FASTLÄGGNING AV DAGVATTENFÖRORENINGAR I TVÅ ÖVERSILNINGSYTOR I MALMÖ

Transkript

1 December 2008 Peter Lindvall FASTLÄGGNING AV DAGVATTENFÖRORENINGAR I TVÅ ÖVERSILNINGSYTOR I MALMÖ Vattenförsörjnings- och avloppsteknik, Institutionen för kemiteknik, Lunds Universitet. ABSTRACT To reduce the impact of pollutants and high flows from road runoff stormwater treatment facilities have been built in Sweden. This paper evaluates the accumulation of heavy metals, oil and PAH in two Vegetative Filter Strips (VFS) in an eight years old stormwater treatment facility in southern Malmö. The two VFS were the road shoulder and the last step in the treatment facility after a swale, pond and filter mound. Samples were taken at the surface and at 20 cm depth, along the two VFS. Cd, Cr, Cu, Ni, Pb, Zn, PAH, aliphates and the exchangeable sodium percentage were analyzed. The results show that the road shoulder has accumulated Cd, Cr, Cu, Pb, Zn, PAH and the heavier fractions of aliphates (>16C). Only cancerogenic PAH in the surface of the road shoulder has reached the Swedish guideline values for sensitive land-use. Zinc, in the surface of the road shoulder, has the highest levels among the metalls compared to the Swedish guideline values for sensitive land-use. The exchangeable sodium percentage in the soil indicates that the first VFS are most affected by de-icing salts, but also the last VFS indicate increased levels. There is therefore an increased risk of colloidal transport of pollutants in the road shoulder because of the high ESP. Keywords: Stormwater treatment; Vegetated filter strip; Malmö; accumulation; heavy metals; PAH; aliphates. SAMMANFATTNING För att minska påverkan av föroreningar och höga flöden från vägdagvatten har dagvattenreningsanläggningar byggts i Sverige. I denna artikel utvärderas ackumulationen av tungmetaller, olja och PAHer i två översilningsytor i en åtta år gammal dagvattenreningsanläggning i södra Malmö. Översilningsytorna utgjordes av vägslänten och det sista reningssteget efter svackdike, magasineringsdamm och en filtervall. Prov togs i ytan och på 20 cm djup, utmed de två ytorna. Kadmium, krom, koppar, bly, zink, PAH, alifater och delen utbytbart natrium i jorden analyserades. Resultaten visar att kadmium, krom, koppar, bly, zink, PAHer och tunga alifatiska kolväten (>16C) har fastlagts i ytan i vägslänten. Endast de cancerogena PAHerna i vägsläntens yta överstiger riktvärdet för känslig markanvändning (KM). Zink har i ytan på vägslänten den högsta halten, i jämförelse med KM, av samtliga metaller. Andelen utbytbart natrium i marken indikerar att den första översilningsytan är mest påverkad av vägsalt, men även den sista har förhöjda värden. Det finns därmed en ökad risk för transport av föroreningar bundna till fina partiklar på grund av de förhöjda natriumvärdena. Nyckelord: Dagvattenrening; översilningsyta; Malmö; ackumulation, tungmetaller; PAH, alifatiska kolväten.

