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

Udledning af miljøfarlige stoffer med spildevand

3 Opblanding af spildevand

3.1 Indledning

Det har hidtil været praksis at anvende begrebet initialfortynding i forbindelse med fastsættelse af krav til en spildevandsudledning. Initialfortyndingen kan defineres som "den gennemsnitlige fortynding i spildevandsfanens tværsnit, når fanens impuls bliver lig de omgivende vandmassers impuls" (Miljøstyrelsen 1983). Initialfortyndingen afhænger bl.a. af den turbulens, som spildevandet skaber, når det udledes, og dermed mængden af spildevand og den hastighed, det udledes med. I praksis er det dog ikke et veldefineret begreb.

Initialfortyndingsbegrebet har bl.a. den ulempe, at virksomhederne ikke tilskyndes til vandbesparelser, idet en nedbringelse af spildevandsmængden og dermed hastigheden i udledningspunktet formindsker initialfortyndingen. Initialfortyndingen er desuden teknisk kompliceret, og der kræves ekspertviden for at beregne den.

Initialfortyndingen er i praksis ofte en kritisk faktor ved udledning af spildevand, idet der stilles krav om, at der ikke forekommer overskridelse af kvalitetskriterier for enkeltstoffer samt akut giftvirkning af det samlede spildevand uden for initialfortyndingszonen. Dette kan være med til at fjerne fokus fra det forhold, at den mest alvorlige miljømæssige påvirkning ofte er knyttet til den udledte stofmængde samt størrelsen af det område, hvor der tillades overskridelse af kvalitetskriterier.

Det foreslås derfor at anvende et mere enkelt og gennemskueligt princip ved vurdering og regulering af spildevandsudledninger. I stedet for initialfortyndingsbegrebet foreslås det at anvende en administrativt fastsat fortyndingsfaktor, der svarer til et område inden for hvilket, der accepteres en vis påvirkning af miljøet.

For at undgå sammenblanding med initialfortyndingsbegrebet betegnes dette område blandingszonen (eng. mixing zone).

Der bør stilles de samme krav, som i dag anvendes i relation til initialfortyndingszonen: at der ikke forekommer overskridelse af kvalitetskriterier samt akut giftvirkning uden for blandingszonen.

Det skal endvidere understreges, at hvor der foreligger detaljerede modelberegninger af initialfortyndingen af et spildevand, bør disse fortsat kunne anvendes som grundlag for kravfastsættelse.

3.2 Blandingszone defineret ud fra en fortyndingsfaktor

Det foreslås som nævnt at anvende en blandingszone defineret ud fra en fastlagt fortyndingsfaktor i stedet for den tidligere anvendte initialfortynding. Inden for blandingszonen vil der være en betydelig påvirkning af miljøet, idet der kan forekomme akut toksiske koncentrationer af spildevand og gennemsnitlige stofkoncentrationer, der ligger væsentligt over kvalitetskravet. Blandingszonens størrelse har derfor stor betydning for graden af miljøpåvirkning.

Det skal understreges, at det i hvert enkelt tilfælde bør vurderes om blandingszonens størrelse er acceptabel for det pågældende vandområde, idet områdets udbredelse bør være så lille, at økosystemet som helhed ikke påvirkes. En fortyndingsfaktor på 5 kan eksempelvis være for høj ved udledning af relativt store vandmængder til et vandløb med en lav vandføring i sommerhalvåret.

I praksis defineres blandingszonen ved hjælp af en fortyndingsfaktor, inden for hvilken spildevandet skal kunne overholde de krav, der nævnes ovenfor i afsnit 3.1. Beregning af det areal, der svarer til en given fortynding af spildevandet, foretages ved anvendelse af (i første omgang) simple modelbetragtninger ud fra den forventede spildevandsmængde, stofkoncentration samt fortyndingsforholdene i vandområdet. Miljømyndigheden fastlægger en fortyndingsfaktor for den pågældende udledning på baggrund af en vurdering af, hvor stort et område det er acceptabelt at påvirke.

Fortyndingsfaktoren defineres som forholdet mellem koncentrationen af et stof i spildevandet og koncentrationen i et givet punkt i vandområdet.

Det bør ved fastsættelse af størrelsen af blandingszonen og fortyndingsfaktoren stilles forholdsvis strenge krav til udledninger til vandløb, hvor fortyndingen kun øges langsomt med tid og afstand fra udledningspunktet og når et maksimum ved fuld opblanding. Fortyndingsfaktoren for udledning til søer bør også være forholdsvis lille, da opblanding og vandskifte er begrænset. Udledning til marine områder indebærer normalt en større opblanding, og der kan derfor anvendes en større faktor.

