Bortpumpning av överskottsnäring i Vallentunasjön. Mohamed Hassan

Transkript

1 EXAMENSARBETE INOM KEMITEKNIK, GRUNDNIVÅ STOCKHOLM, 2015 Bortpumpning av överskottsnäring i Vallentunasjön Mohamed Hassan Bilden visar Vallentunasjön [4] KTH ROYAL INSTITUTE OF TECHNOLOGY KTH KEMIVETENSKAP )

2 EXAMENSARBETE Högskoleingenjörsexamen Kemiteknik Titel: Engelsk titel: Sökord: Arbetsplats: Handledare i Täby kommun: Handledare på KTH: Bortpumpning av överskottsnäring i Vallentunasjön Removal of excess nutrients from Lake Vallentuna by pumping Vallentunasjön, eutrofiering, transport, sediment, slam KTH, Valhallavägen, Tillämpad fysikalisk kemi och Vallentunasjön Sören Edfjäll, miljöhandläggare Olle Wahlberg Student: Mohamed Hassan Datum: (inlämningsdatum, sista version) Examinator: Lars Kloo 2 (30)

3 1 Sammanfattning Ett restaureringsarbete pågår i Vallentunasjön under ledning av Täby och Vallentuna kommuner. Syftet är att minska näringsämnena i Vallentunasjön, då sjön är övergödd. Tidigare har man provat olika metoder för att minska näringsämnena, men resultatet har varit dåligt. Den nya metoden går ut på att pumpa ut slammet från sjön kontinuerligt året om. Kemiska analyser har gjorts på sjövattnet och slammet före och efter isläggningen, för att se om metoden är hållbar. Mätningar från Vattenkemikursen KH1400 åren 2013 till 2015 har använts som kompletterande mätningar i detta examensarbete.[10] Sjövattnet och slammet testades med analyser för att kunna dra slutsatser gällande hur miljöfarligt det pumpade vattnet är. Torrsubstansen bestämdes i vattnet och slammet för att undersöka om det pumpade slammet kan avskiljas genom sedimentering. Fosforanalyser användes som måttstock för att uppskatta mängden pumpat slam. Genom analys av fosfor, vars koncentration kan mätas med hög precision, uppskattades slammängden med hjälp av Redfields formel. Två pumpar beskrivs i denna rapport och det är Fiskevårdsföreningens pump och EON s pump där EON s pump används för värmeproduktion. Denna metod fungerar då det pumpades ut ungefär 1.5 ton fosfor per år med EON s pump, vilket är tillräckligt. Nästa frågeställning är att se om slammet kan koncentreras genom sedimentering. Det visade sig att slammet kan koncentreras, så att torrsubstansen ökade från 3 % till 30 %. Under ett år, transporteras ca ton slam från Vallentunasjön genom EON s pumpsystem. Det behövs ungefär 580 lastbilar för att transportera iväg slammet. Om slammet koncentreras genom sedimentation behövs 58 lastbilar. Huruvida slammet, som pumpas och transporteras, har en hög metallhalt är en fråga, som behöver analyseras och diskuteras i ett nytt projekt. Det krävs fler analyser för att se huruvida det pumpade sjövattnet innehållande slammet är miljöfarligt. Det skulle ta ca 3-5 år att pumpa bort slammet i sjön med EON s pump. 3 (30)

4 2 Abstract A restoration work is being carried out in the Lake Vallentuna under the leadership of Täby and Vallentuna municipalities. The aim of this project is to reduce the nutrients in Lake Vallentuna, since the lake is eutrophicated. Previously, various methods have been tested to reduce the amount of nutrients, but the result has not been good enough. The new method is to pump out the sludge continuously throughout the year. Chemical analysis has been made on the water and the sludge from Lake Vallentuna, before and after the formation an ice cover on the lake, in order to investigate whether the method could be successful. Measurements in the water chemistry course KH1400, made in the years 2013, 2014 and 2015 have been used as a supplement in this thesis.[10] Lake water and the sludge have been analyzed. The dry matter of the lake bottom water and the sludge were determined to investigate whether the sludge can be separated by sedimentation or not. The concentration of phosphorous has been used as a yard stick to estimate the amount of pumped sludge. The Redfield formula gives the relationship between phosphorous and total mass of sludge, assuming that the sludge consists of dead algea. Two pumps are described in this report. One is managed by Fiskevårdsföreningens (VFOF) and one is managed by EON. The latter pump is used for heat production. This method could be successful, because approximately 1.5 tons phosphorous per year of were transported, which is sufficient. The next issue was to investigate whether the sludge could be concentrated by sedimentation. It was found that the sludge could be concentrated by sedimentation and that the dry substance increased from 3 % to 30 %. It was found, that in one year, approximately tons of sludge can be separated by pumping and sedimentation. This corresponds to 580 trucks (each loading 10 tons). If the sludge is concentrated by sedimentation 58 trucks are required. Whether the pumped and transported sludge has a high metal content is an issue, that needs to be investigated and considered in a special project, which requires further analyses. It would take 3-5 years to remove the excess phosphorus from Lake Vallentuna by continuous pumping. 4 (30)

5 Ordlista Anaerob En process som inte kräver syre Assimilation- Ämnet upptas på cellnivå. BAP- Biologiskt tillgänglig fosfor Bräddning- Avser utsläpp av avloppsvatten på grund av överbelastning av systemet. Denitrifikation- En biologisk process, där nitrat blir till kvävgas. Eutrof- Betyder näringsrik och används för att beskriva sjöar. Kvävefixering- Upptag av kväve. Språngskikt- Gränsen mellan två vattenmängder i en sjö. TSP- Totalt lösligt fosfat 5 (30)

6 1 Sammanfattning Abstract Inledning Problembeskrivning Syfte Mål Målgrupp Planering Avgränsningar Svårigheter Bakgrund Näringsämnens inverkan på sjön Fosfor Kväve Pumpning av vatten från Vallentunasjön Fiskevårdsföreningens försök vid Baran EON s pumpning Laboratoriearbete Analytisk kemi Alkalinitet Klorinitet Bestämning av totalfosfor Tillämpad kemiteknik Vatten/slam fördelningen i sjön Undersökning av bottenslammet från EON s pump Undersökning av bottenslammet från VFOF s pumpförsök Flöden och materialbalanser Fosforflöden Materialbalans över Vallentunasjön med avseende på fosfor Resultat Alkalinitet och klorinitet Torrsubstans i Vallentunasjön Mängd pumpad slam från EON s pumpning Mängd pumpad slam från VFOF s pumpning Diagram för EON s pumpning av slam med avseende på fosfor Diagram för VFOF s pumpning av slam med avseende på fosfor Mängd fosfor och mängd slam från EON s pumpsystem Materialbalans över Vallentunasjön för beräkning av fosfor från sediment (30)

7 9 Diskussion Slutsats Referenslista Litteratur, nätjournaler, muntlig kontakt och hemsidor Bilder och diagram Bilaga Beräkning av Alkalinitet Beräkning av Klorinitet Mängd pumpad slam från EON s pump Mängd pumpad slam från VFOF s pump Mängden pumpat slam beräknas genom integration av funktion i diagram Bilaga Bilaga Bilaga (30)

8 3 Inledning I slutet av 1900-talet blev Vallentunasjön alltmer övergödd. Detta är huvudsakligen en konsekvens av att Vallentunasjön varit mottagare av avloppsvatten. Sjöns ekologiska balans är rubbad och Vallentunasjön är kraftigt övergödd[2]. Ett projekt med syfte att förbättra vattenkvalitén i Vallentunasjön har pågått i sju år med biomanipulering, men med ett begränsat resultat. Försök har också gjorts med tillsatts av metallsalter för utfällning av fosfor och traditionell muddring utan resultat. En åtgärd, som inte testats tidigare i Vallentunasjön, är att pumpa bort slammet från botten av sjön. Det är tänkt att pumpningen ska ske kontinuerligt under alla årstider. För att bedöma en bortpumpning av det lättrörliga slammet behövs information om sjöns egenskaper.[10] Därför beräknas materialbalanser och en budget för näringsämnena i Vallentunasjön. Fosforbudgeten är väldefinierad och relativ enkel att göra. Övergödningen av sjön påverkas mycket av fosfortillskottet till sjön. Redfields formel är ett hjälpmedel för beräkning av näringsöverskottet. Med Redfields formel kan förhållandet mellan de olika näringsämnena i sjön uppskattas.[16] Det är lämpligt att ta prover av vattnet och slammet i sjön för att jämföra förhållanden före och efter isläggningen. Det är stor skillnad på sjön under sommar och vinter. Temperaturen och omrörningen av sjön påverkas av årstiden. Det är mindre omrörning i sjön under vintern, då sjövattnet inte påverkas av vinden. Den här typen av sjörestaurering samt biomanipulering har uppmärksammats av Kungliga vetenskapliga akademin och Mistra. Vallentunasjön har uppmärksammats, som ett intressant projekt i Eviem s rapport.[14] 3.1 Problembeskrivning Vallentunasjön innehåller mycket näringsämnen, som gynnar algtillväxten, vilket är problematiskt för vattenkvalitén i sjön. EU s vattendirektiv kräver att alla sjöar inklusive Vallentunasjön ska ha en bra ekologisk status år Ett alternativ är att pumpa bort slammet, som tidigare nämnts. Det är dock osäkert om det går att pumpa effektivt därför behöver detta undersökas. Frågeställningar i examensarbetet är: 1. Är det värt att pumpa bort slammet, d.v.s. försvinner näringsämnena? 2. Finns det problem med att ta hand om slammet? 3.2 Syfte Det finns mycket alger i Vallentunasjön och det beror på övergödningen, som skedde under talet. Sjön innehåller slam som är att resultat av tillförda fekalier, speciellt finns slammet i de djupare delarna av sjön och syftet med projektet är att göra sig av med detta. Eftersom pumpningen är en obeprövad metod i denna sjö är det lämpligt att göra ett pilotförsök, för att se om det går att pumpa bort vattnet innehållande slammet kontinuerligt och effektivt.[13] 3.3 Mål Målet med detta examensarbete är att granska huruvida en pumpning av vattnet innehållande slam från sjön är möjlig. Målet innefattar att granska sjövattnets och det pumpade bottenslammets egenskaper. Däri ingår också att kolla mängden fast material och mängden av näringsämnen i slammet. 8 (30)

9 Mätningarna kommer bestå av; ph, temperatur, pumphastigheter, konduktivitet, alkalinitet, kloridhalt och totalfosfor. En jämförelse kommer göras av mätningarna före och efter isläggningen, för att kunna dra slutsatser om huruvida pumpning kan vara ett effektivt sätt. 3.4 Målgrupp Examensarbetets fokusgrupp är studenter på ingenjörsutbildningar, ingenjörer och andra personer, som har relevant en utbildning eller erfarenhet. Målgruppen är också de som arbetar i Vallentuna och Täby kommuner och även andra som arbetar med liknande problem i andra kommuner. Arbetet är en också bra grund för dem som vill utnyttja metoden i andra kommuner 3.5 Planering Detta examensarbete kommer bestå utav följande delar: Att undersöka och använda sig av relevant litteratur. Fältarbete som innehåller provtagning av bottenvatten och ytvatten. Mätningar kommer även göras i sjöns utlopp och inlopp. Kemiska analyser på laboratorium där det ingår att analysera vatten och slam. Torrsubstansen bestäms i slammet och vattnet, efter sedimenteringen. Resultat från tidigare mätningar i sjön från vattenkemikursen KH1400 på KTH från utnyttjats i detta projekt. 3.6 Avgränsningar Detta arbete kommer avgränsas till att enbart granska huruvida en pumpning är en lämplig metod för att kunna tillämpas på näringsrika sjöar. Mätningar kommer göras före och efter isläggningen för att bestämma, vilka skillnaderna är på vintern och på sommaren. 3.7 Svårigheter Restaureringsarbetet i Vallentunasjön pågår under flera år medan mitt examensarbete varar i tio veckor. Det betyder att data, som insamlats från tidigare mätningar använts, förutom mina egna mätningar. 4 Bakgrund Vallentunasjön är belägen i Täby och Vallentuna kommuner. Vallentunasjön består utav 5 bassänger; Kyrkviken, Kragstaviken, Uthamraviken. Storsjön och Täbyviken. Den djupaste delen av sjön är Storsjön som ligger i mitten av Vallentunasjön och har ett djup på 4.5 meter och en djuphåla på 6 meter. Bassängerna Kyrkviken och Uthamraviken är grundare än de andra. Vallentunasjöns näring 9 (30)

