DEGREE PROJECT IN ENVIRONMENTAL ENGINEERING, SECOND CYCLE, 30 CREDITS STOCKHOLM, SWEDEN 2021 Study of the dilution of a chemical spill through tracer experiments in The Käppala Association's sewerage network, Stockholm JEROME SCULLIN KTH ROYAL INSTITUTE OF TECHNOLOGY SCHOOL OF ARCHITECTURE AND THE BUILT ENVIRONMENT STUDY OF THE DILUTION OF A CHEMICAL SPILL THROUGH TRACER EXPERIMENTS IN THE KÄPPALA ASSOCIATION’S SEWERAGE NETWORK, STOCKHOLM JEROME SCULLIN Supervisor ELZBIETA PLAZA Examiner ELZBIETA PLAZA Supervisor at Käppalaförbundet MARCUS FRENZEL Degree Project in Environmental Engineering and Sustainable Infrastructure KTH Royal Institute of Technology School of Architecture and Built Environment Department of Sustainable Development, Environmental Science and Engineering SE-100 44 Stockholm, Sweden TRITA-ABE-MBT-21421 ii Summary in Swedish Avloppsreningsverk spelar en viktig roll för att skydda miljön från mycket av det avfall som produceras av människor. Detta inkluderar inte bara mänskligt avfall utan allt som tar sig in i ett avloppssystem, till exempel gråvatten, dagvatten och potentiellt farliga kemikalier från bland annat industriutsläpp. Effekterna av ett kemiskt utsläpp kan vara katastrofala om det kommer in i ett avloppsreningsverk, vilket resulterar i ineffektiv behandling av inkommande vatten under längre perioder (Söhr, 2014). Detta är ett dilemma i urbana avloppssystem – ska man låta ett kemiskt utsläpp ledas förbi ett avloppsreningsverk, eller försöka behandla hela eller en del av utsläppet och riskera att skada mikroberna i den biologiska reningsprocessen (Schütze, 2002). För att beslutsfattare och processingenjörer vid avloppsreningsverk ska kunna fatta rätt beslut om vilka åtgärder som ska vidtas vid utsläpp måste egenskaperna för det specifika avloppsnätet definieras. Syftet med detta projekt är att uppskatta transportparametrar och karakterisera utspädning i nätverket genom att utföra en serie spårningsförsök i Käppalaverkets upptagningsområde. För att nå syftet fanns det flera mål som genomförts: • Genomföra en litteraturstudie • Skapa en förutsägbar modell i Excel baserad på flödesdata längs Käppalaförbundets tunnelsystem • Genomföra en serie spårningsförsök vid flera punkter längs tunnelsystemet • Strukturerad datalagring av resultaten så att data är lätt att hitta för framtida projekt Metoderna kan delas i två: modellering och försök. För att skapa en modell och simulera transport av ett ämne i nätet får man definiera relevanta ekvationer. För den hydrauliska delen av modellen användes Manning-Strickler-ekvationen. Resultaten från detta användes sedan i den förenklade formen av advektion-spridningsekvationen (ADE). Tunnelsystemet uppdelades i flera sektioner med samma egenskaper såsom form och geometri, och en anpassad form av ADE användes emellan sektionerna. För att nå framgång i försöken krävdes att rätt spårämne valdes. Uranin användes i försöken på grund av sina ogiftiga och stabila egenskaper och den låga detektionsgränsen. Injiceringspunkterna låg gradvis längre bort från inloppet; Försök 1 var 9km från verket till nästan 46km vid Arlanda flygplats för Försök 3. Resultaten från simuleringarna användes för att planera injiceringstid, start- och stopptid för provtagningen och provtagningsfrekvens. Resultatet från första försöket användes för att kalibrera modellen inför de andra försöken. Resultaten från alla försök visade att en dispersionskoefficient på 1.55m2/s, som är ett mått på utspädning i nätet, verkar tillämpligt till hela tunnelsystemet. Koefficienten kan dock vara högre i de kommunala näten. En djupberoende metod för att härleda Mannings tal formulerades, men det kräver ytterligare validering. Från alla tre försöken kan vi härleda ett förhållande mellan avstånd från inlopp och toppkoncentration samt avstånd från inlopp och varaktigheten av genombrottskurvan. Toppkoncentration visar ett linjärt eller kanske logaritmiskt förhållande med distans, och varaktigheten av genombrottskurvan visar ett starkt linjärt förhållande. Kunskaper om detta är viktigt när man vill genomföra en riskbedömning av ett kemiskt utsläpp i upptagningsområdet eftersom det ger en insikt om hur det kan påverka den biologiska reningen i ett avloppsreningsverk. Sammanfattningsvis fungerar den enkla formen av ADE bra, men viss avvikelse ses i experiment 3. Detta beror kanske på möjliga övergående lagringsprocesser vid pumpstationerna längs tunnelsystemet. En enda dispersionskoefficient, som är ett mått på utspädning, är tillämplig i hela huvudtunnelsystemet, men spridningen i kommunala nätverk är sannolikt högre. Ytterligare arbete behövs inom dessa kommunala nätverk för att kvantifiera deras effekter. På grundval av resultaten från detta projekt rekommenderas ytterligare forskningsundersökningar om vad som händer med föroreningar i