Mobilisering av tungmetaller i rensedammer med høy tilførsel av veisaltavrenning : studert i Fossbekken rensedam langs E18

Abstract

In Norway large quantities of road salt are used during the winter to maintain safety and best possible road standard. It is mostly sodium chloride (NaCl) that is distributed on the Norwegian roads. From the NaCl, Cl- can react and be part of soluble chloride complexes. In large quantities Na+ can react and be part of an ion-exchange and replace other cations in the soil and water. In an environment with heavy metals and large quantities of road salt, an ion-exchange with Na+ can occur.

Road salt runoff contains several contaminants. Typical examples of road pollution are heavy metals, road salt and polyaromatic hydrocarbons. As an action to limit the contamination from roads, the Norwegian public road administration (Statens vegvesen) has established stormwater ponds along the highways. Stormwater ponds are designed to receive and purify road runoff. A stormwater pond consists of a pre sedimentation chamber, a threshold and a main sedimentation chamber. The threshold will lower the speed of the water through the stormwater pond and increase the residence time. Increased residence time allows particulate contamination to sediment in the stormwater pond. There is uncertainties linked to the effect of rod salt on stormwater ponds due to the lack of research on the subject. The main hypothesis of this master thesis is whether road runoff enriched on road salts can mobilize heavy metals bound to soil and sediments. The secondary purpose was to investigate the ability of the stormwater pond to withhold road contaminants.

The master thesis was based on Fossbekken stormwater pond, located along E18 Kanpstad – Retvet in Spydeberg. Over a period of 8 months, continuous conductivity measurements with HOBO freshwater conductivity data loggers and water analyzes was conducted. The results showed a pattern between some heavy metals and increased conductivity. It showed an increased concentration of Co, Mg and Cd in the inlet basin of the stormwater pond during high salt concentrated road runoff. There was a correspondence in the pre sedimentation chamber between conductivity and Mg. The main sedimentation chamber had a coinciding fluctuation between SO4, Ca and Mg, and these substances are found in low concentrations in road salt.

The sediment samples showed that there is an accumulation and retention of heavy metals in the sedimentation pond. The sediment sample from winter 2019 had consistently lower concentrations of heavy metals, compared to the sediment sample from autumn 2019. According to the Environment Directorate´s quality standard for classification of less good to poor water quality the parameters were Ni, Zn and Cu above the limit value in mg/kg heavy metal in the sediment. The water analysis for Ni, Zn, Cu and Pb were above the limit value for µg/L heavy metal in fresh water. Fossbekken stormwater pond was compared with other stormwater ponds to confirm the amount of retention and purification effect of the stormwater pond. The results show that Fossbekken stormwater pond has approximately the same concentration of contaminants in the water and sediment as the other stormwater ponds.

The effect of Fossbekken stormwater pond was tested by analysis of surface water draining to Fossbekken from the stormwater pond. The water samples were analyzed before and after the stormwater pond was in operation. The water samples showed an increase in contaminants after the establishment of the stormwater pond. This is probably not due to the retention and purification in Fossbekken stormwater pond but, due to the establishment of new highway with AADT of 14430 was established in addition to the existing country road no. 128. It is mainly NO3-N, Cl, NO3, Mg, and Ca which drains to Fossbekken and has elevated values. Fossbekken is a small, moderately calcareous and humid river of moderate ecological quality.

I Norge benyttes store mengder veisalt i vinterperioden for å opprettholde trafikksikker veistandard. Hovedsakelig benyttes natriumklorid (NaCl) som veisalt. Cl- kan inngå i dannelse av løselige kloridkomplekser, men Na+ kan i store mengder byttes ut med andre kationer i jord-vann miljøet. Tungmetaller er ofte positivt ladet som kan ionebyttes med Na+ ved høye saltkonsentrasjoner.

Veiavrenning inneholder flere forurensninger. Typiske eksempler på veiforurensing er tungmetaller, veisalt og PAH. Som et rensetiltak for håndtering av avrenning har Statens vegvesen blant annet etablert rensedammer. Rensedammer er utformet for å ta imot og rense veiavrenning. Et vått overvannsbasseng består av et forbasseng, en terskel og et hovedbasseng. Terskelen vil senke vannets hastighet gjennom rensedammen, og øke oppholdstiden. Økt oppholdstid tillater partikulær forurensing å sedimentere på vei gjennom rensedammen. Effekten av veisalt på rensedammer er lite undersøkt, noe som knytter stor usikkerhet til effekten av veisalt på dammene. Hovedformålet med denne mastergradsoppgaven var å undersøke om veiavrenning anriket med veisalt kan mobilisere tungmetaller bundet til jord og sedimenter. Det sekundære formålet var å undersøke rensedammenes evne til å holde tilbake veiforurensing

Utgangspunkt for denne oppgaven var Fossbekken rensedam, som er lokalisert ved E18 Knapstad – Retvet i Spydeberg. Gjennom en periode på 8 måneder med kontinuerlige målinger av konduktivitet med HOBO konduktivitetslogger og vannanalyser, viste resultatene for logget konduktivitet og vannanalyser et tydelig mønster mellom enkelte tungmetaller og konduktivitet. Det var en økt konsentrasjon av tungmetallene Co, Mg og Cd i rensedammen i periodene hvor avrenningen av veisalt var stor. I innløpet til rensedammen var det samsvar i svingningsmønster mellom konduktivitet og Mg. I utløpet til rensedammen var det sammenfallende svingninger mellom SO4, Ca og Mg, dette er stoffer man finner i lave konsentrasjoner i veisalt.

Ved hjelp av sedimentprøver ble det vist at det foregår akkumulering og retensjon via sedimentasjon av tungmetaller. Sedimentprøve tatt vinteren 2019 hadde jevnt over lavere konsentrasjoner av tungmetaller enn prøven tatt høsten 2019. I henhold til miljødirektoratet sin miljøkvalitetsstandard for klassifisering av moderat vannstandard, var parameterne Ni, Zn og Cu over grenseverdien mg/kg tungmetall i sediment. I vannanalysene var Ni, Zn, Cu og Pb over grenseverdien for µg/L tungmetall i ferskvann. Fossbekken rensedam ble sammenlignet med andre rensedammer for å undersøke retensjon og renseeffekt av rensedammen. Resultatene viste at Fossbekken rensedam har tilnærmet like konsentrasjoner av forurensinger i vann og sediment som andre rensedammer.

Effekten til Fossbekken rensedam ble testet ved analyser av overflatevann som drenerer til Fossbekken nedstrøms rensedammen. Vannprøvene ble analysert før og etter drift av rensedammen. Vannanalysene viste en økning i forurensinger etter at rensedammen ble etablert. Dette skyldes trolig den nye veistrekningen E18 Knapstad-Retvet, med ÅDT på 14 430, og eksisterende fylkesvei nr. 128 som forurensningskilder. Det er i hovedsak NO3-N, Cl, NO3, Mg og Ca som drenerer til Fossbekken og viste forhøyede verdier. Fossbekken er en liten, moderat kalkrik og humøs elv med moderat økologisk kvalitet.