Som udgangspunkt kan der anvendes faktorer inden for de nedenstående intervaller:

Det skal bemærkes, at en konsekvens af anvendelse af en fast fortyndingsfaktor er, at størrelsen og placeringen af blandingszonen afhænger af det udledte vandvolumen, strømforhold, vandføring mv. og derfor ændrer sig med tiden. Der kan tages hensyn til den tidsmæssige variation i kravfastsættelsen ved at basere denne på en realistisk "worst case" betragtning, jf. diskussionen i kapitel 2.

3.3 Beregning af blandingszone ved anvendelse af forenklede metoder

Blandingszonens og den tilhørende fortyndingsfaktors størrelse kan indledningsvist beregnes ved anvendelse af forenklede metoder, som beskrevet i dette afsnit.

Hvis kvalitetskravene for enkeltstoffer på den baggrund vurderes at kunne overholdes uden for en blandingszone, der har en acceptabel størrelse set i forhold til det aktuelle vandområde, fastsættes udlederkravene på den baggrund.

Er området, hvor kvalitetskrav overskrides, uacceptabelt stort, undersøges mulighederne for at reducere udledningen. Det kan dog også være en fordel at foretage mere præcise beregninger (jf. afsnit 3.4), da de forenklede metoder er baseret på en række grove antagelser og udføres på baggrund af et forsigtigt skøn af blandingsforhold mv.

Blandingszonens areal ved forskellige fortyndingsfaktorer kan beregnes ved anvendelse af forenklede metoder, f.eks. De Nijs & De Greef (1992), Jirka et al. (1996) eller Bundgaard Nielsen (1979).

Disse modeller kan være af varierende kompleksitet - fra en simpel matematisk formel, der udregnes "i hånden", over mere komplicerede analytiske udtryk, til samhørende ligninger, der normalt vil kræve løsning på computer. Fælles for dem er, at der er indført passende forudsætninger, således at en løsning relativt nemt kan opnås uden brug af avancerede numeriske metoder.

De forenklede beregningsmodeller forudsætter oftest stationære forhold. Resultaterne vil således ikke beskrive variationer i fortyndingsområdet, men kan med passende forsigtighed - herunder valg af modeltype i forhold til det konkrete scenarie - anvendes til en indledende vurdering af blandingszonens størrelse. En detaljeret konsekvensvurdering kan herefter gennemføres ved anvendelse af hydrodynamiske modeller, se afsnit 3.5.

Med udgangspunkt i de forenklede beregningsmodeller gives nedenfor tre eksempler på beregninger af en blandingszone ved udledning til henholdsvis et vandløb, en sø og til havet.

Blandingszonen er defineret som arealet af det område, der begrænses af en given fortynding af udledt spildevand. En forudsætning om stationære forhold medfører, at arealet ikke varierer med tiden.

Det skal bemærkes, at de beregninger, der er vist nedenfor, ikke beskriver forholdene tæt ved selve kilden, hvor den tredimensionale fordeling og impulsbidraget fra udledningen kan udgøre væsentlige faktorer for den initiale fortynding af spildevandet. Hermed tages der ikke stilling til udformningen af udløbsarrangementet og dettes indflydelse på fortyndingen – et forhold som er betydende for beregning af initialfortyndingszonen, jf. afsnit 3.1.

De viste eksempler kan med de anførte forudsætninger regnes for værende gyldige uden for en afstand (lx) meter fra kilden:

lx= h²·u/(2· Dz)

Hvor

Ved afstande over lx vil spildevandet tilnærmelsesvis være opblandet over dybden. Indsættes til eksempel vanddybden, h=5m, strømhastigheden, u=0,05 m/s og den vertikale dispersionskoefficient Dz= 0,005 m²/s fås afstanden, lx=125 m. Hvis der forudsættes initialopblanding over hele dybden, vil modellen være gældende for hele området.

Eksempel 1: Udledning til et vandløb

I det følgende er der givet et eksempel på beregning af fortyndingsarealet ved udledning til et vandløb. Fortyndingsfaktoren er sat til 10. Hvad angår løsningsmetode henvises til "Lærebog i Vandforurening" af Poul Harremoes og Anders Malmgren, side 106-108.

