Reducering av övergödningen i Vallentunasjön

EXAMENSARBETE INOM KEMITEKNIK, GRUNDNIVÅ STOCKHOLM, 2015 Reducering av övergödningen i Vallentunasjön Rikard Mattsson Pilati Bilden visar principen av en sedimenteringsprocess KTH ROYAL INSTITUTE OF TECHNOLOGY KTH KEMIVETENSKAP

EXAMENSARBETE Högskoleingenjörsexamen Kemiteknik Titel: Engelsk titel: Reducering av övergödningen i Vallentunasjön Reduction of the eutrophication in Lake Vallentuna Sökord: Vallentunasjön, Övergödning, Restaurering, Mekanisk rening, Partiklar, Sediment, Torrsubstans Arbetsplats: KTH, Valhallavägen, Tillämpad fysikalisk kemi Handledare på KTH: Kontakt på Norconsult AB: Kontakt i VFOF: Olle Wahlberg Björn Tengelin, projektledare Per Stribeck, sekreterare Student: Rikard Mattsson Pilati Datum: 2015-09-28, Version 3.0 Examinator: Lars Kloo 2

Sammanfattning Övergödningen i Vallentunasjön har länge varit ett problem för Täby- och Vallentuna kommuner. Vallentunasjön har fått en försämrad vatten- och livskvalitet sedan lång tid tillbaka. Det ökade tillflödet av näringsämnen från exempelvis dagvatten, jordbruk och bebyggelse ger sjön en tillväxt av alger. Det extra näringstillskottet av exempelvis fosfor bildar till slut ett sediment på botten med döda alger. År 2009 påbörjades ett restaureringsprojekt av sjön, där man tillämpar biomanipulation, men denna metod har inte visat sig vara tillräcklig för att minska överskottet av näring. Vallentunasjön behöver, så fort som möjligt, en hållbar restaureringsteknik. Målet med projektet har varit att undersöka om sandfilter är en lämplig mekanisk reningsteknik för att avlägsna bottenslammet från sjön. Det uppsamlade slammet från backspolning transporteras bort för disponering. Reningsprocessen måste ge slammet en tillräcklig hög torrsubstans så att transporterna blir miljövänliga. Rapporten beskriver fältarbetet, som genomfördes vid projektets början. Fältarbetet gjordes för att ta prover och göra mätningar i sjön. Fältarbetets mål var att ta reda på det nuvarande tillståndet i sjön och att styrka argumentet att en reningsanläggning behövs. Laboratoriearbete har gjorts, både kemiska analyser av vattnet och kemitekniska försök. De tillämpade kemitekniska försöken innefattade bland annat modellförsök med sandfilter, kompaktering med fällningskemikalier och sedimenteringsförsök. Rapporten beskriver även näringsämnenas roll i övergödningen, samt vilka restaureringstekniker, som finns att tillämpa. Resultatet visar att det inte är optimalt att använda sandfiltrering i anläggningen. Försöken visar att sandfiltret blir för snabbt igentäppt och att hastigheten sjunker direkt. Experimenten som gjordes visade att sedimentering var en lämpligare teknik. Torrsubstansen i slammet efter sedimenteringen var 22,6 %, vilken är tillräcklig hög för att ge miljövänliga transporter. Innan sedimenteringen gjordes var torrsubstansen i slammet 1,9 %. Ingen kemisk fällning eller avvattning behövs för processen då torrsubstansen efter sedimenteringen är acceptabel. I rapporten visas även ett förslag på hur flödesschemat kan se ut för anläggningen. Den uppskattade kostnaden för ett pilotförsök uppskattades till 56 000 kr. Ytterligare kostnader kan tillkomma, då sedimenteringsbassänger, uppsamlingstankar, slamtankar och kringutrustning måste införskaffas. Man kommer att undersöka om det finns något användningsområde för slammet för att möjligtvis ge en ekonomisk vinst. Pilotförsök kommer att genomföras med anläggningen under ett års tid. Kontinuerliga analyser kommer att göras och mängden torrsubstans kommer att beräknas i uppsamlingstanken, sedimenteringsbassängen och i slamtanken. En utvärdering av processen kommer att göras för att se om några korrigeringar behövs, exempelvis för att få högre koncentration av torrsubstans. 3

Abstract The eutrophication in Lake Vallentuna has been a problem for a long time in Täby and Vallentuna municipalities. The lake has a deterioration of the water quality and the state of ecology is bad since a long time back. The increased inflow of nutrients from, for example storm water, agriculture and human settlements cause algae growth. The extra nutritional supplement, of for example phosphorus, contributes in the end to the sediment at the lake bottom with dead algae. Lake Vallentuna should be restored by implementation of a proper method as soon as possible. The goal of this project was to investigate whether the sand filter is an appropriate mechanical treatment technology for removing the bottom sludge of the lake. Once the sludge has been collected by backwashing, it should be transported away. The cleaning process must give asludge with a sufficient high dry matter content, to give an environmentally friendly transportation. In the beginning of the project a fieldwork was carried out for taking samples and making various measurements in the lake. The field work was done to find out the current state of the lake and to substantiate the argument that a treatment plant is needed. Laboratory work has been done, both chemical analyses and chemical engineering experiments. The applied chemical engineering laboratory exercises include model tests with sand filters, compaction with precipitation chemicals and sedimentation. The report also describes the role of the nutrients in the eutrophication and which restoration techniques are available. The technique, which is currently used for the restoration of Lake Vallentuna since 2009, is presented. The result shows, that it is not optimal to apply the sand filtration facility. The laboratory work indicates that the sand filters become clogged too quickly and the speed immediately drops. The experiments also show that the sedimentation technique is appropriate. The dry matter content in the sludge after sedimentation was 22.6%, which is sufficient for a green transport. Before settling the sludge sample had 1.9 % dry matter. No chemical precipitation or dewatering is needed for the process since the dry matter content after sedimentation is acceptable. The report also displays a proposal of how a flow chart might look for the plant. The estimated cost of the pilot plant experiment is 56 000 SEK. Further costs may be necessary when the sedimentation tanks, collecting tank, sludge tanks and peripherals must be purchased. It will be investigated whether there is a use of the sludge to possibly make a profit. Pilot tests of the plant will be carried out during a year. Continuous analyses will be made and the dry matter content will be measured for the collecting tank, the sedimentation and the sludge tank. An evaluation of the process will be made to see if any corrections are needed, for example to produce a better dry matter. 4

Innehåll Sammanfattning... 3 Abstract... 4 1. Inledning... 7 1.1 Problembeskrivning... 7 1.2 Syfte... 7 1.3 Mål... 7 1.4 Målgrupp... 8 1.5 Metoder... 8 1.6 Avgränsningar... 9 2. Övergödning... 10 2.1 Fosfor... 10 2.2 Kväve... 11 3. Strategier för restaurering... 12 3.1 Muddring... 12 3.2 Biomanipulation... 13 3.3 Fosforutfällning... 13 3.4 Mekanisk rening... 13 4. Vallentunasjön... 16 4.1 Nuvarande restaureringsprojekt... 16 5. Fältarbete... 17 6. Laboratoriearbete... 18 6.1 Analytisk kemi... 18 6.2 Tillämpad kemiteknik... 19 6.2.1 Karakterisering av slamprover... 19 6.2.2 Torrsubstans i slamprover... 20 6.2.3 Modellförsök med sandfilter... 20 6.2.3.1 Åtgärder... 23 6.2.4 Empiriska fällningsförsök för kompaktering... 23 7. Val av reningsanläggning... 25 7.1 Sedimenten... 25 7.2 Sedimentering som reningsmetod... 25 7.2.2 Sedimenteringsförsök... 26 7.2.3 Torrsubstans i sedimentprov... 26 5

