenstillet.

Ved nedsivning af spildevand fra private husholdninger vil der ske en tilførsel af miljøfremmede stoffer til jordmiljøet og dermed også potentielt til grundvandet. Det er derfor afgørende for grundvandskvaliteten under og i nærheden af sådanne anlæg, at de miljøfremmede stoffer nedbrydes og/eller tilbageholdes (sorberes) så godt som muligt inden det rensede spildevand får kontakt med grundvandsmagasinet.

Den væsentligste stoffjernelse (nedbrydning og/eller sorption) må naturligvis antages at finde sted i forbindelse med selve den aktive spildevandsrensning, men derudover er det af betydning at vide, i hvilket omfang den efterfølgende passage gennem den umættede zone kan bidrage til en yderligere reduktion af de restkoncentrationer af stoffer, der stadig vil være til stede i det nedsivende, rensede spildevand.

Det ligger uden for rammerne af denne opgave at give et generelt overblik over den eksisterende viden om miljøfremmede stoffers omsætning og binding i jordmiljøet, men der er gennemført en målrettet litteratursøgning i en række bibliografiske databaser for at opspore eksisterende, relevante undersøgelser af sådanne stoffers opførsel i forbindelse med rensning af spildevand ved nedsivning eller ved kunstig grundvandsdannelse ved infiltration, dvs. feltstudier. Der gives i det følgende et kort resumé af resultaterne af litteratursøgningen.

3.1 Skæbne af Miljøfremmede stoffer ved nedsivning af spildevand

Der er kun identificeret ganske få artikler og rapporter, der beskriver forekomst og opførsel af miljøfremmede stoffer i forbindelse med nedsivning af spildevand gennem jord. Der er kun fundet én dansk reference inden for emnet, en specialerapport fra Roskilde Universitets Center (Højenvang et al. 1999).

Rapporten omhandler en begrænset undersøgelse af LAS i spildevand fra et 2 år gammelt anlæg med kun en enkelt husstand tilsluttet. Husspildevandet ledes efter rensning i en 3-kammer bundfældningstank via en fordelerbrønd til nedsivning gennem to nedsivningsdræn der hver er 15 meter lange. Der er analyseret for LAS i det første kammer i 3-kammertanken, i fordelerbrønden (» udløbet fra 3-kammertanken) og i jorden under nedsivningsanlægget.

På grundlag af et beregnet LAS-input til systemet og målte værdier i udløbet blev rensegraden i 3-kammersystemt beregnet til ca. 95%, mens der ved sammenligning af LAS-koncentrationer i 1. kammer og fordelerbrønd kun blev fundet en rensegrad på 65%. LAS-koncentrationen i fordelerbrønden var relativt stabil idet den i måleperioden på 3 dage (7 målinger) kun svingede mellem 2,0 mg/l og 2,8 mg/l med et gennemsnit på 2,4 mg/l.

I en porevandsprøve fra jordlaget 25-30 cm under bunden af sivedrænrøret (60 cm under terræn) blev der målt en koncentration af LAS på 0,85 mg/l. Prøven var fremstillet ved at centrifugere en jordprøve ved 5000 omdrejning/minut. Ud fra denne værdi synes der at ske en yderligere fjernelse af LAS på mindst 50% ved spildevandets passage gennem 25-30 cm jord, som dels består af nøddesten udlagt som drænlag rundt om selve drænrørene (første 15 cm) og dels af helt eller delvis oxideret smeltevandsler. Jordprøver fra samme lag indeholdt 2-3 mg LAS/kg jord, mens indholdet i jordprøver taget yderligere ca. 0,5 meter dybere (130-140 cm under terræn) var faldet til 1,2 mg LAS/kg. Belastningen af systemet stammer fra en enkelt husstand, men er i øvrigt ikke nærmere beskrevet.

Der er ikke lokaliseret andre relevante artikler fra Europa, og generelt forekommer interessen for kunstig infiltration (grundvandsdannelse bl.a. ved hjælp af nedsivning af spildevand eller flodvand) naturligt nok at være størst i de dele af verden, hvor den naturlige grundvandsdannelse er begrænset og utilstrækkelig (aride og semi-aride områder som f.eks. Israel og det sydvestlige USA).

