The waste management and recycling company, Söderhalls Renhållningsverk (SÖRAB) have constructed a surface flow wetland in order to treat surface runoff from the waste management site, Löt. The contaminated water passes several treatment steps until it reaches the wetland and a subsequent soil infiltration step. It is suspected that the flow path of the water through the wetland is short-circuited which may result in a reduced treatment efficiency. The current discharge concentrations of the chemical compounds tested for do not exceed the allowed discharge limits. However, it is of interest to keep the discharge concentrations as low as possible to protect sensitive areas and water bodies downstream. The aim of the thesis was therefore to investigate the flow pattern of the wetland and suggest measures which potentially could improve the treatment efficiency. The flow pattern was modelled numerically in a Physio-Mathematical model developed by Wörman and Kjellin (2020). The current flow pattern was modelled, followed by several simulation runs where the controlling factors of the flow were changed one by one. The validity of the modelling result is uncertain and should therefore be confirmed or rejected by conducting a tracer test prior to implementing any changes in the wetland design. The modelling results indicate the presence of a main flow path passing through the narrower section of the permeable embankment (intersecting the northern and southern part of the wetland, see Fig. 3). The results further indicate that the permeable embankment, the bottom topography and the vegetation distribution were the three major factors controlling the flow pattern within the wetland. Recommended improvements would therefore be to first conduct a tracer test to make sure that any changes implemented are based on the true current flow pattern. The embankment and the vegetation distribution seem to be the main causes of non-idealities in the flow but at the same time probably also have positive effects on the treatment efficiency (since they provide filtration and surface areas where microorganisms can attach to perform their treatment). One solution to reduce the non- idealities in the flow could therefore be to adjust the embankment to be equally wide and deep across the wetland. Furthermore, the bottom topography around the embankment could be adjusted so that the shift in bottom elevation is equal around it. This would probably aid in hindering the development of preferential flow paths through the embankment. Finally, the vegetation distribution could be made uniform. (It should also be noted that a uniform vegetation distribution would require adjustment of the water depth to be below 1,5 m to allow an equal establishment of vegetation). / Avfallshanterings- och återvinningsföretaget Söderhalls Renhållningsverk AB (SÖRAB) har anlagt en våtmark vid Löts avfallsanläggning, ca 35 km norr om Stockholm. Våtmarken utgör det näst sista reningssteget i reningsprocessen av lak- och processvatten från avfallsanläggningen. Riktvärdena för utsläppshalterna överskrids inte men det är önskvärt för SÖRAB att åstadkomma så låga utsläppsvärden som möjligt för att minimera påverkan på känsliga områden och vattendrag nedströms. SÖRAB misstänker dock att preferentiella flödesvägar kan förekomma där vattnet passerar alltför fort genom våtmarken. Detta resulterar ofta i en lägre reningseffektivitet då föroreningarna som är lösta i vattnet får en kortare kontakttid med de naturliga reningsmekanismerna som förekommer i våtmarken. Syftet med det här arbetet var därför att undersöka strömningen i våtmarken och identifiera vattnets flödesvägar med hjälp av en numerisk modell utvecklad av Wörman och Kjellin (2020). Strömningen i våtmarker styrs av en energigradient där flödet går från en punkt i ett vattendrag med högt energiinnehåll till en punkt med lågt energiinnehåll. Enligt principen om energins bevarande omvandlas energin mellan kinetisk, potentiell, tryckenergi och värmeenergi. Ändringen i energiinnehåll beror i sin tur på verkan av externa krafter (gravitationskraften, hydrostatiska tryckkrafter, friktionskrafter, kontraktions- och expansionskrafter och skjuvkrafter från vind. Dessa krafter verkar vid förändringar i bottentopografin, vattendjupet, ytmotståndet (vid våtmarkens botten och väggar), våtmarkens geometri samt där vattenytan är exponerad för vind. Dessa faktorer orsakar utvecklandet av skjuvkrafter i flödet som i sin tur orsakar utvecklandet av hastighetsprofiler och omblandning. Bildandet av hastighetsprofiler och omblandning av vattnet gör att olika vätskeelement eller föroreningar stannar i våtmarken olika lång tid då de rör sig olika fort. För att åstadkomma en så hög reningsgrad som