Radioaktiva spårämnen kartlägger avloppsvatten

av Juhani Kuusi Forum 1971-17, sida 22-23, 03.11.1971

Taggar: Teman: avfall

Radioaktiva spårämnen kartlägger avloppsvatten

Av tekn dr Juhani Kuusi

Den stora uppmärksamhet som under den senaste tiden har riktats mot olika nedsmutsningsproblem har gjort miljövården till ett fält där man ivrigt försöker tillämpa nya arbetsmetoder. I konkurrensen mellan olika metoder är den nukleära tekniken väl med i bilden.

Kärntekniken kan erbjuda en mängd forsknings- och mätmetoder som tack vare sina speciella egenskaper lämpar sig utmärkt för undersökningen av vissa problem inom miljövården. Den kanske bäst kända och mest använda av dessa metoder är neutronaktiveringsanalysen vars stora känslighet gör det möjligt att analysera ytterst låga koncentrationer av främmande element i ekologiska prov. Som den andra verksamhetsformen på detta område har reaktorlaboratoriet vid Statens Tekniska forskningsanstalt med stöd av Atomenergikommissionen i år stantat ett utvecklings- och servicearbete i vilket spårämnen används vid kartläggning av avloppsvattnets spridning, utspändning och dröjtider i sjö-, älv och kustvattendrag. Denna verksamhet anknyter nära till de undersökningar laboratoriet utfört av industriella processer, då samma metoder och instrument i stor utsträckning kan användas också vid avloppsvattenstudier.

I princip är användningen av radioaktiva spårämnen vid avloppsvattenstudier ingen ny teknik. Som pionjär på detta område må nämnas Danska Isotopcentralen som redan på femtiotalet utförde undersökningar i de danska sunden. I den typ av vattendrag vi har i Finland har praktiskt taget inga isotopundersökningar utförts. Utöver viktiga direkta resultat om avloppsvattnets strömning ger mätningarna värdefull information om de generella strömningsförhållandena i våra vattendrag.

Mätningsprincipen

Vid strömningsmätningar doseras radioaktivt spårämne som lösts i vatten till avloppsvattnet. Spårämnets spridning i vattendraget kan följas med strålningsdetektorer som sänks ned i vattnet. Vid öppet vatten utförs mätningarna genom att släpa en eller flera detektorer efter en båt som är utrustad med registreringsutrustning. Detaljerade vertikalfördelningar av spårämnet samt vattentemperaturen mäts i vissa intressanta punkter. Under vintern sänks detektorerna ned i vattnet genom vakar i isen.

Av resultaten från aktivitetsmätningar som utförs under den tid spårämnet befinner sig i olika delar av vattendraget kan man bestämma avloppsvattnets strömningsriktningar och -djup, dess utspädning samt dröjtid i olika delar av vattendraget under de väderleks- och strömningsförhållanden som råder under försöksperioden.

22

Volymen av det område som kan kartläggas med en dosering beror i hög grad på strömningarnas allmänna karaktär. Som ett exempel må nämnas, att man under ogynnsamma förhållanden då avloppsvattenströmmen stötte ihop med en stor huvudströmning på bred front kunnat följa spårämnet över tio kilometer. Vid slutet av mätningen var volymen av den vattenmängd som hade en konstaterbar koncentration av spårämnet cirka 200 milj. kbm, även om spårämnet inte var jämnt fördelat i denna volym.

Som möjliga alternativ till användningen av spårämnen som ger gammastrålning må nämnas tritium-, färgämnes- och bakteriofagtekniken samt användningen av spårämnen som aktiveras i efterhand. Vid tritiumtekniken används som spårämne vatten vars molekyler innehåller tritium som ger mjuk betastrålning. Med denna metod kan man märka mycket stora vattenmängder, men själva mätningarna måste utföras i ett laboratorium vilket i hög grad begränsar teknikens användbarhet i mera omfattande studier där antalet prov ofta blir mycket stort.

Vid färgämnestekniken injekteras något färgämne till utloppet, tex trodamin, och färgämnets spridning i vattendraget följs med fluorescensmätningar. Dess nackdel är att utförandet av mätningarna är besvärliga, men som fördel kan man räkna avsaknaden av de små srålrisker som radioisotoptekniken medför. Vid bakteriofagtekniken injekteras till utloppet en typ av virus som specifikt förstör någon bakterieart. Viruskoncentrationen i prov från vattendraget kan bestämmas genom en bakterieodlingsmetod.

RN

Bild 1. Båt som är utrustad med mätnings- och registreringsapparatur sysselsatt vid början av kartläggningen av ”spärämnesmolnet” med att släpa en detektor i vattnet efter båten.

