Removal of metals and particles from tunnel wash water
Abstract
På grunn av utfordrende topografi og spredt befolkning er tunneler ofte en gunstig løsning for transportinfrastruktur i Norge. Blant annet av hensyn til trafikksikkerhet, krever tunnelene jevnlig rengjøring. Forurensninger som metaller, polyaromatiske hydrokarboner (PAH) og eventuelt salter (NaCl) om vinteren akkumuleres i tunnelene over tid og vaskes for eksempel ikke bort ved nedbørshendelser, noe som resulterer i forhøyede forurensningskonsentrasjoner relativt til det som finnes i vanlig avrenning fra veier. Mange eldre norske tunneler har ingen løsning for behandling av vaskevannet, noe som betyr at det forurensede vannet slippes direkte ut i naturen. Alle nyere tunneler bygges med sedimenteringsbassenger som primær behandlingsløsning for vaskevannet. Sedimentering alene kan med god effekt fjerne partikkelforbundne forurensninger, men denne prosessen er tidkrevende. Tunnelvaskevannet inneholder også en betydelig del oppløste forurensninger, som heller ikke tilstrekkelig lar seg fjerne ved sedimentering alene.
I denne masteroppgaven har kjemisk koagulering og utfelling blitt vist å være potensielt gunstige behandlingsløsninger for tunnelvaskevann. Løsningene innebærer å introdusere kjemikalier i vaskevannet, men muliggjør også en betydelig redusert behandlingstid. I studien har det blitt gjennomført forsøk med den jernbaserte koagulanten PIX-318 og aluminiumsbaserte PAX-18 samt med Metalsorb PCZ og natriumsulfid som fellingsmiddel. Det studerte vannet var tunnelvaskevann som ble hentet fra Vålerenga-tunnelen i Oslo og Grilstad-tunnelen i Trondheim. Resultatene viser lave turbiditetsverdier, gjenværende turbiditet nådde et nivå <5 NTU for koagulantdose 5 mmol Me/L ved bruk av begge koagulantene. Forsøk med pH-justert råvann indikerer at en mer effektiv reduksjon i turbiditet kan oppnås ved høyere pH verdier og lavere koagulantdoser, mens en høyere koagulantdose også gir lav restturbiditet ved lavere pH-verdier.
Med hensyn til turbiditetsreduksjon var ytelsen til PIX-318 og PAX-18 relativt lik, men generelt var en lavere koagulantdose tilstrekkelig for å nå en bestemt grense (f.eks. 1 NTU) ved bruk av PIX-318. Begge koagulantene hadde produsert en betydelig turbiditetsreduksjon etter 60 minutters sedimentering, mens en ytterligere økning i sedimenteringstid viste seg å ha liten effekt på restturbiditeten. Etter 120 minutter med sedimentering kan begge koagulantene sies å ha omtrent samme ytelse med hensyn til turbiditet.
Når det gjelder fjerning av metaller, viste PAX-18 seg å være noe mer effektiv, spesielt med hensyn til reduksjon av den oppløste fraksjonen. For metaller som sink, som vanligvis antas å være assosiert med den lavmolekylære fraksjonen og dermed også å ha en økt mobilitet og biotilgjengelighet, ble det oppnådd en gjennomsnittlig reduksjon på omtrent 85% med PAX-18 som koagulant ved 5 mmol Al/L. Sammenlignet med dette ble det målt en gjennomsnittlig reduksjon av sink i prøvene på omtrent 75% når PIX-318 ble injisert som 5 mmol Fe/L. Tilsvarende var PAX-18 mer effektiv med hensyn til å redusere konsentrasjonene av nikkel i vaskevannet. Når man vurderer kobber, krom og mangan, var ytelsen til koagulantene ganske lik. For begge koagulantene førte tilsetningen av koagulant selv til en betydelig økning i jern- og aluminiuminnholdet. Etter 60 og 120 minutter med sedimentering ble konsentrasjonene imidlertid igjen redusert til et nivå som anses som akseptabelt i forhold til eksisterende anbefalinger for utslipp. Due to challenging topography and sparsely distributed population, tunnels are often proven to be a favorable choice for transport infrastructure in Norway. For traffic safety among other reasons, the tunnels require regular cleaning. Pollutants such as metals, polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) and salt (NaCl) during wintertime accumulate over time, resulting in severely elevated pollutant concentrations relative to what can be found in regular highway runoff. Many older Norwegian tunnels are completely without any solution for treatment of the water used for cleaning, in turn meaning the polluted water is directly discharged into nature. All newer tunnels are built with sedimentation basins as primary treatment for the wash water. Sedimentation alone can remove a large proportion of the particle bound pollutants, but this process takes time and tunnel wash water also contains a significant share of dissolved pollutants which are not removed through sedimentation alone.
In this study, chemical coagulation and precipitation are both proven to be potentially effective treatment technologies for tunnel wash water. Both treatments involves introducing an external chemical to the wash water, but also opens the door to significantly reducing the required treatment time. Experiments with the iron-based coagulant PIX-318 and alum-based PAX-18 as well as with Metalsorb PCZ and sodium sulfide as precipitants were carried out. The studied raw water was sampled from washes conducted at the Vålerenga tunnel in Oslo and the Grilstad tunnel in Trondheim. The results show low residual turbidities, when the samples were injected with coagulant doses of 5 mmol Me/L the turbidities reached a threshold of <5 NTU. Experiments conducted with adjusted pH imply that higher pH values result in a more efficient turbidity reduction at lower coagulant doses, whereas higher coagulant doses also provide water with a low residual turbidity at lower pH values.
The performance of PIX-318 and PAX-18 in terms of reducing turbidity was found to be rather similar, however a lower coagulant dose was generally required to reach a certain boundary (e.g. 1 NTU) when using PIX-318. For both coagulants a significant reduction occurs during the first 60 minutes of sedimentation, whereas a further increase in sedimentation time post coagulation has little effect on the residual turbidity. After 120 minutes of sedimentation, both coagulants can be said to perform close to equal in terms of turbidity.
Considering metal removal PAX-18 proved to be somewhat more effective, especially in regards of reducing the dissolved fraction. For metals such as zinc which usually is mainly associated with the low molecular mass fraction and thus also is assumed to have an increased mobility and bioavailability, an average reduction of approximately 85% was achieved with PAX-18 as 5 mmol Al/L as coagulant. In comparison, when PIX-318 was injected as 5 mmol Fe/L, the resulting reduction of zinc in the sample was measured to an average of approximately 75%. Similarly for nickel, PAX-18 was perceivably more efficient in reducing the concentrations. When considering cupper, chromium and manganese, the performance of the coagulants was rather similar. For both coagulants, the addition of the coagulant itself resulted in a significant increase in Fe- and Al- contents respectively. After 60 and 120 minutes of sedimentation, the concentrations were however once again reduced to a level deemed accepatable in comparison to existing recommendations for discharge.