7.3 Förslag till en reningsanläggning... 26 8. Beräkningar... 28 8.1 Analytisk kemi... 28 8.1.1 COD Mn... 28 8.1.2 Alkalinitet... 29 8.1.3 Klorinitet... 29 8.1.4 Fosforbudget... 29 8.2 Tillämpad kemiteknik... 30 8.2.1 Torrsubstanser... 30 9. Resultat... 31 10. Diskussion och slutsatser... 33 10.1 Summering av slutsatser... 34 Referenser... 35 Bilaga 1. Karakterisering av slamprover, 30 minuter... 38 Bilaga 2. Karakterisering av slamprover, 22 timmar... 38 Bilaga 3. Torrsubstans av slamprover... 39 Bilaga 4. Grus för modellförsök 1... 39 Bilaga 5. Uppbyggnad av modellförsök 1... 40 Bilaga 6. Grus för modellförsök 2... 40 Bilaga 7. Uppbyggnad av modellförsök 2... 41 Bilaga 8. Grus till modellförsök 3... 41 Bilaga 9. Uppbyggnad av modellförsök 3... 42 Bilaga 10. Grus till modellförsök 4... 42 Bilaga 11. Uppbyggnad av modellförsök 5... 43 Bilaga 12. Filtreringhastighet för modellförsök 5 med prov 2... 43 Bilaga 13. Fällningsförsök med olika kemikalier... 44 Bilaga 14. Fällningsförsökens hastigheter... 45 Bilaga 15. Sedimenteringsförsök... 46 Bilaga 16. Sedimenteringsförsökets hastighet... 47 6

1. Inledning Vallentunasjön är lokaliserad norr om Stockholm i Täby och Vallentuna kommuner. Idag är sjön kraftigt övergödd med höga halter av näringsämnen, dvs. döda alger eller organiska partiklar. Övergödningen beror på flera faktorer, exempelvis det tillrinnande dagvattnet och att sjön har varit recipient för kommunernas avlopp. Övergödningen innebär en kraftig försämring av vatten- och livskvalitet i sjön. Tidigare försök har genomförts för att förbättra sjön. År 2009 påbörjades en restaurering av sjön. Man har bland annat genomfört biomanipulering och man har också gjort pilotförsök för att reducera överskottet av näringen i sjön genom utfällning med aluminiumsalter samt genom muddring. Dessa försök har dock varit mindre framgångsrika. 1.1 Problembeskrivning Frågeställningen är hur man på ett effektivt sätt kan reducera övergödningen i sjön (vilken innehåller ca 10 ton fosfor) och hur man kan på bästa sätt ta hand om slammet dvs. de gamla alger som finns suspenderade i sjöns bottenvatten. Detta slam cirkulerar på grund av vinden och av vattnets strömningar i sjön och därför ligger inte slammet kvar på botten som ett skikt. På vintern befinner det sig nära botten men på sommaren högre upp i vattnet. Frågeställningar för projektet är följande: Hur är vattenkvaliteten i sjön idag? Är det nödvändigt med slamreducering? Vilket är det effektivaste modellförsöket av den mekaniska reningsmetoden för att möjligtvis kunna reducera övergödningen? 1.2 Syfte Då övergödning inte är önskvärt i en sjö kommer det primära syftet vara att finna en hållbar metod för att ta bort slammet från botten/sjövattnet genom mekanisk rening. Reduktion av slammet på botten kommer att ge en mer hållbar sjö. Syftet med projektet är också att beakta den hållbara utvecklingsaspekten med ekonomi, miljö och hälsa. Projektet ska ge en tydlig beskrivning och en överblick av hur Vallentunasjöns tillstånd är idag, bland annat med hjälp av data från fältarbete. Projektet kommer att ge kommunerna en bra grund för konstruktion av en anläggning för mekanisk rening. 1.3 Mål Examensarbetets mål är dels att göra en litteraturstudie av de vanligaste reningsmetoderna och att genomföra olika modellförsök för att undersöka den mest gynnsamma mekaniska reningen. Vid litteraturstudien kommer en sammanställning av litteratur att göras om nuvarande och tidigare försök med hantering av partiklar i vatten. En jämförelse mellan litteraturstudien och de egna modellförsöken kommer att diskuteras i rapporten. Med modellförsök menas här simulering av den mekaniska reningen i mindre skala på laboratoriet. 7

Kemiska analyser kommer att utföras för att undersöka vattenkvaliteten. Kemitekniska försök kommer att göras på institutionen för tillämpad fysikalisk kemi. Målet är att ge ett underlag för att klargöra vilka åtgärder som är effektiva för rening av sjön. 1.4 Målgrupp Målgruppen för arbetet är högskoleingenjörer samt andra personer med liknande kompetens och personer, som är verksamma inom Täby och Vallentuna kommuner. De kan ha nytta av resultatet för sitt arbete. Även andra kommuner i Sverige med liknande problematik kan ha nytta av rapportens resultat. 1.5 Metoder Examensarbetet kommer att innefatta följande: Genomgång av relevant litteratur. Fältarbete för att studera sjön. Mätningar görs i sjön och prov av sjövattnet analyseras på laboratoriet. Prov tas också på slammet i sjön för experiment på laboratoriet. Laboratoriearbetet innebär kemiska analyser samt modellförsök med slammet. Karakterisering görs av slamproverna, bland annat bestäms torrsubstansen. Kemitekniska beräkningar görs för avlägsnande av slammet. En uppskattning kostnader för ett pilotprojekt görs. Litteratursökning: I projektets första skede kommer en litteratursammanställning genomföras. Det kommer att vara litteratur innehållande olika metoder för att hantera slambemängt vatten (dvs. vatten med några % slam). Fältarbete och provtagning: Examensarbetet innefattar fältarbete vid Vallentunasjön. Prover tas från relevanta områden i Vallentunasjön för att ge en god helhetsbild. Vatten- och slamprover tas och transporteras därefter till laboratoriet. Mätningarna i fältarbetet är: temperatur (luft och vatten), ph, konduktivitet, syremängd och siktdjup. Laboratoriearbete: Arbetet på laboratoriet omfattar kemiska analyser och kemitekniska experiment, dvs. med modellförsök. Den mekaniska reningen, som kommer att prövas på slammet i detta projekt, är sandfilter, särskilt betydelsen av sandkornstorlekar, filterhöjd, övertryck och gruskornens storlek. Undersökningen av partikelhalten kommer att ske före och efter den mekaniska reningen. Hastigheten genom de olika filtrena kommer att bestämmas. Förslag till rening i full skala med dammar kommer att prövas i modellförsök där kompaktering av slammet kommer att kunna göras med salter eller med ph justeringar. Karakterisering av slammet göras före och efter försöken.. Det analytiska arbetet är främst bestämning av vattenkvaliteten. Följande analyser görs: COD Mn, alkalinitet, klorinitet, totalkoncentration av fosfor och totalkoncentration av koppar. 8

