|
Udsivning af spildevand fra afløbssystemer 4. Metoder4.1 Forsøgsopstilling og materialerTo forskellige forsøgsopstillinger, F1 og F2, blev etableret til undersøgelse af karakteristika for udsivning fra lækager i afløbssystemer. Den ene blev anvendt til at undersøge udsivning, når vandføringen i røret og andre forhold blev holdt konstant. Den anden blev brugt til at undersøge udsivning, når vandføring eller andre forhold blev varieret. 4.1.1 Beskrivelse af oplandet for pilotforsøgeneForsøgene blev udført i pilotskala og gennemført i et målebygværk i Frejlev. Bygværket ligger på den afskærende ledning fra Frejlev kloakopland (Figur 4-1), og blev i 1996 etableret i fællesskab mellem Aalborg Kommune og Aalborg Universitet. Samtlige undersøgelser blev gennemført med spildevand fra Frejlev. Frejlev er beliggende ca. 7 km sydvest for Aalborg og har ca. 2.000 indbyggere. Oplandet til målebygværket dækker et areal på omtrent 85 ha, med en terrænforskel på ca. 30 m. Oplandet består primært af beboelsesområder, uden væsentlig industri. Fra Frejlev ledes spildevandet via en afskærende ledning til Aalborg Renseanlæg Vest. Under kraftig regn aflastes den del af spildevandet, der overskrider den videreførende lednings kapacitet, til Hasseris Å, som udmunder i Limfjorden.
Figur 4-1: De ældste dele af afløbssystemet i Frejlev stammer fra 1930’erne, men hovedparten af systemet blev anlagt i 1970’erne. Siden er der kun blevet foretaget få ændringer. 70% af afløbssystemet er fællesledninger, resten er separatkloakeret. 87% af ledningerne består af beton, 11% af PVC og 2% af eternit. I selve målebygværket er ledningen af polyethylen. Tørvejrsvandføringen fra Frejlev er mellem 0 og 10 l s-1. Under regn kan vandføringen stige til et par m3 s-1. For, på trods af de store variationer, at kunne måle vandføringen præcist, er bygværket udført med to ledninger, ø315 mm og ø1.000 mm (Figur 4-2). Når afløbsmængderne overskrider en fastlagt værdi, ledes spildevandet til ø1.000 mm ledningen. Der er i oplandet opstillet to nedbørsmålere tilknyttet det landsomfattende regnmålerprogram (Spildevandskomitéen, 1999).
Figur 4-2: 4.1.2 Udformning af opstilling F1Opstilling F1 blev anvendt til at undersøge udsivning, hvor vandføringen i røret og andre forhold blev holdt konstant. Alle forsøgene blev gennemført med friskt spildevand fra Frejlev. Spildevandet blev taget fra tørvejrsledningen i målebygværket (Figur 4-2). Ledningen, der er frit ophængt i målebygværket, blev forsynet med et udtag i bunden (Foto 4-1). For at undgå tilclogning af udtaget og dermed en afbrydelse af spildevandsforsyningen, blev udtaget jævnligt gennemblæst med luft. Udtagets størrelse tillod et kontinuert flow på omtrent 1 l s-1. Spildevandet ledtes til en beholder, hvorfra en centrifugalpumpe sendte det videre til forsøgsopstillingen (Foto 4-2). Efter passage af røret gennem søjlerne, ledtes spildevandet tilbage til beholderen. Overskydende vand forlod opstillingen via et overløb. Det samlede vandvolumen i opstillingen var ca. 100 liter. Selve forsøgssystemet bestod af fire søjler, der indeholdt sand eller et sandlag over jord. Et ø110 mm PVC-kloakrør gik igennem den øverste del af de fire søjler (Figur 4-1, Foto 4-2). I hver af de fire søjler indeholdt røret en lækage, gennem hvilken spildevandet kunne sive ud i det omgivende sand. Lækagerne var identiske og placeret ens i søjlerne. Placeringen af lækagen i rørledningen var den samme for alle søjler. Den del af spildevandet, der sivede gennem søjlerne, blev opfanget i et bægerglas under søjlerne (Foto 4-3). Herved blev flowet gennem søjlerne bestemt, og der blev udtaget prøver til analyser.
