Pulp and paper industries in Sweden have since the end of the 19th century until late 70s been active in dumping wastewater into adjacent water bodies that have created fibrous sediments called fiberbank and fiber-rich sediment. Fiberbanks are large banks of predominantly organic material while fiber-rich sediment is fibrous sediment that has been mixed with bottom sediment. The fiberbanks comprise of high levels of processed wood fibres and contaminants such as heavy metals and persistent organic pollutants (POPs). It also produces carbon dioxide and methane gas by microbial activity and leaves the sediment with exit holes called pockmarks. These sediments have been proven to cause environmental harm to the benthic biological environment around it, also causing it to become anoxic/hypoxic. Some of the POPs bioaccumulate which also affect humans through fishing. If the fiberbanks are disturbed through e.g. mass movement, toxic contaminants could be released into the aquatic environment. Fiberbanks need to be remediated and more research is needed to characterise it. In-situ capping is a remediation technique that is being tested at the laboratory scale for its application to fiberbanks. It involves placing a layer of clean material on top of the sediment, in order to stabilize it and to limit contaminant release.Because of their high organic content and low density, these sediments might behave differently than typical natural sediments. Therefore, laboratory experiments are necessary to understand their key properties. This thesis focuses on the Sandviken site, for which the bearing capacity of fiberbanks, their thickness, and the compression rate of fiber-rich sediments are studied. The bearing capacity is the capacity for a sediment to hold a weight, and in the case of in-situ capping it is an important parameter to study. The thickness was interpreted from physical data collected by a fluid mud penetrometer (FluMu), from the University of Bremen to assess the fiberbank volume. Fiber-rich sediment is examined to expand the knowledge on its physical properties by testing consolidation and potential gas production.Bearing capacity was tested by placing sediment in a tank and placing a cap on top of it. The site thicknesses were interpolated in ArcMap into a visual topography where the volume could be calculated. Fiber-rich sediment consolidation was tested by placing the sediment in columns with different capping thicknesses. By monitoring bubbles and pockmarks, gas production was confirmed.Results show that the tank sediment construction kept its shape without collapsing or failing at the edges. Sediment/cap interface was sharp, it means little to no mixing between the layers. This proves that Sandviken fiberbank has enough bearing capacity to hold up a cap and that it contains contaminants well. FluMu interpretation resulted in a fiberbank volume of 51885 m3. The fiberbank thickest layer was interpreted as being in front of the sulphate factory which is a credible result. The fiberbank volume is not conclusive since the FluMu has not measured complete thicknesses of the layers. This can be said since thicknesses have been measured at a minimum of 6 m and the thickest point interpreted was 1,11 m. The fiber-rich sediment consolidation showed that a cap that is very thick will cause most consolidation and more rapid dissipation of pore water. Bubbles and pockmarks were observed and confirm gas production. / Papper- och massa-industrin i Sverige har varit aktiv fram till 1970-talet och har dumpat förorenat vatten i angränsande vattendrag. Detta har gett upphov till fibersediment som kallas fiberbank och fiberrikt sediment. Fiberbanker är stora banker av övervägande organiskt material och fiberrikt sediment är en blandning av fiberbank sediment och bottensediment. Fiberbankerna består mestadels av bearbetade träfibrer och föroreningar som tungmetaller och långlivade organiska föroreningar (POPs). Sedimentet producerar även växthusgaser genom mikrobiell aktivitet. Dessa sediment orsakat miljöskada på den biologiska bottenmiljön i omgivningen då den förlorat