Laboratoriearbetet utförs i ett laboratorium på Tillämpad fysikalisk kemi, KTH. Beräkningar: Följande beräkningar kommer att göras: Beräkning av resultat från analysen. Kemitekniska beräkningar för avlägsnande av slammet och en uppskattning av avskiljningsgraden av partiklar från en blandning av sjövatten + partiklar. Ekonomiska beräkningar kommer att ske på möjlig utrustning, som kan behövas vid den mekaniska reningen i ett pilotprojekt. För optimala transporter med hänsyn på hållbar utveckling är mängden torrsubstans avgörande. En fosforbudget för Vallentunasjön görs. 1.6 Avgränsningar Arbetet avgränsas till att utveckla ingenjörsmässiga metoder för att avlägsna det rörliga slammet ur vattnet genom olika fysikaliska reningsförsök i laboratorieskala. Vattnet karakteriseras genom provtagning och analyser. Slammet analyseras och bedömningar görs hur slammet kan tas om hand ur en miljöteknisk aspekt. 9

2. Övergödning Övergödning av sjöar förorsakas idag av alla extra tillskott av näringsämnen från jordbruket, luften, dagvattnet, skogen och marken, bebyggelsen, avloppsvattnet och industrierna. De viktigaste näringsämnena är fosfor och kväve. Kritiskt för övergödningen är obalansen av den tillgängliga näringen i sjön t.ex. för dess mikroorganismer. Med dessa extra tillskott av näringsämnen ökar planktonalgtillväxten i sjön, blågröna alger blir alltmer vanliga och de är giftiga. På sommaren ökar algblomningen då mer solljus når vattnet. Följderna av övergödningen blir att det bildas syrefria bottnar, vilket ger en mycket sämre vatten- och livskvalitet i sjön. Detta kan påverka djurens och även människornas hälsa. De syrefria bottnarna bildas när algerna och annat växtmaterial dör och då förbrukar nedbrytningsprocesserna allt tillgängligt syre. Övergödning är inte hållbart för en sjö som ska ha lång livslängd. [1] 2.1 Fosfor I alla levande system är fosforn ett livsnödvändigt grundämne. Det är ett väsentligt ämne i cellernas struktur i form av fosforlipider och nukleinsyror, som en huvudlagringskomponent i konfigurationen polyfosfater och i energiomvandlingar (ATP). Dessutom är kalciumfosfat en huvudkomponent i skelettets ben. [2] I sjövattnet förekommer fosforn i olika former, vilka är följande [2]: Löst organiskt material Olöst organiskt material (levande och döda organismer/material) Löst oorganiskt (fosfat) Olöst organiskt material (partikulärt) I de flesta sjöar förekommer fosfor mest i levande organismer, som olöst organiskt fosfor. Fosfatjonernas koncentration som kallas total lösligt fosfat eller TSP begränsar algernas upptag av fosfor. Löst organiskt fosfor omvandlas lätt med hjälp av fosfatenzymer till fosfat, detta gemensamt med TSP utgör den biologiskt tillgängliga fosforn även kallat BAP. I sjöar som är övergödda har BAP ett bra samband med TSP men om sjön är näringsfattig har BAP ett bättre samband med TRP som är den totala reaktiva fosforn, detta är TSP plus små partiklar. [2] Den biologiskt tillgängliga fosforn, som assimileras av algerna (algerna kan även kallas fytoplankton eller växtplankton), har en central roll i vattensystemet och dess fosforcykel då de tar upp alla tillgängliga fosfatjoner. Koncentrationen av fosfatjoner i en sjö kontrollerar därför direkt mängden fytoplankton och andra organismer, som bildas under tillväxtsfasen. Fosfat är därmed en väsentlig faktor för sjöns eutrofiska status. Eutrof betyder näringsrik och syftar på mängden fosfor och kväve. Koncentrationen av fosfat i sjöar beror av tre faktorer som är följande [2]: Extern tillförsel (exempelvis dagvatten) Intern tillförsel (från sediment) Näringscykeln (fosfor som släpps från sjöns levande organismer) Den externa tillförseln sker oftast på våren medan den interna tillförseln samt tillförseln från näringscykeln sker på sommaren. [2] 10

Fosfor, som tas upp av fytoplankton, har tre huvudöden, som är följande [2]: Fosfor kan sedimentera till botten av sjön till de döda algerna, som hela tiden sedimenterar. Denna fosfor kommer så småningom tillbaka till vattnet via den interna tillförseln. Men kortsiktigt är det bra, då fosforn inte finns tillgänglig för algernas tillväxt. En del av fosforen, som tas upp, kan gå in i näringskedjan och vidare till zooplankton (djurplankton) och fiskar. Fosfor kan återföras genom att det släpps tillbaka till vattnet från sjöns levande organismer. Den externa tillförseln av fosfor sker via floder, strömmar, grundvattnet och dagvattnet och är både fosforpartiklar och löst fosfor. Gödningsmedel från jordbruket, dagvattnet från vägarna samt substanser från industrierna är de viktigaste källorna till den externa tillförseln av den löst organiska och oorganiska fosforn. Den externa tillförseln är en viktig faktor när en sjö blir övergödd. Den interna tillförseln av fosfor sker när bakterierna bryter ner de döda algerna, som har sedimenterat och bildat ett organiskt skikt på botten. Den här typen av fosfortillförsel är beroende av syresättningen i sedimenten och vattnet. Vid syrefria förhållanden sker fri diffusion av fosfatjoner från sedimentet till vattnet. Om det är syrerika förhållanden, sker denna process mycket långsammare med en faktor på 1000, då partikel adsorptionen av fosfat gynnas av syre. Återförsel av fosfor i en sjö för tillväxten kan ske direkt från fytoplankton exempelvis via läckage av metaboliter (nedbrytningsprodukter), men också via utsöndring från zooplankton och fisk. Att återföra fosfor är en viktig del ur en miljösynpunkt, då detta näringsämne åter blir tillgängligt för algerna och bakterierna så att tillväxt kan ske igen. [2] 2.2 Kväve Det andra väsentliga näringsämnet är kväve, som undergår komplexa sekvenser av biologiskt styrda transformationer i en sjö. Kvävets cykel kan beskrivas som fem huvudvägar för kvävets transformationer, vilka är följande [2]: Nitrat, intag och upptag Biomassaomvandling Remineralisering Nitrifikation och denitrifikation Kvävefixering Den vanligaste formen av kväve, som finns biologiskt tillgänglig, är nitrat. Det tillförs sjön via regn och mark. Nitratet tas upp av alger, som är den största biomassan i en sjö. Algerna omvandlar sedan det oorganiska nitratet till en komplex organisk kvävekonfiguration. Det komplexa organiska kvävet ingår i biomassan, dvs materian i levande organismer. Remineralisering innebär att det olösliga organiska kvävet återgår till löst oorganiskt ammonium och ammoniumet fungerar även som näring till algerna. Detta sker bland levande och döda alger. I sjöar sker en syntes av det organiska kvävet (biomassa), oftast i zoner där solljuset når fram mest medan nedbrytningsprocesserna (där följden blir remineralisering) sker till följd av exempelvis bakterier i sedimentet. Omvandling av organiskt kväve till ammonium kan även ske genom andra processer, exempelvis utsläpp av kväverika metaboliter från djurplankton och fiskar. 11