Søjlerne var udført i rustfrit stål for ikke at skabe interferens med analyse af organiske miljøfremmede stoffer (Figur 4-2). En søjlediameter på 300 mm blev valgt for at minimere randens indflydelse på transporten af spildevandet og dermed en opnåelse af så realistiske forhold som muligt. Med henblik på gennemførelse af forsøg med et sandlag over jord, blev søjlerne konstrueret med en samlet længde på 550 mm. I bunden blev søjlerne afsluttet med en bærerist, hvorpå der lå et stålnet med en trådafstand på 1 mm. Det udsivende vand blev opsamlet i en fastmonteret tragt og ledt til en udløbsstuds (Foto 4-3). I de tilfælde hvor søjlerne indeholdt både sand og jord, var der risiko for en opstuvning af vand over jordlaget. For at kunne kontrollere om dette skete, blev der installeret en studs til afdræning 100 mm under rørbunden (Figur 4-3 og Foto 4-3).
Figur 4-3: Som lækagetype blev en forskudt samling benyttet, idet denne skadetype er den hyppigst forekommende i afløbssystemer (se kapitel 2). En forskudt samling blev efterlignet ved at PVC røret blev forsynet med en slids, omkring hvilken en efterligning af en muffeende blev anbragt. Slidsen var 10 mm bred og gik halvt op på røret. Mellemrummet mellem røret og muffen var ligeledes 10 mm (Foto 4-4). Lækagen fik dermed et areal på 18 cm2. Over lækagen blev der boret hul i PVC-røret. Herved blev der skabt en udluftning af ledningen samt mulighed for at inspicere lækagen under forsøgene (Foto 4-5).
Spildevandsflowet i røret gennem de 4 søjler, blev holdt konstant. Flowet i opstillingen blev med en magnetisk flowmåler målt til 4,2 l s-1, hvilket resulterede i halvfuldtløbende rør. Med en antaget ruhed på 0,25 mm betød dette vandhastigheder på omkring 1 m s-1 og en gennemsnitlig slæbespænding på omkring 4,5 N m-2.
Foto 4-5:
Figur 4-4: 4.1.3 Udformning af opstilling F2Opstilling F2 blev anvendt til at undersøge udsivning, hvor vandføringen i røret eller andre forhold – så som lækageareal – blev varieret. Opstilling F2 ligner opstilling F1 og får spildevand på samme vis som denne. Dog blev en noget kraftigere centrifugalpumpe benyttet til at cirkulere spildevandet over søjlerne. Pumpen reguleres med en VLT styring, således at forskellige flowforhold kan simuleres. Når røret er halvfuldtløbende, er flowforholdene som i opstilling F1. Flowet bestemmes med en magnetisk flowmåler. Opstillingen er vist i Figur 4-5.
Figur 4-5: Forsøgene er gennemført med to søjler udført i rustfrit stål. To af forsøgene blev dog udført med fire søjler, hvor de to ekstra søjler var udført i PVC. Søjlernes mål fremgår af Figur 4-4. Den ændrede udformning i forhold til opstilling F1 muliggør forsøg med opstuvning af vand i søjlerne, hvilket benyttes til at simulere et grundvandsspejl over ledningens top. Udløbsstudsen i bunden af søjlerne kan proppes til, således at søjlerne bliver tætte.
Figur 4-6: I modsætning til forsøgene i opstilling F1, blev lækagetypen varieret. Ud over den forskudte samling blev der gennemført forsøg med simulerede tæringer og revner i bunden af røret (Foto 4-6 og Foto 4-7). Tæringer i bunden kan forårsages af korrosion. Revner i røret kan opstå, hvis ledningens bæreevne er overskredet. Tæringerne blev udformet med en størrelse på 25x60 mm, 35x130 mm og 35x240 mm. Revnens mål var 5x60 mm.
4.1.4 Sand- og jordmaterialerEftersom kloakrør ofte lægges i et sandlag, er udbredelsen af spildevand og dets indholdsstoffer i sand af stor betydning. Derfor indeholdt en del af forsøgene udelukkende sand og ikke et sandlag over jord. Forsøgene i opstilling F1 er gennemført med op til fire sandtyper med forskellige karakteristika. Sandtyperne blev karakteriseret med hensyn til kornstørrelsesfordeling, hydraulisk ledningsevne og indhold af organisk stof (Figur 4-7 og Bilag A). Sand I og II er kunstige sande (nedknust kvarts), mens sand III og IV er naturlige sandtyper fra Nordjyske grusgrave. Forsøgene i opstilling F2 er alle gennemført med sandtype III.