10 utgörs till största delen av ett lättrörligt slam. Under våren och sommaren frigörs fosfat från det lättrörliga slammet av bakterier. Detta leder i sin tur till att det bildas nya små alger, som flockas och sedimenterar till botten av sjön. Vattnet i Vallentunasjön rörs om under sommaren men inte under vintern. [10] Det sker nu ett restaureringsarbete i sjön som leds av kommunerna. Målet är att minska näringsämnena i sjön. Projektet avser att förbättra den ekologiska statusen i sjön. Vallentunasjön har miljöproblem på grund av övergödning. Sjön har en otillfredsställande ekologisk status men förhoppningsvis kommer Vallentunasjön ha en god ekologisk status år 2021.[1][9] Nedan finns data om Vallentunasjön [9] [10]: Sjöns area 6 km 2 Inflöde: Huvudsakligen Karbyån och Ormstaån. Utflöde: Hagbyån. Mängd slam: Uppskattades 2008 till ca ton med 3 % torrsubstans. Mängd fosfor: Uppskattades 2008 till ca kg varav största delen finns som ett lättrörligt slam. Djurplankton: Begränsad mängd. Växtplankton: För stor mängd. Fiskar: God tillgång på gös, gädda och abborre. Data för sjön indikerar övergödning och det är viktigt att minska på den. Sjön har ett stort värde för Storstockholms befolkning.[9] Vattenkvalitén har förbättrats sedan 1970 talet. En stor del av näringsämnena kommer nu från närområdet, medan endast en ringa del kommer från avlopp. Käppala reningsverk har tagit hand om avloppet sedan Sjöns näring har sitt ursprung från avloppsvatten, enskilda avloppsystem, jordbruk, vägar och bebyggelse. [1] [11] 10 (30)

11 Figur 1: Visar Vallentunasjön, där rutan 1 visar Kyrkviken, ruta 2 är Kragstaviken, ruta 3 är Storsjön som är det lokala namnet. Ruta 4 är Uthamraviken och ruta 5 är Täbyviken. Pilen 6 är inloppet Karbyån och pilen 7 är utloppet till Hagbyån. Pil 8 är inloppet Ormstaån. [10] 4.1 Näringsämnens inverkan på sjön Övergödningsproblemet började omtalas under början av 1900-talet. [6] För Vallentunasjön har övergödningen uppmärksammats mycket under de senaste decennierna.[14] Många sjöar runt om i Sverige hade under 1900-talet förvandlats till orena, illaluktande och grumliga sjöar där alger bildats i sjöarna och konkurrerat ut makrofyter.[5] När det finns för mycket näringsämnen rubbas ekosystemet och det blir problem, därför att det bildas för mycket alger. Karpfiskar dominerar och rovfiskar samt djurplankton minskar. Djurplankton äter normalt de gröna algerna, men karpfiskarna äter upp djurplankton och sjön blir grön och motbjudande. Rovfiskarna i sin tur bli magra, då ynglen inte har någon föda. På vintern finns ett språngskikt i Storsjön. Syrgashalten minskar under språngskiktet på grund av nedbrytning av organiskt material, som sedimenterat.[5] De mest betydelsefulla näringsämnena i sjöar är fosfor och kväve, vilka ofta finns i överskott. Fosforn och kvävet assimileras av organismerna, när näringsämnena är i jonform. Vid överskott av näringsämnen i sjöar generellt, uppkommer en ökning av alger. Sjögräset blir överlupet av fibrösa alger och rivaliseras bort. Det blir även en dominans av karpfiskar.[5][3] Vid överskott av näringsämnen i sjön kan vissa arter gynnas av detta och andra arter kan slås ut på grund av överskottet. Vid en ökad tillförsel av näringsämnen sker även en ökad produktion av växtplankton på sommaren, som leder till att en stor del av det organiska materialet sjunker till botten under språngskiktet.[5] I Vallentunasjön finns det inget språngskikt under sommaren, men på vintern står vattnet stilla och ett språngskikt vid 3 meter bildas. [2] Det finns fortfarande syre ovanför språngskiktet, där fiskarna simmar. Halten syre i det övre skiktet ligger mellan 4.5 och 7 mg/liter och i bottenskiktet finns mellan 11 (30)

12 0 och 1 mg syre per liter. Under vintern finns det endast ett språngskikt i Storsjön. De övriga delarna av sjön är grundare än 3 meter. Fiskarna förbrukar en stor del av syret i Vallentunasjön på vintern och detta kompenseras delvis genom att EON syresätter Kyrkviken. [10] Finns det syre till fiskarna på vintern? Djuppprofil för Vallentunasjön /Storsjön Y-axel: mg Syre (0 8 mg) X-axel: djupet (0 5,5 meter) 0, ,00-2,00-3,00 Serie1-4,00-5,00-6,00 Diagram 1: Syremängden i Vallentunasjön/Storsjön under vintern där man ser att ju längre ned man går i y-axeln det vill säga djupet, så minskar syremängden. Halten syre är mellan 0-1 mg under 3 m och halten är mellan över 3m..[10] Det finns det syre till fiskarna i Kyrkviken på vintern Djuppprofil för Kyrkviken i Vallentunasjön Y-axel: mg syre (10,75 11,05 mg) X-axel: djupet (0 2,5 meter) 0,00 10,75 10,80 10,85 10,90 10,95 11,00 11,05-0,50-1,00-1,50-2,00 Serie1-2,50-3,00-3,50 Diagram 2: Syremängden i Kyrkviken under vintern, där man ser att syremängden är 10.8 mg/l därför att EON syresätter vattnet Syre förbrukas vid nedbrytning av organiskt material och då vattenväxlingen mellan skikten är begränsad finns en risk för syrebrist. När sjöns syrehalt är lägre än 2ml/l, försvinner fiskarna och när miljön blir anaerob kan det bildas svavelväte.[5] Svavelväte är ett farligt ämne för människor, djur och växter, då det är giftigt. I den syrefattiga sjön kan fosfor och ammonium avges från slammet och vid transport av ämnena till ytvattnet leder det till en ökad gödning av sjön.[1][5] 12 (30)

