Arbejdsrapport fra Miljøstyrelsen, 8/2006 – Binding af nikkel til og frigivelse fra naturlige kalksedimenter

Binding af nikkel til og frigivelse fra naturlige kalksedimenter

Forord

Forhøjede koncentrationer af nikkel i grundvand udgør et af de alvorlige kvalitetsproblemer for vandforsyningerne i en stor del af det østlige Sjælland - især i Køge Bugt området - hvor der foretages vandindvinding fra Skrivekridt, Danienkalk og Lellinge Grønsand Formationen. Problemerne forekommer især i områder, hvor kalken er højtliggende under tynde, glaciale dæklag, og hvor der er sket store sænkninger af grundvandsstanden i de glaciale dæklag eller i kalken.

Grænseværdien for nikkel ved afgang fra vandværk er i dag 20 µg/l. Denne

grænseværdi er, jf. bekendtgørelse nr. 871 af 21. september 2001, midlertidig. Det skyldes, at de 20 µg/l er den samme grænseværdi, der gælder ved forbrugerens taphane, og at det er erkendt, at forbrugerens egne installationer afgiver betydelige mængder nikkel.

Målet, at kunne levere drikkevand med tilstrækkeligt lave koncentrationer af nikkel, kan vise sig vanskeligt at opnå i Køge Bugt området på grund af de særlige naturgivne forhold og på grund af områdets vandindvindingsstruktur. Der er derfor et behov for øget viden om baggrunden for, at nikkel optræder i forhøjede koncentrationer i grundvandet, og viden om hvilke tiltag, der realistisk kan iværksættes med henblik på at reducere nikkelbelastningen af grundvandet.

Miljøstyrelsen udsendte i januar 2003 en arbejdsrapport med titlen: ”Nikkelfrigivelse ved pyritoxidation forårsaget af barometerånding/-pumpning”, som omhandlede frigivelsen af nikkel til grundvandet i kalkmagasinerne som følge af den såkaldte ”barometerånding”. Barometerånding er det fænomen, at atmosfærens naturlige trykvariationer forårsager transport af ilt gennem boringer eller andre huller i gastætte dæklag, således at der er fri passage fra atmosfæren til poreluften i den umættede zone under dæklagene. Forekommer der barometerånding gennem boringer, skyldes dette i de fleste tilfælde, at boringerne står uden forerør i den umættede zone, hvilket er tilfældet mange steder på Sjælland. Ilten, som hermed pumpes ind i den umættede zone, forårsager, at der sker oxidation af nikkelrige sulfider (som f.eks. pyrit), hvilket fører til forhøjede koncentrationer af nikkel og sulfat i grundvandet. Den overordnede konklusion på Miljøstyrelsens arbejdsrapport fra 2003 er således, at såfremt der forekommer eller har forekommet barometerånding gennem boringer, er problemerne med forhøjede koncentrationer af nikkel i mange tilfælde forbundet med indretningen af boringerne, og løsningen af problemerne derfor forbundet med en mere hensigtsmæssig indretning af boringerne.

I ovennævnte rapport blev det konkluderet, at oxidation af sulfider ved barometerånding gennem boringer, og den deraf følgende frigivelse af nikkel, forekommer i en afstand på op til ca. 100 m fra boringerne. Dette medfører, at nikkel kun transporteres korte afstande i sprækker - fra stedet, hvor oxidationen foregår og til pumpeboringen. På baggrund af disse resultater kan det således ikke vurderes, om nikkel kan transporteres over længere afstande i kalkmagasinerne. En forbedret viden om disse forhold vil være nyttig, især ved vurdering af betydningen af udvaskning af nitrat til kalkmagasinerne. Hvis nitrat reduceres ved oxidation af nikkelholdig pyrit i kalkmagasinerne, kan denne proces være styrende for en mere generel frigivelse af nikkel til kalkmagasinerne. I denne hydrogeologiske og hydrokemiske situation, vil processen foregå i en større del af oplandet. En sådan proces kan imidlertid kun have en betydning, såfremt nikkel kan transporteres over længere afstande i kalkmagasinerne. I forbindelse med en vurdering af risikoen for spredning af nikkel i kalkmagasinerne, er der således et behov for at forbedre vores viden om binding af nikkel til kalkbjergarterne på Sjælland.