2 INLEDNING Trafiken är en källa till föroreningar, som tungmetaller, oljor och polyaromatiska kolväten. Avgaser, slitage och korrosion av bromsbelägg och kaross, smörjoljor och nötning av däck och vägbana gör att vägdagvatten kan ha betydande halter av föroreningar (Vägverket, 2004). Flera anläggningar har byggts för att omhänderta vägdagvatten, målet är ofta att fastlägga eller omvandla föroreningar för att undvika att recipienter utsätts för de höga flöden och föroreningar som transporteras med dagvattnet. Kunskapsläget om anläggningar och deras funktion är dock fortfarande begränsat. Bättre kunskap innebär bättre utformning, vilket betyder effektivare anläggningar, vilket både miljö och samhälle tjänar på. Denna artikel utvärderar fastläggningen av föroreningar i två översilningsytor i en 8 år gammal dagvattenanläggning i Malmö. Dagvattenanläggningen vid Lorensborgsgatan År 2000 byggdes en dagvattenanläggning i södra Malmö för omhändertagande av vägdagvatten från uppskattningsvis 3 hektar av Lorensborgsgatan. Trafikutvecklingen har ökat från till fordon i medelvardagsdygnstrafik mellan åren 2000 och Anläggningen består av vägslänter, som fungerar som översilningsytor, där vattnet rinner över ytan och ner i svackdiken. I dikena finns kupolbrunnar med jämna avstånd som, via en kulvert, leder vattnet till ett magasin varifrån det lyfts upp med pumpar till en utjämningsdamm. Den norra sidan av dammen är en filtervall, där vattnet får sila igenom och ut på en översilningsyta till den mottagande recipienten, ett vanligt dike. En förtydligande bild över anläggningen finns i figur 1. Figur 1. De olika delarna i Lorensborgsgatans dagvattenreningsanläggning. Provtagning I anläggningen finns två olika översilningsytor, som undersökts med avseende på tungmetaller, PAH, olja, utbytbart natrium samt katjonutbyteskapacitet. Den första är vägslänten och den andra är den efterpolerande översilningsytan, som ligger sist i reningssystemet. Det har visat sig att höga natriumhalter kan öka föroreningars rörlighet i mark. Höga koncentrationer av jonen kan konkurrera ut adsorberade metaller och ändra jordstrukturen så att fina partiklar med fastbundna föroreningar kan transporteras med markvattnet, så kallad kolloidal transport. Ett sätt att bedöma antropogen påverkan, av exempelvis vägsalt, är att beräkna kvoten mellan inbundet utbytbart natrium och katjonutbyteskapaciteten och jämföra denna med en naturlig bakgrundsnivå (Norrström och Jacks, 1998).

3 Utseende och funktion hos en översilningsyta Översilningsytor är svagt sluttande vegetationsytor där vattnet rinner jämnt fördelat över ytan och bromsas upp av den täta vegetationen, se figur 2. Figur 2. Principskiss för översilningsyta. Viktigt är att ha ett jämnt fördelat flöde och ofta används olika fördelningsanordningar. Vilket flöde ytan klarar av kommer främst att bero på lämpligt vattendjup i ytan, släntlutningen samt vegetationens motståndskraft mot vattenflödet. Viktigt är att inte vegetationen viker sig av vattnet eller att jorden eroderar av vattenhastigheten. Vattendjupet bör vara mindre än 25 mm och hastigheten bör inte överstiga 0,3 m/s. Släntlutningen bör vara mellan 2 5%. Lägre värden ger en längre uppehållstid för vattnet och bättre rening. Den översilande sträckan och markens infiltrationshastighet påverkar avskiljningen av partiklar och bundna föroreningar. Lösta föroreningar och små partiklar kommer främst avskiljas med det infiltrerade vattnet och kunna filtreras eller adsorberas till ytor, främst organiskt material eller lerpartiklar, i jorden. De dominerade avskiljningsprocesserna i översilningsytor är därför sedimentation, infiltration och adsorption (Lindvall, 2008). Syftet med undersökningen är att utreda översilningsytornas funktion och trafikens påverkan på ytorna. Detta sker genom att studera fastläggningen av föroreningar i de två översilningsytorna i dagvattenanläggningen. MATERIAL OCH METOD Beskrivning av de två översilningsytorna i dagvattenanläggning Den första översilningsytan, vägslänten, är 4 m bred med en lutning på 7 %. Vegetationen består av 5 10 cm långt gräs och låg mossa, täckningen bedöms vara god. Jordmaterialet består till stor del av sten och sand, infiltrationen bör således vara god. Den tillrinnande sträckan från vägen är ca 10 m. Den andra översilningsytan är, på provtagningsområdet, ca 23 m bred med en lutning på 4-5 %. Vegetationen varierar, på den del av ytan där proverna tas dominerar bladvass och högt gräs med en marktäckande mossa, och täckningen bedöms som tillräcklig. Jordmånen är den ursprungliga lermoränen och infiltrationshastigheten kan förutsättas vara låg. Den nedre tredjedelen av ytan har, vid provtagningstillfället, stående vatten på ytan och marken är vattenmättad. Den fördelande filtervallen är 100 m lång, men flödet verkar koncentreras till en mindre del på 15 m, där också prover tas. Det finns risk att inflödet till den verksamma delen av ytan är för stort. Erosion som styrker detta kunde ses i den nedre delen av översilningsytan.