Nitrifikation innebär att nitrifikationsbakterierna Nitrosomonas och Nitrobacter omvandlar ammonium med hjälp av syre till nitrat, en aerob biologisk process. Denitrifikation innebär att nitrat omvandlas till kvävgas med hjälp av organiskt material (kolkälla) och denitrifikationsbakterierna under syrgasfria förhållanden. Detta är en anoxisk biologisk process då syret i nitratet utnyttjas vid oxidationen av det organiska materialet. Kvävefixeringen sker med blågröna alger och bakterier. Förmågan hos en organism att ta upp kvävgas benämns kvävefixering. [2] 3. Strategier för restaurering Restaurering av en sjö kan vara nödvändig, då sjön exempelvis är övergödd av näringsämnen. För att kunna återställa en sjö till dess normaltillstånd finns ett antal metoder att tillämpa. Teknikerna för en sjörestaurering är kategoriserade som fysikaliska, kemiska och biologiska. Det här examensarbetet behandlar den fysikaliska tekniken, mekanisk rening med hjälp av sandfilter. Nedan beskrivs några av de övriga restaureringsteknikerna. [3] 3.1 Muddring Det här är en fysikalisk teknik, som används direkt i sjön. Muddring har flera bra syften såsom borttagning av fosfor, borttagning av giftiga substanser samt förändring av botten för bättre sjönavigering av den verkliga botten. Muddringstekniken kan kontrollera fosfortillgången i sjön genom att ta bort den del av sedimentet, som innehåller mest näring. Tidigare studier har visat att sjöar får upp till 66 procent av sin fosfor från sedimentet. Sjöar som, har den problematiken att de får sin största del av fosfor från sedimentet, är bra kandidater för muddring. Omfördelningen av fosfor från sedimentet till sjövatten sker ofta när sedimentet blir stört eller omfördelas i vattnet. Detta kan ske på grund av årstidernas växlingar eller genom vinden. Det finns tre typer av muddringar med olika redskap och dessa är gripskopa, hydraulisk muddring och pneumatisk muddring.[4] Gripskopa, som redskap vid muddring, är som det låter. Det är en kran med en gripskopa. Skopan förs ned till sedimenten på botten av sjön, där den tar en mängd, som sedan tas upp och placeras på land alternativt på en pråm. Dessa kranar kan placeras direkt på land eller på en pråm. Muddringsområdet i sjön omges ofta av en siltgardin, för att det sediment, som tas om hand under arbetets gång, inte ska ge grumlighet till resterande sjövatten. Fördelar med den här typen av muddring är att det är relativt billigt och att den klarar av trånga arbetsytor. Nackdelarna är att det kan bli hög grumlighet, ojämn botten och ineffektivitet i gripskopan, när den ska öppnas och stängas. [4] Hydrauliska skrapredskap är ofta gjorda av ett skärhuvud med en hydraulisk rörledning samt en pump. Skärhuvudet utför själva grävandet i sedimentet. Sedimentet pumpas genom en rörledning och upp på land eller i pråmar. Man behöver ofta kontrollera rörledningen, då pumpproblem kan uppstå. Denna typ av muddring ger inte lika mycket grumlighet, som muddring med gripskopa.[4] Pneumatiska muddringsredskap liknar den hydrauliska, men använder sig istället av hydrostatiskt tryck. Detta hydrostatiska tryck tar upp sedimentet på botten, vilket därefter pumpas genom en rörledning till land. Fördelen med den här muddringstekniken är att den tar upp fast sediment, vilket medför mindre mängd vatten i upptaget.[4] 12

3.2 Biomanipulation En annan typ av restaureringsteknik är biomanipulation, som är en biologisk metod, vilken används direkt i sjön. Den här metoden är relativt ny och är mindre beroende av kemikalier och ingenjörskonst. Biomanipulation tillämpas oftast då sjön är grund, liten och har ett slutet system. I grunda sjöar fungerar det extra bra då organismerna inte sprids ut och näringsnivåerna är mer statiska. Förluster på grund av hypolimnion (den kallare vattenmassan vid botten) existerar inte. [5] Huvudkonceptet med biomanipulation är att styra biotiska komponenter i en sjö och därmed hantera näringsämnen. För att förbättra sjön sker manipulation av den högre konsumentnivån. Huvudproblemet är att i övergödda sjöar finns en mindre mängd makrofyter (exempelvis sjögräs) och lägre nivåer av löst syre, vilket medför att planktivorer (vattenorganismer, som exempelvis fiskar) äter upp djurplankton. Därför behövs en ökning av djurplankton, så att algerna kan konsumeras. Det finns två huvudstrategier för att öka djurplankton.[5] Första strategin är att använda sig av giftet Rotenon. Det är ett effektivt gift för att omstrukturera eller eliminera hela fisksamhällen. Man kan reglera dosen av giftet för önskad mängd fiskar, som ska tas bort. Rotenon fungerar optimalast i varmt vatten. Om det tillsätts kallt vatten förblir sjön giftig under en längre tidsperiod. Den andra strategin innebär att man istället för att döda fisken genomför en borttagning av den genom exempelvis håvning eller nätfiske. Detta görs för att öka djurplankton, som i sin tur livnär sig på algerna, vilket minskar övergödningen. [5] 3.3 Fosforutfällning Att fälla ut fosfor till botten av sjön och kompaktera slammet ytterligare är en kemisk teknik för att restaurera en sjö. Man tillför aluminiumsalter för att påverka den interna tillförseln av fosfor. Tidigare försök har visat att användningen av aluminiumsalter gav goda resultat, där fosfornivåerna sjönk, algblomningen upphörde och vattnets klarhet ökade. Den främsta källan för fosfor är döda alger, som släpper ifrån sig den största delen av fosforn på sommaren. Algerna växer mycket snabbt, dör och bryts sedan ned och på så sätt hålls fosforcykeln igång, men tillsättningen av aluminiumsalter kan bryta denna cykel. Restaurering med aluminiumsalter ger goda resultat, men det kan ge ett fåtal biverkningar på sjön som exempelvis minskad mängd av småplankton, kräftdjur och ökning av växtbiomassa. [3] Aluminium förekommer i sjön i olika former. I surt vatten med ett ph på mindre än 5,5 förekommer aluminiumet som lösta joner. Vid högre ph förekommer aluminium i komplex med exempelvis fosfor och hydroxid. Högre ph förekommer oftast i övergödda sjöar. Vid mycket höga ph är aluminium återigen lösta joner. Dosen aluminium vid fosforutfällning brukar sänka sjöns ph till cirka 6. Fosforutfällning, som restaureringsmetod, rekommenderas i djupa sjöar, då vinden inte kan skapa återsuspension av de fällda fosforföreningarna. Fosforutfällning kostar måttligt, speciellt när lokala kemikalier kan användas. Inga kostnader för transporter finns då. [6, 7] 3.4 Mekanisk rening Den här typen av restaureringsmetod är en fysisk sådan, som är stationerad intill sjön. Vid denna metod använder man sig av sandfilter i bassänger, som består av olika sandkornsstorlekar varpå oönskade partiklar från sjön fastnar. Det suspenderande materialet kan innehålla exempelvis fosfor, aluminium eller patogena mikroorganismer. De större partiklarna kan fastna i första lagret i sandfiltret, därför har man flera lager med olika storlekar på sandkornen då också de mindre 13

