Rening av lakvatten i markbaserade växtsystem Vägledning vid dimensionering och drift RVF Utveckling 2003:01 ISSN 1103-4092 RVF Utveckling
RVF Utveckling 2003:01 ISSN 1103-4092 RVF Service AB Tryck: Daleke Grafiska 2003 Upplaga: 1000 ex
Förord Användning av till exempel avloppsvatten, avloppsslam, lakvatten m.m. vid energiskogsodling (Salixodling) kan ersätta handelsgödsel och naturliga vattenresurser. Genom odling av Salix kan också avskiljas organiska ämnen, metaller och närsalter från avloppsvatten och lakvatten eller ersätta traditionell användning av avloppsslam, kompost eller askor. Intresset för just lakvattenrening i mark-växtsystem är stort. Metoden är relativt okomplicerad och med en god driftsäkerhet. En omfattande genomgång av aktuella driftparametrar har gjorts vid ett 20- tal deponianläggningar. Syftet med sammanställningen är att utgöra en erfarenhetsbank användbar för anläggningsägare såväl som myndigheter, forskare och andra aktörer inom området. Projektet har genomförts av Kenth Hasselgren, SWECO VIAK AB, Malmö. Ett stort tack framförs också till anläggningsföreträdare och de personer vid de 20-talet deponier som välvilligt informerat om sin verksamhet och ställt material till förfogande. Malmö i februari 2003 Anders Assarsson Ordf. RVFs Utvecklingskommitté Weine Wiqvist VD RVF 1
Sammanfattning Denna rapport utgör en sammanfattande beskrivning av nuläget kring rening av lakvatten i s.k. markbaserade växtsystem. Tekniken kan sägas ha utvecklats under det senaste kvartsseklet företrädesvis i Skandinavien, Storbritannien och Nordamerika. Tonvikten i redovisningen har lagts på dimensioneringsaspekter samt drifterfarenheter från i huvudsak svenska anläggningar. I Sverige finns för närvarande knappt 40 mark-växt-system i drift. Salix (pil, vide) är det klart dominerande växtslaget och förekommer inte mindre än vid ca 70 % av anläggningarna. Salixmaterialet har systematiskt förädlats under de senaste 15 åren, bl a inom ramen för det svenska energiskogprogrammet, vilket har givit allt säkrare och bättre driftresultat i de behandlingssystem som anlagts på senare tid. I avsaknad av generella anvisningar för dimensionering av mark-växt-system redovisas några tumregler och rekommendationer i rapporten, bl a val av behandlingsyta (permeabilitetskrav, lutningar, erforderligt markdjup), val av ingående växtslag (vattenbehov, kvävebehov, salttolerans), reningsprocesser med dimensionerande lakvattenparametrar, beräkning av hydraulisk belastning med hänsyn till permeabilitet och kvävebelastning för bestämning av erforderlig behandlingsyta och säsongslagringsbehov samt vilka anläggningskomponenter som generellt kan ingå i behandlingssystemen. Redovisningen av drift- och skötselaspekter behandlar främst funktionen hos distributionssystemen, kontrollen av fördelningen av lakvattentillförseln, bevattningsmängder och hydraulisk belastning, hur den producerade biomassan utnyttjas samt inte minst hur reningseffekterna kan mätas. Att kunna mäta reningseffekter i mark-växt-system är det enskilt viktigaste och kanske också det mest problematiska området. I rapporten ges förslag till två olika förfaranden med för- och nackdelar. De svenska anläggningarna är överlag välfungerande. Automatiksystemet för distributionen av lakvattnet har få brister och får sägas vara mycket driftsäkert. Några dagars arbete krävs vid säsongsuppstart resp. -nedstängning. I övrigt är normal veckotillsyn tillräcklig för kontroll av spridarfunktioner och fördelningen av lakvatten på behandlingsytan. Sannolikt drivs många anläggningar inte optimalt beträffande lämplig hydraulisk belastning. Här kan och bör styrningen utvecklas. Vid några deponier har inte behandlingsytan skördats. Om den producerade växtbiomassan skördas med jämna mellanrum ökar anläggningens uthållighet avseende såväl avdunstningsfunktion som reningskapacitet. Redovisningen inkluderar förslag till FoU-insatser för att öka kunskapen kring flera viktiga återstående frågor. Förutom insatser av mera teknisk natur föreslås även att en praktisk handbok tas fram för dimensionering, drift och skötsel av anläggningar för lakvattenrening i markbaserade växtsystem. 2
INNEHÅLL 1 Inledning 4 2 Tillämpning i Sverige 5 3 Dimensionering några aspekter 7 3.1 Allmänt 7 3.2 Val av behandlingsyta 7 3.3 Val av vegetation 9 3.3.1 Allmänt 9 3.3.2 Vattenaspekter 9 3.3.3 Kväveaspekter 10 3.3.4 Salttolerans 11 3.4 Reningsprocesser 11 3.4.1 Allmänt 11 3.4.2 Kväve 12 3.4.3 Fosfor 13 3.4.4 Suspenderat material 13 3.4.5 Metaller 13 3.4.6 Organiska ämnen 14 3.5 Hydraulisk belastning 14 3.5.1 Allmänt 14 3.5.2 Hydraulisk belastning med avseende på permeabilitet 14 3.5.3 Hydraulisk belastning med hänsyn till kvävebelastning 15 3.6 Erforderlig behandlingsyta 17 3.7 Erforderlig lagringsvolym 17 3.8 Anläggningsdelar 18 3.8.1 Allmänt 18 3.8.2 Uppsamling 18 3.8.3 Uppfordring, stamledning och lateraler 18 3.8.4 Spridning 19 4 Drift och skötsel några aspekter 20 4.1 Allmänt 20 4.2 Distributionssystemet 20 4.3 Bevattningsmängder 21 4.4 Behandlingsytan 22 4.5 Användning av producerad biomassa 22 4.6 Reningseffekter 23 4.6.1 Allmänt 23 4.6.2 Storlysimetrar 24 4.6.3 Kloridjonen som spårparameter 25 5 Forsknings- och utvecklingsbehov 27 Bilaga 1. Information kring lakvattenrening i markbaserade växtsystem vid besökta eller kontaktade anläggningar. 3