syreinnehåll. Samtliga POPs samlas i fisk vilket därav även påverkar människors hälsa. Om fiberbankerna skulle störas, släpps giftiga föroreningar ut i miljön. Fiberbanker måste åtgärdas och en saneringsteknik som undersöks i laboratorieskala är in-situ övertäckning. Detta innebär att placera ett lager av rent material ovanpå sedimentet för att stabilisera det och stoppa frigöring av föroreningar.På grund av sedimentets annorlunda karaktär är experiment i laboratorier nödvändiga för att förstå deras nyckelegenskaper. Detta arbete fokuserar på fiberbanken i Sandviken, fiberbankens bärförmåga, dess tjocklek och kompressionshastigheten för fiberrika sediment studeras. Bärförmågan är kapaciteten för ett sediment att hålla en vikt och när man ska belasta ett sediment med ett övertäckningslager är detta viktigt. Tjockleken av sedimentet undersöks för att bedöma fiberbankens volym i området. Fiberrikt sediment undersöks för att utöka kunskapen om dess fysiska egenskaper genom att testa konsolidering och om det producerar gas likt fiberbanksediment.Bärförmågan testades genom att placera sediment i en tank och placera ett lager av rent material på. Platstjocklekarna tolkades från fysiska data från en typ av sensor som penetrerar sediment och interpolerades därefter i ArcMap till en visuell topografi där volymen kunde beräknas. Fiberrik sedimentkonsolidering och gasproduktion testades genom att placera sedimentet i kolumner med olika locktjocklekar.Resultaten visar att bärförmågan av fiberbanksedimentet var tillräckligt för att klara av en grundlig belastning. Gränsen mellan sedimentet och övertäckningslagret var skarp i slutskedet, det innebär liten eller ingen blandning mellan skikten. Detta bevisar att sedimentet bibehåller övertäckningslager väl över sig då ytan är platt. Tolkningen av sensordata resulterade i en fiberbankvolym på 51885 m3. Fiberbankvolymen är inkomplett eftersom FluMu inte har uppmätt skiktens fullständiga tjocklekar eftersom tjocklekar har tidigare uppmätts till minst 6 m och den tolkade tjockaste punkten var 1,11 m. Den fiberrika sedimentkonsolideringen visade att ett övertäckningslager som är mycket tjock kommer att orsaka mest och snabbast konsolidering. Observationer bekräftade även gasproduktion i sedimentet.

Gas Emissions from Contaminated Fibrous Sediments in Sweden The discharge of untreated wastewater from pulp and paper mills have resulted in the accumulation offibrous sediments on the bottom of many nearby aquatic recipients. Some accumulations are multiplemeters thick and consist almost entirely of cellulose fibre or wood chips; these are called fiberbanks.The often hypoxic conditions and high organic content in fiberbanks makes them favourable for methaneproducing microorganisms, and gas release by ebullition has been observed. CH4 has high globalwarming potential and this study therefore aims to investigate GHG emissions from Swedish fiberbanks.Since methanogenesis is influenced by temperature and organic content, the gas ebullition is expectedto vary with season and between fiberbanks. As such it was necessary to examine differences inebullition rate, bubble volume and bubble quantity between different fiberbanks and to test the influenceof temperature on ebullition. To achieve this, the gas ebullition from two fiberbanks with very differentcomposition (Väja and Sandviken), were investigated using optical ebullition sensors measuring thequantity and volume of released gas bubbles. The ebullition measurements were performed in laboratoryat room temperature (20oC) and with sediments in incubation (4 – 15oC). The results indicate differencesin both ebullition rate and mean bubble volume between these two fiberbanks, with only minordifferences in the quantity of bubbles released. In a period of stable ebullition over five consecutivedays, sediment from Väja released 83 – 90% larger volumes of gas per day, and also produced bubblesthat were on average 67 – 89 % larger in volume when compared to Sandviken. The incubationexperiments show that ebullition from both fiberbanks increases exponentially with temperature, at ratessimilar to those found in