Dog er der rapporteret et enkelt, temmelig omfattende projekt fra den tempererede del af verden, nemlig nær Cambridge, Ontario i Canada, hvor man har foretaget en række undersøgelser af transport, nedbrydning og tilbageholdelse af miljøfremmede stoffer fra et septic-tank system fra en enkelt husstand (4 pers.). Det undersøgte system består, ud over selve septic-tanken, af et drænsystem af PVC-rør med et areal på ca. 100 m². Rørene ligger parallelt i 0,6 meters dybde med en indbyrdes afstand på 2 meter. Grundvandsspejlet i det øvre magasin, der består af smeltevandssand, ligger i 2-2,5 meters dybde (Robertson, 1994).

De relevante delundersøgelser omfatter en generel beskrivelse af geokemien i mættet og umættet zone (Wilhelm et al., 1994), et studie af tilbageholdelse af dichlorbenzen (Robertson, 1994), bionedbrydning af LAS og NTA (Shimp et al., 1994) samt sorption og transport af anioniske og kationiske detergenter (McAvoy et al., 1994).

I det generelle geokemi-studie (Wilhelm et al., 1994) observerede man 90% fjernelse af DOC (Disolved Organic Carbon) i den umættede zone under drænsystemet og en næsten fuldstændig omdannelse af NH₄⁺ til NO₃^-, hvilket medførte en betydelig sænkning i niveauet af opløst ilt i det nedsivende vand. I den mættede zone nåede iltkoncentrationen ned under 1 mg/l. Nitratniveauet forblev >10 mg/l i hele forureningfanens længde, dvs. >130 meter.

Man undersøgte endvidere tilbageholdelsen af dichlorbenzen (DCB) (o,m,p-ratio: 74:11:15), som bl.a. anvendes i afløbsrensemidler (Robertson, 1994). Der blev målt en koncentration af DCB i selve tanken på op til ca. 3,5 mg/l, op til 0,65 mg/l 0,45 meter under drænet og 0,013 mg/l ved grundvandsspejlet i 2 meters dybde. Imidlertid faldt sidstnævnte koncentration efter et stykke tid (ca. 70 dage) til under detektionsgrænsen på 0,001 mg/l. Det gode resultat tilskrives dels de fremherskende aerobe forhold og dels den relativt lange opholdstid (60 dage) i umættet zone.

Skæbnen af vaskemiddelstofferne LAS og NTA i det samme system blev undersøgt af Shimp et al. (1994). Man påviste hurtig bionedbrydning under og nær drænsystemet efter en opholdstid på 15-30 dage, men langsommere nedbrydning længere væk, hvor koncentrationerne var lavere. Det blev derfor konkluderet, at adaptation var en vigtig proces. Halveringstiderne i den umættede zone under og tæt ved drænsystemet var 9-17 dage for LAS og 1-3 dage for NTA. Tilsvarende hurtig nedbrydning blev påvist i grundvandet i umiddelbar nærhed af drænsystemet.

Endelig undersøgte McAvoy et al. (1994) sorption og transport af LAS og de kationiske detergenter DTDMAC og DSDMAC. For LAS observerede man den kraftigste sorption i den umættede zone under drænfeltet (K_d = 17 l/kg) og lavest i grundvandszonen (K_d = 1 l/kg). Sorptionen var positivt korreleret til indholdet af organisk stof og lerfraktionen i undergrunden. Sorptionen af DTDMAC/DSDMAC var betydeligt højere (K_d = 25-62 l/kg) end for LAS, men viste ingen aftagende tendens med stigende afstand til drænfeltet. Tilbageholdelsesmekanismen blev derfor antaget at være ionbytning knyttet til lermineralerne. Koncentrationen af LAS i grundvandet var altid mindre end 0,05 mg/l og oftest lavere end detektionsgrænsen på 0,01 mg/l, mens koncentrationen af DTDMAC i grundvandet på intet tidspunkt oversteg detektionsgrænsen (0,004 mg/l).

Fra Arizona, USA foreligger således et studie af kunstig infiltration af spildevand, der først var renset ved en aktiv-slam proces med efterfølgende kloring (Bouwer 1991). Der indgik to lokaliteter med sandet overjord og sand/grus i de dybere lag og en typisk infiltrationsrate på 90-100 m/år. Man undersøgte den reducerende virkning af infiltrationen på et antal vandkvalitetsparametre, herunder et mindre antal organiske miljøfremmede stoffer. For ikke-halogenerede organiske stoffer fandt man en reduktion på 50-99%, mens reduktionen generelt var mindre for halognerede stoffer så som chlorerede methaner og ethaner, chlorphenoler og chlorbenzener.