4 Provtagning Provtagningen utfördes den 16 oktober Två samlingsprover gjordes i ytan och på 20 cm djup på varje avstånd från väg respektive filtervall, enligt figur 3. Översilningsyta 1 Översilningsyta 2 Figur 3. Provtagningsplan för vägslänt (vänster) och översilningsyta (höger). Djupprov togs på 20 centimeters djup och ytprov på 0 5 cm djup. Halterna av kadmium, krom, koppar, nickel, bly och zink analyserades i samtliga prover. PAH och olja analyserades för ytproverna och det första djupprovet på varje yta. Dessutom analyserades katjonsutbyteskapaciteten och mängden utbytbart natrium på 20 cm djup från ett samlingsprov i vardera ytan. Analyser Metallproverna torkades vid 105 C (SS028113). Analysprovet siktades genom en 2mm siktduk och torkades vid 50 C. Upplösning har skett i slutna teflonbehållare i mikrovågsugn med 5ml koncentrerad HNO 3 + 0,5 ml H 2O 2. Analyser har skett enligt EPA-metoder (ICP-AES) samt (ICP-MS). PAH analyserades med metoden EPA Proven extraherades med hexan/aceton (1:1) och analyserades med GC-MS. Oljeindex bestämdes enligt EN Proverna för analyserades för metaller, 16 EPA-PAH och olja av ALS Scandinavia AB. Katjonsutbyteskapacitet och utbytbart natrium bestämdes för varsitt samlingsprov från 20 cm djup i vardera ytan. Jorden siktades genom ett 6 mm såll. 20 g jord extraherades med 100 ml 0,1 M BaCl 2. Därefter analyserades ph med en standard ph-meter och grundelementen med ICP AES. Analys av katjonsutbyteskapacitet utfördes av Växtekologens laboratorium vid Lunds Universitet. RESULTAT OCH DISKUSSION Metallfastläggning i översilningsytorna Metallhalterna i ytproverna i de två översilningsytorna finns i figurerna 4, 5 och 6. I figurerna finns även riktvärdet för känslig markanvändning (KM) markerade (raklinje). Riktvärdet känslig markanvändning är fastställt för att skydda hälsa, markmiljö, grundvatten och ytvatten (Naturvårdsverket, 2008). Dessutom finns medelhalter av tungmetaller i svensk åkermark (Naturvårdsverket, 1999) markerat (streckad linje) i figurerna. Denna används för att uppskatta vilka bakgrundsnivåer som kan förekomma i relativt opåverkad mark.

5 Figur 4. Halterna av koppar, zink och bly i ytan längs vägslänten respektive översilningsytan, riktvärde för känslig markanvändning, raklinje, samt referenshalt från åkermark, streckad linje. Figur 4 visar att främst zink, men även koppar och bly, uppvisade betydligt högre halter i ytan på den första översilningsytan än i den andra. Halterna av koppar och zink överstiger halterna i svensk åkermark i vägsläntens yta. Detsamma gäller för bly, förutom i det första provet. Trots högre halter i vägslänten överstiger ingen av metallerna riktvärden för känslig markanvändning. Dessa tre metaller är välkända som förekommande i trafikdagvatten (Vägverket, 2007) och skillnaden mellan den första och sista översilningsytan styrker att avskiljningen i anläggningen med stor sannolikhet fungerar tillfredställande för dessa. För den sista översilningsytan var samtliga medelvärde för samtliga metaller under medelhalten för svensk åkermark. Halterna av krom och nickel i de två översilningsytorna visas i figur 5. Figur 5. Halterna av krom och nickel i ytan längs vägslänten respektive översilningsytan, riktvärde för känslig markanvändning, raklinje, samt referenshalt från åkermark, streckad linje.