1 Inledning Deponering av avfall har förändrats genom årens lopp från huvudsaklig behandlingsmetod för alla typer av avfall till vad vi idag uppfattar som ett sofistikerat behandlingsled i den integrerade avfallshanteringen. Avfallssnål produktion, avfallsreduktion, återvinning och tillämpning av nya avfallsbehandlingsmetoder till trots; deponering är och förblir en viktig komponent i avfallshanteringen inom överskådlig tid. Avfall som deponeras utsätts för fysikaliska, biologiska och kemiska processer vilka påverkas av vattenförekomsten i upplaget och storleken av vattenflödet (nettonederbörden) genom upplaget. Alla tre tillståndsfaserna förekommer i en deponi: den fasta fasen (organiskt och oorganiskt avfallsmaterial), gasfasen (primärt metangas, koldioxid och vattenånga) och den flytande fasen (lakvatten). Löst eller suspenderat organiskt och oorganiskt material från avfallet övergår till lakvattnet. Avsaknad av omhändertagande och rening av lakvattnet kan påverka omgivande mark och grundvatten i mindre eller högre grad. De föroreningar som en gång deponerats kommer i en eller annan form förr eller senare att avgå från upplaget i gas- eller vattenfas. Miljöpåverkan till följd av lakvattenutsläpp kan emellertid begränsas om lakningsbenägenheten hos det avfall som deponeras är liten, om vattentillförseln i deponin via nederbörden (direkt eller indirekt) minimeras, och om utlakningen kan styras i tiden. Lakvatten från en deponi genereras trots förebyggande åtgärder och kräver i de allra flesta fall särskilt omhändertagande för att ytterligare begränsa miljöpåverkan. Metoder för konventionell lakvattenbehandling kan klassificeras som fysikaliska/ mekaniska (t ex sedimentation, omvänd osmos), kemiska (t ex kemisk fällning, kemisk oxidation), biologiska ( t ex luftad damm, SBR) som med syftet att spara behandlingsvolymer dvs. markresurser kräver förhållandevis stora insatser av andra resurser främst energi och råvaror (material, kemikalier). De naturnära metoderna för lakvattenbehandling bygger också på fysikaliska, kemiska och biologiska processer men i högre grad än i de konventionella utnyttjas dessa där de förekommer naturligt eller tas i anspråk i anpassade eller konstruerade anläggningar. De naturliga systemen är ofta mer arealkrävande men mindre resurskrävande för övrigt. Detta medför också att de naturanpassade metoderna möjliggör lägre investerings- och driftkostnader. Exempel på naturliga behandlingsmetoder för lakvatten som tillämpas i bl a Sverige framgår av sammanställningen nedan. Exempel på metoder med naturanpassad lakvattenrening Bevattning/översilning av befintligt skogsområde, befintlig ängsmark e d Bevattning av insådd gräsyta eller yta planterad med t ex energiskog (Salixodling) Markinfiltration inom markområde med god genomsläpplighet 4
Markbäddar med konstruerade filter av graderat sand- och grusmaterial Våtmarksområde med befintlig vattenväxtlighet Konstruerad våtmark planterad med anpassad vattenvegetation Denna rapport behandlar Bevattning, dvs. metoder enligt de två första punkterna. Bevattning med lakvatten, Lakvattentillförsel i mark-växt-system, Behandling av lakvatten i markbaserade växtsystem eller varianter av dessa används ofta synonymt. Man menar således ofta samma sak, men begreppet bevattning är egentligen förbehållet system där lakvatten i första hand ses som en resurs med avseende på återvinning av vatten- och näringsresurser för produktion av växtbiomassa för t ex energiändamål. Vanligtvis är det primära syftet med anläggningarna avdunstning och rening av lakvatten medan resursåtervinningen är av sekundärt intresse varför exempelvis uttrycket Behandling av lakvatten i markbaserade växtsystem i de allra flesta fall är en mer korrekt beskrivning av detta teknikområde. Det engelska begreppet phytoremediation ( phyto =växt; remediation = ung. rening, sanering, dekontaminering), ibland försvenskat till fytoremediering, betecknar i vid mening behandling/rening/sanering med hjälp av växter av vatten, jord, slam, sediment eller annat medium som är förorenat/kontaminerat. Begreppet lanserades för ca 10 år sedan och vid litteratursökning kring t ex lakvattenrening i markbaserade växtsystem kan information ofta hittas under sökordet phytoremediation. I kap. 2 redovisas deponier i Sverige som tillämpar markbaserade växtsystem som enda eller huvudsakliga teknik för lakvattenrening. Med hänsyn till att underlag för dimensionering inte finns samlat sedan tidigare görs ett försök i kap. 3 att sammanställa några tumregler kring design baserade på svenska och utländska erfarenheter. I kap. 4 redovisas några drift- och skötselaspekter baserade på bl a erfarenheter från ett 20 tal svenska anläggningar. Förslag till FoU-insatser listas avslutningsvis i kap 5. 2 Tillämpning i Sverige Behandling av lakvatten i markbaserade växtsystem har på allvar uppmärksammats internationellt de senaste 20-25 åren som en kostnadseffektiv och hållbar metod att behandla lakvatten. Det är framförallt i Storbritannien, Kanada och Skandinavien som tekniken vunnit gehör. Att utbredningen är störst i dessa regioner kan bero på här rådande tempererat klimat med en förhållandevis hög nettonederbörd (nederbörd avdunstning) som genererar tämligen stora lakvattenmängder. Till följd av den höga nettonederbörden sker utspädning av lakvattnets föroreningsinnehåll och således blir resultatet ett lakvatten med låga koncentrationer i jämförelse med "källstyrkan" hos i deponin. Det finns veterligen inte något exempel med bevattning med lakvatten där innehållet av COD och BOD ligger i närheten av källstyrkan (10 000-tals mg/l). Detta beror främst på risken för syrebrist i systemen och uppenbara risker för luktproblem. I Sverige förekommer överhuvudtaget inte så kraftigt förorenade lakvatten vid kommunala deponier. Vid nyanlagda depo- 5