13 Generellt för en övergödd sjö är att den har följande egenskaper.[6]: En hög koncentration av fosfor och kväve En stor förbrukning av syrgas vid sjöbotten Primärproduktionen består mestadels av små alger. Sjön är grumlig till följd av mängden alger Fosfor Övergödningen orsakas av ett tillskott av näringsämnen som tidigare nämnts, särskilt av fosfor- och kväveföroreningar. [6] Fosfor är en essentiell komponent i nukleinsyror, ATP och sockerfosfater.[12] Fosfor i vattendrag förekommer i organiskt och oorganiskt material. Fosfors löslighet varierar och oorganiska och organiska former av fosfor kan förekomma som löslig och olöslig form. I de flesta fallen när det gäller vatten förekommer fosfor som olöst organist material och löslig fosfor förekommer vanligen som fosfatjoner. Fosfat assimileras av alger, som är begränsade till att enbart assimilera fosfatjoner, där halten av fosfatjoner kallas total lösligt fosfat eller TSP. [13][12] BAP står för biologiska tillgängliga fosforn och definieras som summan av TSP och fosfor som kan omvandlas till en tillgänglig form. Omvandlingen till en tillgänglig form sker naturligt genom exempelvis en fysikalisk, kemisk eller biologisk process. Ett exempel på en sådan biologisk process är enzymatisk nedbrytning. [17] I sjöar med övergödning finns en bra korrelation mellan TSP och BAP. I sjöar som är näringsfattiga har BAP bättre växelverkan med den totala reaktiva fosforn än TSP. [13] [12] I sjöar är mängden fytoplankton beroende av fosfat under tillväxtfasen, där fosfatet är en viktig faktor för sjöns eutrofa status. Faktorer som påverkar mängden fosfat i en sjö är mängden dagvatten till sjön, mängden sediment och näringscykeln. [13] Fosfor som assimileras i fytoplankton kan ha tre öden för vattendrag i allmänhet: Fosforn sjunker till sjöbotten där fosforn i algerna som är döda mineraliseras. Fosforn hamnar i sedimenten och finns inte närvarande vid tillväxten utav algerna. I Vallentunasjön återförs fosfor till vatten genom bakteriell nedbrytning. En del av fosforn åker direkt in i näringskedjan och gör ett långsiktigt bidrag till plankton och fiskar. Detta genom att växter och djur konsumerar algerna innehållande fosforn. Fosforåterföring tillbaka till sjön genom att levande växter och djur släpper ifrån sig fosforn. Sättet fosfor tillförs externt till sjöar är via grund- och dagvattnet. Löst organiskt och oorganiskt fosfor kan härstamma från jordbruket, vatten från vägar nära sjön och från industrier. Detta betyder att tillförseln, som sker externt, har en stor roll i sjöns eutrofa status. För tillförseln, som sker internt, är den beroende på halten syre i sedimentet och vattnet. Tillförseln sker då de döda algerna bryts ned med hjälp av bakterier. Delar av sjön som är anaeroba sprider fosfatjoner från sedimenten till övriga delar av sjön, detta gäller inte för Vallentunasjön. [13] 13 (30)

14 4.1.2 Kväve Kväve är liksom fosfor en viktig komponent i levande organismer. Detta grundämne är en beståndsdel i biomolekyler, proteiner och är delaktig i oxidationsreaktioner som exempelvis nitrifikation. Kväve finns i olika former i vatten, där de lösliga formerna är viktiga vid assimilation genom mikroorganismer. Nitrat och ammonium är vanligaste formerna av kväve, som är tillgängliga i sjön. Algerna i sjön assimilerar nitratet, som kommit till sjön via tillflöden och regn. Förutom nitrat, som används vid upptag, sker även nitrifikation, denitrifikation och kvävefixering. Dessa är bland annat processer, som kan omvandla nitrat till andra former i sjöar. [13] [4] Nitrifkation är en aerob mikrobiologisk process där nitrifikationsbakterierna Nitrosomonas och Nitrobakterier är aktiva. Nitrifikation kombinerat med denitrifikation sker genom att omvandla ammonium till nitrat i olika sammanhang. Denitrifikation är delsteget vid omvandling av ammonium till nitrat och denna mikrobiologiska process är anaerob. Denitrifikation sker med bakterier, som kallas denitrifikationsbakterier och det krävs en kolkälla för driva denna process. Nedan ses reaktionerna för de två stegen vid omvandling av ammonium till kvävgas där nitrifikation och denitrifikation ingår. Nitrifikation: NH O 2 NO 3- +2H + + H 2O Denitrifikation: organiskt material + 2NO 3- + H 2O 2,5CO 2 +2OH - +N 2 Kvävefixering är förmågan för alger och diverse organismer att assimilera kvävgas. [4] 5 Pumpning av vatten från Vallentunasjön En pumpningsutrustning används av EON för att utnyttja värmen i sjöns bottensediment genom att värma sedimenten under sommaren och ta ut värmen under vintern. Fiskevårdsföreningen VFOF har startat ett projekt med en pump vid Storsjön, som pumpar vatten från botten av Storsjön. Det pumpade vattnet från VFOF s pump leds tillbaka till Vallentunasjön. 5.1 Fiskevårdsföreningens försök vid Baran Pumpen är placerad i Uthamra vid skogsområdet Baran nära sjön. Pumpen kommer pumpa vatten och slam från sjöns botten genom ett rör som är ungefär 80 meter långt. Pumpen är självsugande med öppet pumphjul för pumpning av smutsigt vatten och för trögflytande vätskor, vilket är lämpligt i denna övergödda sjö. 14 (30)

15 Figur 2: Visar pumpen som använts i VFOF s försök. [2] Pumpen har en motoreffekt på 1.1 KW och en kapacitet på 100 l/min. Förutom själva pumpen krävs även fler beståndsdelar för att fullfölja själva pumpningen utav slam från sjön och mer data hittas i bilaga 1. Figur 3: Visar pumpsystemet inklusive sedimenteringsbassäng. [3] 5.2 EON s pumpning EON S värmekraftverk har en värmeväxlare som matas med vatten från Vallentunasjön, där vattnet går tillbaka till Ormstaån. Pumpen har en kapacitet på 270 l/s 15 (30)