Figur 4-7: Tabel 4-1:
* Cation Exchange Capacity I et af forsøgene i opstilling F1, var der jord under et lag af sand III. Der er valgt jord fra Foulum og Lundgaard, da disse repræsenterer typiske dansk underjorde og er velbeskrevne. Nogle af jordenes karakteristika fremgår af Tabel 4-1. Jorden blev lufttørret og sigtet til en maksimal kornstørrelse på 2 mm. Forsøgene blev udført som dobbeltbestemmelse, idet to søjler blev fyldt med den samme jord. 4.2 Forsøgsmetodik4.2.1 Drift af opstilling F1Formålet med forsøgene under konstante flowforhold var at undersøge udsivningens tidsmæssige udvikling samt transporten af forskellige spildevandskomponenter gennem sand og jord. Der blev gennemført tre forsøg med de fire sandmaterialer og et forsøg med de to jordtyper. I forsøgene med sandtyperne indeholdt hver søjle én type sand, mens forsøget med jord er udført som dobbeltbestemmelse. Efter afslutning af forsøg A blev afstanden mellem pumpen og den første søjle øget for at mindske turbulensen i røret gennem den første søjle. Bortset herfra blev de fire forsøg udført ens. Endvidere blev der udført et forsøg med biologisk inaktivt spildevand. Dette blev udført som dobbeltbestemmelse med sandtype III og IV. Tabel 4-1 giver en oversigt over de gennemførte forsøg. Søjlerne blev pakket i lag af ca. 5 cm. Pakningen af søjlerne blev afsluttet med et sandlag til overkanten af kloakrøret (Foto 4-5). I forsøget med jordene (forsøg D) blev der lagt et sandlag på et par cm i bunden af søjlerne for at hindre gennemfald af jord. Jorden blev pakket til 1 cm under søjlernes drænstuds (Figur 4-6). Dermed blev tykkelsen af sandlaget under kloakrøret 11 cm. Efter pakningen blev søjlerne mættet med postevand og hele systemet blev gennemskyllet ved at cirkulere postevand i stedet for spildevand. Varigheden af skylningen varierede fra få timer til et døgn. Hensigten med skylningen var at fjerne eventuelle forureninger, som var blevet tilbage i forsøgssystemet efter det forudgående forsøg. Tabel 4-2:
Under forsøgene blev der målt flow gennem søjlerne samt udvalgte forureningsparametre. I begyndelsen af forsøgene blev flowet målt to gange om dagen, derefter dagligt. I forsøg D, som strakte sig over 47 døgn, blev flowet målt hver anden dag. De første prøver til analyse af diverse stoffer blev udtaget under skylningen for at bestemme baggrundskoncentrationerne. Derefter blev der udtaget prøver hver anden dag i forsøg A, B og C og en gang om ugen i forsøg D. Prøver til analyse af phthalater, COD og kvælstofforbindelser blev konserveret ved frysning, mens E. coli og virus blev bestemt umiddelbart efter prøvetagning. En prøve fra forsøg B blev analyseret for LAS og klorede opløsningsmidler. Til vurdering af strømningsforholdene blev vandindholdet i søjlerne bestemt efter afslutning af forsøg A. Efter forsøg C og D blev der udtaget prøver til bestemmelse af pakningstæthed for at undersøge mulig heterogenitet i søjlerne (Bilag B). I forsøg E blev der undersøgt, om det primært er biologiske processer eller en fysisk aflejring af partikler, der styrer udsivningen fra en lækage. Dette skete ved, at der blev cirkuleret spildevand tilsat natriumhypochlorit i sådanne koncentrationer, at al biologisk aktivitet var inhiberet. Natriumhypochloritens virkning blev kontrolleret i laboratorieforsøg. Det skal bemærkes, at natriumhypochlorit kan påvirke det organiske stofs struktur og dermed ændre tilclogningsforløbet. For at undgå at lede natriumhypochlorit til kloaksystemet, blev der ikke udskiftet spildevand kontinuerligt under dette forsøg. Der blev alene suppleret op med spildevand for at sikre et konstant volumen i forsøgsopstillingen. Forsøget blev gennemført på samme måde som forsøg A, B og C, dog blev der kun brugt sand III og IV i henholdsvis to søjler hver. 4.2.2 Drift af opstilling F2Formålet med forsøgene i denne opstilling var at undersøge, hvorledes udsivningsmængder og –forløb påvirkes af driftsvariationer samt lækagens udformning. De lækagetyper der blev undersøgt var:
De driftsforhold der blev simuleret var:
Tabel 4-3:
Efter kontakt med spildevand blev der udtaget prøver fra søjlerne i forsøg J, svarende til et længdesnit gennem søjlerne. Prøverne blev analyseret for organisk stof for at kunne vurdere transporten af organisk stof gennem sandlaget. 4.3 FeltundersøgelseI forbindelse med en kloakrenovering i Aalborg Kommune blev der udtaget prøver under en ledning i et fælleskloakeret opland, hvor der fandtes skader, der blev formodet at give anledning til udsivning. Ledningen (ø200 mm beton) var placeret i Strøybergsvej i Aalborg, og lå på den undersøgte lokalitet 2,5-3,5 meter under terræn. Ledningen befandt sig i den øvre del af afløbssystemet med 3-4 husstande tilknyttet. Forudgående var de formodede lækager blevet lokaliseret som skader ved TV-inspektion. Den ene af de undersøgte skader blev identificeret som en tæring i bunden af en brønd, den anden var en åben samling. Geotekniske undersøgelser havde vist, at grundvandsspejlet lå langt under ledningen, og at der var blandede jordbundsforhold, bestående af finsand, silt, ler og fyld. I en dybde på under tre meter fandtes endvidere kridt. Der blev udtaget prøver med rustfri stål prøverør af en længde på 50 cm og en diameter på 5 cm. Rørene var tilspidsede i den ene ende (Foto 4-8). Efterfølgende blev søjlerne opskåret i delprøver af 5 cm’s længde. Udvalgte delprøver blev analyseret for E. coli, Clostridium perfringens og bor (se afsnit 4.4.1 og 4.4.2).
Foto 4-8: 4.4 Analyser4.4.1 Biologiske analyserTransporten af bakterier og virus gennem søjlerne blev undersøgt ved hjælp af indikatororganismer. Indikatorprincippet er baseret på, at disse organismer forekommer sammen med patogene bakterier. Hvis indikatorerne bliver identificeret i prøverne, foreligger der en høj sandsynlighed for, at prøven også indeholder eventuelle patogene organismer fra spildevandet. Princippet bygger dog på nogle generelle forudsætninger:
Det blev valgt at analysere prøverne for E. coli som indikator for patogene bakterier samt for virus (colifager), som relaterer sig til forekomsten af sygdomsfremkaldende virus (Tabel 4-4). Analysemetoderne er beskrevet i Bilag C. Alle biologiske analyser blev foretaget umiddelbart efter prøveudtagning. Forud for forsøgene blev E. coli i selve sandet bestemt til nogle få bakterier per gram i de naturlige sandtyper (sand III og IV), og ingen i de kunstige sandtyper (sand I og II). Endvidere viste undersøgelser, at der ikke forekom luftspredning af E. coli i forsøgslokaliteten. I feltundersøgelsen blev der ligeledes analyseret for E. coli. Endvidere blev der analyseret for Clostridium perfringens bakterier og sporer. Tabel 4-4:
4.4.2 Kemiske analyserDe kemiske undersøgelser omfattede ammonium, nitrit, nitrat, COD og et udvalg af miljøfremmede stoffer (Tabel 4-4). De miljøfremmede stoffer der blev analyseret for var de tre phthalatsyre estere dimethyl phthalat (DMP), di-n-butyl phthalat (DBP) og di(2-ethylhexyl)phthalat (DEHP). En enkelt prøve blev analyseret for LAS, trichlormethan, 1,1,1-trichlorethan, tetrachlormethan, trichlorethylen og tetrachlorethylen. Analyserne er beskrevet i Bilag C. Tabel 4-5:
a) 1013 hPa; b) 960 hPa; c) 25°C; d) 20°C. Efter Bauer (1997).De tre udvalgte phthalater, DMP, DBP og DEHP, er blandt USEPA’s "priority pollutants". Miljøstyrelsen (1997) har for 6 danske renseanlæg målt koncentrationen af disse stoffer, og fundet DMP: 0-1,2 mg l-1, DBP: 0,9-13 mg l-1 og DEHP: 17-180 mg l-1 Tabel 4-5 viser nogle af de udvalgte stoffers fysisk-kemiske egenskaber. De omfatter et bredt spektrum fra relativt vandopløselige til meget hydrofobe substanser. Stofferne kan dermed anses som modelsubstanser til at vurdere transport og stabilitet af andre organiske miljøfremmede stoffer med lignende egenskaber (Bauer, 1997). I feltundersøgelsen blev der endvidere analyseret for bor.
|