Udledningen indebærer spredning i en fane nedstrøms for udledningspunktet langs den ene bred, som skitseret i figur 3.1. Dvs. fortyndingsarealet omfatter ikke hele vandløbsbredden. Først efter en given afstand nedstrøms vil der være fuld opblanding over hele tværsnittet med en koncentration svarende til C₀ = Q_sC_s/(Q +Q_s).

Figur 3.1
Idealiseret koncentrationsfordeling nedstrøms for udledning til vandløb

Såfremt udledningen sker ved overfladen, bør der påregnes en forøgelse af arealet, da en opblanding i vandsøjlen først kan forventes et stykke nedstrøms for udledningspunktet. I dette tilfælde anbefales det at forøge afstanden nedstrøms med op til 25 m. Som ved den horisontale blanding er den vertikale opblanding afhængig af den tilsvarende vertikale diffusionskoefficient.

Såfremt der er store forskelle i vægtfylden mellem spildevand og åvand, bør der udføres mere detaljerede beregninger.

Eksempel 2: Udledning til en sø

Udledningen antages at finde sted tæt på søbredden, og søen forudsættes at være så stor, at udledning finder sted i et halvuendeligt område. Der regnes med en konstant dybde på 2 meter og en gennemstrømning af søen (opholdstid) svarende til en konstant strømhastighed på 0,01 m/s. Den tværgående spredning af spildevand er forårsaget af en konstant dispersionskoefficient på 0,01 m²/s. Vandføringen i udledningen er konstant 0,01 m³/s.

Blandingszonen defineret ved en fortynding på F=20 gange kan herefter beregnes at have en udstrækning på ca. 150 m² (for F=50 gange fås en udstrækning på ca. 2.000 m²). Beregningen er følsom for valg af modelparametre, herunder specielt vanddybden.

Eksempel 3: Udledning til havet

Der anvendes samme beregningsmodel som i eksempel 2 (sø), men modelparametrene vælges under hensyn til, at der kan forventes bedre blandingsforhold i havet. Der regnes med konstant vanddybde på 5 m, en konstant nettostrøm på 0,05 m/s og en tværgående spredning forårsaget af en konstant dispersionskoefficient på 0,05 m²/s. Vandføringen i udledningen er konstant 0,2 m³/s.

Blandingszonen defineret ved en fortynding på F=50 kan således beregnes at have en udstrækning på ca. 8.000 m².

Hvis den tværgående dispersion (spredning) er dobbelt så stor, falder udstrækningen af blandingszonen til ca. halvdelen.

Reduceres udledning til det halve (0,1 m³/s) fås en udstrækning på ca. 1.000 m² (F=50).

3.4 Anvendelse af detaljerede modelberegninger

I de tilfælde, hvor den indledende vurdering af blandingszonen indikerer en mulig overskridelse i forhold til det acceptable, kan der etableres et bedre beslutningsgrundlag ved brug af hydrodynamiske modeller.

Der eksisterer en række computerbaserede, hydrodynamiske modeller til beskrivelse af strømnings- og fortyndingsforhold i vandområder. Der benyttes ofte en fysisk-baseret beregningsmetode, dvs. modellerne simulerer det faktiske vandskifte omkring en given udledning. Beregningerne foretages ud fra områdets topografi, aktuelle meteorologi inden for det undersøgte område samt strøm- og vandstandsforhold for de omkringliggende vandområder.

Modellerne udgøres af både en-, to- og tredimensionale løsninger. Der er således udviklet hydrodynamiske modeller specifikt for vandløb, søer og hav. Modellerne opstilles for et givent geografisk område, hvor data repræsenterende påvirkning fra omkringliggende vandområder, afstrømning fra land samt meteorologi inden for modelområdet indlægges. Modelresultaterne udgøres typisk af strøm- og vandstandsforhold til direkte sammenligning mod aktuelle målinger. Ved hjælp af parameterjustering kan modellerne tilpasses det konkrete vandområde relativt nøjagtigt.

Fortydningsforhold kan via hydrodynamiske modeller beregnes med en meget detaljeret opløsning i såvel tid som rum. Avancerede modelberegninger udgøres ofte af millioner af beregninger, hvor vandskiftet opløses i et stort antal beregningspunkter, og de aktuelle forhold beregnes med en meget lille tidsmæssig opløsning. Dette muliggør en relativt nøjagtig vurdering af de faktiske fortyndingsforhold omkring en given udledning. Begrænsning udgøres ofte af mangel på data og computerkraft.

3.5 Anbefalinger

Med hensyn til spildevandets samlede toksicitet bør der stilles krav om: