INOM TEKNIKOMRÅDET EXAMENSARBETE
ENERGI OCH MILJÖ OCH HUVUDOMRÅDET MILJÖTEKNIK,
AVANCERAD NIVÅ, 30 HP STOCKHOLM SVERIGE 2018,
Vattenrening vid biltvätt
Exemplet Arla Foods i Kallhäll
JOEL SUOKKO
KTH
SKOLAN FÖR ARKITEKTUR OCH SAMHÄLLSBYGGNAD
Vattenrening vid biltvätt
Exemplet Arla Foods
JOEL SUOKKO
Handledare
GUNNO RENMAN
Examinator
GUNNO RENMAN
Degree Project in AL230X (Environmental Engineering and Sustainable Infrastructure) KTH Royal Institute of Technology
School of Architecture and Built Environment
Department of Sustainable Development, Environmental Science and Engineering SE-100 44 Stockholm, Sweden
TRITA-ABE-MBT-18341
v
Sammanfattning
Denna rapport har undersökt några av de vattenreningsmetoder som används vid fordonstvättar i Sverige. Fokus har lagts vid kemisk-, biologisk-, elektrokemisk-, hydrocyklon-, jonbytar-, filter- och membranrening. Arbetet syftade till att finna en billig och miljövänlig metod som med lite underhåll skulle kunna användas, vid lastbilstvätten på Arla Foods mejeri i Kallhäll, för att möjliggöra
recirkulering av tvättvattnet. Ett kolonnförsök med filtermaterialen natursand, Petrit E och ZinkStop utfördes för att undersöka materialens lämplighet att användas vid fordonstvättar. Ur reningssynpunkt utmärkte sig Petrit E som den enda filtermassan som klarade av att sänka
tungmetallkoncentrationerna i vattnet under de befintliga gränsvärdena. Materialet bedömdes dock ha kortare livslängd än ZinkStop vilket gör att dess miljömässiga och ekonomiska hållbarhet därför inte bedömdes vara lika god som ZinkStopens. ZinkStop uppvisade god rening av de flesta
problematiska metaller som släpps ut från fordonstvättar. Dock gav materialet ett högt initialt kromutsläpp då vatten pumpades genom det. Detta gör att materialet riskerar att överskrida anläggningens gränsvärden. Natursanden uppvisade betydligt lägre reningsgrad för de uppmätta parametrarna. För att Arla Foods ska uppnå en låg driftkostnad och minska
kemikalieförbrukningen för sin fordonstvätt rekommenderas ett biologiskt reningssystem.
Nyckelord
Filter, fordonstvätt, Petrit E, tungmetall, vattenrening, ZinkStop.
vi
vii
Abstract
This thesis investigates some of the wastewater treatment methods that exist at car washes in Sweden. The main treatment methods that have been described are chemical, biological,
electrochemical, hydrocyclone, ion exchange, filter and membrane treatment. The report aimed to find a cheap and environmentally friendly treatment option that requires little maintenance and could be used, at the truck wash at Arla Foods´ dairy in Kallhäll, to enable recirculation of water. A column experiment was also carried out in which the filter materials natural sand, Petrit E and ZinkStop were tested to determine their suitability to be used at vehicle washes. The experiment showed that Petrit E was the only material which managed to reduce the heavy metal concentrations below the current legal limits. However, the material was not believed to last as long as ZinkStop, which makes it less suitable than ZinkStop from an environmental and economic standpoint.
ZinkStop also showed a good removal of most metals but did result in a high initial chromium emission. The sand had lower removal rates of most metals. To achieve low operational costs at Arla Foods’ dairy and to lower the consumption of chemicals a biological treatment system is
recommended.
viii
Key words
Filter, heavy metal, Petrit E, vehicle wash, wastewater treatment, ZinkStop.
ix
Förord
Detta arbete är ett examensarbete inom mastern Miljöteknik och hållbar infrastruktur. Det är många personer som varit till stor hjälp under arbetes gång och utan vilkas hjälp detta arbete inte hade varit möjligt. Nedan vill jag tacka några av de personer som varit mig till störst hjälp.
Jag vill börja med att tacka min handledare på KTH, professor Gunno Renman, för all hjälp vid kolonnförsöket på laboratoriet och för givande möten samt finansiering av vattenanalyser. Jag vill också rikta ett stort tack till Arla Foods i Kallhäll och Jonas Bredin för att jag fått skriva mitt examensarbete på mejeriet samt för finansiering av vattenanalyser. Jag skulle också vilja tacka Åsa Lindblom för hjälpen med att skicka in vattenprover. Ett stort tack vill jag även rikta till Magnus Gård som hjälpt till med kontakter med leverantörer av reningssystem. Slutligen vill jag också passa på att rikta ett extra stort tack till Anders Axnér som varit till oumbärlig hjälp under arbetets gång och som hjälpt till med zinkanalyser, insamling av vattenprover samt förklaring av hur det befintliga systemet fungerar.
Stockholm 3 juni 2018 Joel Suokko
x
xi
Innehållsföreckning
Sammanfattning ... v
Nyckelord ... v
Abstract ... vii
Key words ... viii
Förord ... ix
1 Inledning ... 1
1.1 Syfte ... 1
1.2 Tidigare forskning inom området ... 1
1.3 Metod ... 1
1.4 Mål ... 2
1.5 Avgränsningar ... 2
2 Litteraturstudie ... 2
2.1 Krav för fordonstvättar i Sverige ... 2
2.2 Vattenförbrukning ... 3
2.3 Ämnen i vattnet ... 3
2.3.1 Tvättkemikalier vid fordonstvättar ... 3
2.3.2 Metaller i vattnet ... 5
2.4 Vattenrening ... 7
2.4.1 Sedimentering ... 7
2.4.2 Oljeavskiljare ... 8
2.4.3 Kemiska reningssystem ... 8
2.4.4 Biologiska reningsmetoder ... 10
2.4.5 Oxidationsmetoder ... 11
2.4.6 Elektrokemisk rening ... 11
2.4.7 Hydrocykloner ... 12
2.4.8 Jonbytare ... 13
2.4.9 Filter ... 13
2.4.10 Membran ... 16
2.4.11 Vanliga konfigurationer i Norden ... 18
3 Exemplet Arla Foods ... 21
3.1 Arlas system ... 21
3.2 Systemets effektivitet ... 22
3.3 Källor till kostnader för det befintliga systemet ... 23
3.4 Beräkning av kostnader för det befintliga systemet ... 24
3.5 Kostnader som inte tagits med i beräkningen ... 26
4 Laboratorieförsök med kolonner ... 26
4.1 Material ... 26
4.2 Metod ... 26
5 Resultat ... 28
xii
6 Diskussion ... 35
6.1 Diskussion av kolonnförsök ... 35
6.2 Diskussion om de olika reningssystemens tillämpbarhet ... 37
6.3 Felkällor ... 40
6.4 Förslag på framtida undersökningar ... 41
7 Slutsats ... 41
Referenser ... 42
Bilagor ... 45
Bilaga 1 ... 45
Bilaga 2 ... 46
Bilaga 3 ... 48
1
1 Inledning
Fordonstvättar är förknippade med utsläpp av en rad olika ämnen. För att minska miljöpåverkan från landets fordonstvättar utgav Naturvårdsverket, år 2005, en rapport med rekommenderade gränsvärden för utsläpp av olja samt metallerna bly, nickel, krom, zink och kadmium. För att inte överskrida dessa gränsvärden och samtidigt sänka driftkostnader för tvättanläggningar behövs effektiva reningssystem, som behandlar vattnet på ett kostnadseffektivt sätt. Om rätt behandling implementeras kan tvättens miljöpåverkan hållas nere då tvättvattnet kan återcirkuleras i anläggningen. Detta ställer dock höga krav på reningssystemet.
Under de senaste decennierna har en rad förbättringar inom vattenreningsteknik genomförts vilket har lett till att en rad nya reningsmetoder utvecklats. En av dessa metoder är att rena vatten med reaktiva filtermaterial. Olika biprodukter från metallindustrin som till exempel slaggmaterialet Petrit E har testats för att användas inom vattenrening. Under det senaste årtiondet har dessutom materialet ZinkStop i liten skala börjat användas vid biltvättsanläggningar i Sverige. Materialet har visat sig ha en god upptagningsförmåga av zink och koppar när det analyserats för lakvatten från deponier. Eftersom dessa metaller ofta förekommer i spillvatten vid fordonstvättar, kan materialen därför ha potential att användas för att minska fordonstvättars negativa miljöpåverkan.
I dagsläget finns flera olika reningssystem som klarar av att recirkulera vatten vid fordonstvättar.
