Opgravning af næringsrigt bundsediment er en effektiv metode til at rense søer og sikre, at den værdifulde fosfor kan genanvendes som gødning. Håndtering af de store mængder våde sediment kræver dog effektive afvandingsmetoder.
Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 5, 2025 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder
(læs originalartiklen her)
Af Morten Lykkegaard Christensen, Gustav Simoni og Usuma Naknikham, Institut for Kemi og Biovidenskab, Aalborg Universitet
Danmarks søer er under pres på grund af høje koncentrationer af næringsstoffer. Det er især fosfor, der er et problem. Det påvirker vandkvaliteten og søens økologiske tilstand. Ifølge en undersøgelse fra Miljøstyrelsen er kun fem ud af 986 testede søer i god økologisk tilstand. På trods af mange tiltag for at mindske tilførslen af næringsstoffer til søerne forsvinder problemet ikke. En af de store udfordringer er, at søerne kan forblive belastede i mange år, selv efter at tilførslen af fosfor er stoppet. Det skyldes, at der er ophobet store mængder fosfor i søens bundsediment. Fosforen frigives langsomt til søvandet og kan dermed fastholde en høj næringsstofbelastning i søen. Effekten af sørestaurering såsom opfiskning af fredsfisk (biomanipulation) eller fosforfældning med kemikalier (aluminium eller lanthanum modificeret bentonit) kan derfor være midlertidig, hvis den interne belastning af fosfor fra sedimentet ikke reduceres.
Den interne belastning kan reduceres ved at fjerne det fosforholdige sediment. Samtidig hentes fosforen op og kan anvendes som gødningsprodukt. Fosfor er et livsvigtigt mineral og samtidig en begrænset ressource. Det er derfor afgørende at lukke fosforkredsløbet, hvis vi skal sikre den fremtidige produktion af fødevarer og biomasse. Her spiller fosforen i søerne en vigtig rolle. Opgravning og genbrug af fosforholdigt sediment testes derfor lige nu ved Ormstrup Sø. Projektet følges tæt for at overvåge søens udvikling før og efter restaureringen samt vurdere mulighederne for at genanvende sedimentet.
Ormstrup Sø ligger ved Bjerringbro i Jylland. Det er en meget fosforrig sø. Gennemsnitskoncentrationen af fosfor blev i sommeren 2010 målt til 0,72 mg/L [1]. Søen er 12 hektar stor med en gennemsnitsdybde på 2,3 meter og en maksimal dybde på 4-5 meter [1]. Sedimentet ved Ormstrup Sø indeholder kun lave koncentrationer af tungmetaller og andre forurenende stoffer. Desuden ligger søen tæt på markarealer. De to forhold giver gode muligheder for at komme af med sedimentet og udnytte den fosfor, der er bundet i sedimentet. Nylige forsøg har endda vist, at fosforen er tilgængelig for planter på marken, og derfor har en reel gødningsværdi.
En af de store praktiske udfordringer ved opgravning af sediment er de store mængder. Sedimentet er vådt og skal afvandes inden den videre håndtering. Denne artikel beskriver erfaringerne fra projektet og de tekniske og miljømæssige udfordringer, der er forbundet med sedimentopgravning og afvanding.
Opgravning af sediment
Det er vigtigt ikke at opgrave mere sediment end højest nødvendigt. Analyser viser en forhøjet koncentration af fosfor i de første 20 centimeter af sedimentet [1]. Det svarer til 24.000 tons vådt sediment, hvis 20 centimeter sediment fjernes fra hele søbunden. Tallet er endda lavt sat, da man formentlig også vil få en del søvand med op. Det er derfor vigtigt at have udstyr til opgravningen, der meget præcist fjerner den rette mængde sediment.
Et andet problem er, at sediment under opgravning kan hvirvles op i vandfasen, som derved forurenes. Dermed har opgravningen en direkte negativ effekt på vandmiljøet. Ved Ormstrup Sø anvendes der en nyudviklet sørobot, der langsomt suger sedimentet op fra bunden af søen, så der ikke opgraves for meget sediment og unødig forurening af vandfasen undgås.