Bindes nikkel til en vis grad til kalkbjergarterne, vil der i områder, hvor nikkel bliver frigivet på grund af oxidation af nikkelholdige sulfider, ske en ophobning af nikkel i den faste fase. Denne sekundært bundne nikkel vil, ved ændring af de hydrogeologiske eller hydrokemiske forhold, senere kunne frigives til grundvandet og forårsage yderligere problemer for vandforsyningerne. Der er således ved flere vandforsyninger i Østsjælland – f.eks. ved Brøndby og Tårnby – konstateret en generel stigning i koncentrationen af nikkel og sulfat inden for de sidste 10 år, hvor der også er sket en generel hævning af vandspejlet. Hvorvidt denne stigning skyldes en sekundær frigivelse eller udelukkende skyldes hydrogeologiske forhold vides endnu ikke. Der er derfor også et behov for at forbedre vores viden om, hvorvidt nikkel, der er bundet til kalkbjergarterne, kan frigives sekundært, og i givet fald hvilke faktorer, der har betydning for denne sekundære frigivelse.

I denne rapport præsenteres resultaterne fra Fase 2 af Miljøstyrelsens udredningsarbejde i forbindelse med nikkelproblematikken i Østsjælland. Rapporten er således en fortsættelse af ovennævnte projekt om barometerånding og nikkel i kalkmagasinerne på Sjælland. Det praktiske arbejde, der ligger til grund for rapporten, har været organiseret i en Fase 2A, der er gennemført i perioden september-december 2003, og en Fase 2B, der er gennemført i perioden august-december 2004. Rapportens opbygning bærer til en vis grad præg af denne organisering af det praktiske arbejde.

I Fase 2A af projektet er der udført laboratorieeksperimenter med henblik på at bestemme bindingen af nikkel til både naturlige og syntetiske kalksedimenter. Ud fra resultaterne af laboratorieforsøgene er der opstillet konceptuelle numeriske modeller til belysning af hvilke faktorer, der har betydning for transporten af nikkel i kalkmagasinerne.

I Fase 2B af projektet er der med udgangspunkt i en feltlokalitet ved Brøndby udført felt- og laboratorieforsøg til belysning af den sekundære frigivelse af nikkel i kalkmagasinerne.

I rapporten gives indledningsvist (kapitel 2) en introduktion til bjergarterne i kalkmagasinerne på Sjælland. Der gives efterfølgende (kapitel 3) en præsentation af det teoretiske grundlag for at kunne vurdere mobilitet og binding af sporelementer til kalksedimenter, herunder også de hydrogeologiske forhold i opsprækkede bjergarter.

Den anvendte feltlokalitet ved Brøndby Vandforsyning beskrives kort i kapitel 4.

Bestemmelser af binding af nikkel til og frigivelse fra mineralerne i kalkmagasinerne er hovedsageligt baseret på resultater fra batch-forsøg. For forsøgene relateret til sekundær frigivelse af nikkel er der anvendt sediment fra feltlokaliteten ved Brøndby. De anvendte metoder beskrives i kapitel 5.

Resultaterne af felt- og laboratorieforsøg er sammenstillet og vurderes i kapitel 6, hvor der også gives en sammenfattende beskrivelse af de faktorer, der har betydning for henholdsvis binding af nikkel til og frigivelse fra kalkbjergarterne.

Resultaterne perspektiveres i kapitel 7, hvor der foretages en overordnet kvantificering af de opstillede processer. Til dette arbejde benyttes den numeriske kode FRAC3DVS, hvormed der kan foretages simple beregninger af binding af nikkel i en opsprækket bjergart.

I kapitel 8 præsenteres en syntese og varighedsanalyse for nikkelproblemerne i værkstedsområdet ved Brøndby. Syntesen er baseret på resultaterne opnået i dette projekt.

Projektet er gennemført af Miljø & Ressourcer DTU, Danmarks Tekniske Universitet, og finansieret af midler fra Miljøstyrelsen samt bidrag fra Brøndby Kommune og Rambøll. Til projektet har været tilknyttet en styregruppe med følgende medlemmer:

Martin Skriver, Miljøstyrelsen, formand
Merete Olsen, Roskilde Amt
Kristoffer Amlani Ulbak, Københavns Amt
Elisabeth Hartelius, Københavns Energi

Der skal rettes særlig tak til civilingeniørstuderende Signe Nielsen og Kristian West Barnes, der har ydet en stor indsats i forbindelse med den praktiske del af Fase 2B af projektet samt til Annette Raben fra Brøndby Kommune for velvillig bistand under Fase 2B af projektet.