Massa- och pappersindustrin i Sverige har genom åren skapat en stor mängd restprodukter i form av pappers- och träfiber och rester av processkemikalier från produktionen. Vidanläggningar på Sveriges östkust deponerades dessa ofta rakt ut i havet där fiber ackumulerats genom åren till fiberbankar. Ett sätt att hantera dessa ansamlade utsläpp är via muddring, d.v.s. att avlägsna sedimentet från vattnet för att hantera det på annat håll. Syftet med detta projekt är att konstruera ett system för att muddra fiberbankar via en autonomfarkost. Ett flertal koncept genererades för att lösa olika delar av problemet och dessa utvärderades med Pughmetoden för att välja den bästa lösningen. Ett koncept utvecklades med en impeller som river upp sediment innesluten i en kon från vilken sedimentet pumpas vidare, där pumpen även driver impellern. Två vinschbaserade delsystem för att förflytta konen i vertikal- och horisontalled konstruerades. CFD-simuleringar och hållfasthetsberäkningar utfördes för att dimensionera komponenter och även egenfrekvensanalys för att säkerställa att impellern inte kan excitera någon egenfrekvens hos systemet. Det färdiga konceptet har fördelen jämfört med befintlig teknik att det är autonomt och anpassat för muddring av fiberbankar och inte bara organiskt bottensediment. Det behöver inte hellersupportsystem för att förhindra spridning av sediment som virvlas upp under drift. / The wood and paper industries in Sweden have through the years created large amounts of waste in the form of wood and paper fibers with residual process chemicals. Facilities on the east coast of Sweden often dumped these waste products straight into the ocean, where fiber was accumulated into fiber banks over the years. One way of dealing with these deposits is through dredging, i.e., removal of the pollutant from the water and processing it elsewhere. The goal of this project is to design a system for dredging of fibrous sediment via anautonomous vessel. Several concepts were generated to solve different parts of the problem. These concepts were evaluated using the Pugh method to find the best solution. A concept was developed using animpeller to tear up sediment enclosed in a cone from which the sediment was pumped up fromthe ocean floor. The pump is also the power source of the impeller. Two winch-based subsystems for vertical and horizontal movement of the cone were designed. CFD simulations and solid mechanics calculations were performed to dimension critical components, as well as modal analysis to ensure that the impeller cannot excite any eigenfrequency in the system. The finished concept has the advantage compared to existing technology that it is autonomousand adapted for dredging of fiber banks instead of organic sediment. It does not need separate support systems to prevent the spread of suspended sediment in the water during operation.

This thesis demonstrates the advantages of using the Energy-dispersive X-ray fluorescence (ED-XRF) system to quantify the mercury content in fiber banks at first. The Monte Carlo N-Particle (MCNP) code was then used to simulate the XRF system model with suitable parameters such as the input X-ray energy level, the detector material, and the environmental factor (water depth). The SNR results of the mercury spectrum when applying different parameters were obtained. Then, the limit of detection (LOD) and limit of quantification (LOQ) based on the SNR approach are considered. Finally, system parameters were determined in order to obtain more accurate qualitative and quantitative analysis results for future environmental measurements.

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.