nier kan erfordras viss förbehandling några år för reduktion av organiskt innehåll. Vanligt förekommande förbehandling såväl internationellt som i Sverige är tvångsluftade eller naturligt luftade dammar. Äldre deponier som nått metanskedet ger svagt basiska lakvatten med avsevärt lägre halter än vid nyare upplag, möjligen med undantag av innehållet av klorider och kväve som inte minskar med tiden i samma omfattning som de flesta andra parametrarna. Vid äldre deponier finns därför som regel ingen förbehandling. Behandlingsytan kan vara en befintlig äng- eller skogsmark. I Sverige har det vanligaste hittills varit att iordningställa en särskild behandlingsyta antingen på avslutad del eller avslutade delar av deponiytan eller inom ett eller flera områden utanför upplaget. Som regel har ytan såtts in med någon gräsblandning eller planterats med någon Salixklon (Salix = pil eller vide) med härkomst från det svenska programmet för förädling av energigrödor. Men det finns också exempel på att befintliga bevuxna områden i anslutning till deponin används som behandlingsyta. I sammanställningen nedan framgår de 37 anläggningar i Sverige som för närvarande finns i drift (enligt författarens vetskap) med omfattning avseende behandlingsytans areal och vegetationstyp. Anläggningarna finns i landets södra hälft, från Östersund och Nordanstig i norr till Ystad i söder. Det klart vanligaste växtslaget är Salix som förekommer vid 2/3 av anläggningarna. Många av deponierna, ca 40 %, planerar för en utvidgning av systemen. I flera kommuner, som inte har mark-växt-system idag, sker småskaliga försök för att testa tekniken inför beslut om etablering i fullskala. Anläggningar med lakvattenrening i markbaserade växtsystem Deponi (kommun) Areal, ha Vegetationstyp Angelskog (Ronneby) 3 (+) Salix Barnamossen (Kungsbacka) 4 (+) Salix Boda (Nässjö) 3 Salix Brista (Sigtuna) 4 (+) Salix Bubbetorp (Karlskrona) 9 (+) Salix Dvästa (Nordanstig) 2 Kärrartad sumpskog Filborna (Helsingborg) 13 (+) Salix, gräs, björk, (gran) Gryta (Västerås) 7 Salix Gräfsåsen (Östersund) 10 Al, hallon, mjölkört, orkidéer Hedeskoga (Ystad) 5 (+) Salix Holkesmossen (Hagfors) 1,2 Salix, björksly Hyllstofta (Klippan) 12 (+) Salix, björk, gran, + tippyta Hästeskedmossen (Munkedal) 0,6 Myrmark Högbytorp (Upplands Bro) 35 (+) Salix, blandskog, gräs, + tippyta Kattarp (Östra Göinge) 3 (+) Salix Kejsarkullen (Hultsfred) 2 Blandskog, ormbunke Kikås (Mölndal) 15 ( ) Salix Kovik (Nacka) 4 Salix 6
Kungsladugården (Laholm) 5 Salix Långtå (Söderhamn) 1 Tallskog Moskogen (Kalmar) 12 (+) Salix, gräs Må (Örnsköldsvik) 3 Gräs Måsalycke (Simrishamn) 1,5 Salix, skog Nolängen (Bengtsfors) 5 (+) Salix Odenslund (Gullspång)? Blandskog, gran, tall Omma (Sjöbo) 1 (+) Salix, poppel Rönneholm (Eslöv) 10 Salix, gräs Stavröd (Hörby) 1 Gräs, sly Stomsjö (Värnamo) 7 Salix, lövskog (björk) Tagene (Göteborg) 1 Salix Trönninge (Halmstad) 10 Salix Ulvberget (Hudiksvall) 2,5 Skogsmark Vankiva (Hässleholm) 4 (+) Salix Vika (Katrineholm) 5 (+) Salix Åsen (Bromölla) 1,5 (+) Salix Änglarp (Svenljunga) 5 Myrvegetation, björk Östby (Åmål) 3,5 Myrvegetation, kaveldun (+) = Planerad expansion av anläggningen (15 st) ( ) = Planerad avveckling av anläggningen (1 st, pga nedläggning av deponin) 3 Dimensionering några aspekter 3.1 Allmänt De anläggningar som finns i Sverige har ofta dimensionerats utifrån empiriskt underlag från behandlingssystem i drift. Det saknas ännu generella dimensioneringsanvisningar för anläggningar med lakvattenbevattning. Baserat på erfarenheter såväl utomlands som från svenska behandlingsanläggningar redovisas i detta kapitel några aspekter kring dimensionering. Uppgifter har även hämtats från internationell praxis kring bevattning/översilning med kommunalt avloppsvatten i de fall detta bedömts relevant. 3.2 Val av behandlingsyta Den yta som väljs för ett markbaserat växtsystem bör ha en medelgod genomsläpplighet, dvs. en infiltrationskapacitet på omkring ett par centimeter/timme, som är optimal för växten och behandlingsresultatet. Högre genomsläpplighet (> 5 à 10 cm/h) medför minskad retention av föroreningar och reducerade möjligheter för växten att tillgodogöra sig vatten och näring. Lägre genomsläpplighet (< 1 à 5 mm/h) motsvarande förhållandena i siltig lera/lera kan ge syrebrist i rotzonen på grund av att marken är vattenmättad under lång tid. Jordar med fin textur kan också resultera i pölbildning om bevattningsområdet är horisontellt, alternativt medföra ytavrinning på ytor som är sluttande eller allmänt kuperade. Sluttande marker med lutningar överstigande 1:10 bör inte användas såvida inte marken är genomsläpplig och det inte finns väl tilltagna buffertzoner i lågpunkterna. En alltför kraftig lutning kan också beroende på markens och växttäckets beskaffenhet medföra risk för erosion. Å andra sidan kan en alltför flack behandlingsyta resultera i att vatten blir stående. På 7
täta jordar med bestående pölar under längre perioder (flera veckor) kan vissa gräsarter hämmas och även dödas. En idealisk yta bör ligga i lutningsintervallet 1:10 1:30 och helst inte vara flackare än 1:50. Detta gäller främst gräsvegetation. För buskar eller träd kan ytan även på finare jordarter i princip vara horisontell förutsatt att rotsystemet är okänsligt för höga vattenhalter. Ytans beskaffenhet när det gäller vald lutning och marktyp är också beroende av om avsikten är uppsamling av överskottsvatten före punktutsläpp eller om det perkolerade vattnet avses följa områdets naturliga dränering. Markdjupet bör vara minst 1 m. Områdets geologi bör inte utgöras av sprickig berggrund med mindre än att markprofilen är tämligen mäktig. Som generell tumregel gäller att minsta avstånd till grundvattenytan bör vara 1 m. En mäktighet av den omättade zonen på minst 1 m medför att rotzonen kan bibehållas aerob så att växterna kan utvecklas normalt och en rimlig behandlingsnivå kan uppnås. En allmän restriktion för val av behandlingsyta är att det inte finns grundvattentäkter i närheten av området. Avstånd till vattentäkter och potentialen för spridning av eventuella föroreningar till grundvattnet får värderas från fall till fall. Åkermark med välfungerande dräneringsledningar bör normalt inte användas på grund av risken för alltför snabb vattentransport ut från systemet. Om avställd åkermark kommer till användning bör således dräneringar eventuellt brytas såvida rimlig infiltrationskapacitet bedöms kunna uppnås. Markområden gränsande till bostäder, betesmarker, rekreationsområden, vägar eller vattendrag bör inte utnyttjas som behandlingsytor om inte tillräckliga skyddszoner kan anordnas. Omfattningen av skyddszonerna är inte uttalad och finns normalt inte heller reglerade i myndighetsvillkoren. Analys av lokaliseringen av behandlingsytan är något som bör inkluderas i miljökonsekvensbeskrivningen. De första markbaserade växtsystemen som etablerades i Sverige för 15-20 år sedan anlades inom deponiområdet (innanför systemen för lakvattenuppsamlingen) på avslutade etapper eller på etapper som var temporärt avtäckta eller ännu inte var påbörjade. På den tiden var detta ofta ett krav från myndigheternas sida för att begränsa eventuell miljöpåverkan i deponins omgivning. Vid de anläggningar om än få som gjort uppföljningar av reningseffekter med hjälp av exempelvis lysimetrar i rotzonen över avfallet har man konstaterat goda resultat. Bl a därför har det på senare år blivit mer allmänt att ta i anspråk behandlingsytor utanför deponin och dess dräneringssystem. Härvid har frihetsgraderna ökat och samtidigt har möjliggjorts att fler deponier kunnat tillämpa tekniken som alternativ till annan lokal hantering eller överledning till avloppsreningsverk. System som anläggs på upplagsytan i samband med avslutningsarbeten bör ske med en växtbädd som är minst en halv meter för att inte riskera skador på tätskiktet till följd av rotnedträngning. Om vatten- och näringstillgången är tillräcklig i växtbädden finns det inte anledning för växten att utveckla djupgående rötter. Det har exempelvis visat sig att en bevattnad, välgödslad och fullvuxen (4-5 m hög) Salixodling kan ha rotsystem som är grundare än 0,5 m utan att stabiliteten äventyras. 8
3.3 Val av vegetation 3.3.1 Allmänt En generell utgångspunkt är att man av kostnadsskäl önskar minimera behandlingsområdets areal. Ofta kan också tillgången på lämplig mark i nära anslutning till deponin vara begränsad. Detta medför att viktiga parametrar vid dimensionering av system med lakvattenbevattning är dels den hydrauliska belastningen, dels belastningen av kväve. De växtslag som ingår i ett mark-växt-system skall därför i första hand kännetecknas av: Stort vattenbehov Hög tolerans mot hög fukthalt i rotzonen Högt kväveupptag Hög tolerans mot hög salthalt i rotzonen Av mera underordnad betydelse är normalt faktorer som: Rotsystemets bidrag till ökad infiltrationsförmåga Växtens krav på vattenkvaliteten med avseende på eventuellt växttoxiska effekter Möjligheten till inkomst från skördat växtmaterial 3.3.2 Vattenaspekter Vegetationstyper som är vatten- och kvävekrävande och även vanligast förekommande i lakvattensammanhang är framförallt olika gräs- och lövträdsarter. Även barrskog kan utnyttjas men har visats vara relativt känslig för kraftiga variationer i vattentillförsel och inte lika fukttolerant som gräs- och lövträdsvegetation. En väletablerad lövskog har överlag en hög vattenförbrukning och kan konsumera upp till 30 % mer vatten än en barrskogsvegetation under ett år. Barrträd har på en del håll haft svårt att växa till och även befintlig granskog har visat tendenser att dö bort efter några års lakvattentillförsel. Såväl fleråriga gräs som träd med en relativt lång växtsäsong kan utnyttjas för lakvattenbehandling under en stor del av året. Härvid begränsas behovet av lakvattenlagring under icke växtsäsong. Salix är det vanligaste förekommande växtslaget i svenska anläggningar, se sammanställningen över deponier, kap. 2. Salix är troligtvis också den lämpligaste växttypen för deponier i sydligaste Sverige. I de nordligare delarna av landet är Salix mindre vanlig vilket delvis kan bero på att det Salixmaterial som hittills använts varit frostkänsligt. Idag finns det dock kommersiella Salixkloner som är avsevärt mer frosthärdiga. Metoder för plantering, drift och skötsel av Salixodlingar är etablerade och välkända sedan flera år tillbaka. Om man väljer att låta den iordningställda ytan självetableras med spontan vegetation erhålls en behandlingsyta som är anpassad till rådande klimat och kan tåla de förhållanden som uppstår med lakvattentillförseln. Detta ger dock sannolikt en sämre behandlingseffekt på sikt 9