6 Skillnaden mellan krom och nickel var liten mellan de två översilningsytorna, vilket ses i figur 5. För den första översilningsytan ses en tilltagande trend med avståndet från vägen. Ingen av halterna ligger över riktvärdet för känslig markanvändning och halterna ligger nära eller under medelhalten i svensk åkermark (Naturvårdsverket, 1999). De låga halterna och lilla skillnaden mellan de båda ytorna visar att de fastläggs till en lägre grad eller att emissionerna av krom och nickel är lägre i jämförelse med de andra studerade metallerna. I figur 6 åskådliggörs kadmiumhalterna i de två översilningsytorna. Figur 6. Halterna av kadmium ytan längs vägslänten respektive översilningsytan, riktvärde för känslig markanvändning, raklinje, samt referenshalt från åkermark, streckad linje. På avståndet 15 meter i översilningsytan var värdet under detektionsgränsen (<0,1). Det syns i figur 6 att även kadmiumhalterna var högre i den första än i den andra översilningsytan. I figur 4, 5 och 6 ses i ytan på den första översilningsytan, vägslänten, ökar halterna av metallerna, utom zink, med avståndet från vägen. En förklaring till detta kan vara att vattenhastigheten är så hög att partiklarna inte har svårt att sedimentera på den inledande sträckan av översilningsytan. Dessutom är det mindre vegetation och organiskt material på den första provpunkten, vilket påverkar fastläggningen negativt. Trenden kan påvisa brist i flödesmotstånd av vegetation, för lite organiskt material eller en för kort översilningssträcka. Undersökningen visar att metallhalterna i vägslänten är högre än i översilningsytan, speciellt med hänseende till koppar, zink och bly. Att översilningsytan än så länge har metallhalter i nivå med bakgrundsvärden tyder på att påverkan av dagvattnet är liten. Detta styrker att dagvattenanläggningen fungerar.

7 Metaller i ytprov, djupprov för den första översilningsytan och referens i förhållande till KM-värdet I figur 7 visas förhållandet mellan medelhalterna av metallerna i ytan, på 20 cm djup, i vägslänten och medelhalten i svensk åkermark (Naturvårdsverket, 1999) och värdet för känslig markanvändning. Figur 7. Procentuelldel av riktvärdet för känslig markanvändning för medelhalten i ytan och på 20 cm djup i vägslänten samt referens i form av medelvärdet för svensk åkermark (Naturvårdsverket, 1999). Samtliga studerade metallkoncentrationer hade lägre medelvärden på 20 cm djup än i ytan på vägslänten. Zink, kadmium och koppar har de högsta koncentrationerna i jämförelse med gränsvärdet. I ytan överstiger zink, koppar, kadmium och bly tydligt referensvärdet för medelhalten av tungmetaller i svensk åkermark (Naturvårdsverket, 1998). Dessa fyra metaller är kända som trafikrelaterade (Vägverket, 2007) och redan efter åtta års drifttid kan trafikens påverkan ses i vägslänten. Olja och PAH I figur 8, nedan, ses halterna av opolära kolväten i vägslänten. Figur 8. Opolära kolväten i ytan på vägslänten med avståndet från vägen samt riktvärdet för känslig markanvändning, raklinje. Kortare kolkedjor (10-16 kol) är under detektionsgränsen i samtliga prov i den första och andra översilningsytan.