Dessa system är förknippade med olika driftkostnader och ställer olika krav på kompetens hos personalen som arbetar med dem. Detta gör att det kan vara svårt för företag att hitta ett system som passar optimalt för deras verksamhet. Ett av de företag som ställts inför detta problem är mejerikooperativet Arla Foods, som vill förnya sin reningsanläggning vid lastbilstvätten vid mejeriet i Kallhäll. Detta arbete ska därför kunna användas som underlag för framtida beslut vid
investeringar i anläggningen. Eftersom Arla Foods lastbilstvätt bedöms ställas inför liknande utmaningar som många andra fordonstvättar, kan detta arbete även ge en generell beskrivning av hur branschen ser ut i Sverige idag.
1.1 Syfte
Syftet med detta examensarbete är att ge en översiktlig beskrivning av de tekniker som finns tillgängliga för att recirkulera vatten från biltvättar. Arbetet syftar till att identifiera ett
kostnadseffektivt system som kräver minimalt underhåll och som skulle kunna användas på Arla Foods fordonstvätt i Kallhäll. Arbetet syftar även till att undersöka möjligheten att använda
sandfilter samt de reaktiva filtermaterialen ZinkStop och Petrit E för att minska tungmetallhalterna i spillvattnet från fordonstvättar.
1.2 Tidigare forskning inom området
Det har tidigare förekommit en rad sammanställningar om både fordonstvättar i Sverige och utomlands. Dessa sammanställningar har ofta även berört rening av vatten vid tvättarna samt olika system som finns tillgängliga. De mest omfattande sammanfattningarna som gjorts av
fordonstvättar i Sverige är Naturvårdsverkets branschfaktablad om fordonstvättar, som utkom 2005, samt Nordiska ministerrådets rapport om fordonstvättar i Norden som utkom 2007. Utöver dessa rapporter har även ett mastersarbete, som behandlade problematiken med zink i tvättvatten från biltvättar, utförts av Sanna Ekström på KTH år 2005. Dessa rapporter har översiktliga beskrivningar om de metoder som vid tiden var vanliga vid fordonstvättar i Sverige. Under det senaste decenniet har det dock skett en stor utveckling av tekniker för att rena vatten. Bland annat har kostnaden för membran sjunkit markant och en rad nya filtermaterial har utvecklats. Detta har skapat ett behov av att återigen lyfta fram frågan om vattenrening vid fordonstvättar.
1.3 Metod
En litteraturstudie om olika vattenreningstekniker, som möjliggör vattencirkulering vid fordonstvättar, har utförts. Utifrån denna studie har de mest kostnadseffektiva och minst underhållskrävande metoderna identifierats. Metoderna har sedan jämförts med det befintliga
2
reningssystemet vid mejeriets fordonstvätt. Ett laboratorieförsök utfördes, på vatten från Arla Foods lastbilstvätt i Kallhäll, för att utvärdera möjligheterna till att använda sandfilter samt de reaktiva filtermaterialen ZinkStop och Petrit E inom rening av vatten vid fordonstvättar. Därefter har det mest lämpliga reningssystemet för Arla Foods anläggning föreslagits.
1.4 Mål
Följande mål har ställts upp för detta examensarbete:
• Sammanfatta de reningsmetoder som används vid fordonstvättar i Sverige.
• Analysera orenade vattenprover från lastbilstvätten samt vattenprover som filtrerats med natursand, ZinkStop och Petrit E.
• Använda resultaten för att dra en slutsats om sandens, ZinkStopens och Petrit E:s potential för att användas vid fordonstvättar.
• Identifiera minst tre olika reningsmetoder som skulle kunna användas för att recirkulera vattnet vid Arla Foods fordonstvätt i Kallhäll.
• Jämföra för- och nackdelar med metoderna för att på så vis besluta om vilken av metoderna som är bäst lämpad för mejeriet.
1.5 Avgränsningar
Arbetet syftar till att undersöka vattenreningsmetoder som kan användas vid fordonstvättar för bilar samt lastbilar. Själva tvättprocessen har därför endast beskrivits i den mån det är relevant för reningen. Arbetet behandlar endast system som potentiellt kan användas i Sverige. Fokus ligger på system som använder sig av teknik som möjliggör recirkulering av vattnet och som bedöms kräva lite underhåll.
2 Litteraturstudie
För att ge en överblick av de krav och utmaningar som fordonstvättar ställs inför krävs en genomgång av litteraturen. Detta ger också en överblick om de reningsmetoder som idag finns tillgängliga för att rena vatten från biltvättsanläggningar i Sverige.
2.1 Krav för fordonstvättar i Sverige
Av de tusentals fordonstvättanläggningar som finns i Sverige är ungefär 300 ämnade för att ta emot tunga fordon som till exempel lastbilar. Då anläggningarna årligen tar emot mer än 5000
personbilar eller utför mer än 1000 tvättar av andra typer av fordon som till exempel lastbilar måste biltvätten anmälas till kommunen (Naturvårdsverket, 2005). Idag utförs två tredjedelar av alla biltvättar i Sverige ute på gatan vilket gör att stora mängder olja och tungmetaller kommer ut i naturen (Svenskt Vatten, 2018). För att minska den negativa miljöpåverkan från landets
fordonstvättar har Naturvårdsverket tagit fram allmänna utsläppskrav som gäller för det utgående vattnet från tvättarna (Tabell 1). Dessa värden anges som månadsmedelvärden. De parametrar som Naturvårdsverket sätter krav på är utsläppen av bly, krom och nickel (som en samlingsparameter), kadmium, zink samt olja (Naturvårdsverket, 2005).
Dessa krav kompletteras i vissa kommuner av ytterligare krav från de kommunala reningsverken, som enligt VA-lagen har rätt att utforma krav för utsläpp till de kommunala avloppen (Svenska Petroleum Institutet och Svensk Bensinhandel, 2005). Utöver dessa krav kan enskilda
fordonstvättar dessutom ta på sig hårdare krav genom att skaffa sig en miljömärkning. I Sverige finns för närvarande 96 Svanenmärkta fordonstvättar (Svanen, 2018).
3
Tabell 1: Gränsvärden för utsläpp från fordonstvättar som föreslagits av Naturvårdsverket.
Personbil Lastbil Samlingsparameter för bly, krom och nickel 10 mg/fordon 30 mg/fordon
Kadmium 0,25 mg/fordon 0,75 mg/fordon
Zink 50 mg/fordon 150 mg/fordon
Oljeindex 5 g/fordon 15 g/fordon
2.2 Vattenförbrukning
Vattenanvändningen vid fordonstvättar påverkas av många olika faktorer. Förbrukningen av vatten är bland annat beroende av vilket utrustning som används, om tvätten sker manuellt eller
automatiskt, på om vatten recirkuleras och på vilket vattentryck som används. Ju hårdare vattentryck desto mer vatten förbrukar tvätten (Naturvårdsverket, 2005). Det kan finnas flera anledningar att se över vattenanvändningen vid en fordonstvätt. Enligt Svenska Miljöinstitutet (IVL) kan recirkulering av vatten vid tvättarna leda till en rad kostnads- och miljöbesparingar.
Utsläppen av föroreningar och användningen av tvättkemikalier minskar då vattenrecirkulering tillämpas. Recirkulering kan även ge bättre tvättresultat då vattnet ofta värms upp i
reningsprocessen (Bjurhem och Ekengren, 2004).
De system som idag återvinner vatten klarar ofta av att recirkulera 80% av färskvattnet. Det finns även helslutna system där inget vatten går till avloppet. Dock sker förluster via meddrag i
biltvättarna, när vatten åker med fordonen ut ur biltvätten. Detta gör att även de helslutna systemen behöver en viss tillförsel av vatten för att kompensera för meddraget. Enligt Naturvårdsverket kan vattenförbrukningen i en lastbilstvätt utan recirkulering av vattnet uppgå till 1000–1500 liter per fordonsenhet. Då vattenåtervinningen är 80 % är förbrukningen betydligt mindre och ligger ofta i storleksordningen 150–300 liter per fordonsenhet (Naturvårdsverket, 2005).
2.3 Ämnen i vattnet
Vid biltvättar frigörs en rad olika ämnen till vattnet. Både organiska och oorganiska ämnen som till exempel olja och tungmetaller kommer ut i spillvattnet och måste renas bort innan vattnet släpps ut i de kommunala avloppen. Källorna till utsläppen är smuts från vägar, partiklar från fordonen samt tvättkemikalier. Smutsen från vägarna varierar beroende på väder och årstid eftersom vägsaltning och dubbdäck kan öka utsläppen, då dessa ofta innehåller partiklar från trafik och vägbeläggning.
Vintertid ökar även kemikalieanvändningen i tvättarna då fordonen blir smutsigare (Naturvårdsverket, 2005).
De vanligaste utsläppskällorna till olja är tvättkemikalier som avfettningsmedel och hallrengöring.
Tensider, som är ytaktiva ämnen som återfinns i kemikalier för deras rengörande effekt, kan också släppas ut till vattnet. Dessa utsläpp kommer från schampo, avfettningsmedel, vax och
hallrengöringsmedel. Komplexbildare, som hjälper till att effektivisera tensiderna genom att binda joner, släpps ut från avfettningsmedel och hallrengöringsmedel. Även polyaromatiska kolväten (PAH) kan spridas till vattnet från däcken. Då reningsanläggningar underhålls dåligt eller använder sig av dålig reningsutrustning kan utsläppen av dessa ämnen i utloppsvattnet öka (Nordiska ministerrådet, 2007).