partiklarna kan fastna. Efter att vattnet passerat filtret är det tillräckligt rent att gå vidare i processen. Filtreringen är mycket effektiv då den tar bort 99,5 % av partiklarna i vattnet, och gör det mindre grumligt. [8, 9] Man kan dela in filtreringen i tre olika mekanismer som är följande [8]: Genomtränglighet Adsorption Biologisk verkan Genomtränglighet innebär att flocken av partiklar är för stor för att ens ha någon möjlighet att ta sig igenom utrymmet mellan sandkornen, resultatet blir att flocken fastnar och vattnet rinner vidare. Den andra mekanismen är adsorption, vilket även kan vara den viktigaste av de tre mekanismerna. Den här mekanismen innefattar uppsamling av partiklar då de fastnar på sandkornen, små flockar koagulerar med hjälp av Van der Waals krafter på sandkornen. Adsorptionen kan även ta bort de allra minsta partiklarna från vattnet. Den biologiska verkan sker när exempelvis alger bryter ner organiska partiklar eller när mikroorganismer äter varandra, detta sker oftast i långsamma filter. [8] Det finns två olika typer av sandfilter, som används för behandling av vatten och de är långsamma respektive snabba sandfilter. Nedan visas de egenskaper, som de långsamma respektive de snabba filtren har. [8] Långsamma sandfilter [8] Flödeshastighet på 0,06 cm/min 0,6 cm/min Olika filterlager Behöver minimalt underhåll Oftast behövs ingen kemisk förbehandling så att flockar bildas Väldigt pålitliga Kräver stor yta Behöver manuell filterrengöring Filtrationsmekanismer är biologisk verkan, genomtränglighet och adsorption Snabba sandfilter [8, 9] Flödeshastighet på 8,2 cm/min 12,2 cm/min Olika filterlager Filterhöjden är 1,5 m Större sandkornsstorlekar (0,8 1,2 mm i diameter) än de långsamma filtren, vilket är billigare och mer lättillgängligt Små och kompakta Behöver kemiskt förbehandling, så att sedimentation kan ske före filtret Filtrationsmekanismer är adsorption och genomtränglighet Automatisk filterrengöring med backspolning Filterkontrollsystem som reglerar exempelvis flöde, ventiler och backspolningspumpar Backspolning sker för att göra rent filtret, så att det återigen blir effektivt. Filtret har en stor ansamling av suspenderat material, som täpper igen filtermaterialet, vilket också leder till hydrauliskt 14

motstånd. Vid backspolning sker flödet bakåtvänt, det kommer tvättvatten underifrån för att göra rent sanden. Det finns två olika faktorer, som kan avgöra när ett sandfilter behöver rengöras, och det är körtid och tryckförluster. Man kan ha automatiskt inställd backspolning beroende på körtiden, t.ex. att efter 72 timmar ha bestämd rengöring. Tryckförlust kan också vara en faktor, som gör att backspolning behövs då partiklar, som täpper igen sandfiltret, skapar en tryckskillnad. Efter att sandfiltret genomgått en backspolning, kan man samla upp det förorenade vattnet med sediment i en damm eller i en tank. Backspolningen kan ha en hastighet på ca 41 cm/min till 102 cm/min. Hastigheten ska vara tillräckligt snabb för att lyfta sanden och föra bort partiklarna. Backspolningens körtid beror ofta på föroreningsgraden, och det rekommenderas att backspolning körs tills vattnet är rent. [8, 9] Filtermaterialet är den viktigaste komponenten i filtret. Filtermaterialet består ofta av sand, men kan kombineras med annat material. Det grus som finns på botten av filtret, ingår inte som filtreringsmaterial, utan det finns där för att ge stöd mellan dräneringssystemet och sandlagret samt för att ge ett jämnt flöde vid backspolning och filtrering. Sandfilter kan exempelvis bestå av lager med antracitkol, sand och grus. Dock är det viktigt att de olika materialen har olika densitet, så att det blir rätt ordning på dem efter backspolningen. [8] Det finns olika faktorer, som kan påverka filtrets effektivitet. Filtrets effektivitet är beroende av vattnets karaktär och tidigare steg i processen. Det är väsentligt att känna till partiklarnas egenskaper i vattnet, deras storlek och kemiska egenskaper. Filtreringsproblem, som kan uppkomma under körtiden, kan vara att det bildas lerbollar på toppen av filtret och att det kan bildas sprickor i filtermaterialet, så att förorenat vatten kan flödas rakt igenom. Vid en eventuell dimensionering av en snabb sandfiltreringsbassäng, behöver man ett antal specifikationer och formler för att kunna utföra de nödvändigaste beräkningarna. Se bild 1 nedan som visar schematiskt uppbyggnaden av en snabbfilterbassäng. [8] Bild 1. Schematisk uppbyggnad av ensnabbsandfilter bassäng. På bilden ser man de olika filtermaterialen. 15

4. Vallentunasjön Täby och Vallentuna har Vallentunasjön inom sina kommungränser. Tillsammans har kommunerna påbörjat ett projekt för att återställa sjöns försämrade tillstånd. Sjön är idag kraftigt övergödd, varför ett restaureringsprojekt är nödvändigt. Konsekvenserna av övergödningen har blivit att fiskebeståndet är i obalans, att sjön har fått försämrat siktdjup och att sjön inte längre är intressant för bad- och båtliv. Syftet med projektet är att förbättra vattenkvaliteten i sjön. [10] Nedan finns data på hur Vallentunasjöns tillstånd är idag. På bild 2 visas en karta över sjön samt sjöns in- och utflöden. [11, 12] Area: 6 km 2 Maximalt djup: 6 meter Inflöden: Ormstaån och Karbyån Utflöde: Hagbyån Ekologisk status: Otillfredsställande Övergödning: Ja Mängd slam (inkl. vatten): 22 000 ton Mängd fosfor (exkl. vatten): 10 ton Siktdjup: Dålig Ammoniakkväve: God Växtplankton: Otillfredsställande Emil Rydin på Naturvatten presenterar tidigare mätningar i Vallentunasjön. Mätningarna omfattar siktdjupet, fosforhalten och Bild 2. Karta över Vallentunasjön. Med inväxtplanktonbiomassan. Dessa mätningar visar och utflöden markerade. vilket värde respektive faktor har vid olika årstider. Den största skillnaden är mellan vinter och sommar. [13] 4.1 Nuvarande restaureringsprojekt Tillsammans har Täby och Vallentuna kommun påbörjat ett restaureringsprojekt med hänseende till Vallentunasjöns dåliga tillstånd. Restaureringsmetoden de valt är biomanipulering. Syftet är att få tillbaka den biologiska mångfalden, samt att lokalbefolkningen kan återuppta bad- och båtlivet. Projektet går ut på att fiska bort bland annat mört och braxen för att öka antalet djurplankton, då fisken äter upp dessa. Djurplankton äter i sin tur upp växtplankton och därmed minimeras övergödningen. Målet med projektet är att sjön ska ha ett siktdjup på minst 1 meter. Täby och Vallentuna kommuner menar, att biomanipuleringsmetoden har fungerat bra på andra sjöar i världen, till exempel Ringsjöarna i Skåne. Restaureringen startade våren 2010 och pågår än idag. Listan nedan visar hur åren 2010-2015 sett ut. 2010- Fisket genomfördes på den isfria perioden med två trålbåtar. Ca 50 ton vitfisk togs omhand och omvandlades till biogas. 2011- Två trålbåtar användes och man fiskade upp ca 14 ton vitfisk, vilken omvandlas till biogas. Under detta år satte man även ut ett bottengarn, där ca 2 ton vitfisk fångades. 16

