Evolution of tunnel wash water quality during sedimentation

Abstract

Tunneler vaskes regelmessig for å sikre at tekniske installasjoner kan fungere optimalt og vedlikeholdes gjennom brukstiden. Fjerning av svevestøv og belegg på tunnelens overflater og belysning fremmer også trafikksikkerhet, ved å sørge for tilstrekkelig visuell ledning for trafikkanter. Tunnelvasking produserer store volum med forurenset tunnelvaskevann regelmessig, som inneholder høye konsentrasjoner av forurensende stoffer, sammenlignet med vegavrenning; tungmetaller, polysykliske aromatiske hydrokarboner (PAHer), rengjøringsmidler og organiske forbindelser fra bildekk. Derfor må utslipp av tunnelvaskvann håndteres slik at det ikke forårsaker uforholdsmessig skade på vannmiljøet i resipienten.

Sedimentasjon blir ofte brukt som primærrensetrinn i høyt trafikkerte tunneler i Norge (årsdøgntrafikk > 15 000) for å redusere miljøskadene ved utslipp av tunnelvaskevann. Denne masteroppgaven tar sikte på å øke den tilgjengelige kunnskapen om hvordan tunnelvaskvannskvaliteten utvikler seg gjennom sedimenteringsprosessen og hvilken vannkvalitet sedimenteringen gir for tunnelvaskevann. Prøver av tunnelvaskevann ble derfor tatt fra tunneler på urbane motorveier i Oslo og Trondheim. Utvalgte fysisk-kjemiske parametere ble målt for prøvene i løpet av 30 dagers sedimentering i en 2 m høy, stedsbygd sedimenteringspilot.

Resultatene viser en betydelig reduksjon i partikkelmengde og partikulært bundet tungmetaller. Turbiditet, total suspenderte stoff (TSS; > 0.45 μm), og det totale antallet partikler ble redusert i spennet fra 94 til 99 % i løpet av sedimentering. Renseeffektiviteten for partikulære fraksjoner av tungmetaller varierte fra 49 % for sink til 99,7 % for aluminium. Statistisk analyse viste at fjerning av partikulært bundet tungmetall og TSS var sterkt korrelert; p-verdier på 0.91 til 1.0 for syv av ti studerte metaller (Al, As, Cu, Cr, Fe, Mn og Ni).

Til tross for relativt høy renseeffektivitet, overskrider Cu, Zn, As og Cr i prøvetatte tunneler veiledende resipientkonsentrasjoner for korttids-eksponering. Dette betyr at utslipp av tunnelvaskvann fra de studerte tunnelene kan forårsake miljøskade i resipientene. I tillegg er hovedparten av Cu, Zn, og As konsentrasjonene i oppløst form, som er mer biotilgjengelig enn partikulær form. De oppløste metallene, organiske stoffene, ioner og partikler som er mindre enn 0.1 til 1.0 μm reduseres lite i løpet av 30 dagers sedimentering. Derfor bør utformingen av potensielle sekundære rensetrinn fjerne det bestandige, oppløste stoffet. Videre bør resipientenes fortynningsevne og sårbarhet klassifiseres for å utforme primære og sekundære rensetrinn med passende renseeffekt. Som en sluttbemerkning ble forvaltningen av de studerte primærbehandlingsanleggene funnet å ha varierende kvalitet. Forutsetningen for å oppnå ønsket behandlingseffekt, dvs. at anleggene kan levere sin funksjon, er derav manglende for fasiliteter i både Trondheim og Oslo.

Tunnels are regularly washed to ensure lifelong performance of technical equipment. Traffic safety is also promoted through sufficient visibility inside the tunnels. Tunnel washing produces large volumes of contaminated tunnel wash water regularly, containing elevated concentrations of several pollutants compared to road runoff; heavy metals, polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs), detergents, and organic tire components. Hence, the tunnel wash water discharge needs to be handled so that it does not cause disproportionate harm to the aquatic environment in the recipient.

Sedimentation is commonly implemented as a primary treatment step in highly trafficked tunnels in Norway (Average Annual Daily Traffic > 15 000) to reduce the environmental harm of tunnel wash water discharge. This Master's thesis aims to increase the available knowledge on how tunnel wash water quality evolves during the sedimentation process and what tunnel wash water quality sedimentation yields. Tunnel wash water was therefore sampled from tunnels on urban highways in Oslo and Trondheim. Selected physicochemical characteristics of sampled tunnel wash water were measured during 30 days of sedimentation in a custom-made sedimentation pilot of 2 m height.

The results show a significant decrease in particle load and particulate heavy metal concentrations. Turbidity, total suspended solids (> 0.45 μm), and the total number of particles declined ranged from 94 to 99 % during sedimentation. The removal efficiency of the particulate fraction of heavy metals ranged from 49 % for zinc to 99.7 % for aluminum. Principal component analysis demonstrated that particulate heavy metal and TSS removal were strongly correlated; p-values of 0.91 to 1.0 for seven out of ten studied metals (Al, As, Cu, Cr, Fe, Mn, and Ni).

Despite relatively high removal efficiency, Cu, Zn, As, and Cr effluent concentrations in the studied tunnel wash water exceed recipient threshold concentrations for short time exposure. This implies that discharge of tunnel wash water from the studied tunnels can cause environmental harm. Furthermore, the bulk of effluent Cu, Zn, and As concentrations are in the bio-available, dissolved form. The dissolved fractions of metals, organics, ions, and particles smaller than 0.1 to 1.0 μm hardly reduced during sedimentation. Therefore, the design of potential secondary treatment steps should remove the persistent dissolved matter. Furthermore, the recipient dilution effects and vulnerability need to be classified to design primary and secondary treatment steps with appropriate treatment efficiency. Lastly, asset management of the studied primary treatment facilities was found to be of varying quality. The prerequisite to achieve the desired treatment efficiency, i.e., that the assets can deliver their function, hence lack in individual facilities in both Oslo and Trondheim.