2.3.1 Tvättkemikalier vid fordonstvättar
Naturskyddsföreningen ställer krav på de kemikalier som används vid fordonstvättar. I kraven ingår bland annat att försiktighetsprincipen ska användas då produkter väljs till tvättarna. Krav ställs även på att organiska ämnen som ingår i tvättmedlen lätt ska kunna brytas ner biologiskt.
4
Bioackumulerande produkter skall heller inte användas. Då ämnen visar på hög toxicitet i akvatisk miljö ska de inte heller ingå i biltvättsprodukter (Naturskyddsföreningen, 2015). Fordonstvättar använder en rad olika tvättkemikalier för olika typer av rening. Då smutsen på fordonen ofta har olika kemiska sammansättningar kan det vara svårt att hitta ett optimalt tvättmedel. Vanliga typer av smuts på bilar kan vara asfalt, tjära och metaller (Göteborgs Stad, 2010). Några av de vanligaste tvättkemikalierna vid svenska fordonstvättar beskrivs nedan.
2.3.1.1 Avfettningsmedel
Avfettningsmedel används för att rena fet smuts från bilarna. Avfettningsmedel kan delas in i olika kategorier. Dessa kategorier är kallavfettning, alkalisk avfettning, mikroavfettning och
naturavfettning (Göteborgs Stad, 2010). Kallavfettningsmedel är lösningsmedelsbaserade produkter som innehåller petroleumkolväten och tensider (2–4 %). Produkter som baseras på petroleum består ofta av nafta (råolja). Det finns även vegetabiliska produkter som innehåller fettsyraestrar (Naturvårdsverket, 2005). Även kallavfettningsmedel med animaliskt ursprung existerar (Nordiska ministerrådet, 2007). Då de naftabaserade ämnena framförallt har varit effektiva för att lösa upp rester av asfalt och tjära har dessa varit vanligt förekommande vid fordonstvättar. Nackdelen med dessa ämnen är att de ger utsläpp av kolväten vilket har gjort att Kemikalieinspektionen valt att klassa nafta som utfasningsämne. De naftabaserade ämnena har dessutom krävt applicering på stora ytor för att full effekt ska uppnås (Göteborgs Stad, 2010).
De alkaliska avfettningsmedlen är vattenlösliga avfettningsmedel som till 5–20 % består av alkali.
Natriumhydroxid, kaliumhydroxid och natriumsilikat är vanliga ämnen i dessa produkter.
Tensidinnehållet är ofta 5–10 %. De alkaliska avfettningsmedlen innehåller även komplexbildare och har ett pH som kan vara upp till pH 12 (Naturvårdsverket, 2005). Dessa medel löser på grund av sitt höga pH upp vanlig smuts som till exempel damm och lera. Medlet ska helst användas på torra ytor för att ge maximal effekt då detta gör att utspädning inte sker.
Alkaliska avfettningsmedel kan ibland kombineras med en efterbehandling med
kallavfettningsmedel. Denna kombination minskar mängden kallavfettningsmedel som används, vilket ger en miljöbesparing då kallavfettningsmedlen generellt har en större miljöpåverkan än de alkaliska avfettningsmedlen (Göteborgs Stad, 2010). Alkaliska avfettningsmedel används i allt större utsträckning vid fordonstvättar. Detta har gjort att utsläppen av oljekolväten minskat (Naturvårdsverket, 2005). Då vattenbaserade alkaliska avfettningsmedel används vid tvätten finns heller ingen risk för att oljeutsläppen blir så stora att Naturvårdsverkets utsläppsgränser överskrids (Bjurhem och Ekengren, 2004).
Mikroavfettning (mikroemulsioner) innehåller lägre andel kolväten (5–30 %) än
kallavfettningsmedlen. Tensidinnehållet i dessa är 5–20 % (Naturvårdsverket, 2005). Dessa ämnen består av en blandning av alkaliska avfettningsmedel och kallavfettningsmedel. Tanken med mikroavfettningsmedlen är att de därför ska kunna lösa upp alla olika typer av smuts (Göteborgs Stad, 2010). Dessa ämnen är förenade med högre oljeutsläpp än de alkaliska avfettningsmedlen (Bjurhem och Ekengren, 2004). Naturavfettningsmedel, som är miljöanpassade varianter av mikroemulsionsmedel där kallavfettningsmedlet bytts ut mot växtbaserade lösningsmedel, används vid vissa tvättar. Naturavfettningsmedel kan används på torra så väl som blöta ytor (Göteborgs Stad, 2010).
2.3.1.2 Övriga tvättprodukter
Förutom avfettningsmedel använder fordonstvättar även schampon, vaxer och sköljmedel.
Schampon finns i flera olika typer som används på olika sätt. Skumschampo och borstschampo är vanliga varianter. Schampona består av tensider, vatten, alkaliska ämnen och komplexbildare.
Användningen av schampo kan variera över året. Skumschampo används till exempel framförallt på sommaren. Vaxer appliceras på fordonen i vissa tvättar för att ge ett ytskikt på lacken. Det finns många olika typer av vax. Vaxerna kan ha naturligt eller syntetiskt ursprung men de innehåller ofta kolväten. De kan även innehålla lösningsmedel.
5
Sköljmedel/avrinningsmedel förekommer också vid en del biltvättar. Dessa används för att underlätta torkningen av bilar i automatiska biltvättar. Medlen fungerar genom att katjontensider ger en ytfilm som stöter bort vattnet. Utöver dessa vanliga basprodukter finns även särskilda produkter för t.ex. rengöring av fälgar. Dessa produkter kan också innehålla tensider,
komplexbildare och alkoholer. Det används även ofta avfettningsmedel eller sura produkter vid rengöring av själva tvätthallen. Då recirkulering av vattnet förekommer kan det även ibland behöva tillsättas bakteriedödande medel för att förhindra dålig lukt.
Mängden av de olika tvättkemikalierna som används kan ofta kopplas till årstid och
smutsförhållanden. Då smutsen ökar på vintern ökar också användningen av avfettningsmedel. Det finns också tendenser på att mer alkaliska ämnen används då lite smuts förekommer och att kallavfettningsmedlen används då mycket smuts förekommer (Naturvårdsverket, 2005). Under sommaren när mindre smuts fastnar på bilarna kan det ibland räcka med att enbart använda ett schampo i tvätten. Schampon har ofta mindre miljöpåverkan än avfettningsmedlen. På grund av detta kan en miljöbesparing göras genom att enbart använda schampo under sommartid då smutsförhållandena är bättre (Naturskyddsföreningen, 2015).
2.3.2 Metaller i vattnet
Vid fordonstvättar förekommer utsläpp av tungmetaller. Dessa metaller anrikas i slammet vid reningsverken vilket kan göra att slammet inte kan användas som gödsel (Svenska Petroleum Institutet och Svensk Bensinhandel, 2005). Några av de metaller som kan förekomma i vattnet beskrivs nedan.
2.3.2.1 Kadmium
Kadmium (Cd) är en relativt ovanlig metall som återfinns i jordskorpan. Metallen bildar tvåvärt positiva joner. Vittring, skogsbränder och vulkanutbrott utgör naturliga källor till kadmium i naturen. Även antropogena källor som malmsmältning, förbränning av fossila bränslen och avfall kan öka metallkoncentrationen i naturen. Kadmium bryts i samband med koppar-, bly- och zinkutvinning. Metallen används i produktionen av laddningsbara batterier, färgpigment och som stabiliserande ämne i vissa typer av plast (Cullen & Maldonado, 2013). Metallen har en
halveringstid på över 20 år, vilket gör att halterna i naturen stadigt ökar i takt med att ämnet släpps ut. Flertalet lagar finns för att minska utsläppen av ämnet.
Rökning och mat som gödslats med kadmiumhaltig gödsel är källor som kan leda till att människan får i sig ämnet. Kadmiumförgiftning är idag ovanligt. Levern och njurarna är framförallt känsliga mot höga halter av metallen som kan ge kräkningar, yrsel, diarré och magont. Det finns även studier som visar på att kadmiumexponering kan leda till benskörhet och flera olika former av cancer (Lee
& Thévenod, 2013). Eftersom kadmium liknar zink och nickel kan kadmium misstas för någon av dessa metaller av kroppens celler. Detta gör att metallen, som inte har någon biologisk funktion, kan upptas av kroppen och hindra zinkupptag (Gustafsson et al. 2010). Vid biltvättar löses metallen ut i vattnet från lackpigmenten i vissa bilar. Metallen är den giftigaste av de metaller som undersöks i fordonstvättarnas utloppsvatten och kan ge problem i de kommunala reningsverken då den är giftig för ett flertal organismer (Naturvårdsverket, 2005).