2012- På grund av minskningen i fångsten 2011 har man beslutat att satsa på fler bottengarn detta år, totalt 5 stycken. Ca 23 ton vitfisk fångades. 2013- Man använde 5 bottengarn, som fångade ca 11 ton vitfisk. Detta år fäste man även 6 bassänger vid en bryggkonstruktion. Bassängernas diameter var 8 meter och deras höjd var ca 3 meter. Bassängerna var till för att testa olika reningsmetoder i sjön, exempelvis kemisk fällning. 2014- Man använde sju bottengarn, som fångade in ca 5 ton vitfisk. Försöken med bassängerna fortsätter även detta år. 2015-Man använder också detta år 7 bottengarn. Fisket pågår ungefär från mars till juli. Så har projektet med biomanipulation sett ut för Vallentunasjön. Än återstår det att få ett slutgiltigt resultat. [10] 5. Fältarbete Fältarbetet i Vallentunasjön genomfördes den 6 maj. Väderförhållandena var svåra. Det blåste kraftiga vindar, men det var soligt med temperaturen 17,5 ⁰C. På grund av de kraftiga vindarna var det hög turbiditet i vattnet, varav följden blev att slammet och vattnet cirkulerade runt och att syremängden ökade i sjön. Att få upp bra slamprover och utföra goda mätningar var därför ett problem, vilket kan komma att ge resultaten från laborationerna en något större osäkerhet. Till vänster visas en karta med punkterna A-D, punkterna A-C representerar slamprovtagningen och punkten D visar vattenprovtagningen. Material och apparatur, som togs med i fältarbetet var provdunkar, ph-meter, termometer, syremätare, ruttnerhämtare (vattenprovtagning på olika djup) och en mätsond (konduktivitetsmätare). Slamproverna 1, 2 och 3 togs från den östra sidan av Storsjön, vilket är punkt A i bilden ovan. Proverna 4 och 5 med slam togs från mitten av norra sidan storsjön, vilket är punkt B. Punkt C representerar Bild 3. Karta över provtagningsplatser slamproverna 6 och 7 från Kragstaviken. Vattenproverna samlades upp vid punkt D. De togs från djupen 0, 2 respektive 4 meter (provnummer V1, V2 och V3). De mätningar som gjordes i sjön var siktdjupet, temperaturen, konduktiviteten, syremängden och ph värdet. Siktdjupet i Kragstaviken var ungefär 0,76 meter vilket inte är mycket. Medeltemperaturen i sjön var 10,3 ⁰C. Mätningar gjordes på olika djup. Konduktiviteten, syre mängden (mg O 2 /l) och ph gjordes direkt i vattenproverna 8,9 och 10. Alla prover hade samma konduktivitet, vilket var 24,2. Konduktiviteten visar vattnets jonförekomst i enheten [ms/m]. Vattenprov 8 hade syremängden 10,4 och ph-värde= 8,2; vattenprov 9 hade syre mängden 10,5 och ph-värde=7,9 och vattenprov 10 hade syre mängden 10,3 och ph-värde=8,1. 17

6. Laboratoriearbete Laboratoriearbetet påbörjades veckan efter fältarbetet. Laborationssal och material, exempelvis bägare och mätkolvar, fanns tillgängligt på KTH, Institutionen för tillämpad fysikalisk kemi. Synliga observationer, som kunde göras i laborationssalen var att vattenprover hade en färg av mycket svagt brunt och att vissa slamprover innehöll mer hoppackat slam än andra. De första dagarna genomfördes de analytiska laborationerna och därefter påbörjades de kemitekniska försöken. 6.1 Analytisk kemi De kemiska analyserna av vattnet från sjön gjordes för att bestämma dess nuvarande tillstånd. Följande parametrar bestämdes: COD Mn Alkalinitet Klorinitet Total fosfor Total koppar COD Mn Den här analysen ger ett mått på hur mycket syre som krävs för att oxidera det organiska materialet i vattnet. Ju fler mg syre/l desto mer organiskt material finns det. COD bestäms med oxidationsmedlet kaliumpermanganat, KMnO 4. Den mängd som går åt av oxidationsmedlet blir ett mått på halten organiskt material, vilket är samma som den mängd syre, som behövs för att bryta ned det organiska materialet. Överskott av MnO - 4 ger en violett färg. Syran och värmen fungerar som katalysatorer. Material och kemikalier för försöket var 1 ml konc. H 2 SO 4 4,5 M; Vattenprover, kaliumpermanganat 0,02 M; E-kolv, pipett, vattenbad, aluminiumfolie, bägare och kokplatta. Följande reaktion sker vid försöket: 12H + + 4MnO - 4 + 5CH 2 O 5CO 2(g) + 11 H 2 O + 4 Mn 2+ Utförandet sker först på kranvatten, då det är min referens. Anteckning av antal droppar görs för kranvattnet och därefter läses referensen av som var Norsborg vattenverk. Norsborg vattenverk har i sitt dricksvatten 2,6 mg O 2 /l. När utförandet sker på proverna ska först kaliumpermanganat spädas till 0,002M och sedan täckas över med aluminiumfolie. Blandningen sker i en e-kolv med 20 ml vattenprov och 2 droppar H 2 SO 4. Uppvärmning av e-kolven sker under några minuter. Sedan tillsätts 1 droppe kaliumpermanganat, som får lösa upp sig. Tillsättningen av kaliumpermanganat upprepas tills lösningen blir rosa. Antal droppar kaliumpermanganat antecknas. Upprepning av laborationen görs på varje prov. [14] Alkalinitet Alkaliniteten visar sjöns förmåga att ta upp vätejoner utan att ph förändras. Hög alkanitet föredras, då sjön lättare klarar av försurning. Material och kemikalier vid försöket var Indikator, HCL 10,21 mm; Vattenprover, bägare, byrett och mätkolv. Reaktionen som sker vid titreringen är: HCO - 3 + H + CO 2 + H 2 O 18