natural sediments (Väja Q10 3.9, Sandviken Q10 4.9). The rate of accelerationin ebullition from both sediments is very strong >10oC, which is also similar to what has been observedin natural sediments. If estimating the combined GHG emissions from Swedish fiberbanks based on theresults from this study, it shows that fiberbanks could emit as much as 550 000 – 900 000 tonnes of CO2equivalents annually. That would correspond to 1.1 – 1.7% of the combined annual Swedish GHGemissions in 2018, and with fiberbank ebullition showing such a strong temperature dependence, thatestimate would grow rapidly when water temperatures increase with a warming climate / Utsläpp av orenat processvatten från svensk pappersindustri har resulterat i ansamlingar av fiberhaltigasediment på botten av närliggande vattendrag. På vissa platser bildar de fiberhaltiga sedimenten flerameter tjocka fiberbankar som består nästan uteslutande av cellulosafibrer eller träflis. Det högaorganiska innehållet i fiberbankarna resulterar ofta i syrefria förhållanden vilket gör dem gynnsammaför metanproducerande mikroorganismer, och frisläppning av gasbubblor har observerats. Metangasbidrar starkt till växthuseffekten och det här projektet utformades därför med huvudmålet att uppskattaväxthusgasutsläppen via ebullition från svenska fiberbankar. Eftersom metangasproduktionenförväntades variera beroende på temperatur och fiberbankskomposition, undersöktes skillnader igasutsläpp från två olika fiberbankar, gällande koncentrationen på utsläppt gas, mängd utsläppt gas,volym på bubblor, antal bubblor, samt hur gasutsläppen från fiberbankarna påverkades av temperatur.Undersökningen inkluderade sediment från två fiberbankar med väldigt olika sammansättning (Väja ochSandviken) och gasutsläppen studerades med hjälp av optiska sensorer i rumstemperatur och underinkubation vid temperaturer från 4 – 15oC. Data från undersökningarna användas sedan till att uppskattade årliga växthusgasutsläppen från svenska fiberbankar. Resultaten indikerar att det är stora skillnader imängden utsläppt gas och volymen på frisläppta bubblor mellan dessa två fiberbanksediment, menendast små skillnader i antalet frisläppta bubblor. Fiberbankssediment från Väja släppte ut en 83 - 90%större gasvolym per dag och producerade också i genomsnitt 67 - 89% större bubblor jämfört medsediment från Sandviken. Inkubationsexperimenten visar att gasutsläppen från de bådafiberbanksedimenten ökar exponentiellt med temperatur, och tilltar i liknande hastighet som hosnaturliga sediment (Väja Q10 3.9, Sandviken Q10 4.9). Ökningen i gasutsläpp vid temperaturer över 10oCär mycket stark hos båda sedimenten, vilket också liknar observationer från naturliga sediment. Närresultaten används för att uppskatta växthusgasutsläppen från den totala mängden fiberbanksedimentsom kan finnas i Sverige, visar de att fiberbankar kan släppa ut så mycket som 550 000 - 900 000 tonCO2-ekvivalenter årligen. Det skulle innebära 1.1 – 1.7% av de sammanlagda årliga svenskaväxthusgasutsläppen.

Utifrån bakgrundsinformationen har massa- och pappersindustrin varit aktiva under en lång tid utanför Askersund, Aspa Bruk, och Jönköping, Munksjön, innan införande av reningstekniker. Utsläppen av obehandlad fiber och massa tillsammans med metaller som använts av industrierna har lett till bildandet av fiber- och metallrika sediment i recipientvattendragen. Dessa sediment utgör långsiktiga negativa och toxikologiska effekter på växter och djur i den akvatiska miljön. Dessutom har metallerna i de fiberrika sedimenten potential att migrera nedströms i olika utsträckning beroende på lokala miljömässiga faktorer. Det är därav av stor betydelse att utvärdera förekomstmönster och potentiella miljömässiga effekter av metaller i fiberrika sediment. Huvudsyftet var att studera spridningen av metaller och dess potentiella miljömässiga/hälsomässiga effekter i fiberrika sediment inom två halvslutna vattendrag med utlopp i sjön Vättern. Metoden inkluderade mätning av metallkoncentration (genom ett XRF-instrument), glödningsförlust (LOI) och pH mätning av sedimentets porvatten följt av statistisk analys för att