2.3.2.2 Zink
Zink (Zn) är en vanlig komponent i galvaniserade produkter. Zink är ett essentiellt näringsämne som i rätt mängder stärker immunförsvaret och bidrar till en rad processer i metabolismen.
Människan får framförallt i sig metallen via maten. Intag av höga zinkhalter kan ge hälsobesvär som till exempel diarré (Goyer, Liu och Waalkes, 2008). Zinken är i dagsläget ett av de största
problemen inom slammanvändning från reningsverk. Tillsammans med höga kopparhalter är zinkhalterna det som oftast begränsar användningen av avloppsslam på jordbruksmarker (Naturvårdsverket och Statistiska centralbyrån, 2016).
I biltvättar sprids zinken framförallt med partiklar och från galvat material i själva tvätthallen, men också från bildäcken. Metallen löses lätt ut i samband med korrosion vilket gör att zinken ofta är
6
den metall som överskrider de utsläppsvärden som Naturvårdsverket satt. Korrosionen är också anledningen till anrikningen av zink i de kommunala avloppsreningsverkens slam
(Naturvårdsverket, 2005). Vägsaltning kan dessutom leda till en ökad frigöring av zink eftersom kloriden i saltet angriper det passiva ytlagret i metallytor vilket inducerar korrosion (Sastri, 2015). I naturen kan ämnet vid höga pH-värden bindas till oxider och fosfater. Zinken har inte lika hög benägenhet att binda till organiskt material jämfört med koppar och bly. Detta gör att metallen ofta kan påträffas som fria joner i marken. Eftersom zink löses ut vid lågt pH kan försurning leda till att metallen lakas ur jorden (Gustafsson et al. 2010).
2.3.2.3 Nickel
Nickel (Ni) är en metall som många organismer, i små mängder, behöver för sin överlevnad. Höga halter av metallen kan dock vara giftig och ge upphov till allergiska reaktioner samt cancer
(Danielsson och Karlsson, 2016). Nickel tas lätt upp av celler då den konkurrerar med zink.
Metallen används i flertalet olika legeringar för att öka hållbarheten och minska korrosionen. Nickel kan förekomma i flera olika former men den tvåvärda jonen Ni2+ är vanligast förekommande.
Toxiciteten hos nickel beror till stor del på vilka andra ämnen metallen bundits till, då detta kan avgöra hur den upptas av kroppen (Goyer, Liu och Waalkes, 2008). Metallen kan komma ut i avloppssystemen genom slitage på asfalt och däck (Haapaniemi och Thuresson, 2005). Nickel beter sig ungefär som kadmium och koppar i naturen. En stor skillnad är att nickel dock är mindre mobil vid högt pH eftersom den kan reagera med aluminium och hydroxider. Mobiliteten av nickel påverkas inte heller av jordens syresättning (Gustafsson et al. 2010).
2.3.2.4 Krom
Krom (Cr) används bland annat i rostfritt stål och i vissa färger. Kromhalterna i naturen ökar då metallen används i allt fler produkter. Krom är även ett viktigt spårämne som är nödvändig för metabolismen. Det är framför allt luftburen krom som ger allvarliga hälsoeffekter. Metallen kan förekomma som två olika joner. Den hexavalenta Cr6+ är cancerogen och bildas som en biprodukt vid en rad industriella processer. Denna jon kan lätt absorberas av celler tillsammans med sulfater och fosfater. I cellerna reduceras det hexavalenta kromet till trevärt krom (Cr3+) och i samband med denna process tar cellerna skada. Den trevärda Cr3+ är naturligt förekommande och är inte toxisk i samma grad som Cr6+ (Goyer, Liu och Waalkes, 2008). En vanlig källa till krom i avloppsslam är slitage från däck och asfalt. För att minska spridningen av krom har Naturvårdsverket satt upp gränsvärden för hur mycket av metallen som får finnas i slam som används inom jordbruk (Haapaniemi och Thuresson, 2005). Denna begränsning är viktig eftersom trevärt krom stannar länge i jorden på grund av att den binder hårt till både organiskt material, karbonater och
järnoxider i jorden. Då pH överstiger 6 är lösligheten av oorganiskt Cr3+ låg (Gustafsson et al. 2010).
2.3.2.5 Bly
Bly (Pb) finns bland annat i batterier och i bensin. Under senare år har dock halterna i bensin sjunkit kraftigt då ämnet har börjat fasas ut. Än idag är dock människan den största orsaken till blyutsläpp i naturen. Bly tas bland annat upp via maten och ackumuleras i kroppen. Ämnet kan ge en rad olika negativa effekter på hälsan. Metallen kan bland annat hindra enzymproduktion och ge skador på nervsystemet. Barn är särskilt känsliga för blyupptag (Goyer, Liu och Waalkes, 2008). Bly kan bilda starka bindningar till organiskt material samt till aluminium- och järnoxider i jordar.
Detta gör att metallen ofta stannar kvar i jordar under en mycket lång tid. Metallen kan också adsorbera till rörliga partiklar i marken och på så vis transporteras i naturen. Detta gör att en spridning av metallen kan ske. Fria blyjoner kan framförallt lösas ut i sura miljöer. Det är de fria jonerna som är mest toxiska och därför mest problematiska för miljön (Gustafsson et al. 2010).
2.3.2.6 Koppar
Koppar (Cu) är ett essentiellt näringsämne som vi får i oss via maten. Höga halter av metallen kan dock ge toxiska effekter. Kopparn medverkar i ett flertal enzymreaktioner men kan av kroppens celler ibland misstas för att vara zink. Högt intag av koppar kan bland annat ge yrsel, kräkningar och magont (Goyer, Liu och Waalkes, 2008). Koppar beter sig ganska likt bly då det kommer ut i
7
naturen. Ämnet har ofta en lång omsättningstid eftersom den adsorberar starkt till humusämnen och järn- och aluminiumoxider. Bindning av metallen till partiklar som innehåller järnoxider eller humusämnen kan också leda till spridning av metallen i naturen. Vattendrag kan kontamineras av metallen då metallen tillförs till jordar med få ytgrupper som kan adsorbera den eller då jordens adsorberande ytgrupper redan mättats av metallen (Gustafsson et al. 2010).
2.4 Vattenrening
För att fordonstvättar ska klara av att uppnå de utsläppskrav som finns, krävs ett
vattenreningssystem vid fordonstvätten. Antalet system som finns tillgängliga för detta ändamål är stort. I allmänhet brukar man dela in systemen efter reningsmetoden som de använder. De
kategorier som finns brukar delas in i kemisk rening, biologisk rening, oxidationsmetoder samt övriga reningstekniker. De flesta tekniker använder sig av en slam- och oljeavskiljare som första steg i reningen. Teknikerna kombineras dessutom i många fall för att uppnå önskad rening
(Naturvårdsverket, 2005). Följande sidor beskriver de mekanismer och tekniker som används för att rena vatten vid fordonstvättar.
2.4.1 Sedimentering
En viktig mekanism inom så gott som alla olika reningssystem är sedimentering av föroreningar.
Sedimenteringshastigheten för en teoretisk partikel med sfärisk form i vattnet kan beskrivas med Stokes lag (Ekvation 1).
𝑣𝑝=𝑑𝑝2𝑔(𝜌𝑝−𝜌𝑙)
18𝜇 (1)
Där: 𝑣𝑝 = sedimenteringshastighet för en partikel 𝑑𝑝 = partikelns diameter
𝑔 = gravitationskonstant 𝜌p = partikelns densitet 𝜌𝑙 = vätskans densitet 𝜇 = vätskans viskositet
Enligt Stokes lag är diametern och densiteten för en partikel avgörande för dess
sedimenteringshastighet. Genom att öka partikeldiametern kan således sedimenteringshastigheten ökas. Detta utnyttjas ibland annat flockningsprocesser som baseras på att slå ihop partiklar så att diametern ökar. När detta görs minskar oftast partiklarnas densitet då vatten binds i partiklarna.
Stokes lag visar emellertid att en nettoökning av sedimenteringshastigheten fortfarande
uppkommer på grund av att partikeldiametern står i kvadrat. En annan designparameter som är viktig att ha i åtanke då sedimentering utnyttjas är den så kallade ytbelastningen som beskrivs i Ekvation 2.
𝑣𝑐 =𝑄
𝐴 (2)
Där:
𝑄 = flöde
𝐴 = bottenarea eller area av lameller 𝑣𝑐 = kritisk velocitet
De partiklar som har en hastighet som är högre än den kritiska velociteten sedimenterar oberoende av vilken höjd över botten av sedimenteringstanken som de injiceras i (Schroeder, 1977).
Sedimentering av fasta partiklar är vanligt inom all form av avloppsvattenrening. Eftersom den kritiska velociteten är beroende av ytan som finns tillgänglig att sedimentera på, kan processen effektiviseras genom att öka ytan. Ett sätt att öka sedimenteringsytan i en sedimenteringstank är att använda sig av lameller. Lamellerna är snedställda plattor som vattnet får rinna mellan. Partiklar sedimenterar på plattorna och glider ner till botten av tanken. Tack vare lamellerna kan ytan som finns tillgänglig för sedimentering ökas utan att storleken på sedimenteringstanken påverkas. Detta
8
möjliggör mindre tankstorlek och således mindre storlek på hela reningssystemet (Stephenson och Stuetz, 2009).