Generelt konstaterede man en betydelig reduktion i stofkoncentrationer ved infiltration, men ikke en komplet fjernelse. Et betydeligt antal stoffer kunne påvises, om end i meget lave koncentrationer, efter infiltration. Konklusionen var, at kvaliteten af det infiltrerede, på forhånd rensede spildevand var acceptabel til vandings- og rekreative formål, men ikke som drikkevand uden yderligere rensning (f.eks. rensning med aktivt kul og omvendt osmose).

Krueger et al. (1998) undersøgte nedbrydningen af LAS i grundvand, der var kontamineret som følge af infiltration af mekanisk/biologisk renset spildevand gennem en 60-års periode (1936-1995) nær Falmouth, Massachusetts. Infiltrationsmatricen bestod af morænesand/-grus med omkring 6 meter til grundvandsspejlet. Infiltrationen havde resulteret i en 6 km lang, 1,5 km bred og 30 meter dyb spildevandskontamineret fane. Der blev påvist nedbrydning af LAS i grundvandsmagasinet ved 1 mg O₂/l med en 1. ordens hastighedskonstant på 0,002-0,08 dag^-1, hurtigst for de lettest nedbrydelige isomere. Som forventet var nedbrydningen desuden hurtigst i de eksperimenter, hvor iltkoncentrationen var højest. Det nævnes i artiklen, at der i litteraturen er fundet hastighedskonstanter for LAS-nedbrydning i grundvand på 0,03-0,06 dag^-1.

I Israel er infiltration af renset spildevand et udbredt fænomen. Også der konstaterer man, at der sker en betydelig reduktion i koncentrationen af miljøfremmede stoffer ved infiltration, men ikke en fuldstændig fjernelse. Zoller (1994) studerede fjernelse af non-ioniske detergenter ved infiltration af mekanisk/biologisk (aktiv-slam) renset byspildevand fra Tel Aviv gennem sandjord i Dan regionen nær Tel Aviv. Der renses 60 mill. m³ spildevand/år i området. Han fandt en fjernelsesgrad på 69-81 % for disse stoffer ved aktiv-slam rensning og 97% for den samlede proces (aktiv slam + infiltration). En rest af mere persistente non-ioniske detergenter kunne påvises i grundvandet efter infiltration i en koncentration på 22-25 m g/l.

I Mexico ledes (urenset?) spildevand fra Mexico City til et område ca. 80 km uden for byen, hvor det benyttes til overrisling af landbrugsarealer i et område (Tula) med høj grundvandsstand. I en undersøgelse af Downs et al. (1999) er der bl.a. analyseret for ca. 90 miljøfremmede stoffer, heraf 23 chlorerede pesticider. Der blev foretaget 6 prøvetagninger og hver gang identificeret 3-11 af de valgte stoffer i koncentrationer på 1-2 m g/l. Desuden forekom i prøverne 1-2 stoffer, der tentativt kunne identificeres og 2-9 uidentificerbare. Der blev kun én gang påvist et chloreret insecticid (chlordan), mens PCB i lave koncentrationer (max. 36 pg/l (1pg = 1 picogram = 10^-12 g) per enkeltkomponent; op til ca. 120 pg/l i alt) blev påvist ved hver prøvetagning. Der er ingen angivelser af jordtype eller belastningskarakteristika i artiklen.

Øvrige referencer fundet ved litteratursøgningen beskæftiger sig ikke med miljøfremmede stoffer, men kun med fjernelse af generelt organisk stof og næringssalte, bakterier og vira samt, i nogen grad, tungmetaller.

3.2 Skæbne af Miljøfremmede stoffer ved kunstig infiltration af overfladevand

Der er ved litteratursøgningen fundet et antal undersøgelser, der omhandler kunstig grundvandsdannelse med overfladevand enten ved kunstig infiltration fra jordoverfladen gennem den umættede zone ("artificial recharge") (AR) eller indvinding direkte fra en flod eller en sø gennem den mættede zone ("bank infiltration") (BI). Et mindre antal af disse stammer fra undersøgelser i Holland og Tyskland og omhandler også miljøfremmede stoffer.