än om en specifik växt med god renings- och avdunstningsförmåga används. I det senare fallet är det emellertid viktigt att i etableringsfasen bekämpa eventuell ogräsförekomst. När det gäller Salix så måste ogräsbekämpning tillämpas under planteringsåret (Salix planteras lämpligast på våren). Om detta lyckas väl är det i det allra flesta fallen inga problem i fortsättningen eftersom Salix som utvecklas normalt växer högre än de vanligaste ogräsen redan under det andra året och konkurrerar ut annan växtlighet. Vattenbehovet varierar beroende på växtslag, årstid och klimatzon. En Salixodling kan i södra och mellersta Sverige konsumera ca 1000 1200 mm vatten per år motsvarande den dubbla normalårsnederbörden. Härvid avses den totala vattenförbrukningen eller evapotranspirationen, dvs. transpiration från växten, evaporation från markytan och interception (direktavdunstning av nederbörd från växtytan). Maximalt kan evapotranspirationen i en Salixodling uppgå till 7 8 mm/d med en medelavdunstning på 4 5 mm/d under växtperioden. För gräsvegetation är evapotranspirationen lägre beroende på att den sammanlagda bladytan är mindre än i ett Salixbestånd. Från en gräsyta uppgår evapotranspirationen till 2 3 mm/d i medeltal under växtsäsongen i södra delen av landet. Erfarenhetsmässigt är tendensen till pölbildning (och därmed ytavrinning) högre i en gräsvegetation än i en Salixodling. Detta beror sannolikt på att Salixrötter är förhållandevis grova vid markytan medan finare rötter finns först längre ner i markprofilen. Gräs har ett grundare och mer fintrådigt rotsystem vilket kan medföra att pölar bildas redan vid måttligare regn eller då överbevattning tillfälligtvis sker. Detta gör att en större del av den omättade zonen i en lövskogsvegetation kan utnyttjas som tillfälligt utjämningsmagasin innan fältkapacitet uppnås och pölbildning eller ytavrinning uppstår. 3.3.3 Kväveaspekter Växtupptag av kväve kan beroende på kvävetillförseln i systemet (kvävebelastningen) svara för en större eller mindre del av kvävereduktionen. Växter kan assimilera både ammonium och nitrat. De flesta växter tar upp ammonium något snabbare än nitrat eftersom upptag av nitrat är mest energikrävande för växten. Däremot har man i försök inte kunnat visa att enbart tillgång till nitrat i markvätskan resulterar i lägre tillväxthastighet trots en förmodad högre energiförlust totalt sett. Det torde således inte ha någon avgörande betydelse för växten och dess tillväxt i vilken form det tillgängliga kvävet förekommer. För att växtens upptag av kväve skall vara intressant ur kvärereningssynpunkt måste växten skördas och bortföras från behandlingsytan. I Storbritannien finns flera exempel på bevattning med lakvatten av betesvall varvid således en relativt hög reduktion av kväve kan anses uppnås via upptaget i vallgräset. Om inte gräset betas eller skördas utgör växtupptaget inget egentligt bidrag till kvävereningen. Dock sker en temporär uppbindning till organiska kväveföreningar av de oorganiska mer lättrörliga fraktionerna ammonium och nitrat. Detta ger dels en fördröjning av utlakningen, dels bättre förutsättningar för nitrifikation och denitrifikation i marken till följd av den delvis minskade kvävebelastningen på systemet. För en uthållig kvävereduktion måste emellertid den kvävemängd som binds upp i vegetationen omhändertas och tas ur systemet. Trädvegetation såväl barr- som lövskog har ett högre värde som material eller energiråvara varför förutsättningarna för avsättning av den producerade biomassan i dessa system är större än för anläggningar baserade på gräsvegetation. Detta betyder att kvävereningspotentialen också är större i system med trädvegetation. 10
Växtupptag av kväve varierar beroende på växtslag. Gräs i vårt klimat av typen rajgräs och olika svingel omsätter mellan 100 och 250 kg N/ha/år medan hundäxing, ett av våra vanligaste vallgräs, har ett kvävebehov på mellan 300 och 350 kg N/ha/år. Träd har ett något lägre kväveupptag, 100 200 kg N/ha/år. Ett lövträdsbestånd har överlag ett något större kvävebehov än barrträdsvegetation. 3.3.4 Salttolerans All vegetation är känslig för höga salthalter i rotzonen. Det är inte lakvattnets salthalt som är dimensionerande utan den faktiska salthalten i rotzonen. Om jorden torkar ökar salthalten vilket leder till högre osmotiskt tryck och en högre salthalt i rotsystemet. En alltför hög salthalt medför svårigheter för växten att ta upp vatten. För svenska förhållanden är detta i allmänhet självreglerande eftersom salter tvättas ut från växtsystemet under vinterperioden. Enstaka somrar med långvarig torka kan dock salthalten påverka växterna negativt. Under sådana omständigheter kan bevattningsmängden ökas temporärt. Om man befarar problem långsiktigt kan det vara idé att styra lakvattentillförseln efter markvattenhalten genom att installera fukthaltsmätare. Informationen är bristande beträffande olika växters salttolerans i lakvattensammanhang. Vid kloridhalter i lakvattnet överstigande 1 000 mg/l bör dock försiktighetsåtgärder vidtas oavsett vilken vegetation det gäller. Om lakvattnet finns att tillgå bör salttoleransen hos det aktuella växtslaget testas i fält under verkliga förhållanden och/eller på laboratorium. I laboratoriet ger test i spädningsserier värdefull information om växtens respons vid olika salthalter i rotzonen. Vanligtvis utgör inte salt några problem i markbaserade växtsystem i Sverige. Kloridhalterna brukar sällan överstiga 500 mg/l. I ett fall rapporteras dock kloridhalter på 1 100 1 500 mg/l. Här har bevattningsintensiteten varit relativt måttlig, 100 200 mm/år, vilket kan vara en förklaring till att inga växtskador noterats. 3.4 Reningsprocesser 3.4.1 Allmänt Aktiva delar och processer som karakteriserar bevattning med lakvatten eller markbaserade växtsystem som tillförs lakvatten framgår i tablån nedan. Aktiva delar och processer i ett markbaserat växtsystem Markpartiklar filtrerar suspenderat material och fixerar lösta komponenter kemiskt genom adsorption, jonbyte och utfällning Makro- och mikroorganismer transformerar och stabiliserar organiskt material samt transformerar kväveföreningar Vegetationen utnyttjar makro- och näringsämnen i lakvattnet för sin celltillväxt, bidrar till att bibehålla den hydrauliska kapaciteten i marken samt reducerar lakvattenmängden genom transpiration 11