2.4.2 Oljeavskiljare
Oljeavskiljare är standardiserade både nationellt och inom Europa (Naturvårdsverket, 2005).
Utrustningen är det enda reningssteget som finns vid många fordonstvättar. Dessa anläggningar har ofta på grund av dåligt underhåll och för hög belastning problem med att uppnå en god rening av vattnet (Stockholm vatten och avfall, 2018). En oljeavskiljare är till för att avskilja ämnen med en densitet lägre än vatten. Dessa ämnen består ofta av oljor och bensin. Separationen sker genom att oljan tillåts stiga till ytan. Oljedroppstorleken avgör hur snabbt oljan stiger. Denna parameter beror till stor del på hur oljan hamnat i vattnet.
Då högtryck inte används kan fri olja, som består av oljedroppar som är större än 150 µm, bildas.
Mindre oljedroppar (20 – 150 µm) bildar så kallad dispergerad olja som har mycket långsam stigningshastighet. Om det oljehaltiga vattnet pumpas, rörs om eller om högtryckstvättar används kan emulgerad olja (5–20 µm) bildas. Dessa oljedroppar stiger väldigt långsamt om de inte slås ihop till större droppar. Då tensider används vid tvätten ökar risken för bildning av emulgerad olja.
Beroende på tvättmedel kan den emulgerade oljan hindras från att slå ihop sig vilket leder till att den inte kan avskiljas i oljeavskiljaren, såvida inte kemikalier tillsätts. Då oljedropparna är mindre än 5 µm sägs oljan vara löst. Den lösta oljan kan inte avskiljas utan hjälp av filtrering eller
absorption (Naturvårdsverket, 2007). Det är viktigt att uppehållstiden i oljeavskiljaren är tillräcklig för att rening ska hinna ske. Oljeavskiljare är ofta dimensionerade till att ha en uppehållstid mellan en och två timmar (Nordiska ministerrådet, 2007).
Oljeavskiljare delas vanligen in i två typer. Gravimetriska oljeavskiljare och koalescensavskiljare. De gravimetriska oljeavskiljarna använder enbart gravitation för att separera oljan från vattnet.
Oljeavskiljaren är utformad som en tank där oljan flyter till ytan och tyngre partiklar sjunker till ett slam på botten. Avskiljarna består ibland av en slamavskiljardel vid inloppet till avskiljaren och en oljeavskiljardel på utloppssidan som separeras av en mellanvägg som vattnet kan rinna över men som hindrar slammet på botten från att sprida sig till oljeavskiljardelen. Finare partiklar som inte avsatts i slamavskiljardelen avsätts på botten i oljeavskiljardelen. För att oljan inte ska följa med vattnet via utloppet finns skärmar utplacerade vid vattenytan som håller kvar oljan. Avskiljaren måste med jämna mellanrum tömmas på både olja och slam för att vattnets uppehållstid och således avskiljarens reningseffektiviteten inte ska minska.
Koalescensavskiljare används när halten emulgerad olja är högre. Dessa oljeavskiljare slår ihop de små oljedropparna till större droppar som stiger snabbare till ytan. För att åstadkomma detta är dessa oljeavskiljare utrustade med lameller, rörfilter eller filtermattor som har till uppgift att öka oljeavskiljarens effektiva yta (Naturvårdsverket, 2007). De allra största oljedropparna stiger omedelbart till ytan i avskiljaren. Vattnet leds sedan in mellan t.ex. lamellplattorna som är snedställda. Flödet mellan plattorna är laminärt. Oljedroppar stiger till den ovanliggande plattan där de slås samman till en oljefilm som stiger upp till ytan av tanken. Andra dispergerade partiklar som har högre densitet än vattnet sjunker till botten. Således kan mycket av den dispergerade oljan renas (Arnold och Stewart, 2008). Stighastigheten kan även ökas genom att pumpa in luft i
avskiljaren. Luftbubblorna för då med sig oljepartiklarna till ytan genom flotation
(Naturvårdsverket, 2007). Trots att koalescensavskiljarna är lättskötta och effektiva är de också förknippade med vissa nackdelar. Nackdelen med koalescensavskiljare är att dessa riskerar att täppas igen och att reningseffektiviteten riskerar att bli låg då vattnet innehåller höga halter emulgerad olja (Arnold och Stewart, 2008).
2.4.3 Kemiska reningssystem
Kemiska reningssystem använder sig av mikroflotation och fällning. I fällningsbaserade system fås ett slam som sedimenterar till botten av tankarna. Vid flotation erhålls istället ett flytslam.
Aluminiumsalt används ofta som fällningskemikalie. Släckt kalk och lut tillsätts också för att få rätt pH för fällningen. pH i dessa system justeras ofta till 8–10. Vattnet passerar först en slam- och oljeavskiljare varpå lut och fällningskemikalie tillsätts för att uppnå det optimala pH-värdet för
9
fällning. Vid flotationsanläggningar måste även luft tillsättas för att skapa flytslam (Naturvårdsverket, 2005).
Kemiska reningssystem har traditionellt använts för att minska metallhalter i vatten som har hög metallkoncentration. Då koncentrationen av metaller är låg är kemiska system ineffektiva. Dessa system bildar också stora mängder slam som måste tas om hand (Fu och Wang, 2011). En av de stora fördelarna med kemisk rening är dess flexibilitet som gör att den, i stort sett oberoende av det inkommande vattnets kvalitet, kan ge en god rening om kemikaliedoseringen är rätt (Sandberg, muntl. uppg,). Allmänt kan man säga att kemisk behandling av metallkontaminerat vatten också har de stora fördelarna att kostnaden för utrustningen ofta är låg och att processen inte kräver någon större expertis inom avloppsvattenrening. Den stora nackdelen med dessa system är den stora kemikalieanvändningen som systemen är förknippade med. Då stora slammängder genereras uppkommer också långsiktiga miljöproblem då slammet måste deponeras (Babel et al. 2006).
Viktiga mekanismer inom kemisk vattenrening är fällning, flockning och koagulering. Dessa begrepp beskrivs nedan.
2.4.3.1 Fällning
Fällning är den vanligaste metoden för att rena vatten från metaller. Metallerna fälls oftast ut med hjälp av hydroxider. För att fällningen ska utföras optimalt måste pH justeras. Själva
fällningsprocessen sker sedan i en tank. Principen bygger på att vattnet blir stillastående i tanken vilket ger de utfällda partiklarna tid att sedimentera. Metaller som koppar, bly och zink fälls ut som hydroxider i pH 8–12. Om pH överskrider eller underskrider detta intervall löses hydroxiderna ut till fria joner.
Även karbonater och sulfater kan användas vid utfällning av metalljoner. Fördelen med dessa är att de inte kräver lika högt pH för att fälla ut metallerna samt att utfällningarna har högre densitet vilket får dem att sedimentera snabbare (Akretche, 2009). Då sulfater används vid utfällning finns dock en risk för att giftigt svavelväte bildas om fällningen skulle ske i sur miljö. Sulfaterna har också en tendens att bilda kolloider som inte sedimenterar ordentligt. Detta gör att hydroxidfällning har blivit vanligt (Fu och Wang, 2011). Reaktionen för metallfällning som hydroxid kan generellt beskrivas av denna reaktionsformel:
M2+ + 2(OH)- M(OH)2
där M är en positivt laddad metalljon (Babel et al. 2006). Hydroxidfällningsprocessen är både enkel och billig att använda. Hydroxidutfällningarna är dock inte helt problemfria då de bland annat ger upphov till mycket slam. Dessutom kan komplexbindare i vattnet förhindra utfällningsprocessen.
Eftersom olika metaller har olika pH-optimum för när de fälls ut kan det dessutom ibland vara svårt att få en metall att fälla ut utan att andra metaller löser sig i vattnet (Fu och Wang, 2011).
Fällningssystem ger generellt stora slamvolymer och kräver kontinuerlig kontroll för att säkerställa att systemet fungerar som tänkt. Systemen är dessutom relativt platskrävande (Akretche, 2009).
2.4.3.2 Flockning och koagulering
Många partiklar och kolloider har i avloppsvatten lika laddning, vilket gör att de repellerar varandra så att suspensionen blir stabil (Schroeder, 1977). Kolloiderna är också så små att de Brownska rörelserna, som skapas då kolloiderna krockar med vattenmolekylerna, är större än inverkan av gravitationen vilket leder till att sedimentering inte sker (Henze et al. 1997). Koagulering går ut på att rubba stabiliteten hos kolloiderna i vatten. Detta kan göras genom att tillsätta joner som har motsatt laddning till de dispergerade jonerna i vattnet. Metoden bygger på att bilda
metallhydroxider som sedan klumpar sig med föroreningarna i vattnet. Trevärda salter med
aluminium eller järn används ofta för att åstadkomma denna process, eftersom de till en låg kostnad kan åstadkomma koagulering av kolloider. Reaktionen mellan saltet och kolloiderna i vattnet ger en pH sänkning i vattnet.
Koaguleringen kräver en god omblandning av vattnet så att koaguleringsmedlet kan komma i kontakt med alla föroreningar. Omblandningen kan åstadkommas genom mekaniska blandare i en
10
flockningstank eller genom att koaguleringsmedlet injiceras i vattnet i rörledningar där flödet är turbulent. Eftersom koaguleringen bygger på kemiska reaktioner är dess effektivitet beroende av temperaturen i vattnet. Låga temperaturer kan därför minska effektiviteten för vissa
koaguleringsmedel då de kemiska reaktionerna hämmas (Casey, 1997). Koaguleringen och fällningen sker ofta samtidigt i reningssystemet. Skillnaden mellan dessa är att fällningen bildar svårlösliga kolloider och att koaguleringen slår ihop dessa kolloider till större partiklar.
Koaguleringen påverkas dessutom av om kolloiderna är hydrofila eller inte. Då kolloiderna är hydrofila omges de av ett skikt med vattenmolekyler som hindrar de från att koaguleras (Henze et al. 1997).
Både koaguleringsmedel och flockningsmedel tillsätts vattnet för att öka metallreningen.
Koagulering är en process där metallerna i vattnet dras ihop till större partiklar (flockar) som består av utfällda metaller. Detta sker genom att koaguleringsmedlet minskar den elektriska repulsiva kraft som finns mellan metalljonerna. Koaguleringen bildar stora flockar som sedan slås ihop med varandra. I flockning slås däremot små partiklar samman genom att en flockningskemikalie agerar som fogmassa mellan metalljonerna. Flockningsmedlet ingår därmed i flocken och gör den stabil så att den kan sedimentera. Skillnaden mellan flockning och koagulering är således att koaguleringens syfte är att bilda flockar av metallutfällning och att flockningen däremot är till för att öka
stabiliteten och vikten på flockarna så att de kan sedimentera (Akretche, 2009).
Den stora skillnaden mellan mekanismerna är att koaguleringen är en kemisk process i vilken laddningar hos partiklar i vattnet neutraliseras. Flockning är däremot en fysikalisk process i vilken neutralisering av laddning inte sker. I flockningen sker istället en fysisk hopklumpning genom att metallutfällningarna fångar in kolloider och partiklar så att flockar bildas (Jiang, 2015).
Flockningen sker bäst i turbulent flöde där de bildade flockarna kolliderar och klumpar ihop sig till större flockar som kan sedimentera (Henze et al. 1997). Ortofosfater tillsammans med polymerer kan användas som flockningskemikalier. pH-justeringen sker oftast med hjälp av lut eller kalciumhydroxid (Nordiska ministerrådet, 2007). Denna reningsmetod kräver en stor kemikalieanvändning för att höja pH och generera flockar. Stora slammängder, som måste behandlas för att inte metallerna ska sprida sig i naturen, genereras också (Babel et al. 2006).
2.4.4 Biologiska reningsmetoder
De biologiska reningssystemen använder mikroorganismer för att bryta ner organiska ämnen i vattnet. Mikroorganismerna får oftast växa på en yta av bärarmaterial som har en stor area. Luft och ibland även närsalter tillsätts för att skapa ideala förhållanden för mikroorganismerna
(Naturvårdsverket, 2005). Dessa system använder inga flockningskemikalier vid vattenreningen.
Eftersom de biologiska reningssystemens effektivitet bygger på mikroorganismerna, är det viktigt att tvättmedlet i tvätten anpassas för att inte slå ut populationen. De tvättmedel som används vid tvätten bör därför vara miljöanpassade för att inte skada mikroorganismerna.
Mikroorganismernas aktivitet ökar även vid högre temperaturer, vilket gör att vattentemperaturen i de biologiska systemen bör vara hög (omkring 25 grader Celsius) för att optimera den biologiska reningen. Dessa system har visat sig bra på att rena vatten från olja men har ofta en lägre metallreningsförmåga än de kemiska reningssystemen. Biologiska reningssystem är också förknippade med risken att de kan slås ut om oönskade ämnen släpps ut i systemet (Nordiska ministerrådet, 2007).
Inom biologisk vattenrening kan mikroorganismerna tillåtas vara suspenderade i vattnet eller växa på en bäraryta. Fördelen med att ha ett system där mikroorganismerna har en yta att växa på är att koncentrationen av mikroorganismer kan vara högre. Det gör att en mindre reaktorvolym krävs för att uppnå en likvärdig rening. Ett problem som dock kan uppstå i system där mikroorganismerna växer på bärarytor är att stora flockar bildas som kan minska diffusionen av syre och näringsämnen, vilket kan leda till att systemets effektivitet minskar.
Biologiska reningssystem är ofta designade för de platsspecifika förhållandena och ämnena i vattnet. Några vanliga steg inom biologisk vattenrening är dock att vattnet först genomgår en förbehandling med till exempel sedimentering av suspenderade partiklar. Den biologiska reningen
11
följer ofta på detta steg och finns till för att förbruka biologiskt nedbrytbart material. Efter den biologiska reningen krävs ibland ännu mer rening för att till exempel bli av med mikroorganismer som följt med ut ur den biologiska reaktorn. Denna rening kan till exempel bestå av desinfektion (Dionisi, 2017).
Desinfektionen kan ersättas av en lamellavskiljare som möjliggör slamretur till slamavskiljaren. Det vatten som skall recirkuleras kan tas från en bufferttank som placeras efter lamellseparatorn.
Biologiska system har den stora fördelen att de kan designas så att endast luft behöver tillsättas.
Eftersom de biologiska systemen bryter ner olja och andra organiska föreningar minskar också slammängderna med ungefär 25 % jämfört med kemreningssystem. Tungmetallerna i vattnet binds till slammet via sorption. pH justeringar behöver heller inte genomföras i biologiska system.
Systemen har också få rörliga delar där luftpumpen och bärarmaterialet är de delar som behöver bytas ut. Detta gör att systemet blir driftsäkert och har få löpande kostnader (Israelsson, muntl.
uppg.).
I moderna biologiska reningssystem värms vattnet inte heller upp. Detta gör att systemen blir billigare i drift och därmed mer kostnadseffektiva. En annan fördel med de biologiska
reningsmetoderna är att de inte kräver mycket arbete. Ett system kan klara sig med en daglig tillsyn på 5–10 minuter. Dock kan systemens effektivitet minska under vintermånaderna. Stora oljeutsläpp i vattnet kan dessutom leda till att oljan klibbar fast vid bärarytorna och att koncentrationen av mikroorganismer därför minskar vilket ger en ineffektiv rening (Nilsson, muntl. uppg.).
2.4.5 Oxidationsmetoder
Oxiderande ämnen kan användas för att desinficera vatten. Detta gör att dålig lukt kan motverkas (Stephenson och Stuetz, 2009). Vattnet syresätts med t.ex. ozon för att skapa en oxidation.
Oxidationen kan bryta ner oljor och tensider som finns i vattnet. Även mikroorganismer kan minskas med oxidation. Dock är denna metod inte optimal för metallrening vilket gör att den ofta måste kombineras med andra metoder för att ge tillräcklig rening (Naturvårdsverket, 2005). Då ozonet angriper tensiderna leder detta till att tvättkemikalierna inte kan återvinnas. Däremot kräver inte detta system någon tillsats av kemikalier vid vattenreningen (Nordiska ministerrådet, 2007).
Oxidation kan även utföras genom att syre tillförs vattnet med en turbin. Syret oxiderar
föroreningar och ger flotation av dem. Därefter tillåts föroreningarna sedimentera i en tank eller oljeavskiljare varpå vattnet filtreras (Naturvårdsverket, 2005). Oxidationsmetoderna kan uppnå 80
% vattencirkulering men är förenade med risken att personal utsätts för ozonet om systemet går sönder (Nordiska ministerrådet, 2007).
2.4.6 Elektrokemisk rening
Elektrokemisk rening kräver ingen tillsatts av kemikalier. Metoden används vid anläggningar som kräver hög recirkulering av vattnet. Metoden bygger på att vattnet leds mellan en anod och en katod. Salt tillsätts vattnet för att åstadkomma rätt ledningsförmåga. Elektrolys sker, varpå gasbubblor bildas och tar med sig joner från elektroderna som flockas med föroreningar i vattnet.
Eftersom vägsaltning förekommer vintertid kan salttillförseln minskas till systemet under
vintermånaderna. Styrningen av salthalten är dock en av de största utmaningarna som denna metod är förknippad med. Dessutom finns problem med att separera utflödena från systemet, som består av flotationsslam, avloppsvatten och bottenslam, från varandra. Denna metod kan dock
implementeras i system som ger upp till 80 % recirkulering av vatten (Nordiska ministerrådet, 2007).
Elektrokemisk rening har den stora fördelen att den kan användas för att minska mängden organiska ämnen och COD-halterna (kemisk syreförbrukning) i biltvättsvatten. Processen kan åstadkommas med till exempel järn- eller aluminiumelektroder. Valet av elektroder påverkar reningsgraden och kostnadseffektiviteten för systemet. Järnelektroder har till exempel visat sig kunna uppnå högre rening av oljehaltig smuts och klorid än aluminiumelektroder. De två olika ämnena har visat sig ha likvärdig rening av COD i vattnet. Driftkostnaden har dock visat sig vara högre för järnelektroder då deras elanvändning och slammängd är större än
aluminiumelektrodernas. Järnelektroden slits dessutom ut snabbare.
12
Metoden fungerar genom att elektroden används som offeranod. Järnet eller aluminiumet löses ut och bildar hydroxider som fälls ut. Aluminiumelektroderna ger optimal rening då pH på vattnet är runt 6. Järnelektroderna fungerar bättre vid högre pH värden och optimumet ligger vid pH 8 (Balcıoğlu et al. 2017). Även andra material kan användas som anoder. Blydioxidanoder tillsammans med katoder av rostfritt stål har bland annat testats på biltvättvatten. Dessa experiment har dock visat på att energiförbrukningen blir så pass hög att metoden endast i praktiken bör användas som ett komplement till annan rening (Cerisola, 2010).
Eftersom kemikalier inte tillsätts blir slamvolymen liten i elektrokemiska reningssystemen.
Slammet från systemet är dessutom lättbehandlat då de flockar som bildas ofta är stora och inte innehåller bundet vatten. Denna metod kan också separera de minsta partiklarna (kolloiderna) i vattnet då dessa påverkas mest av den elektriska ström som systemet använder sig av. De vätgasbubblor som bildas vid katoden kan dessutom hjälpa till med flotation av slam. Några av nackdelarna med elektrokemiska reningssystem är att salt behöver tillsättas. Katoden kan också få en beläggning av oxider vilket minskar den elektriska strömmen och därmed reningen. Därför måste katoden rengöras med jämna mellanrum. Eftersom systemet använder sig av en offeranod som förbrukas måste även denna bytas ut ibland (Bazrafshan et al. 2015).
2.4.7 Hydrocykloner
Hydrocykloner använder sig av centrifugalkrafter för att avlägsna föroreningar från vatten.
Hydrocyklonen är en stationär tank utan rörliga delar (Stephenson och Stuetz, 2009). En
hydrocyklon utnyttjar vätsketrycket för att sätta vätska i rotation. Rotationen uppkommer genom att vatten sprutas in vågrätt i en cylinder. Rotationen får de olika partiklarna i vattnet att röra sig olika mycket vilket gör att de kan separeras. De partiklar som finns i vattnet påverkas olika mycket av centrifugalkraften som tvingar partiklarna utåt och den motverkande dragningskraften från vätskan som tvingar de inåt. Det som avgör påverkan på partiklarna är deras storlek, form, densitet samt vätskans egenskaper. Skillnaden i påverkan på partiklarna gör att dessa kan separeras från vätskan, då vätskan trycks ut mot kanterna samtidigt som partiklarna sugs mot mitten.
Hydrocyklonerna har två utlopp, ett för den renade vätskan och ett för avfallet (Fig. 1).
Hydrocykloner är relativt billiga och tar upp lite plats då de kan placeras vertikalt. Nackdelen med hydrocykloner är att deras separationsförmåga är begränsad. De kan användas för att separera partiklar ner till 5 µm (Bradley, 1965). Vid biltvättar är antalet bakterier ofta stort i
hydrocyklonerna. Detta beror framförallt på att dessa ofta används som ett första reningssteg i reningssystemet (Bjurhem och Ekengren, 2004).
Figur 1: Schematisk bild av en hydrocyklon (Coca, Gutiérrez och Benito, 2009).
13
2.4.8 Jonbytare
Jonbyte är en typ av adsorption. Processen bygger på att laddade partikelytor kan attrahera lösta joner med motsatt laddning. Jonerna kan sedan bindas till partikeln med en svag elektrostatisk bindning. När en jon binds till partikeln avger partikeln en likaladdad jon till vattenlösningen. Den totala laddningen för elektrolyten ändras således inte (Gustafsson et al. 2010). Jonbyte kan
utnyttjas vid rening av avloppsvatten för att minska halten tungmetaller i vattnet. Detta görs med en så kallad jonbytare, som är en fast massa som kan byta katjoner eller anjoner med joner som lösts i vattnet (Barakat, 2011). Det är vanligt att anjoner i vattnet byts mot OH- och att katjoner byts mot till exempel natriumjoner eller vätejoner. En del jonbytare klarar endast av att byta antingen anjoner eller katjoner, men det finns också jonbytare som kan byta båda (Casey, 1997).
Metoden har hög kapacitet och reningsgrad vilket har gjort att den använts flitigt. Vissa jonbytarmassor har god förmåga att byta katjoner mot metalljonerna som finns i vattnet.
Jonbytarmassan kan bestå av naturligt material som till exempel zeoliter. Det är dock vanligare att massan framställs av syntetiskt material. Jonbytare använder sig ofta av sur jonbytarmassa som innehåller karboxylsyragrupper eller sulfonsyragrupper. Dessa grupper innehåller väte som kan avges i utbyte mot metallerna i vätskan. Temperatur, pH, metallkoncentration och kontakttid påverkar jonbytaranläggningars reningsförmåga. Även metalljonernas laddning bidrar till deras bindningspotential och starkt flervärda joner binds lättast i jonbytarna (Fu och Wang, 2011). Vid selektivt jonbyte byts miljöfarliga joner ut mot icke-miljöfarliga. Processen kan utformas så att specifika joner favoriseras vilket gör att specifika metalljoner kan renas från vattnet. Detta gör att tungmetallerhalter i vattnet minskar. Metoden producerar dessutom lite slam (Da̧browski et al.
2004).
För att metoden ska fungera optimalt bör inflödet till jonbytarmassan ha låg turbiditet och lågt innehåll av organiska ämnen som kan reagera med jonbytarmassan (Casey, 1997). Detta eftersom jonbytare inte klarar av att rena vatten som innehåller höga halter av metaller eller organiskt material, utan att täppas igen (Barakat, 2011). Då jonbytarmassan mättats kan den återaktiveras genom kemisk behandling. Denna process kan ge upphov till stora mängder avfall. Metoden är dessutom dyr när den används för att rena stora vattenvolymer med låga metallkoncentrationer (Fu och Wang, 2011).
Fördelar med jonbytare är att de klarar av att avlägsna metaller även vid låga koncentrationer.
Metoden har dessutom inga problem med slam som måste omhändertas. Detta gör att systemet har relativt låg driftkostnad. En annan fördel är att metoden kan användas för att binda specifika katjoner. Nackdelar med metoden är att den kräver förbehandling av vattnet för att avlägsna partiklar, dessutom finns ingen universal jonbytare som klarar av att rena vattnet från alla metaller samtidigt (Babel et al. 2006).
2.4.9 Filter
Filtrering går ut på att föroreningar separeras med hjälp av en porös barriär som vattnet får flöda igenom. Det finns många olika typer av filter och filtermaterial som möjliggör olika flödeshastighet på vattnet. Föroreningar separeras via flera olika metoder. Då föroreningarna är större än porerna sker en mekanisk silning som hindrar föroreningarna från att transporteras genom filtret. Silningen bildar ett lager på filtret som minskar porstorleken och därmed ökar reningen, men som också bidrar till att mer energi krävs för att vattnet ska rinna igenom filtret. Partiklar som är mindre än porerna måste bindas till filtermediet för att separeras från vattnet (Crittenden et al. 2012b).
Filtrering består av två processer där den första är transporten av föroreningar till ytan av filtermediet. Den andra processen är fastläggning av föroreningar på filtermediet.
Fastläggningsprocessen är ofta kemiskt betingad och beror på de kemiska egenskaperna hos filtret och vattnet (McGhee, 1991). Flera olika transportprocesser påverkar föroreningar när de rör sig till partikelytorna i filtret (Fig 2). Dessa processer är diffusion, sedimentation och interception. Själva reaktionen till filterytan kan bestå av till exempel van der Waals bindningar (Crittenden et al.
2012b). Diffusion beror på slumpartade rörelser hos partiklar i vattnet (s.k. Brownsk rörelse).
Denna mekanism har framförallt stor inverkan på små partiklar (Casey, 1997).
14
Figur 2: Illustration av de transportprocesser som påverkar fastläggning i porösa filter (Crittenden et al. 2012b).
De processer som bidrar till fastläggning av metaller kallas för sorption. Till dessa processer hör adsorption, ytutfällning och absorption (Bradl, 2004). Adsorption är en process i vilken ämnen i löst fas reagerar med en fast yta. Adsorptionen kan ske via ytkomplexbindningar, elektrostatiska
bindningar (jonbyte) eller hydrofob adsorption (Bradl, 2004). Adsorptionen till filtermaterialet påverkas av konkurrens mellan joner, koncentrationen av joner i det inkommande vattnet samt filtermaterialets egenskaper.