Højt vandindhold i sedimentet
Det opgravede sediment indeholder over 95 procent vand, hvoraf det meste skal tilbage i søen. Mængden af vand er stor; faktisk svarer vandmængden i sedimentet til mellem 10 og 15 procent af søens samlede vandvolumen. Derfor er det vigtigt, at det vand, der ledes tilbage til søen, er rent og fri for fosfor, partikler og andre forurenede stoffer. Derudover er det vigtigt at fjerne mest muligt vand fra sedimentet for at mindske de efterfølgende håndterings- og transportomkostninger for det afvandede sediment. Der findes forskellige afvandingsmetoder, for eksempel filtrering, sedimentation og centrifugering. Vi har valgt at filtrere sedimentet, da vi herved kan opnå højt tørstof ved et lavt energiforbrug.
En effektiv filtrering kræver I) forbehandling ved tilsætning af polymer, II) et stort filtreringsareal og III) tid til afvandingen.
Anvendelse af polymerer til sedimentbehandling
Polymerer anvendes ofte i forbindelse med afvanding. Polymererne hæfter til overfladen af partiklerne. På den måde bindes partiklerne sammen (flokkulering), hvorved vi undgår partikler i det filtrerede vand.
Analyserne viser, at fosforkoncentrationen reduceres med over 95 procent ved flokkulering sammenlignet med filtratet fra ikke flokkuleret sediment [2]. Vi har testet både konventionelle polymerer (polyakrylamid) og biopolymerer (Chitosan og modificeret stivelse) til flokkuleringen. De testede polymerer fungerer godt, men biopolymerer kræver en højere dosis, cirka 0,5 mg polymerer per gram sediment i forhold til 0,1 mg polymerer ved brug af polyakrylamid. Ved disse doseringsniveauer betyder det, at der skal anvendes 1-5 tons polymerer til opgravningen af hele søen. Det er derfor afgørende, at eventuelle polymerrester i filtratvandet ikke skader vandmiljøet.
Vi har gennemført en række økotoksikologiske tests, som viser, at det er bedre at bruge biopolymererne end de konventionelle polymerer [2]. Efter afvandingen viser resultaterne dog kun en begrænset negativ effekt for alle testede polymer. Som ekstra sikkerhedsforanstaltning har vi installeret et sandfilter, og her viser de økotoksikologiske tests, at filtratet er mindre giftigt end det oprindelige søvand.
Filtrering af flokkuleret sediment
Filtrering kræver, at der bruges en filterdug. Disse fås med forskellige porestørrelser. Det er muligt at vælge en meget fin dug, men det forlænger filtreringstiden markant. En mere effektiv løsning er at flokkulere sedimentet, som allerede beskrevet, og anvende en dug med større porestørrelse. I vores forsøg har vi anvendt forskellige duge med porestørrelser på 200 µm.
Det er desuden vigtigt at vurdere, hvor meget flokkuleret sediment der lægges ud per arealenhed af dugen. Hvis mængden af sediment fordobles, firedobles afvandingstiden. Derfor er et stort filterareal afgørende. Det kan sikres ved brug af et båndfilter, hvor tørstoffet kontinuerligt fjernes, så dugen holdes ren, eller ved anvendelse af store geotekstilposer, som lægges ud på marker. Vi har i fuldskala valgt geotekstilposerne, da der er meget plads omkring søen og da disse ikke kræver opsyn under afvandingsprocessen. Afvandingen styres af den hydrauliske modstand igennem sedimentet, og hvor komprimerbart sedimentet er. Vores analyser viser dog også, at fordampning af vand fra overfladen af geotekstilposerne er vigtig for sluttørstoffet. Sedimentet vil være mest tørt i top og bund og vådest i midten af poserne. Ved afvanding i syv-ni måneder er det muligt at opnå et tørstof på 17-19 procent. På den måde er det muligt at reducere sedimentvolumenet med mere end 80 procent.