16 Figur4: Visar det vatten som rinner tillbaka från EON s pumpning. [3] 16 (30)

17 6 Laboratoriearbete Den laborativa delen av projektet påbörjades ungefär två veckor efter projektets start och utfördes på intuitionen för tillämpad fysikalisk kemi, KTH. 6.1 Analytisk kemi Vattenprover från Vallentunasjön testades på klorinitet, alkalinitet, torrsubstans och fosfor. Mängden torrsubstans och fosfor bestämdes även för slammet Alkalinitet Vid hög alkalinitet har vattnet en bra buffertförmåga mot försurning. Det som användes för att bestämma alkalinitet är en indikator, saltsyra med koncentrationen 10,21 mm, vattenproverna, bägare, byretter och mätkolvar. Reaktionen som sker vid alkalinitetsbestämning är; H + +HCO3 - CO2 + H2O. Vid denna analys, tas först 20,0 ml av vattenprovet till en E-kolv för att sedan droppa i 2 till 3 droppar av indikatorn. Därefter används saltsyra med koncentrationen 10,21 mm för att titrera vattenprovet. Titreringen sker tills färgen på vattenprovet blir rosa. Alkalinitet i vattenproverna bedöms genom jämförelse med andra värden som t.ex. Mälarens alkalinitet som ligger på 0.9 mm. [15] Klorinitet Klorinitet visar halten klorid i vattenproverna. Den bestäms genom titrering med silverjoner i närvaro av indikatorn kaliumkromat. Cl - +Ag + AgCl(s) Proceduren går ut på att kloridjonerna i vattenprovet reagerar med silverjonen som reaktionen ovan visar och en fällning erhålls. I och med att det finns några droppar av indikatorn redan, leder det till att färgen på vattenprovet ändras till rött när all klorid är utfälld. Halten klorid i vattenproverna som bestäms jämförs med kloridhalten från Mälaren.[15] Mälarens kloridhalt ligger på 0.3 mm vid Norsborgs reningsverk. Den bidragande faktorn till att kloridhalten i Vallentunasjön är betydligt högre än kloridhalten från Mälaren är för att Vallentunasjön påverkas av vägsalt. [14] Bestämning av totalfosfor Innan fosfor analyseras med hjälp av ICP-OES måste provet upplösas, d.v.s. lösas i stark syra och värmas. Genom denna process löses fosfor ut från partiklarna i sjövattnet. 17 (30)

18 Det första som gjordes var att hälla i 13,0 ml av vattenprovet och 13 ml 2 M saltsyra i en bägare som sedan värmdes tills det började koka. Därefter överfördes provet in i en 50,0 ml mätkolv med hjälp av en tratt och späddes upp till strecket med destillerat vatten. Därefter användes en spruta för att suga upp från mätkolven in till en liten burk med hjälp utav ett 0,45 millimeters filter som avlägsnade partiklarna. Proceduren gjordes för varje vattenprov. 6.2 Tillämpad kemiteknik De kemitekniska experimenten bestod av bestämning av vatten/slam fördelningen, det vill säga hur mycket slam som kunde sedimentera från ett vattenprov. Analys av bottenslammet från EON s pumpning och VFOF s undersöktes, där mängden slam som pumpats beräknades Vatten/slam fördelningen i sjön Figur 5: Visar fördelningen utav vatten/slam i vattenprovet Ett prov togs från Vallentunasjön innehållande bottenvatten och slam. Därefter hälldes det i ett mätglas och slammet fick sjunka till botten under 3 timmar. Därefter mättes hur mycket slam och vatten det fanns i mätkolven. Efter 3 timmar var fördelningen 69,8 % vatten och 30,2 % slam i mätkolven. I nästa steg sker en analys av det sedimenterade slammet för sig och vattnet ovanför för sig, där 13,0 ml slam indunstas vid en temperatur av 105 grader i en ugn. Slammet som hade sedimenterat hade en torrsubstans på 3.3% och vattnet ovanför hade en torrsubstans på 0.4 %, Undersökning av bottenslammet från EON s pump. Utloppet från EON s pump rinner ut till Ormstaån med en pumpkapacitet på 270 l/sek som tidigare nämnts. Den 8 december 2015 var koncentrationen av fosfor 79 ug/l (se bilaga 2). Mängden slam som pumpats genom EON s pump beräknas då till 49 ton/ vecka med 3.3% torrsubstans i provet. De angivna värdena är exempel från beräkningarna. Värdena varierar med årstiden. Se även diagram 3 nedan. 18 (30)

19 6.2.3 Undersökning av bottenslammet från VFOF s pumpförsök Pumpen har en kapacitet på 100 l/min där koncentrationen av Själva beräkningen kan hittas i bilaga 3. fosfor i vattnet är detsamma som för EON s pump. Detta då de två pumparna pumpar upp samma bottenvatten. Pumpen pumpar upp enligt beräkningarna på bilaga 3, ungefär 302 kg/vecka med 3,3 % torrsubstans(sommartid). 7 Flöden och materialbalanser 7.1 Fosforflöden Från mätningar utifrån EON s pumpsystem samt data från kurserna under 2013, 2014 och2015 i Vattenkemi har en budget skapats för sjön med avseende på fosforn. Det är mätningar från våren 2013 i första fallet (Figur 6) och våren 2014 i andra fallet(figur 7). Det är intressant att se hur transporten av slammet skiljer sig, när sjön är isbelagd och isfri. Figur 6: Fosforflöden under våren 2013 där mätningarna är sammanställda från sista veckan i mars. Hela sjön är täckt av is för detta fosforflöde. Figur 7: Fosforflöden under våren 2014 där mätningarna är sammanställda från första veckan i april och det är ingen is på sjön. Under denna period pumpas det upp sjövatten inklusive uppvirvlat sediment. 19 (30)