8 I den första översilningsytan överstiger de tyngre oljefraktionerna (C16 C35), i dessa innefattas t.ex. motorolja (Vägverket, 2007), riktvärdet för känslig markanvändning på 100 mg/kg TS (Naturvårdsverket, 2008). Tunga opolära kolväten (16 40 kol) är nära eller under detektionsgräsen i samtliga djupprov på de båda ytorna och i ytan på den andra översilningsytan var halterna omkring en tiondel av halterna i ytan på vägslänten. Låga halter av opolära kolväten på 20 cm djup i den första och andra översilningsytan, samtidigt som halterna av tunga opolära kolväten i den första översilningsytans ngsytans yta är höga tyder på att dessa till en mycket stor del fastläggs i det översta mullrika lagret. Nedträngningen i den första översilningsytan är låg och anläggningen tycks fungera väl för att minska utsläpp av oljor till recipienten. I figur 9 syns s halterna av cancerogena PAH och övriga PAH i ytan på den första översilningsytan. Figur 9. PAH-halter i ytan på vägslänten med avstånd från vägen samt riktvärdet för känslig markanvändning, raklinje. Halterna av cancerogena PAH överskrider riktvärdet t för känslig markanvändning, 0,3 mg/kg TS, men övriga PAH understiger klart riktvärdet på 20 mg/kg TS (Naturvårdsverket, 1998). I den andra översilningsytan låg halterna mycket nära eller under detektionsgränsen, förutom provet från 20 cm djup som uppvisade en halt på 0,34 mg/kg TS av cancerogena, alltså över KM-värdet, och 0,54 mg/kg TS av övriga PAH. Anledningen till de, relativt till ytan, höga PAH halterna i djupprovet i den andra översilningsytan är oklart. Katjonsutbyteskapacitet och utbytbart natrium I tabell 1 ses katjonsutbyteskapaciteten (CEC) i den första respektive andra översilningsytan samt utbytbara natriumjoner och hur stor del av CEC som utgörs av utbytbart natrium. Tabell 1. Katjonsutbyteskapacitet och utbytbara natriumjoner på 20 cm djup i vägslänt och översilningsyta. Provyta CEC (mekv/100g TS) Na (mekv/100g TS) Na/CEC Vägslänt 4,6 0,63 14% Översilningsyta 3,6 0,16 4% Skillnaden i katjonsutbyteskapacitet mellan de två översilningsytorna är liten, varför detta inte bör påverka metallhalterna i resultaten. Ifall skillnaden i katjonsutbytekapacitet var stor skulle detta innebära att samma massa av jord skulle kunna binda in olika mycket lösta metalljoner och därmed försvåra jämförelsen mellan proverna. I den första översilningsytan utgjorde utbytbart natrium 14 % och i den andra 4 %. Normalt utgör utbytbart natrium 1 2 % av katjonsutbyteskapaciteten i svenska jordar (Norrström och Jacks, 1998). Natriumhalterna är alltså förhöjda i de två översilningsytorna jämfört med naturliga nivåer, trots att mätningarna utfördes före årets saltningssäsong. Vid en halt över 15 % kan små markpartiklar börja röra sig med markvattnet, (Norrström och Jacks, 1998).

9 Mätosäkerhet Flera provresultat visar, i jämförelse med referensvärden för svensk åkermark, relativt låga halter. Detta beror troligen på den korta drifttiden för anläggningen. Detta samt det begränsade antalet prover gör det svårare att se säkra trender i resultaten. Säkerheten skulle kunna ökas med referensprover från anläggningen innan den togs i bruk och fler prover vid provtagningstillfället. SLUTSATSER - Dagvattenanläggningen i sin helhet klarar av att rena trafikföroreningarna zink, koppar, bly och tyngre oljor, vilket visas med klart minskade halter mellan yta 1 och 2. - Den första översilningsytan, vägslänten, fastlägger kadmium, krom, koppar, bly och zink samt tunga opolära kolväten. Halterna avtar med djupet, vilket styrker översilningsytors reningsfunktion vid infiltration av trafikdagvatten. - Metallkoncentrationerna i ytan i vägslänten ökar med avståndet från vägen, detta tyder på att vägsläntens funktion kan förbättras ytterligare, till exempel genom att förlänga den översilande sträckan, förbättra grästätheten eller minska lutningen. - Efter 8 års drifttid är fortfarande halterna av de studerade föroreningarna låga. Endast medelhalten av cancerogena PAH och tyngre opolära kolväten i vägslänten överstiger riktvärdet för känslig markanvändning. Av metallerna har zink i vägslänten högst halt relativt riktvärdet för känslig markanvändning. - Natriumhalterna i de båda ytorna är förhöjda. Halterna i vägslänten är mycket nära den nivå där jordens struktur har förändrats till den grad att små partiklar med inbundna föroreningar kan röra sig med markvattnet. REFERENSER Lindvall, P, Utformning av översilningsytor för dagvatten med fokus på tungmetaller. Examensarbete, Institutionen för Kemiteknik, Lunds Tekniska Högskola. Naturvårdsverket, Förslag till riktvärden för förorenade bensinstationer. Naturvårdsverket rapport Naturvårdsverket, Nya generella riktvärden för förorenad mark. Hämtad den: Norrström A-C och Jacks G, Concentration and Fractionation of Heavy Metals in Roadside Soils Receiving De-icing Salts. The Science of Total Environment 218: Vägverket, Vägdagvatten Råd och rekommendationer för val av miljöåtgärder. Publikation 2004:195. Vägtekniksektionen, Borlänge. Vägverket, Hantering av vägdikesmassor - råd och rekommendationer. Publikation 2007:101. Vägtekniksektionen, Borlänge.