Mercury contamination is an environmental issue with high priority due to its high toxicity. In addition to the atmospheric deposition, several lakes and rivers in Sweden are contaminated as a result from wood and pulp-fiber industries which stretches back 200 years. In Luleå, Sweden, a former groundwood industry, Karlshäll, has contributed to mercury pollution in the sediments of Notviken, a small bay connected to Luleå River and the Bothnian Sea, through release of process water. Industrial release of chemicals and wood pulp have resulted in a special type of sediment called fiber banks. The fiber banks contain high levels of organic matter and very little oxygen which contributes to large gas emissions from the fiber banks, gas ebullition. There is no generally accepted method for examining how mercury contaminants are spread through gas ebullition. The aim of this thesis was to review and find methods for that purpose. Through the literature review several types of methods emerged. Some of them were useful for measuring volumes of gas, whereas others were better designed for collecting gas and analysing it for concentration of elements. There are pros and cons with all methods but the one considered most useful in the case of Karlshäll would be Skarp’s method with active and passive sampling. The passive part includes setting up tents over the fiber bank with a known area, and then calculate the volumes of gas which migrate up through the water during a certain amount of time. The active sampling consists of stirring the fiber bank sediment with a stick and then gather the ascending gas bubbles in a Teflon-bag. The Teflon bag is thereafter sent to a chemical environmental laboratory for analysis of the concentration of elements. This method is the only one of the ones reviewed in this thesis which have been tested in Sweden at sites with gas- ebullition facilitated mercury transport. Although, Varadharajan et al’s (2011) sampling device with automation could be applicable if a long-term, high frequency monitoring programme would be used at Karlshäll. In addition, a sampling device with an integrated carbon-absorption-tube collector for trapping gaseous Hg would be beneficial if the samples can’t handle a long-distance transportation. Thus, the samples could be sent to a local laboratory instead. However, this type of device is not yet invented and would need further studies to develop. / Kvicksilverföroreningar är ett stort miljöproblem som räknas till de särskilt farliga ämnena vilka skall fasas ut för att nå miljömålet giftfri miljö. Föroreningarna är mycket giftiga för djur och miljö och det kvicksilver som redan spridits ansamlas och stannar kvar under lång tid i mark, vatten och biota. Utöver den atmosfäriska depositionen så är floder, älvar och sjöar i Sverige förorenade med kvicksilver, ett resultat av en 200-årig industri för tillverkning av pappersmassa och träfiber där kvicksilver varit en del i tillverkningsprocessen.  I Luleå fanns det ett träsliperi kallat Karlshäll mellan åren 1912–1962 som släppte ut orenat processvatten innehållandes kvicksilver tillsammans med rester av träfiber till den närliggande viken, Notviken, som är ett inlopp från Lule älv. Industriella utsläpp av kemikalier och träfiber har resulterat i bildandet av en viss typ av bottensediment, kallad fiberbank. Fiberbankarna innehåller höga nivåer av organiskt material i kombination med lite syre vilket bidrar till stora gasutsläpp från fiberbankarna, gasavgång. Det finns ingen vedertagen metod för att undersöka hur kvicksilverföroreningarna sprids genom gasavgång. Syftet med denna uppsats är att undersöka och hitta metoder som kan undersöka kvicksilverföroreningarnas spridning via gasavgång. Genom en litteraturstudie och intervju med en entreprenör inom miljöteknik framträdde flertalet olika metoder för att kunna kvantifiera eller mäta kvicksilver i gas från fiberbankar. Några av dem var användbara för att mäta volymer av gas. Andra metoder lämpade sig bättre för att samla in gas för analys av koncentrationer av olika ämnen.  Även om alla metoder i viss mån lämpar sig för att undersöka gasavgång från sediment ansågs Jonny Skarps metod som inkluderade både aktiv och passiv provtagning med gasfällor och teflonpåsar vara den mest passande för fiberbankar likt den i Karlshäll. Den passiva metoden innefattar installation av tält över en känd area på sedimentbotten och sen beräkna mängden gas som bubblar upp under en viss tid. Den aktiva insamlingsmetoden bygger på att sediment störs med ett spetsigt föremål, exempelvis ett lod, så att gasbubblor släpper från sedimentet och samlas in med hjälp av en teflon- påse. Teflon-påsen skickas sedan till ett kemiskt laboratorium i Göteborg för analys av innehållet i gasen. Båda dessa provtagningssätt kunde tillsammans mäta mängden kvicksilver ifrån gasen samt volymen av gasen. Denna metod är den enda av de som undersökts i denna uppsats som testats i Sverige på platser med kvicksilver som avgått i gasform från fiberbankar. Dock så är Varadharajan med fleras (2011) automatiserade gas-insamlare ett bra alternativ ifall en hög frekvens av provtagning är nödvändig i kombination med en lång insamlingstid. Denna skulle kunna kombineras med en insamlingsmetod av gasbubblor där det lokala kemilaboratoriet kan analysera innehållet. I detta fall krävs att ett kolfiber-rör är en del av mätinstrumentet. Dock finns det ännu inte något sådant instrument och fler studier behövs för att utveckla ett sådant.