Då joner konkurrerar om adsorptionsytor kan detta leda till att materialet avger joner för att uppta andra. Därför kan filtrering ibland ge upphov till förhöjda halter av vissa ämnen i vattnet (Akretche, 2009). Eftersom adsorptionsprocesser används för att binda lösta föroreningar i vattnet är det viktigt att vattnet har så låg turbiditet som möjligt, innan det genomgår en adsorptionsprocess (Casey, 1997). Vid ytutfällning bildas en ny fast fas då metalljoner fälls ut som oxider, karbonater, hydroxider, sulfider eller fosfater. Denna mekanism är beroende av pH och förhållandet i
koncentrationen av anjoner och katjoner i vattnet. Absorption går ut på att metalljoner upptas via diffusion i den fasta materialet (Bradl, 2004).
En rad olika filtermaterial finns tillgängliga för att rena och polera vatten från biltvättar och det har bedrivits forskning på många filtermaterial genom åren. Dessa har framställts av alltifrån
restprodukter inom jordbruket och industrier till naturliga material (Fu och Wang, 2011). I kapitel 2.4.9.1 – 2.4.9.3 beskrivs några av dessa.
2.4.9.1 Sand
Sandfilter använder sig oftast av kiselhaltig sand med uniform kornstorlek (Casey, 1997). Sandfilter ger delvis en mekanisk rening av vatten genom att vattnet får rinna genom filtret och partiklar då fastnar i porerna i filtret. Filtret måste ofta vara i drift ett tag för att uppnå effektiv rening. Detta beror på att föroreningar ackumuleras i filtret vilket gör att porstorleken minskar med tiden.
Således minskar också möjligheten för föroreningar att ta sig igenom filtret. Med tiden täpps sandfiltret igen vilket gör att det tillslut inte klarar av att filtrera föroreningar. Detta kan åtgärdas med en backspoling.
Backspolningar bör ske med jämna mellanrum för att filtrets effektivitet inte ska försämras. Under backspolningen pumpas vatten i motsatt riktning genom filtret vilket får partiklar att lossna. Då filtret används ökar tryckförlusterna i det proportionellt mot tiden som filtret är i drift. Detta är ytterligare en anledning till varför backspolning behövs (Crittenden et al. 2012b). Sandfilter klarar även av att filtrera partiklar som är betydligt mindre än porstorleken. Detta beror på de
15
sorptionsmekanismer som beskrivits i föregående kapitel (kapitel 2.4.9). Av transportprocesserna i porösa filter spelar sedimentation en stor roll för större partiklar i sandfiltren. Då föroreningar transporterats till ytan på sandkornen fastläggs de med van der Waals bindningar eller
elektrostatiska krafter.
Inom avloppsvattenrening används två olika typer av sandfilter. Långsamma sandfilter har en långsam rening av vattnet och en biologisk film på ytan som står för den största delen av rening.
Snabba sandfilter använder däremot hela bäddtjockleken till rening och kan behandla större flöden av vatten. Eftersom de behandlar större mängder vatten krävs också ofta mer frekvent underhåll i form av backspolning (Casey, 1997). Det finns även snabba sandfilter som inte behöver backspolas (Fig. 3). I dessa filter leds vattnet in genom en ledning till botten av filtret där en inloppsfördelare avger vatten till filterbädden. Vattnet transporteras uppåt genom sandbädden samtidigt som det renas. En del av sanden från filtrets botten pumpas in i en tvättbox där en del av det renade vattnet sköljer sanden varpå sanden återförs till toppen av sandfiltret. Således behöver sandfiltret inte tas ur drift för att backspolas (Nordic Water u.å.).
Den totala mängden vatten som går åt till att rengöra filtermediet i dessa filter är samma som i konventionella sandfilter. Skillnaden är dock att de kontinuerliga filtren använder vattnet
kontinuerligt under reningen (Stephenson och Stuetz, 2009). Experimentella studier på sandfilter har visat på att filtren effektivt kan sänka halten organiska ämnen och därmed vattnets BOD (biokemiska syreförbrukning) men att de har betydligt svårare att adsorbera metalljoner (Gustafsson et al. 2009).
Figur 3: Ett kontinuerligt sandfilter (Nordic Water u. å.).
16
2.4.9.2 Petrit E
Petrit E är en mineralprodukt som framställs av slagg från stålindustrin. Materialet är en biprodukt som fås ur ljusbågsugnarna på stålverket. Slagget består av det kalk och de oxiderade metaller som blandas i ljusbågsugnarna under ståltillverkningen. Till största del består materialet av kalciumoxid, järnoxid och kiseldioxid. Materialet innehåller även små mängder av andra ämnen som till exempel kromföreningar. Ungefär 15000 ton Petrit E tillverkas årligen. Materialet används framförallt som ett substitut för till exempel grus i olika bygg- och infrastrukturprojekt. Slaggmaterialet kan bland annat också ingå som en komponent i betong. Användningsområdet för Petrit E beror på vilken kornstorlek materialet har (Höganäs AB, 2014). Det har bland annat gjorts tester på materialet för att rena lakvatten vid deponier. Eftersom materialet har en stor specifik yta för sin vikt skulle det även kunna tillämpas inom annan typ av vattenrening (Haase, muntl. uppg.).
2.4.9.3 ZinkStop
ZinkStop används idag som ett zinkfilter vid en del fordonstvättar i Sverige. Materialet är ett reaktivt filtermaterial som till sin kemiska sammansättning påminner om Polonite som används i små reningsverk och fosforfällor (Johansson, muntl. uppg.). Polonite har testats för att rena vatten från deponier och då visat på en god upptagningsförmåga av både koppar och zink (Kietlińska och Renman, 2005). Både ZinkStop och Polonite tillverkas av bergarten opoka (Renman. muntl. uppg.).
Opoka är en sedimentär bergart som består av silikatmineral som innehåller kalcit. Materialet innehåller även Al2O3 och Fe2O3. Även små mängder av krom, strontium, barium, vanadium och zink finns i materialet. Genom att värmebehandla bergarten kan reaktiva filtermaterial framställas.
Under värmebehandlingen bildas även CaO i materialet. Undersökningar av materialet har visat på en stor potential att använda materialet för rening av avloppsvatten (Brogowski och Renman, 2004).
Experimentella studier som gjorts på opoka-baserat material har visat att dess
metallupptagningsförmåga delvis beror på inflödeskoncentrationen av metaller i vattnet. Nickel, bly, kadmium och koppar binds dåligt då koncentrationen i inflödet är låg. Om koncentrationen höjs blir bindningseffektiviteten högre. Materialet är inte heller bra på att binda organiskt kol (Renman, Hallberg och Kocyba, 2007). Laboratorietester av opoka-baserat material har också visat på att aluminium kan lösas ut till vattnet från ämnet. Förhöjda salthalter i vattnet tros dessutom kunna minska metallupptagningsförmågan genom att natrium kan inducera jonbyte med
bergmaterialet. Experiment visar även på att det krom som finns i materialet kan lösas ut till vattnet under filtrering (Hallberg och Renman, 2007).
Reaktiva filtermaterial baserade på opoka tros binda metaller genom att fälla ut dessa som svårlösliga metallhydroxider. Även adsorption och jonbyte tros spela en viss roll för filtrets effektivitet. Eftersom reningen baseras på fällningsprocesser är pH i vattnet en viktig faktor för att metallreningen ska vara effektiv. pH måste vara runt 9 då flera metaller ska renas (Kietlińska och Renman, 2005). ZinkStopens bindningsegenskaper beror på dess stora specifika yta och höga pH.
Detta skapar goda förhållanden för utfällning av tungmetaller med de hydroxidgrupper som finns i opoka. Då materialet blivit uttjänt sjunker pH vilket kan leda till att metallfällningen avtar.
Materialet måste därför bytas ut då det blivit mättat (Renman, muntl. uppg.). Den mättade
filtermassan kan sugas upp i samband med slamtömning av oljeavskiljaren (Nilsson, muntl. uppg.).
2.4.10 Membran
Membran består av en tunn film med selektiv genomsläpplighet för vissa ämnen gentemot andra (Akretche, 2009). Membranen använder sig av både silning och diffusion för att separera föroreningar från vattnet. Detta görs vanligen genom att ett tryck appliceras över membranet.
Vatten pressas då genom membranets porer varpå föroreningar som är större än porerna silas bort.
Detta gör att mindre partiklar kan avskiljas om porstorleken görs mindre (Casey, 1997). För att membran ska rena samma volym vatten som porösa filter behövs en 100 gånger större filteryta.
Detta beror på att flödet genom membranen är 100 gånger mindre på grund av den lilla
porstorleken. Detta betyder emellertid inte att membransystem behöver ta mer plats än ett poröst