avloppsreningsverket. Eftersom slammet vid Käppalaverket används för biogasproduktion och är Revaq-certifierat för användning på jordbruksmark är föroreningsnivån i slammet mycket viktigt både ur produktivitets- och hälso- och säkerhetsperspektiv. iii iv Abstract Wastewater treatment plants (WWTPs) play a vital role in protecting the environment from much of the waste produced by humans. This includes not only human waste, but everything that makes its way into a sewerage system including greywater, stormwater, and potentially hazardous chemicals from, inter alia, chemical spills. The effects of a chemical spill if it enters a WWTP can be disastrous, resulting in the ineffective treatment of incoming water for prolonged periods of time (Söhr, 2014). This can lead to one of the dilemmas of urban wastewater systems, notably, whether it is more damaging to allow a chemical spill to bypass a WWTP, or to attempt to treat all or some of the spill and risk damaging the microbes working in the biological treatment processes (Schütze, 2002). In order to better inform policy makers and process engineers at WWTPs of which measures to take in the event of a spill, solute transport characteristics of a specific sewerage network must be defined. A series of tracer tests were performed along The Käppala Association’s northern sewerage network to determine these solute transport characteristics, notably the dispersion coefficient which strongly affects the level of dilution that occurs between the injection point and the inlet. A simple solute transport model, carried out in Excel, was created using the Advection-Dispersion Equation (ADE) and the Manning-Strickler equation to relate flow measurements to flow velocity. Results from the experiments show that a dispersion coefficient of 1.55m2/s appears to be applicable throughout the whole of the tunnel network. A depth dependent Manning-Strickler coefficient seems to describe the flow-velocity relationship, however, this method has not been validated. The ADE begins to lose accuracy in describing solute transport as the distance from the inlet and the number of pumping stations the plume goes through increases. Keywords Sewerage network; Tracer tests; Solute transport; ADE; Breakthrough curve; Uranine v vi Acknowledgements I would like to give thanks to Käppalaförbundet for offering the opportunity to carry out this master’s thesis. As well, I would like to thank all the staff at Käppala who have contributed in any way to this report and for welcoming me onboard for the duration. I extend a special thanks to Marcus Frenzel, my supervisor at Käppala for being suggesting the project, being available throughout, keeping the project on track, and brewing some fantastic beer, and to Pontus Nordgren for helping immensely in the sampling aspect of the project. I would also like to extend a thank you to Viktor Plevrakis of Geosigma who helped with the planning and carrying out injections, and carried out the lab analyses, and to John Hader of Stockholm University for helping to develop my discussion and linking the findings of this thesis to the ECORISK2050 project. I would like to give a sincere thanks to Elzbieta Plaza for the critical guidance given in structuring my thesis into a coherent text and the sage advice given throughout. Your experience was invaluable. Finally, I would like to thank my mother for carrying out the thankless task of doing a final editorial check on this thesis. I am immensely grateful for this, and all the support she, and the rest of my family, have given me throughout the duration of my education. vii viii Table of Contents 1. Introduction ........................................................................................................................................ 1 1.1 The Dilemma of Urban Wastewater Systems in Relation to Chemical Spills ........................ 1 1.2 Käppala WWTP’s Northern Sewerage network ....................................................................... 1 2. Aim and Objectives ............................................................................................................................ 3 3. Solute Transport Theory in Relation to Sewerage ........................................................................... 4 3.1 Advection-Dispersion Equation............................................................................................... 6 3.1.1 Advection .............................................................................................................................. 6 3.1.2 Dispersion ..............................................................................................................................7 3.1.3 Advection + Dispersion .........................................................................................................7