20 I figur 6 pumpas drygt 92 kg/vecka och i figur 7 pumpas 13 kg/vecka. Det vill säga vid en sjö med täckt med is så pumpas det 7 gånger mer. 7.2 Materialbalans över Vallentunasjön med avseende på fosfor Materialbalansen för fosfor, som kommer till och från sjön under 2015, där förändringarna ges med enheten kg/år. Vallentunasjön In (Kg/år) Ut (kg/år) Luften 30 kg/år 0 Jordbruk 50 0 Enskilda avlopp 50 0 Ormstaån Karbyån Sediment X 0 Bräddning 50 0 Hagbyån Summa 484+X 2055 Tabell 1: Materialbalans för hur mycket som kommer in och ut från Vallentunasjön. [10] Från tabell 1 beräknas den okända mängden fosfor som kommer in i sjön från sedimenten och den beräknas med hjälp av materialbalans där allt som kommer in i sjön är lika med allt som kommer ut från sjön. Beräkning av sedimenten X finns under resultat. 8 Resultat 8.1 Alkalinitet och klorinitet 20 (30)

21 Vallentunasjön Alkalinitet [mm] Klorinitet [mm] Ytvattenprovet Bottenvattenprovet Slamvattenprovet Tabell 2: Klorinitet och Alkalinitet hos tre prover från Vallentunasjön. 8.2 Torrsubstans i Vallentunasjön Provet innehållande slam och bottenvatten hade torrsubstans på 3.3% för slammet. Torrsubstansen för vattnet i provet låg på 0.4 %. 8.3 Mängd pumpad slam från EON s pumpning Mängden slam som pumpas från EON s pumpsystem är 49 med 3.3% torrsubstans. Själva beräkningen finns i bilaga Mängd pumpad slam från VFOF s pumpning Mängden slam som pumpats från VFOF s pumpsystem är 302 med 3.3% torrsubstans. Själva beräkningen finns i bilaga 1. VFOF s pump ger 162 gånger mindre slam än EON s pump. Det var ingen is på sjö när mängden slam beräknades. 8.5 Diagram för EON s pumpning av slam med avseende på fosfor 2015/ / /11 Diagram 3: Kurvan visar mängden fosfor som transporteras genom EON s pump system under 1 år. De röda punkterna representerar de tre mätningarna som gjorts från bilaga 2. Linjen utan is ligger på 13 kg/vecka och har framställts från figur 7 där 13 kg fosfor/vecka pumpades från sjön när det inte fanns någon is. Linjen med is ligger på 92 kg/vecka, som är maxima och har framställts från figur 6, där 92 kg fosfor/vecka pumpades från sjön när det fanns is under mars månaden. De tre punkterna togs under december när det inte var någon is på sjön. Kurvan har beräknats från mätningar åren 2013 och 2014.[10] 21 (30)

22 8.6 Diagram för VFOF s pumpning av slam med avseende på fosfor 2016/07 Diagram 4: Kurvan visar mängden fosfor som transporteras genom VFOF s pump system under 1 år. Kurvan uppskattades från tidigare mätningar från 2013 och 2014 samt flöden [10]. 8.7 Mängd fosfor och mängd slam från EON s pumpsystem Sjön är isbelagd under 3 månader av året, det vill säga 12 veckor och det transporteras 92 kg fosfor/vecka när sjön är isbelagd. När sjön har öppet vatten transporteras det under 40 veckor 13 kg fosfor/vecka. Rent matematiskt kan den totala fosforn som transporteras från Vallentunasjön under ett år som uttryckas som integralen av kurvan från diagram 3. Gränserna är a=1 och b är 52 som gäller föreställa det hela året och integralen delas upp i två delar, en del för perioden då Vallentunasjön är isbelagd och den andra delen är när Vallentunasjön är från is. Funktionen f(x) i diagram 8.5 beskriver mängden pumpat slam (kg/vecka) som funktion av tiden (i enheten veckor). Genom integralen nedan beräknas mängden pumpat slam för ett år (ytan under kurvan). kg fosfor. Mängden slam som transporteras från EON s pump blir 581,40 ton per år. Beräkning kan hittas i bilaga Materialbalans för fosfor i Vallentunasjön (används för att beräkna fosforflödet från sedimentet) Beräkning av mängden fosforflödet från sedimentet (= x) i tabell 1: Man sätter inflödet = utflödet: x+484=2055 x=1571 kg/år, vilket är fosforflödet från sedimenten in till Vallentunasjöns vatten. Detta värde finns i tabell 3, som visar materialbalansen i Vallentunasjön. 22 (30)

23 In (Kg/år) Ut (kg/år) Vallentunasjön Luften 30 kg/år 0 Jordbruk 50 0 Enskilda avlopp 50 0 Ormstaån Karbyån Sediment Bräddning 50 0 Hagbyån Summa Tabell 3: Materialbalans för hur mycket som kommer in och ut från Vallentunasjön inräknat med mängden från sedimenten. [10] 9 Diskussion Metoden med pumpning fungerar, då det inte enbart pumpas vatten, utan också slam. Fosforflödet ligger på 1.5 ton fosfor per år genom EON s pump. Både teoretiskt och praktiskt är slutsatsen att det går att pumpa bort slammet. Det fungerar att göra det som ett fullskaligt projekt med ledning av detta pilotprojekt. Det är viktigt att tänka på riskerna. Under arbetets gång har pumpen i Baran fått tekniska problem och det har gjort det omöjligt att pumpa och mäta sjövattnet från Baran under en viss tid. Därför är det viktigt att ha en pump som är driftsäker och en personal som hantera problem med pumpen under projektets gång. Med tanke på att VFOF s pumpsystem inte varit vid drift hela tiden så har en del av beräkningarna gjorts delvis med data från EON s pumpsystem. Mängden näringsämnen varierade en del före och efter isläggningen på Vallentunasjön. Slammet kunde hela tiden pumpas effektivt och kontinuerligt. Mängden slam uppskattades med Redfields formel, som gäller för alger. Det är en approximation. Större delen av det lättrörliga slammet i Vallentunasjön är döda alger, vilket rättfärdigar approximationen. Halten klorid i vattenproverna från Vallentunasjön var ungefär fem gånger högre än kloridhalten i Mälaren (Nordborg). Med tanke på att Vallentunasjön påverkas av trafiken genom att sjön får in vägsalt, som innehåller klorid, så var resultatet för kloridhalten förväntat. Dagvattnet, som innehåller klorid, transporterar även metaller från trafiken. Därför kan slammet innehålla metaller. Slammet bör analyseras på metaller, men det har inte gjorts ännu. Tungmetaller är miljöfarliga. Under ett år transporteras ca ton slam genom EON s pumpsystem från Vallentunasjön enligt beräkningarna. Vid en ökning av torrsubstansen från ungefär 3 % till 30 % erhålls då ca 580 ton slam per år. Detta betyder att det krävs ungefär 58 lastbilar för att transportera iväg slammet, om en lastbil klarar av att ta 10 ton. Beroende på typ av lastbil och storleken på bassängerna blir just mängden lastbilar en kostnadsfråga. Första problemställningen är huruvida det kommer tillräckligt med slam genom pumpningen och det gör det, vilket framgår av mätningar för respektive pump. Nästa problem är att kolla om det går att avskilja slammet från vatten. Vatten/slam fördelningen från det kemitekniska experimentet visade på att efter 3 timmar var fördelningen 70 % vatten och 30 % slam i mätkolven. Detta betyder att det går att 23 (30)