Det första som görs vid laborationen är att 20,0 ml av vattenprovet blandas med 3 droppar indikator i en bägare. Därefter titreras provet med HCL. Titreringen sker med HCL tills provet går från färglöst till indikatorns färg, svagt rosa. Upprepning av laborationen sker på varje prov. [14] Klorinitet Denna laboration ger koncentrationen kloridjoner i vattenproverna. Genomförs som Mohrs titrering med AgNO 3 samt med K 2 CrO 4, som indikator. Silverjonerna reagerar först med provets kloridjoner tills alla kloridjoner fällts ut. Därefter kommer silverjonerna börja reagera med indikatorn, detta orsakar färgförändring till rött och indikerar att alla kloridjoner i vattenproverna är förbrukade. När förbrukad mängd AgNO 3 är känd, kan halten kloridjoner beräknas. Höga koncentrationer av klorid ger korrosion på metaller samt en skadeverkan på växter. Material och kemikalier vid försöket var Indikator, AgNO 3 0,100 M, vattenprover, bägare, byrett och mätkolv. Reaktionen som sker är: Ag + + Cl - AgCl (s) och 2Ag + + CrO 2-4 Ag 2 CrO 4(s) Byretten fylls först med 0,100 M AgNO 3. Därefter blandas ungefär 3 droppar Mohrs indikator och 100 ml vattenprov i en bägare. Titreringen sker med 0,100 M AgNO 3 tills färgomslag sker. Upprepning av laborationen sker på varje prov. [14] Totala koppar- och fosforhalterna med ICP-OES ICP-OES (ICP står för: Inductively Coupled Plasma och OES är en förkortning av Optical Emission Spectrum) är den metod, som används för att bestämma halterna fosfor och koppar. Analysen kan detektera både metaller och icke-metaller. Proverna joniseras i ett plasma vid temperaturen 8000 ⁰C. En spektrometer används för att detektera den strålningen, som jonerna sänder ut vid specifika våglängder. De olika grundämnena identifieras och mäts. Proverna kommer att behöva förberedas inför ICP-OES med kokning och tillsättning av HCL för att lösa ut metallerna. Material och kemikalier vid försöket var HCL 2 M, vattenprover, bägare och värmeplatta. 13,0 ml 2M HCL blandas med 13,0 ml vattenprov. Sen värms det upp till nästan kokning och späds till 50,0 ml med destillerat vatten. Lösningen filtreras ned i en syradiskad plastburk redo för ICP-OES analys. Upprepning av detta sker på varje prov. [14] 6.2 Tillämpad kemiteknik De kemitekniska experimenten, som utfördes, är framtagandet av torrsubstansen, karakterisering i mätkolvar, modellförsök med sandfilter samt fällningsförsök. Torrsubstansen i samtliga prover bestäms och karakteriseringen innebär uppdelning av fraktionerna i slamproverna. När modellförsöken ska genomföras regleras parametrarna sandkornsstorlek, filterhöjd, övertryck samt typ av grus med olika höjder. Fällningsförsöken är en viktig process för att kompaktera slammet och minska mängden vatten, vilket medför miljövinster i transporterna. Olika fällningskemikalier testas och hastigheten tas fram för kompakteringen. 6.2.1 Karakterisering av slamprover Vid karakteriseringen av slamproverna valdes prover från platserna A, B och C. Se bild 4 för vilka områden i sjön bokstäverna representerar. Den här fysikaliska typen av försök går ut på att ta reda på hur många fraktioner, som finns i proven. 19

Varje prov skakas för att efterlikna en eventuell uppumpning från sjöbotten och för att förhållandet vatten och partiklar ska vara jämnt fördelat. Därefter hälls proverna i varsin mätkolv, varvid okulära observationer direkt kan göras. Alla andra prover, utom prov 5, innehåller tunga partiklar, som direkt sjunker till botten. Proven i mätkolvarna får sedimentera med hjälp av partiklarnas densitet ner till botten, och förloppet dokumenteras med bilder. Se bilaga 1 och 2, där karakteriseringen vid olika tidsförlopp visas. Man ser även hur vatten och slam är fördelade. [15] 6.2.2 Torrsubstans i slamprover Det här försöket utförs för att ta reda på mängden vatten i varje slamprov, men också för att kunna jämföra med resultatet efter reningen. För att optimera transporterna med slam från sjön, behövs en bra torrsubstans. En mindre mängd vatten är bättre, då varje transport får utrymme för mer slam. Varje prov skakas, och sedan pipetteras 5,00 ml (ungefär 5 gram) upp och hälls över i en förvägd bägare. Bägaren placeras i en ugn, som är inställd på 104 ⁰C. Efter torkning, då allt vatten har gått bort, vägs bägaren återigen och därefter kan torrsubstansen beräknas. Resultatet blir mängden torrsubstans i % och [g/l] partiklar i vattnet. Se bilaga 3 för en bild på bägarna efter torkningen. Torrsubstanshalten går också att jämföra med karakteriseringen, då man också ser vattenmängden. Tabell 1 visar torrsubstansen i de olika slamproverna och mängden partiklar [g/l]. [15] Slamprov 5 Slamprov 3 Slamprov 6 0,6 % 1,9 % 2,7 % 1,25 [g/l] 3,56 [g/l] 5,38 [g/l] Tabell 1. Torrsubstans och partiklar [g/l] i slamprover. Partiklarna innehåller ca 40 % vatten. 6.2.3 Modellförsök med sandfilter Modellförsöken med de olika sandfiltrena är avgörande för projektets resultat. De här försöken är väsentliga för att ta reda på om det är möjligt att rena Vallentunasjön med mekanisk rening. Varje försök som genomfördes gjordes med samma typ av upplägg. Filtersanden kommer från företagen Brogård sand AB och Swim and fun Scandinavia. Vid denna mekaniska rening ska filtratet gå tillbaka till sjön och sandfiltret ska backspolas för att transportera bort slam. Till försöken behövdes material såsom glasrör och platsrör med olika diametrar och bottnar för att avgränsa filtermaterialet. De parametrar, som reglerades vid varje försök, var sandkornsstorlek (olika diameter), filterhöjd, övertryck samt typer av grus med olika höjder. Varje försök dokumenterades med bilder för att vissa detta. Vid varje försök togs hänseende till synliga observationer, körtid, flöde och torrsubstansen i det uppsamlade filterprovet. Innan utförandet började kördes 100 ml destillerat vatten genom filtret för att ta bort eventuella gruspartiklar. Flera modellförsök genomfördes, 13 stycken totalt. Därför kommer endast de väsentligaste tas upp i rapporten, det vill säga de filter, som hade störst skillnad vid försöken. [15] Modellförsök 1 Modellförsök 1 genomfördes med slamprov 5. Provet skakas först före försöket för att efterlikna verkligheten, då det ska pumpas upp från sjöns botten. Parametrarnas värden visas i tabell 2. Glasröret, som omsluter filtret, har diametern 2,2 cm, höjden 30 cm och en typ av tygfilter i botten. Filtret har en totalhöjd på ca 18 cm, där gruset är placerat i botten och sanden ovanför. Se bilaga 4 och 5, som visar grusets storlek och uppbyggnaden av modellförsöket. 20

