Electrocoagulation for treatment of tunnel wash water : a proof of concept

Abstract

There are over 1000 road tunnels in Norway. Inside the tunnels, particles from wear and tear of asphalt, tires, brakes, vehicle bodies, and more will accumulate. The tunnels are washed 2-12 times every year, in part to flush out these particles, and the result is a wash water with high levels of pollutant concentrations and in turn adverse effects for aquatic ecosystems.

The environmental impact of tunnel wash water (TWW) and possible treatment solutions was one of the central aspects of the research project Norwegian Road Water (NORWAT), funded by the Norwegian Public Roads Administration. A report from this project explored possible mobile treatment systems, and suggested electrocoagulation (EC) as a possible treatment process, but the method has not previously been tried on TWW.

EC is a chemical treatment process in which electric current flows through metal electrodes submerged in the raw water, dissolving metal into the water. The dissolved metal forms metal hydroxide flocs, which interacts with colloid and particles in the water, creating easily separable flocs. At the same time, hydrogen gas is produced. The gas bubbles attach to flocs, which makes them rise and creates a sludge layer on top of the water.

EC was tested in a bench-scale reactor with aluminum electrodes, using a response-surface central composite design to test a range of treatment times of 6-35 minutes and current densities of 15-89 A/m2. Metal removal rates of ˃ 90 % for all metals except aluminum was achieved on all configurations. No settings for optimizing simultaneous removal of all metals were found. Effluent aluminum concentrations spanned 9 000 to 83 000 µg/l, from an initial concentration of 48 000 µg/l. Sludge production also varied a lot, from 10-63 %. Lowest sludge production came from experiment runs with short duration, low current density, or a combination of these. This coincides with the lowest effluent aluminum concentrations.

The study suggests that 10-15 minutes’ treatment time is ideal, because only small removal rate increases were achieved after this point for nickel, while other removal rates did not increase, and sludge production and effluent aluminum concentration increased at longer durations. EC can therefore treat TWW in about half the time needed by other fast methods studied, namely chemical precipitation using iron, aluminum, and lime based coagulants, with comparable treatment efficiencies.

The experiments done in this study are a proof of concept for EC treatment of TWW. Further studies need to convert this process to a flow-through reactor. If good results are achieved in a flow-through reactor, a scaled-up version of the system must be tested, before EC treatment of TWW can be deemed suitable for deployment.

Det norske vegnettet har over 1000 tunellar. Inni desse akkumulerast partiklar frå slitasje av m.a. karosseri, dekk, bremser og asfalt. Tunellane vaskast 2-12 gongar kvart år, dels for å skylje ut alle desse partiklane, og resultatet er eit vaskevatn med svært høge forureiningskonsentrasjonar, og ei negativ påverking på livet i fjordar og vassdrag. Tunellvaskevatn (TVV) sin miljøpåverknad og teknikkar for å reinse dette vatnet var eit av fokusområda til forskingsprosjektet Norwegian Road Water (NORWAT), i regi av Statens Vegvesen. Ein av rapportane frå dette prosjektet var ein litteraturstudie av moglege mobile reinseløysingar for TVV. Her blei elektrokoagulering (EK) foreslått som eit alternativ, men EK har tidlegare ikkje blitt forsøkt brukt til reinsing av TVV. EK er ein kjemisk reinsingsmetode kor elektrisk straum ledast gjennom elektrodar i vatnet som skal reinsast, og løyser opp metall frå anodane i vatnet. Det oppløyste metallet oksiderast til metallhydroksid. Metallet dannar så flokkar, som kjem i kontakt med partiklar og kolloidar i vatnet, og går saman til større partiklar, som er lettare å separere ut frå vatnet. På same tid dannast det hydrogengass på katodane. Gassboblene festar seg til fnokkane, og får dei til å flyte opp og danne eit slamlag på vassoverflata. EK blei testa i ein labskalareaktor med aluminiumselektrodar. Forsøket blei designa ved å nytte responsoverflate- metodologi. Reinsingsmetoden blei testa med forskjellige oppsett, frå 6-35 minuttar og strøymingstettleikar på 15-89 A/m2. Reinsingsgrad for metall blir målt til ˃ 90 % for alle metall utanom aluminium, ved alle konfigurasjonar. Ingen innstillingar blei funne som ga optimal fjerning av alle metall samtidig. Utløpskonsentrasjonen for aluminium var på 9 000 til 83 000 μg/l, frå ein startkonsentrasjon på 48 000 μg/l. Slamvolumet varierte også veldig, frå 10 til 63 % av vassvolumet etter reinsing. Lågast slamproduksjon blei observert for dei forsøka med kort tid, låg spenningstettleik eller ein kombinasjon av desse. Dette fell saman med dei forsøka som ga lågast utløpskonsentrasjon av aluminium. Studien visar at ei opphaldstid på 10-15 minuttar i EK-reaktoren latar til å vere ideell. Berre små aukingar i reinsingsgradar for nikkel vart observert for lengre opphaldstider, medan reinsingsgradar for andre metall ikkje vart betre med lengre tid. Slamvolumet og aluminiumskonsentrasjon auka ved lengre opphaldstider. EK viste seg å kunne reinse TVV på om lag halvparten av tida tidlegare studerte metodar har brukt. Kjemisk felling med jern-, aluminium- og kalkbaserte fellingsmiddel trong om lag ein halvtime på reinsing og separering, og hadde samanliknbare reinsegradar. Denne studien er eit dugleiksprov for EK til TVV-reinsing. Det er bruk for meir forsking for å teste denne metoden i ein gjennomstrøymingsreaktor. Om dette synar gode resultat, må også forsøk på oppskalering gjerast, før ein kan fastslå at teknologien kan nyttast til reinsing av TVV.