undersöka effekterna av pH och organiskt material på koncentration och spridning av metaller. Riskanalys utfördes tillsammans med nationella referensvärden utifrån metoden Svensk Standard tillsammans med effektbaserade tröskelvärden. Resultatet visade att sedimenten i Aspa Bruk hade högre nivåer organiskt material än Munksjön som indikerade en stor input av organiskt material härledda från fiber och/eller massa. Medan ytsedimenten i Aspa Bruk uppvisade högre metallkoncentrationer jämfört med i Munksjön var koncentration av de flesta metallerna (såsom arsenik, bly, koppar, zink, nickel, krom, kobolt och barium) i Munksjöns djupare sediment 60–80 % högre än i Aspa Bruk. En avvikelse sågs för zink vars koncentration var högst vid 3–6 cm i Aspa Bruk. Det framkom även att de högsta koncentrationerna av metall, förutom kobolt och barium förekom vid utkanten av fiberbanken för båda områdena. För båda områdena sågs koncentrationen av kvicksilver, kadmium och kobolt minska signifikant i samband med en ökande nivån organiskt material. Denna trend framkom även för barium och nickel i Munksjön och för zink i Aspa Bruk. Förekomsten och fördelningen av kvicksilver och kadmium observerades påverkas ytterligare av pH. Riskanalysen påvisade att sedimenten i Munksjön var mest förorenade i relation till spridningen. Metallerna med störst negativa effekter och av störst miljöhänsyn i nedåtgående ordning var kvicksilver, bly, koppar, kobolt och zink. / Based on gathered background information, pulp and paper industries have been active for a long time in Askersund, Aspa Bruk, and Jönköping, Munksjön, counties before the introduction of purification techniques. The discharge of untreated fiber and pulp along with metals used by the industries led to the formation of fiber- and metal-rich sediments in recipient watercourses. These sediments pose long-term negative and toxicological effects on the plants and animals in the aquatic environments. Moreover, the metals in the fiber-rich sediments have the potential to migrate downstream to various extents, depending on the local environmental factors. It is thus of great importance to evaluate the distribution pattern and potential environmental effects of metals in fiber-rich sediments. The main purpose was to study the distribution of metals and their potential environmental/health effects in fiber-rich sediments within two semi-enclosed waterbodies draining into the Vättern lake. The method involved measuring metal concentrations (by an XRF-instrument), loss of ignition (LOI), and pH of sediment porewaters, followed by statistical analysis to explore the impacts of pH and organic matter on the concentration and distribution of metals. Risk assessment was performed with national reference values using the standard Swedish method together with effect-based threshold values. The results showed that the sediments in Aspa Bruk had higher values of LOI than those in Munksjön, indicating a larger input of organics derived from fiber and/or pulp to the former. While the surface sediments in Aspa Bruk exhibited higher metal levels compared to Munksjön, the concentrations of most metals (such as arsenic, lead, copper, zinc, nickel, chromium, cobalt, and barium) in Munksjön's subsurface sediments were 60-80% higher than those in Aspa Bruk. A deviation was seen for zinc, whose concentrations were highest at 3-6 cm in Aspa Bruk. It also appeared that the highest concentrations of the metals, except for cobalt and barium, occurred at the edges of the fiberbank in both areas. In both areas, concentrations of mercury, cadmium and cobalt declined significantly with increasing organic matter contents. Such trend was also evident for barium and nickel in Munksjön and zinc in Aspa Bruk. The occurrence and distribution of mercury and cadmium was observed to be affected additionally by pH. Risk assessments revealed that the sediments in Munksjön were most contaminated in relation to the spreading of fiber banks. The metals of the most negative effects and thus environmental concerns, ranked in decreasing order, included mercury, lead, copper, cobalt, and zinc.