Stuyfzand (1989) og Stuyfzand & Kooiman (1996) har undersøgt begge typer infiltrationssystemer, der anvendes i Holland til rensning af vand fra Rhinen og andre floder med henblik på fremstilling af drikkevand. Rensningen foregår generelt gennem sandlag med fin-medium kornstørrelse og lavt indhold af ler (0,5%). De to undersøgelser demonstrerer overordnet, at begge typer rensning resulterer i signifikant reduktion af niveauerne af miljøfremmede stoffer, men ikke i komplet fjernelse. Blandt andet blev et antal hydrofile pesticider påvist. Der blev samlet påvist flere organiske forureninger i grundvand fra "bank infiltration" end i grundvand fra kunstig infiltration (Stuyfzand & Kooiman 1996).

Man fandt i forbindelse med "bank infiltration" under anoxiske forhold (sulfat hhv. (meta)stabil og reduceret) (Stuyfzand 1989), at organisk bundet chlor (AOCl) i kort afstand fra Rhinen (25-110 m) hurtigt blev reduceret fra 65 m g/l (i floden) til 18 m g/l (i grundvandet), men at denne koncentration ikke blev væsentligt nedsat ved længere passage gennem grundvandsmagasinet (880-1020 m fra Rhinen), hvor koncentrationen var 7-11 m g/l. Specifikke organiske stoffer forekom kun i koncentrationer <2 m g/l efter 25-110 m "bank infiltration" og <1 m g/l efter 800-1020 m.

Piet & Zoeteman (1980) undersøgte ligeledes både BI- og AR-systemer til fremstilling af drikkevand i Holland ud fra flodvand. Man konstaterede ligeledes generelt reduktioner og også komplet fjernelse af visse stoffer (f.eks. chlornitrobenzener). Til gengæld fandt man, at et antal chlorerede opløsningsmidler så som tri- og tetrachlorethylen, chlorerede ethaner m.fl. var både mobile og persistente. Halogenerede methaner kunne ikke påvises efter rensning ved infiltration.

Hrubec & van Delft (1981) undersøgte i et pilotanlæg opførslen af NTA (nitrilotrieddikesyre; kompleksdanner i vaske- og rengøringsmidler mv.) ved simuleret kunstig infiltration (0,25 m³/m² per dag) for at se, om stoffet kunne medføre mobilisering af tungmetaller. Man fandt, at NTA blev fjernet fuldstændigt ved koncentrationer op til 2 mg/l i en sand-matrix (d₁₀ = 0,11 mm) , både under aerobe og let anaerobe forhold og også ved lave temperaturer (3-5 grader). En vis akklimatisering af de tilstedeværende mikroorganismer var dog nødvendig og kunne tage nogle få uger. Nedbrydning af NTA var vigtigere for NTA-fjernelsen end sorption. Risikoen for mobilisering af tungmetaller ved kunstig infiltration med NTA-kontamineret vand blev anset for at være lille.

Zullei-Seibert (1996) konstaterer i et studie af kunstig infiltration af vand fra floden Ruhr i Tyskland, at artificial recharge dels resulterer i en udjævning af koncentrationsforskelle, der kan påvises i flodvandet og dels generelt sænkede koncentrationer af påviste stoffer til under drikkevandskriterierne.

Den eneste identificerede danske rapport om miljøfremmede stoffer i forbindelse med kunstig infiltration er udarbejdet af Københavns Vand (2000) og beskriver infiltrationsanlægget på Arrenæs ved Arresø i Nordsjælland. Infiltrationsanlægget har en størrelse på ca. 4000 m² og der infiltreres 25-60 m³/m² om året. Søvand og vand fra moniteringsboringer er blevet analyseret for pesticider (i alt 49 incl. metabolitter) og andre miljøfremmede stoffer. I Arresø blev der påvist i alt 9 pesticider og 3 metabolitter, mens der i moniteringsboringerne i alt blev påvist 4 pesticider og 2 metabolitter i lave koncentrationer. BAM (metabolit af ukrudtsmidlet dichlobenil) var det hyppigst påviste enkeltstof, det forekom i koncentrationer <0,09 m g/l (et resultat på 0,35 m g/l stammer fra en brønd, der ikke anses for at være påvirket af infiltrationsprojektet). Pesticider anses på baggrund af de foretagne målinger ikke for at udgøre noget stort problem.