24 avskilja slammet från vatten genom sedimentation. Även om det går att pumpa bort slammet och om slammet går att avskilja så finns det en risk att pumpen belastas vilket behövs att ha i åtanke för liknande projekt. När det kommer till hur slammet bäst bör sedimenteras har olika metoder testats i laboratoriet[18]. När det gäller huruvida det går att handskas med slammet, som pumpas ut från Vallentunasjön, så är detta en miljöfråga. Slammet kan innehålla tungmetaller eller organiska gifter, som kan vara skadliga om de släpps ut i omgivning. Kloridhalten i sjön är högre än kloridhalten i Mälaren, som tidigare konstaterats och det slam som pumpas ut innehåller lika stor kloridhalt som sjövattnet. Med tanke på att de halterna inte är extrema så blir det inte problematiskt. Vid en behandling av slammet behövs ytterligare mätningar på metaller och organiska gifter. Om slammet innehåller för höga halter av tungmetaller eller organiska miljögifter kan slammet möjligen användas till att täcka gruvrester. Om tungmetallerna och de organiska gifterna förekommer i tillräckligt låga halter kan slammet användas som gödselmedel.den största delen av fosforn i sjön finns i sedimenten (inklusive lättrörligt slam), som enligt mätningar från 2008 utgörs av 9,5 ton. Enligt fosforbudgeten lämnade 1,5 ton fosfor sedimenten under 2015[Se kapitel 8.8]. Fram till 2015 har det uppskattningsvis försvunnit 2 ton fosfor och 1 ton fosfor har försvunnit genom utfiskning och det återstår ungefär 5 ton fosfor. Mängden fosfor väntas därför ta slut om några år, med en kontinuerlig pumpning. Genom att räkna om fosformängden till slammängd med Redfields formel går det att uppskatta när slammet försvinner från Vallentunasjön. Det bör finnas en del näring kvar i sjön, därför är det osäkert när den ekologiska balansen uppstår. Det kan dröja från 3 år till 5 år. 10 Slutsats Det är värt att pumpa bort slammet enligt mätningarna i utflödet från EON s pump. Dessa visar att ungefär 1.5 ton fosfor per år pumpas genom EON s pump. Med hjälp av Redfields formel uppskattades att ca ton slam transporterades genom EON s pumpsystem. Detta motsvarar ungefär 580 lastbilar om en lastbil klarar av 10 ton. Om slammet sedimenteras räcker 58 lastbilar. Det kommer då ta 3-5 år att avlägsna fosforn i sjöns sediment, med en kontinuerlig pumpning. 24 (30)

25 11 Referenslista Litteratur, nätjournaler, muntlig kontakt och hemsidor. 1) Vallentuna kommun, Vallentunasjön. Tillgänglig: hämtades ) Anna Gustafsson och Emil Rydin, Naturvatten, Vattenkvalité och plankton i Vallentunasjön 2014, allentunasj%c3%b6n/vallentunasj%c3%b6n%202014%20version% %20inkl%20bila gor.pdf?1703, hämtades ) Emil Rydin, Naturvatten, Vallentunasjön, 2015, allentunasj%c3%b6n/presentationvallentunasj%c3%b6n08feb2010.pdf?1703, hämtades ) Persson Per Olof, 2005, Miljöskyddsteknik teknik och strategier för ett hållbart miljöskydd, 1,2 Stockholm, industriell ekologi KTH. 5) Smhi Övergödning av havet. SMHI. hämtades ) Joakim Pansar, Länsstyrelsen i Stockholms län, Utdrag ur länsstyrelsens rapport 2004:12. hämtades 10/5-15 7) Havs och Vattenmyndigheten, God havsmiljö 2020, miss-atgardsprogram-havsmiljon-febrauri2015+opt.pdf, hämtades ) Anna Gustafsson, Vattenkvalitet och plankton i Vallentunasjön 2014, C3%B6n/Vallentunasj%C3%B6n%202014%20version% %20inkl%20bilagor.pdf, hämtades ) VISS Vatteninformationssytem Sverige.Vallentunasjön. hämtades ) Mängd fosfor och slamhalt i sjön, information om språngskiktet i Vallentunasjön och mätningar från åren 2013, 2014 och Olle Wahlberg, handledare Tillämpad fysikalisk kemi, KTH, muntlig kontakt, (30)