I detta projekt har ett fiberområde i Bollstafjärden i Västernorrland undersökts. Fiberområdet består av en fiberbank och fiberrika sediment. Trä- och cellulosafibrer har tillsammans med kemikalier släppts ut från pappers- och massaindustri vilket gett upphov till fiberområden. Kemikaliernas farlighet samt risk för spridning och upptag i näringsväven utgör ett miljöhot. Syftet med projektet var att undersöka och klassificera fiberområdet med hjälp av en modell som tagits fram av Golder Associates på uppdrag av Länsstyrelsen i Västernorrland. Modellen bygger på Naturvårdsverkets Metodik för Inventering av Förorenade Områden (MIFO) och är den första av sitt slag varmed det också ingår i syftet att utvärdera denna. Volymen för fiberbanken beräknades för att få en uppfattning om dess storlek samt för att den ingår i modellen. Fiberbankens volym beräknades i programvaran ArcGIS till 197 143 m3. Volymen kan jämföras med en simbassäng (50x25 meter) som har ett djup på 158 meter. Den beräknade volymen ansågs vara mycket osäker eftersom det fanns för lite mätdata att tillgå, vilket innebar att beräkningsmetoderna i ArcGIS inte fungerade optimalt. Genom att fylla i modellens parametrar riskklassificerades fiberområdet till klass 1C, ”särskilt stor risk”, på en skala från 1-4. Riskklassificeringar används för att kun- na jämföra förorenade områden med varandra och för att få en uppfattning om vilka områden som ska prioriteras vid eventuella åtgärder. Modellen validerades genom att ändra parametrarna inom ett rimligt intervall samt se hur den påverkades då inget parametervärde angavs. Då värden som innebar störst risk användes på ett flertal parametrar erhölls högsta riskklass 1A. De parametrar som enskilt påverkade riskklassen var ”sammanvägda spridningsförutsättningar” och ”avstånd till närmaste bostadshus”. Det är anmärkningsvärt att en dubblering eller hal- vering av volym fiberbank och fiberrika sediment inte resulterade i en förändring av riskklass. Under arbetet med modellen visade det sig att fiberområdet kunde riskklas- sificeras utan information om dess volym. Modellen ansågs vara användarvänlig men hade en del brister så som otillräckligt definierade svarsalternativ för en del parametrar. Viss information upplevdes som svår- tillgänglig men är förmodligen enklare att hitta för handläggare vid länsstyrelser.

Sverige har en stor miljöskuld i form av fiberbankar fulla med miljöfarliga restprodukter från den pappers- och massaindustri som har definierat stora delar av svensk industri. Stora delar av östkusten samt flertalet sjöar fortsätter påverkas av dessa fiberbankar som kontinuerligt släpper ut miljögifter allt eftersom de eroderas av vågor eller då det organiska materialet bryts ned. Att minska dessa utsläpp av miljögifter är ett måste. Ett alternativ för att ta vara på de gamla restprodukterna är att muddra bort det varsamt för att sedan processera det på land. En sugenhet har tagits fram i ett tidigare examensarbete som minimerar spridning av sedimenten vid muddring. Syftet med detta projekt är att konstruera en flotte som möjliggör användandet av den tidigare framtagna sugenheten utan att onödig upprörning och spridning av sediment riskeras. En potentiell källa till upprörning är då sugenheten kommer i svängning pga. okontrollerade rörelser på flotten som uppstår via vågpåverkan. En litteraturstudie över olika stabiliseringsmetoder gjordes och därefter togs ett flertal koncept fram som sedan utvärderades mot kravspecifikationen. Det koncept som sedan vidareutvecklades var en flotte som baseras på SWATH teknik samt med så kallade ”Heave plates”, horisontella plattor under vattnet som skapar ett hydrodynamiskt motstånd Flotten som tagits fram baserar sig på uppdragsgivarens, Teknikmarknad, tidigare flotte för muddring av organiska sediment. En uppskattning av konceptets kostnad gjordes sedan genom skapandet av en komponentlista där för konceptet nödvändiga delar listades tillsammans med pris. Det framtagna konceptet är autonomt, relativt billigt, kräver minimalt med underhåll och minimerar risken för spridning av miljöfarliga ämnen vid muddring. / Sweden has a large environmental debt in form of underwater fibre deposits, full of leftover chemicals from the pulp and paper industries that has defines large parts of early Swedish industry. Large parts of the east coast and several lakes continues to be affected by these deposits that continuously release environmentally hazardous materials when the deposits are eroded by waves or the organic material breaks down. To slow down these emissions is a must. One alternative is to carefully dredge the material away with purpose-built equipment to later process it on land. In an earlier thesis, a dredgehead was developed that minimize the spreading of material during dredging. The purpose of this project is to develop a barge that enables the use of the earlier developed dredgehead without increasing the risk of spreading of sediment. A potential cause of spreading is if the dredgehead would start swinging due to uncontrolled motions of the barge caused by waves. A literature study was conducted to find different stabilizing methods and several concepts where developed. The different concepts were evaluated based on the requirement specification. The superior concept was a SWATH based design with added Heave plates to increase the hydrodynamic resistance. The barge is based on a previous barge developed by the stakeholder, Techmarket, for low flow dredging of organic sediment. An estimate of the concept added cost was done through a component list where the necessary parts were listed together with the price. The proposed concept is autonomous, demands minimal maintenance and minimizes the risk of spreading of hazardous materials while dredging.

The health of the Baltic Sea is negatively affected by hazardous substances such as metals and persistent organic pollutants (POPs), which include legacy pollutants that were banned decades ago, but still circulate in the ecosystem. Elevated levels of legacy pollutants, identified by HELCOM as key hazardous substances, have been found in accumulations of fibrous sediments, so-called fiberbanks and fiber-rich sediments, which derive from old pulp mills along the Swedish north coast. The fiberbanks are deposited in shallow water and bathymetrical models show evidence of their erosion, potentially caused by propeller wash, submarine landslides and gas ebullition. This thesis addresses the potential dispersal of key substances from three fiberbank sites located in a non-tidal Swedish estuary, in which metals and POPs are present in concentrations that may pose a risk for benthic organisms. Metals and POPs are partitioned to organic material and, as expected, show the highest partitioning coefficients (KD) in fiberbanks that have higher TOC levels compared to adjacent areas with fiber-rich sediments (natural clay sediments mixed up with fibers) or relatively unaffected postglacial clays. However, many analytes were found to be present in quantifiable concentrations in pore water, which indicates diffusion of substances from the solid phase to the aqueous phase. To assess the dispersive influence of an abrupt erosional event on dispersion, metals were measured in undisturbed bottom water and in bottom water disturbed by artificial re-suspension of fibrous sediments. The bioavailable, dissolved fraction of metals decreased in bottom water after re-suspension, probably due to the particle concentration effect. In contrast, the total concentrations of metals and number of quantifiable metals increased with particle concentration caused by re-suspension. At one station, the total concentration of chromium (Cr) was elevated to a level where it may lower the ecological status of the water body during periods of substantial erosion (e.g. spring floods or submarine landslides). Analyses of disturbed bottom water revealed, however, that minerogenic particles were preferentially re-suspended compared to organic. This suggests that physical erosion and re-suspension of fiberbank sediments might have a larger effect on dispersal of metals than on POPs. / TREASURE

Syftet med denna undersökning har varit att besvara frågan om röntgenfluorescens är en bra metod för att mäta kvicksilver i bottensediment under vatten. Undersökningen har genomförts genom ett fysiskt experiment och kräver någon form av ett röntgenfluorescenssystem. Ett röntgenfluorescenssystem ger ett fluorescensspektrum som visar en intensitet av röntgenstrålar i antalet fotoner per sekund (counts) som funktion av energi i elektronvolt. Detta kan avslöja vilka grundämnen som befinner sig i fiberbanken och hur mycket av grundämnet. Röntgenfluorescens används redan i många olika applikationer, exempelvis i matindustrin, gruvor och för analys inom forskning. Denna undersökning har visat att röntgenfluorescens även fungerar för mätningar under vatten men kräver mer optimering för bättre precision.