3.4.2 Kväve Kväve är oftast den parameter i lakvatten som är mest problematisk ur recipientsynpunkt. Beroende på aktuellt växtupptag och utnyttjande av den producerade växtbiomassan samt förutsättningarna för kvävereningsmekanismerna i marken, kan kvävebelastningen på systemet vara dimensionerande för kväveutläckaget från systemet. Väsentliga processer för kvävereduktionen i markbaserade växtsystem är mineralisering, nitrifikation, denitrifikation och växtupptag. Aspekter avseende växtupptag framgår av kap. 3.3.3. Mineralisering. Kväve i "normala" lakvatten föreligger till ca 90 % som ammonium medan resten är organiskt bundet. Mineraliseringen, eller nedbrytningen av det organiska materialet, går tämligen snabbt i aerob miljö varför man i växtsystem med en tillräckligt tilltagen omättad zon (> 1 m) kan förvänta sig en i princip fullständig mineralisering av det organiskt bundna kvävet. Det organiskt bundna kvävet omformas till ammoniumkväve som sedan kan oxideras till nitrat mikrobiellt via nitrifikation och vidare reduceras via denitrifikation. Nitrifikation av ammonium till nitrat är en aerob process som sker i två steg där nitrifikationsbakterierna utnyttjar de reducerade kväveformerna ammonium resp. kvävedioxid som energikälla och behöver därför ingen tillgång till organiskt kol. Däremot behöver de koldioxid som kolkälla för sin celluppbyggnad. Nitrifikation är en tämligen snabb process och huvuddelen sker i det översta markskiktet (0-10 cm). Liksom andra biologiska processer ökar nitrifikationsaktiviteten med temperaturen. Av speciellt intresse i vårt klimat är emellertid att betydande nitrifikation också påvisats vid temperaturer i intervallet 0 5 o C i anläggningar med avloppsbevattning. Surhetsgraden är en viktig faktor för nitrifikationen. Optimum är kring ph 7 à 8 och under ph 6 hämmas nitrifikationen markant. Eftersom vätejoner produceras vid nitrifikation måste ph-sänkningen kompenseras på något sätt. Genom att systemet omväxlande dränks och dräneras till följd av bevattningens intermittens sker också denitrifikation, dvs. nitrat övergår till kvävgas. Vid denitrifikation bildas hydroxidjoner som kompenserar försurningen. Denitrifikation av nitrat sker med nitrit och dikväveoxid (lustgas) som intermediära former, och har således molekylärt kväve som slutprodukt. Denitrifikation sker endast under syrgasfria förhållanden. Denitrifikationsbakterierna är fakultativt aeroba organismer, vilket innebär att de kan använda nitrat som slutlig elektronacceptor vid oxidation av organiskt material, men att de övergår till aerob metabolism så snart syre finns tillgängligt. Liksom vid konventionell kvävereduktion är tillgången på lätt nedbrytbar kolkälla avgörande för denitrifikationen. Kolkälletillgången utgör normalt inga begränsningar i markbaserade växtsystem till följd av närvaro av förna och döda rotdelar samt utsöndring av lättillgängliga organiska sk exudat från rötterna. Denitrifikationen i växtsystem som tillförs lakvatten gynnas också av en hög bevattningsfrekvens, dvs. återkommande växling mellan syrefattig (denitrifikationsdrivande) och syrerik (nitrifikationsdrivande) markmiljö. Nitrifikation/denitrifikation är lätt att åstadkomma i markbaserade växtsystem. Detta gör att systemet kan belastas med kväve som till mängden vida överstiger växtens behov. Begränsande är graden av perkolation av kväve till grundvattnet i de fall då behandlingsytan är placerad utanför deponin. 12
Andra kvävereducerande processer är markfixering (nettoimmobilisering) och ammoniakavdunstning. Det är väldokumenterat att någon uthållig nettoackumulation av ammonium och/eller nitrat till markpartiklar inte sker och kan därför i praktiken bortses från ur kvävereduktionssynpunkt. Avdunstning av ammoniak från marken kan ske vid ph-värden överstigande 8 då ammonium (NH 4 + ) teoretiskt övergår till ojoniserad gasformig ammoniak (NH 3 ). Från amerikanska undersökningar har rapporterats avgång av ammoniak vid avloppsbevattning med upp till 20 % av den tillförda kvävemängden vid ph 8 à 8.5. I mark med låg katjonbyteskapacitet, dvs. relativt sandiga eller organiska jordar, gynnas ammoniakavdunstning. Ammoniak- avdunstning kan utgöra en väsentlig del av kväveavskiljningen, men bör begränsas så långt möjligt. Ammoniak som avgår till atmosfären utgör ingen hållbar avskiljning utan kvävet återkommer via atmosfäriskt nedfall och/eller nederbörd och belastar markytan på nytt. 3.4.3 Fosfor Innehållet av fosfor i lakvatten generellt är lågt och är snarare tillväxtbegränsande i växtsystem än problematiskt ur föroreningssynpunkt. Det finns exempel på att fosforinnehållet i lakvatten motsvarar endast 1 à 2 % av växtens behov vid normal lakvattenbevattning. Vanligtvis är markens fosforförråd tillräckligt de första åren medan på sikt fosforgödselmedel måste tillföras för att kompensera upptaget i växten. Ibland har detta skett genom gödsling med kemfällt slam från reningsverk. Dosering av fosforlösning via bevattningssystemet til - lämpas vid några anläggningar. 3.4.4 Suspenderat material Suspenderat material avskiljs primärt genom filtrering i markens ytskikt. Från anläggningar i England baserade på recirkulation (återpumpning till upplagsytan utan vegetation) med hög föroreningsbelastning har rapporterats att markytan med några års mellanrum måste luckras upp för att bemästra tilltagande igensättning av markporerna. Ett annat exempel med ett lakvatten med tämligen höga järnhalter, > 50 mg Fe/l, har resulterat i järnutfällningar som markant reducerat infiltrationskapaciteten. Det finns inga rapporter om igensättning i markytan vid svenska anläggningar varför suspenderat material i lakvatten i normalfallet inte torde vara en begränsande parameter vid dimensioneringen. 3.4.5 Metaller Innehållet av tungmetaller i lakvatten är oftast lågt och inte dimensionerande med hänsyn till miljöpåverkan eller växttoxisk påverkan. I det metanogena skedet, som tidsmässigt är det helt dominerande för processerna i en deponi, är lakvattnet basiskt och metaller i hög grad bundna till svårlösta sulfidkomplex. Detta gäller så länge nedbrytningen av organiskt material pågår och det råder syrebrist i deponin. När syreinträngningen ökar efter hand kan metaller börja lösas ut med lakvattnet. Flerårig lakvattentillförsel till växtsystem kan medföra ackumulation av metaller i marken eller upptag i vegetationen. Uppföljning av metallhalter i marken i anläggningar som drivits flera år visar inte på förhöjda halter. 13
3.4.6 Organiska ämnen Partikulärt organiskt material filtreras tämligen effektivt i det övre markskiktet medan lösta organiska ämnen kan adsorberas till markpartiklar och rotdelar på vilka mikroorganismer, som bryter ner organiska ämnen, är fastsittande. Organiskt material (BOD eller COD) bryts snabbast ner genom aerob mikrobiell oxidation: Organiskt material + Syrgas ==> Koldioxid + Vatten + Energi Istället för att forcerat tillföra luft som vid exempelvis konventionell aktivt slam behandling, sker syretillförseln naturligt i det markbaserade växtsystemet genom att man håller en låg grundvattennivå, växlar mellan dränkta och dränerade förhållanden, eller åstadkommer en så god dränering att markprofilen alltid är luftad. Om de fria syret förbrukas eller då markprofilen är tillfälligt dämd (efter regn eller bevattningstillfälle) kan det organiska materialet omsättas av denitrifikationsbakterier genom att nitrat utnyttjas som elektronacceptor. Icke flyktiga organiska spårämnen (t ex biocider) adsorberas i de flesta jordar och bryts ner mikrobiellt mer eller mindre snabbt. Kunskaperna är begränsade när det gäller innehållet av dessa ämnen i lakvatten. Innehållet kan självfallet variera med vad som deponerats men sannolikt sker en god nedbrytning i själva deponin. I anläggningar med bevattning med kommunalt avloppsvatten är innehållet av biocider lägre än vad som används i jordbruket normalt. För vanliga lakvatten med BOD- och COD-halter på upp till som mest 600 à 800 mg/l är den organiska belastningen erfarenhetsmässigt sällan dimensionerande. 3.5 Hydraulisk belastning 3.5.1 Allmänt Avgörande för den erforderliga bevattnings-/behandlingsytans storlek är den hydrauliska belastningen och indirekt såväl markens permeabilitet som eventuella begränsningar av kvävebelastningen till grundvattenzonen. Vid etablering av behandlingsyta på deponin eller på område innanför lakvattenuppsamlingen är inte kvävebelastningen lika kritisk som då markbaserat växtsystem etableras utanför upplaget. Nedan redovisas arbetsgången vid dimensioneringen. 3.5.2 Hydraulisk belastning med avseende på permeabilitet En enkel vattenbalansekvation för lakvattenbevattning, förutsatt att ingen ytavrinning förekommer framgår nedan (Ekv. 1). Den maximala lakvattentillförseln kan bestämmas enligt följande: L P = E N + P (Ekv. 1) där L P = Lakvattentillförsel, mm/månad 14
E = Evapotranspiration, mm/månad N = Nederbörd, mm/månad P = Perkolation, mm/månad 1. Bestäm dimensionerande nederbörd (N), helst från lokal nederbördsstatistik. Alternativt hämtas uppgifter från närmaste SMHI-station som anpassas till de lokala förhållanden. 2. Uppskatta evapotranspirationen (E) från det aktuella växtsystemet, se kap. 3.3.2. Viss information kan erhållas från SMHI. Lokala förhållanden är dock oftast helt avgörande. 3. För att bestämma perkolationen (P), bestäm den minsta permeabiliteten i markprofilen genom infiltrationstest inom det aktuella området. Använd om möjligt det aktuella lakvattnet. Alternativt, uppskatta permeabiliteten i samband med jordartbestämning. Reducera uppskattad permeabilitet med hänsyn till markens heterogenitet. 4. Beräkna den månatliga hydrauliska belastningen med hjälp av Ekv. 1 och summera för att erhålla den möjliga årliga lakvattentillförseln, L P. 3.5.3 Hydraulisk belastning med hänsyn till kvävebelastning I område med risk för påverkan av kväve (nitrat) beträffande närliggande vattentäkter kan kvävebelastningen på växtsystemet vara begränsande. Följande kontroll kan göras för att beräkna om kvävetillförseln blir dimensionerande: 1. Beräkna den maximala hydrauliska belastningen med hjälp av Ekv. 2: L N = C P x (N E) + U x 10 / {(1 A) x C N C P } (Ekv. 2) där L N = Lakvattentillförsel, mm/år C P = Dimensionerande kvävehalt i perkolerat lakvatten, mg N/l N = Nederbörd, mm/år E = Evapotranspiration, mm/år U = Upptag av kväve i vegetation, kg N/ha/år 15
A = Andel av tillförd kvävemängd som avgår via denitrifikation och ammoniakavdunstning C N = Kvävehalt i tillfört lakvatten, mg N/l Som extra säkerhet vid beräkningen kan det konservativt förutsättas att: all perkolerad kväve till grundvattenzonen är nitrat kväve inte fastläggs i marken inte utspädning/blandning av omgivande grundvatten sker. 2. Den dimensionerande kvävehalten i perkolerat lakvatten, C P, antages vara den tillåtna halten för nitratkväve, 10 mg NO 3 -N/l, för såväl enskild vattentäkt som allmän vattenförsörjningsanläggning med avseende på hälsoaspekter. 3. Bestäm dimensionerande nederbörd (N), helst från lokal nederbördsstatistik. Alternativt hämtas uppgifter från närmaste SMHI-station som anpassas till lokala förhållanden. 4. Uppskatta evapotranspirationen (E) från det aktuella växtsystemet, se kap.3.3.2. Viss information kan erhållas från SMHI. Lokala förhållanden är dock oftast helt avgörande. 5. Bedöm upptaget av kväve i den aktuella växten/växterna (U). Här utnyttjas oftast erfarenhetsvärden, se kap.3.3.3. Lokala förhållanden är bestämmande i hög grad. 6. Den andel kväve som avgår till atmosfären, A, bedöms från fall till fall. Det finns inte tillgång till vederhäftiga data, varken i Sverige eller i utlandet. Vid avloppsbevattning brukar kväveförlusterna i normala fall uppgå till 25 à 30 % som mest, i extremfall mer än 90 %. Lakvatten har som regel högre kväveinnehåll än avloppsvatten varför förlusterna sannolikt är högre vid lakvattenbevattning än avloppsbevattning. Ett konservativt antagande är givetvis att sätta A = 0, men eftersom denitrifikation vanligtvis eftersträvas i markbaserade växtsystem kan A = 0,25 föreslås som ett rimligt värde. 7. Kvävehalten i lakvattnet, C N, är som regel känd från befintliga data. Eventuella kvalitetsförändringar med tiden bedöms från fall till fall. Vid nyanlagd deponi utan tillgång på relevant lakvatten används erfarenhetsvärden. 8. Lakvattentillförseln, L N, beräknas enligt Ekv. 2. 9. Den dimensionerande lakvattentillförseln blir således den minsta av L N resp. L P enligt kap. 3.5.2. 10. Om L N blir dimensionerande, beräkna L N månad för månad med månadsvärden för U och (N E) och jämför med L P månad för månad. Välj det minsta värdet av de två för varje månad och summera för att erhålla ett årligt värde på den dimensionerande lakvattentillför- 16
seln i växtsystemet. Detta ger en extra säkerhet om man bedömer situationen kräva en sådan. 3.6 Erforderlig behandlingsyta Den erforderliga behandlingsytan beräknas med följande samband: A B = (Q + dv) / (L x 10 4 ) (Ekv. 3) där A B = Erforderlig behandlingsyta, ha Q = Lakvattenproduktion (årsmedelvärde), m 3 /år dv = Nettoförändring av lagringsvolym, m 3 /år L = Dimensionerande lakvattenmängd, m/år Den erforderliga behandlingsytan, A B, är egentligen den yta som faktiskt bevattnas. I modellen finns goda säkerhetsmarginaler inbyggda till följd av den konservativa beräkningen av den dimensionerande lakvattentillförseln. Det är möjligt att skyddszoner och ev. körvägar samt utjämnings- och säsongslagringsmagasin även kan inrymmas inom ytan A B. Generella anvisningar kan inte ges utan de lokala förutsättningarna är helt avgörande. Lakvattenproduktionen, Q, är vanligtvis känd. Om så inte är fallet och om dimensioneringen avser etablering av ny deponi, får lakvattenbildningen uppskattas med hjälp av vattenbalansen över upplaget. Den naturliga förändringen av mängden lakvatten som mellanlagras, dv, kan normalt försummas genom att tillskott från nederbörden kompenseras med avdunstningen från den fria vattenytan, dvs. dv = 0. Den dimensionerande hydrauliska belastningen, L, beräknas enligt kap. 3.5. 3.7 Erforderlig lagringsvolym Om lagring av lakvatten säsongsvis är aktuellt, dvs. då ingen annan lakvattenhantering finns att tillgå under den period som bevattning inte kan ske, kan erforderlig lagringsvolym lämpligen beräknas genom att den dimensionerande hydrauliska belastningen månad för månad, framräknad enligt kap. 3.5, jämförs med den faktiska lakvattenproduktionen månad för månad. Den månad som ger den största ackumulerade volymen, sannolikt mars alt. april (södra Sverige), maj alt. juni (norra Sverige), ger den dimensionerande volymen för lakvattnets säsongsmässiga utjämning. Denna enkla beräkning torde i de flesta fall ge tillräcklig noggrannhet. 17
3.8 Anläggningsdelar 3.8.1 Allmänt Anläggningar för lakvattenbevattning, förutom behandlingsytan, består i princip av komponenter enligt nedan. Dessa komponenter är inte särskilt tekniskt avancerade utan dimensioneras med enkel ingenjörskonst. Just enkelheten och robustheten är en av fördelarna med markbaserade växtsystem. Anläggningsdelar Uppsamling av lakvatten med hjälp av diken runt deponin eller dräneringssystem under deponin som leds till pumpsump eller uppsamlingsdamm/utjämningsmagasin Pumpar, dränkbara eller torruppställda, för uppfordring av uppsamlat lakvatten från pumpsump eller uppsamlingsdamm/utjämningsmagasin Stamledning till området som bevattnas Lateraler, sekundärt ledningssystem, fördelade inom den bevattnade ytan Spridning, roterande sprinklers, perforerad slang, droppslang eller ventilförsedda rör som fördelar lakvattnet jämnt över behandlingsytan 3.8.2 Uppsamling I Sverige är det vanligast med uppsamlingsdiken som leder lakvattnet till damm för korttidsutjämning/uppfordingsvolym och/eller säsongslägring (eventuellt med luftning). Vid vissa anläggningar finns lagringsmöjligheter för lakvattenproduktionen under vinterhalvåret medan andra har tillstånd att släppa ut lakvatten utan behandling i växtfilter under den för recipienten mindre känsliga vinterperioden. Vid några deponier som tidigare har överlett hela årsmängden lakvatten till avloppsreningsverk, har detta alternativ bibehållits för att utnyttjas under perioder då klimatet inte är gynnsamt för bevattning/växtbehandling. 3.8.3 Uppfordring, stamledning och lateraler Utföranden med såväl dränkbara som torruppställda pumpar förekommer. Vid större anläggningar har vanligtvis traditionella nedgrävda pumpstationer byggts. Stamledning och det sekundära ledningssystemet dimensioneras enligt traditionell va-teknik. Stamledningen grävs som regel ner medan lateraler ibland läggs ovan mark för högre flexibilitet. Det kan finnas behov av ändrad utformning av spridningen efter hand varför lateraler kan behöva flyttas. Normalt är intagsledningen till bevattningspumpstationen försedd med någon typ av sil eller filter för att minska igensättningsrisken i stamledning, lateraler och spridare. 18