26 11) VFOF.2016.Hem. 12) Corell. D.L The Role of Phosphorus in the Eutrophication of Receiving Waters. hämtades ) Sigee D.C Freshwater Microbiology: Biodiversity and Dynamic Interactions of Microorganisms in the Aquatic Environment. hämtades ) C. Bernes m.fl. (2015), Inverkan av reduktionsfiske på övergödda sjöars vattenkvalitet. Sammanfattning av Systematisk utvärdering SR3. EviEM, Stockholm. hämtades ) Sussane Lindhe, Stockholms Vatten, Vattenkvalitet vid Norsborgs vattenverk 2014, t/kval-dekl-nor-2014-med-logga pdf, hämtades ) Brönmark.C och Hansson, L-A. 2005, The biology of lakes and pond, 1,2: New York, Oxford University 17) Boström.B & Persson.G &Broberg B Bioavailability of different phosphorus forms in freshwater systems.170,1: uppsala. Uppsala Universitet. 18) Rikard Pilati Reducering av övergödning i Vallentunasjön. Kungliga Tekniska Högskolan. Bilder och diagram 1) VISS Vatteninformationssytem Sverige, 2015, Vallentunasjön, [Elektronisk]. Tillgänglig: hämtades ) Katalog/prislista, Robota Pumpar, 2015, [Elektronisk]. Tillgänglig: hämtades ) Olle Wahlberg, handledare, Tillämpad fysikalisk kemi, KTH, muntlig kontakt, ) Bild som föreställer Vallentunasjön. Hämtades: (30)

27 12 Bilaga Beräkning av Alkalinitet C*V=C*V C HCL*V HCL=C HCO3-*V prov- C HCO3-? C HCO3- = Ytvattenprovet: (10,21*5mM)/(20)=2,55 mm HCO3- Bottenprovet: (10,21*4,6mM)/(20)=2,35 mm HCO3- Slamvattenprovet: (10,21*5,1mM)/(20)=2,55 mm HCO3- Alkalinitet från Mälaren (Norsborgs vattenverk): 53/ =0,87 mm Beräkning av Klorinitet C*V=C*V Ccl-*V prov=c Agno3*V AGNO3- C cl-? C cl--= Ytvattenprovet: ((100*2,25)/100)= 2,25 mm Cl - Bottenprovet: ((100*1,55)/100)= 1,55 mm Cl - Slamvattenprovet: ((100*1,25)/100)= 1,25 mm Cl - Klorinitet från Norsborgs vattenverk 12/35,453= 0,34 mm, 12.3 Mängd pumpad slam från EON s pump Pumpen har en kapacitet på 270 l/s och halten fosfor av vattnet som pumpas ligger på 79 ug/l. Beräkning av mängden slam som pumpas (gäller den 8 december 2015, se 13 Bilaga 2). 27 (30)

28 På en vecka erhålls 49 ton fosfor och genom Redfields formel för en alg där mol massan är 3550 g/mol går det att uppskatta mängden organiskt material. Det organiska materialet som huvudsakligen utgörs av 3 % torrsubstans och 97 % vatten, motsvarar 115 gram och det erhålls genom att dividera mol massan för algen med mol massan för fosfor. 115 gram. Siffran 33 i beräkningen (1) kommer från att det i största del är vatten inblandat och därför multipliceras det med 33 för att få massan av det vattenhaltiga slammet. Slammet innehåller 3 % torrsubstans, som tidigare analyserats och det betyder att 1 ton torrsubstans innehåller 33 gånger så mycket slam Mängd pumpad slam från VFOF s pump Pumpen har en kapacitet på 100 l/min och halten fosfor av vattnet som pumpas ligger på 79 ug/l. EON s pump används vid beräkningen. Det vill säga att EON s pump arbetar 162 gånger så mycket som VFOF s pump och utifrån det går det att ta reda på hur mycket slam som pumpas från VFOF s pump. Detta genom att använda förhållandet mellan pumparnas kapacitet och hur mycket som EON s pump pumpade ut Mängden pumpat slam beräknas genom integration av funktion i diagram 3 På ett år pumpades 1532 kg fosfor från sjön med hjälp av EON s pumpsystem. För att veta mängden slam multiplicerades med 115 och 33 [Se 10.3]. Det är 115 gånger mer massa i en alg än i en fosfor. Därefter multipliceras det även med 33 för att slammet bara innehåller 3 % torrsubstans. Slammet kan koncentreras varvid man minskar med en tiondel d.v.s. 581,39 ton slam, som motsvarar 58 lastbilar. Det vill att säga att slammet förtjockas från 3 % till 30 %. 28 (30)

29 13 Bilaga 2 Tabell 5. Provtagning i utflödet från EON s pump till dammen vid infartsparkeringen vid Vallentuna station. Datum Klockan T luft T vatten Flöde Synliga Is på sjön Ptot Fosfor Fosfor X Organiskt 3% slam/ton o C o C liter / s partiklar ug/l kg/vecka kg för x månader material/ton per vecka per vecka tydligt nej (apr-dec) 1, ,9 270 tydligt nej (apr-dec) 2, ,9 270 tydligt nej (apr-dec) 2, ,4 270 tydligt ja -- " ,9 270 lite ja ,1 270 obetydligt ja ,9 302 lite ja Flödet = l/s Organiskt material beränas med Redfieds formel Slammet innehåller 3% torrsubstans 14 Bilaga 3 Tabell 6. Provtagning för VFOF's pumpprojektet, i flödet från pumpen vid Baran. Datum T luft T vatten Flöde Ptot Synliga Is på sjön Ptot Fosfor Fosfor X Organiskt 3% slam/ton o C o C liter / min ug/l partiklar ug/l kg/vecka kg för x månader material/kg per vecka per vecka ,0 4,0 100 tydligt nej 79 0,08 2,5 8 (apr-dec) 9, ,0 3,5 100 tydligt nej 116 0,12 3,7 8 (apr-dec) 13,4 444!!!! Ptot har inte mätts utan vi antar att de är samma som för EON pumpen enbart för att se storleksordningen 29 (30)

30 15 Bilaga 4 Tabell 1. Prov för kontroll av slammet och vattnet ovanför slammet i Vallentunsjöns största bassäng, Storsjön, varifrån vattnet pumpas av EON till värmeverket och provpumpningen på baran. Plats Datum T luft T vatten Kond. ph Vattnets Alkalinitet Klorinitet Ptot o C o C ms/m färg mm mm ug/l* Ytvatten Storsjön ,5 7,8 färglöst 2,5 2,30 ( )* Bottenvatten Storsjön ,0 8,1 färglöst 2,3 1,60 ( )* Slamprov Storsjön ,8 7,7 gråbrunt 2,5 1, ppm Vatten ovanför slam* ,0 8,1 Grått 2,3 1,60 ( )* * Ett experiment gjordes, där slammet fick sedimentera. Vattenprov tos näre slammet sedimenterat (Bild 1). 30 (30)