möjligt är det därför önskvärt att hela våtmarkens volym nyttjas till samma grad och att samtliga vätskeelement rör sig med samma hastighet genom våtmarken vilket även kallas för en ideal flödesregim (där ingen omblandning i flödesriktningen förekommer). Då utvecklandet av skjuvkrafter i flödet utgör den grundläggande orsaken till avvikelser från en ideal flödesregim är det önskvärt att minimera dessa. De styrande faktorerna som orsakade utvecklandet av skjuvkrafter i flödet var som nämndes ovan: variationer i våtmarkens bottentopografi och vattendjup, våtmarkens geometri (som kan orsaka isolerade vattenvolymer), ytmotståndet (som bl.a. beror på distributionen av vegetation), vind, samt in- och utflödeshastigeter. Våtmarken undersöktes genom inmätning och lodning som sedan låg till grund för en konceptuell modell av systemet. Den konceptuella modellen utgjorde sedan en grund för att modellera våtmarken numeriskt. I den konceptuella modellen ingick identifiering och definition av systemgränser samt randvillkor, att definiera bottentopografin samt att dela in våtmarken i delområden med homogent flödesmotstånd. Systemgränser och randvillkor identifierades baserat på en vattenbalans. Med hjälp av vattenbalansen kunde relevanta komponenter att inkludera som randvillkor identifieras. Randvillkorens värden bestämdes genom mätningar av den hydrauliska potentialen med hjälp av en GNSS-mottagare (där GNSS står för Global Navigation Satellite System och mottagaren nyttjar satelliter för att bestämma höjd och position i en geografisk punkt) samt från erhållna mätvärden från SÖRAB av in- och utflöden som pumpas in och ut ur våtmarken. Då bottentopografin var okänd bestämdes den genom att vattendjupet mättes, interpolerades och subtraherades från en referensnivå. Vattendjupet mättes genom lodning och mätpunkterna interpolerades sedan i det geografiska informationsverktyget ArcMap för att erhålla ett heltäckande lager av mätvärden över vattendjupet. Därefter kunde vattendjupet subtraheras från vattenytans medelhöjd över havet vilket var 38,1 m och ett heltäckande lager över bottentopografin kunde erhållas. Flödesmotståndet beräknades enligt ekvation 16 (se avsnitt 2.1.) och våtmarken delades in i homogena delområden baserat på förekomsten av vegetation och om strömningen skedde genom ett poröst medium eller öppet vatten. Den numeriska modelleringen genomfördes genom att först modellera den nuvarande strömningen med och utan ett rör som går genom den genomsläppliga vallen. Därefter ändrades de styrande faktorerna för flödet en i taget för att kunna utvärdera vilken effekt varje faktor hade på strömningen i våtmarken för att åstadkomma en ideal flödesregim. Följande simuleringar genomfördes: (1) Bottentopografin gjordes jämn med ett vattendjup på 0,5 respektive 1,0 m, (2) inloppszonen gjordes längre för att undvika skapandet av isolerade vattenvolymer längs ytterkanterna, (3) vegetationens distribution gjordes homogen, (4) den genomsläppliga vallen justerades. Pålitligheten i resultatet från den numeriska modelleringen är osäker. Därför skulle ett spårämnesförsök behöva genomföras för att undersöka huruvida resultatet från modelleringen är tillförlitligt eller inte. Enligt modelleringsresultatet förekom en tydlig flödesväg som passerade genom den smalare delen av vallen. Modelleringen indikerade vidare att de kontrollerande faktorerna som styrde flödet i våtmarken framförallt utgjordes av distributionen av vegetation samt den genomsläppliga vallen tillsammans med omgivande bottentopografi. Det rekommenderas därför att modelleringsresultatets validitet först undersöks med ett spårämnesförsök innan några åtgärder vidtas. Möjliga förbättringsåtgärder som skulle kunna införas därefter för att sträva mot ett idealt flöde skulle kunna vara att justera den genomsläppliga vallen till att ha en lika stor tjocklek och ett lika stort djup överallt samt att justera bottentopografin runt vallen så att den förändras lika mycket runt vallen. Detta för att skapa förutsättningar för att undvika preferentiella flödesvägar genom den. En jämn fördelning av vegetation (och justering av vattendjupet till att understiga 1,5 m som tillåter kolonisering av växter) att störningar i flödet minimeras.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:UPSALLA1/oai:DiVA.org:kth-285896 |
| Date | January 2020 |
| Creators | Alm, Max-Bernhard |
| Publisher | KTH, Hållbar utveckling, miljövetenskap och teknik |
| Source Sets | DiVA Archive at Upsalla University |
| Language | English |
| Detected Language | Swedish |
| Type | Student thesis, info:eu-repo/semantics/bachelorThesis, text |
| Format | application/pdf |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | TRITA-ABE-MBT ; 20733 |
Page generated in 0.003 seconds