Med hensyn til andre miljøfremmede stoffer, er kun få blevet påvist og næsten ikke siden 1996. DEHP blev dog påvist i 1996 og 1997 op til 4,6 m g/l, men er ikke påvist i hverken i 1998 eller 1999. Koncentrationsniveauet for anioniske detergenter har ligget fra under detektionsgrænsen på 0,003 mg/l og op til 0,016 mg/l (grænseværdi 0,1 mg/l).

3.3 Sammenfatning af litteratursøgningen

Litteratursøgningen har vist, at den internationale viden om miljøfremmede stoffers opførsel i jord og grundvand i forbindelse med nedsivning af spildevand eller kunstig infiltration af overfladevand er meget begrænset. De fleste undersøgelser er mere af moniterings- end af procesorienteret karakter. Der er således kun identificeret to artikler, hvori hastighedskonstanter for fjernelse af et stof (begge for LAS) i grundvandszonen er beregnet (Shimp et al., 1994 og Krueger et al. 1998). Den mest grundige, samlede undersøgelse stammer fra Ontario, Canada og vedrører et septictank system (beskrevet af Robertson 1994).

Derved ligger resultatet af denne litteratursøgning meget på linie med den søgning, der blev foretaget i forbindelse med Miljøprojekt 408: "Naturlig nedbrydning af miljøfremmede stoffer i jord og grundvand" (Miljøstyrelsen 1998). Her kunne man heller ikke identificere nedbrydningskonstanter for stoffer i umættet zone, og kun for et meget begrænset antal stoffer (primært BTEX og chlorerede opløsningsmidler) i mættet zone. Der var store forskelle (op til flere størrelsesordener) mellem de rapporterede hastighedskonstanter.

Til undersøgelsesprogrammet i dette projekt er udvalgt en række miljøfremmede stoffer inden for grupperne PAH, blødgørere, detergenter, phenoler og chlorphenoler samt alkylerede benzener (se kapitel 2). Mekanismerne for stoftilbageholdelse for disse grupper i forbindelse med rensning ved nedsivning (dvs. umættet zone, aerobe betingelser) kan oversigtsmæssigt skitseres som følger:

PAH er en gruppe af stoffer med aromatiske ringstrukturer af varierende størrelse. Den mindste PAH, naphthalen, består således kun af to benzenringe, mens de største PAH’er (man miljøregulerer på) har strukturer med seks ringe. De små PAH’er er generelt lettere nedbrydelige end de store og som tommelfingerregel stiger betydningen af binding til jord/organisk stof (sorption) som tilbageholdelsesmekanisme med antallet af benzenringe i molekylstrukturen. For naphthalen og methylerede naphthalener vurderes betydningen af biologisk nedbrydning således at være stor, mens f.eks. benz(a)pyren og benz(ghi)perylen (med hhv. 5 og 6 benzenringe) langt overvejende må forventes at blive tilbageholdt ved sorption.

For blødgørergruppen forventes nedbrydning for alle stoffer at være mindst lige så vigtig som sorption, idet sidstnævnte dog bliver tiltagende vigtig jo større sidekæden på molekylet er, dvs. vigtigst for DEHP og DEHA.

Den non-ioniske detergent NPE er i virkeligheden en blanding af nært beslægtede stoffer, hvor forskellen består i længden af molekylets sidekæde, polyethoxykæden. Denne nedbrydes ved successiv fraspaltning af ethoxygrupper indtil man ender med stoffet nonylphenol, som ikke er let nedbrydeligt, men til gengæld i betydeligt omfang vil bindes til organisk stof. Den anioniske detergent LAS er derimod ret let nedbrydelig under aerobe forhold og vil også tilbageholdes ved sorption.

For phenol, cresoler og mono-, di- og trichlorerede chlorphenoler vil den dominerende tilbageholdelsesmekanisme være biologisk nedbrydning, idet dog sorption også vil have en del betydning for trichlorphenolerne. Tilbageholdelse af alkylbenzener vil altovervejende være bestemt af den biologiske nedbrydning af stofferne.