Opsummering
Det er vigtigt at kende fosforkoncentrationen gennem sedimentet og have opgravningsudstyr, så kun den nødvendige mængde sediment hentes op. Polymerer er nødvendige og ved korrekt brug kan mere end 99 procent af fosforen tilbageholdes i det afvandede sediment. Biopolymerer kan erstatte konventionelle polymerer, men kræver en højere dose og en justering af polymerindblandingen. Matematiske simuleringer af afvandingsprocessen sikrer, at der kun bruges det nødvendige filterdugareal til at opnå det ønskede sluttørstof, uden at over- eller underdimensionere processen. Hvis sedimentet er rent og ikke forurenet, kan det genanvendes som gødningsprodukt. På den måde løser vi et miljøproblem ved at oprense vores søer. Samtidig sikrer vi, at den værdifulde fosfor udnyttes igen.
Projektet er støttet af Poul Due Jensens Fond.
E-mail:
Morten Lykkegaard Christensen: mlc@bio.aau.dk
Referencer
1. Søndergaard, M., Jensen, H., Nielsen, J.R. & Reitzel, K. 2015. Forundersøgelse af Ormstrup Sø. Aarhus Universitet, DCE – Nationalt Center for Miljø og Energi, 24 s. – Videnskabelig rapport fra DCE – Nationalt Center for Miljø og Energi nr. 175. http://dce2.au.dk/pub/SR175.pdf.
2. Simoni G., Cheali P., Roslev P., Haasler S., Reitzel K., Smith A.M., Haferbier M.H.S., Christensen M.L. (2024) Flocculating and dewatering of lake sediment: An in-situ pilot study comparing synthetic polymers and biopolymers for restoring lake water quality and reusing phosphorus. Science of the Total Environment, 913, 169597.
BOKS1:
Det er nødvendigt at tilsætte polymerer til sedimentet inden afvandingsprocessen. Det sikrer, at vandet (filtratet) er rent og filtreringen forløber hurtigt. Der findes forskellige polymerer, for eksempel derivater af polyakrylamid (konventionelle) og polysakkarider (biopolymerer). Polymererne binder partiklerne sammen (flokkulering). Der er forskellige mekanismer for flokkuleringen. Lange polymerer binder flere partikler og danner en flok. Små positivt ladede polymerer binder til partiklernes negative ladninger, så de ikke frastøder hinanden. Derved klumper partiklerne sammen. Polymerer har forskellig størrelse (molekylvægt), ladningen og grad af forgreninger. Det er vigtigt, når den rette polymer skal vælges. Biopolymerer er ofte mindre end konventionelle polymerer, og ikke helt så effektive.
De sammenbundne partikler er følsomme over for pumpning og omrøring. Biopolymerer er effektive til at binde sedimentet sammen, men udsættes det flokkulerede sediment for øget omrøring falder partiklerne fra hinanden. Konventionelle polymerer er bedre til at modstå omrøringen. CAMP-tallet angiver omrøringshastighed (shear rate) ganget med omrøringstiden.
BOKS2:
Vi har matematisk simuleret afvandingsprocessen i geotekstilposerne. På grund af sedimentets vægt presses vandet ud af både top og bund. For at simulere processen er det nødvendigt at vide 1) hvor meget tørstoffet ændrer sig ved øget tryk (øverste venstre figur) og 2) hvor stor den hydrauliske modstand (kagemodstand) er som funktion af tryk (øverste højre figur). Kagemodstanden angiver den hydrauliske modstand per kilo tørstof. Udover vægtsammenpresningen fordamper vand fra toppen af posen. Fordampningen varierer, når temperatur, luftfugtighed og vindhastighed ændrer sig. Vi har kombineret ligningerne og simuleret tørstoffet fra bunden af posen og op til toppen (nederste højre figur) Sedimentet er tørrest i toppen, hvilket viser, at fordampningen har en væsentlig indflydelse på sluttørstoffet.