Körtiden för filtret var 42 minuter, men det kunde ha avbrutits mycket tidigare på grund av de synliga observationerna. Efter körtiden hade hela provet, som var 80 ml, filtrerats. Slutsatsen var att filtret, efter ca 8 minuter, var igensatt av partiklar. Det krävde redan då en backspolning, vilket inte är optimalt. Hastigheten togs fram och visas i diagram 1, där ser man även att hastigheten sjunker alldeles för snabbt för ett effektivt filter. Den mängd filtrat som samlades upp togs till ugnen för att sen kunna beräkna torrsubstansen som visar att det var 0,01 %. Sandkornsstorlek Filterhöjd Övertryck Grus 0,4 0,8 mm 14,4 cm 3 cm Blandat; 3,7 cm Tabell 2. Parametrar för modellförsök 1. 14 12 10 Flöde [ml/min] 8 6 4 2 0 0 10 20 30 40 Körtid [min] Diagram 1. Diagrammet visar hastigheten för modellförsök 1 med prov 5. Modellförsök 2 Det här försöket genomfördes också med slamprov 5, men endast med grus som filtermaterial, se tabell 3. Samma glasrör användes även vid detta försök. Se bilaga 6 och 7, som visar grusstorleken och uppbyggnaden av modellförsöket. Se även diagram 2 nedan för hastigheten på försöket. Körtiden var endast 15 minuter då det avbröts på grund av igensättning, som redan började efter 5 minuter, då också övertrycket ökade till 6 cm, men utan större effekt. En viss mängd filtrat samlades upp ändå och torrsubstansen beräknades och visade att det var 0,018 %. Sandkornsstorlek Filterhöjd Övertryck Grus - - 3 cm Blandat; 18,1 cm Tabell 3. Parametrar för modellförsök 2. 21

3 2,5 2 Flöde [ml/min] 1,5 1 0,5 0 0 5 10 15 Körtid [min] Diagram 2. Hastighet för modellförsök 2 med prov 5. Modellförsök 3 De synliga observationerna har visat varje gång att filtret täpps igen alldeles för snabbt. Detta tyder möjligtvis på att tygfiltret i botten av glasröret är för svårgenomträngligt. Filtreringsröret byttes till ett plaströr utan tygbotten med diametern 2,2 cm och höjden 16 cm. Tre hål gjordes i botten med diametern 0,4 cm. Det nya plaströret har en botten, som efterliknar verkligheten mer. Modellförsök 3 genomfördes på slamprov 3 och endast med grus som filtermaterial, se bilaga 8 för en bild på gruset. Vid det här modellförsöket användes endast stora gruskorn med ett medelvärde av diametern 1,01 cm. Bilaga 9 visar uppbyggnaden av försöket och resultatet. Körtiden var 28 sekunder. Då hade allt slamprov runnit igenom filtret, vilket inte är önskvärt. Återigen krävdes justeringar på parametrarna. Se tabell 4 för modellförsökets parametrar. Sandkornsstorlek Filterhöjd Övertryck Grus - - 2 cm Stora korn; 7,5 cm Tabell 4. Parametrar för modellförsök 3. Modellförsök 4 Modellförsök 4 genomfördes på slamprov 2, se tabell 5 för vilka parametrar som användes. Vid detta försök användes samma plaströr och stora gruskorn som i modellförsök 3. Filtermaterialet var blandat med både stora och små gruskorn. De små gruskornen skulle efterlikna en diameter på 1,5 mm, se bilaga 10. Vid detta försök kontrollerades om fler och större partiklar fastnade i det övre filtermaterialet, de stora gruskornen. Men var inte fallet. Filtret hade ingen effekt och slamprover flödade rakt igenom. Sandkornsstorlek Filterhöjd Övertryck Grus - - 1,5 cm Stora korn: 7 cm Små korn: 7 cm Tabell 5. Parametrar för modellförsök 4. 22

Modellförsök 5 Modellförsök 5 genomfördes på slamprov 2, se tabell 6 för försökets parametrar. Vid detta försök användes ett nytt rör, som omsluter filtret, ett glasrör med diametern 2,4 cm, höjden 68 cm och 8 stycken hål i botten med diametern 0,3 cm. Syftet med detta modellförsök var att ta reda på om de stora partiklarna fastnar successivt i de olika grusstorlekarna. Filtret är uppbyggt i följande ordning (från toppen): extra stora korn, stora korn (15 cm), små korn (15 cm), sand, små korn (4 cm) och stora korn (5 cm), se bilaga 11 för uppbyggnaden av modellförsöket. Körtiden för försöket var 27 minuter då det också avbröts på grund av igensättning. Detta filter slutade också fungera effektivt på grund av mängden partiklar, som fastnade. En viss del partiklar avskiljdes vid gruset, men de övriga partiklarna kom inte förbi sanden på slutet av filtret. Under försökets gång tillsattes mer slamprov för att upprätthålla övertrycket. Mängden slamprov, som tillsattes totalt var då 200 ml. Hastigheten sjönk fort, vilket inte är optimalt, se bilaga 12. Sandkornsstorlek Filterhöjd Övertryck Grus 0,4 0,8 mm 2 cm 20 cm Extra stora korn: 5 cm Stora korn: 15 cm Små korn: 15 cm Små korn: 4 cm Stora korn: 5 cm Tabell 6. Parametrar för modellförsök 5. 6.2.3.1 Åtgärder Samtliga modellförsök med sandfilter har resulterat i igensättningar och sjunkande hastighet. Slamprovet har också flödat rakt igenom, då filtermaterialet bara var stora gruskorn. Enligt modellförsökens resultat blir åtgärderna att andra reningsförsök måste testas. Ytterligare undersökningar visar att sedimentering skulle vara den bästa reningsmetoden, då det är effektivare på grund av mängden partiklar. Sedimenteringsbassängen är även billigare och mer självgående än sandfiltreringsbassängen. 6.2.4 Empiriska fällningsförsök för kompaktering Fällningsförsökets mål är att ta reda på vilken fällningskemikalie, som är effektivast att kompaktera slammet. Slammet får då ett annat tillstånd. Vid tillämpning av detta steg i en möjlig process, effektiviseras transporterna genom att mängden vattnet minskar i slammet. Slamprovet skakas och hälls över i en bägare. Sedan tillsätts den första mängden fällningskemikalie varvid synliga observationer görs. Om det behövs, tillsätts ytterligare en mängd av fällningskemikalien. När slammet tycks sjunka snabbare till botten, är mängden fällningskemikalie tillräcklig. Bägaren skakas om och hastigheten på kompakteringen tas fram. Samtliga försök gjordes på slamprov 3. För att få en optimerad fällning vid anläggningen. Man kan utveckla experimentet, genom att använda dataprogrammet Medusa där. Där ser man vilket ph värde, som är till fördel för fällningen. Man beräknar torrsubstansen efter kompakteringen. [15] HCL, 2M Första fällningsförsöket provades med HCL för att justera ph värdet och göra slamprovet surare. Fällningsförsöket gjordes med slamprov 3 och mängden var 90 ml. Tillsättning av HCL visade sig inte vara effektivt för kompakteringen, då ingen förändring skedde i bägaren. Mängden HCL, som 23