Forum 17/71

Huvudsträmning Huvudströmning

Jutslåpp

V25 koncentr. 150 ; 172 2 fördelning. F$ pa f 7

Relativ koncentrafion av spårämnet

FJ >1000:É:16’ BR 1000-100:15" ES m0-10::18 OT < oc 4

Zz | Vv Bild 2a. Resultatkarta från en undersökning i avsikt att klargöra spridning och utspädning av avloppsvatten från en fabrik.

Vid användning av s k aktiverande spårämnen injekteras till utloppet i en eller annan form ämnen (indium, lantanider, mangan) som kan bestämmas i ytterst låga koncentrationer med neutronaktiveringsanalys. Denna metod lämpar sig väl för relativt enkla studier där antalet prov inte är stort eller för undersökningar där man försöker bestämma hur avfallet hopar sig i vissa punkter av vattendraget då man utför dagliga injekteringar under en lång period. Dessa olika spårämnesmetoder kompletterar utmärkt varandra.

Det bör kanske också nämnas, att man utom strömningarna i avloppet till en fabrik eller ett reningsverk också kan bestämma strömningarnas fördelning och volym i fabriken eller reningsverket med radioaktiva spårämnen.

Mätningarnas praktiska utförande

De radioaktiva spårämnena tillverkas genom att bestråla 1—3 aluminiumkapslar som innehåller cirka 50 g kaliumbromid i bestrålningsringen vid reaktorlaboratoriets Triga-reaktor under 8—20 timmars tid. I denna neutronbestrålning absorberar en del av saltets bromkärnor neutroner och förvandlas till radioaktiva brom-82 isotoper som avger beta- och gammastrålning vid sin avklingning. Isotopens halveringstid är 36 timmar vilket betyder att antalet aktiva kärnor och också spårämnets aktivitet minskas med en faktor 0.5 på 36 timmar.

De bestrålade kapslarna förs till injekteringsplatsen i blybehållare där de öppnas med speciella manipulatorer och innehållet slås till några liter vatten i ett doseringskärl. Denna operation är ur strålrisksynpunkt den enda besvärliga delen av mätningen. Det konceritrerade spårämnets aktivitet är relativt stor och därför förutsätter dess behandling lämpligt strålningsskydd och stor omsorgsfullhet. .

Det lösta spårämnet doseras till utloppet som en 10—60 minuter lång puls. Med detta förfarande når man en tillräcklig utspädning vid utloppet vilket förenklar strålskyddsåtgärderna nära utsläppspunkten och eliminerar den effekt tillfälliga kortvariga störningar i strömningen kan ha på doseringen. Pulsens längd är obetydlig i jämförelse med hela den tid under vilken mätningarna utförs. Vattnets specifika aktivitet underskrider oftast det värde som är tillåtet i normalt avloppsvatten utan speciellt tillstånd och bevakning redan på en linje några hundra meter från utsläppspunkten. Det bör kanske nämnas att ansvaret för strålskyddet bärs av mätningens utförare som på förhand skriftligt skall anmäla till Radiofysikaliska Institutet om undersökningen.

Efter doseringen utförs en noggrann kartläggning av spårämnets läge genom att släpa detektorer kors och tvärs i det aktiva ”molnet” några gånger per dag i början av mätningarna,

Forum 17/7 avloppsvattenrör

Alterfativa utsläppspunkter (doseringspunkter)

Maximal. spårämneskoncentration vid tid-’ punkten tja… efter doser ringen

Gränsen för spår ämnesmölnet

Bild 2b. Resultatkarta från en undersökning för att bestämma den gynnsammaste längden för ett avloppsvattenrör då man will undvika att förorena ett friluftsbadområde.

men endast en gång per dag eller mera sällan vid slutet av undersökningen då en kartläggning av molnet kan fordra en släpningsrutt av cirka 100 km. Normalt tar mätningarna 3—38 dygn i anspråk. Bild 1 visar en båt utrustad med mätnings- och registreringsutrustning. Vid kartläggningen kan man hela tiden följa med de frekvenser detektorerna på olika djup (1—3 stycken) registrerar via elektroniska skrivare. Dethär gör det möjligt att välja den mest ändamålsenliga släpningsrutten. Efter lämpligt vald registreringsperiod (10—40 s) perforerar utrustningen på pappersband de pulsmängder som varje detektor har registrerat.

Undersökningsresultatet

Bild 2 visar hur mätningsresultat kan presenteras efter databehandlingen. På bild 2a ser man en möjlig resultatkarta från en undersökning i avsikt att klargöra spridning och utspädning av avloppsvatten från en fabrik. Bilden visar spårämnets koncentrationsfördelning i vattendraget efter en viss tid från doseringen, vertikalfördelningen av spårämnet i en punkt och avloppets utspädningsfaktorer i några punkter. De sistnämnda har beräknats enligt resultaten från hela mätningsperioden. På bild 2b ser man en möjlig resultatkarta från en undersökning för bestämning av den gynnsammaste längden för ett avloppsvattenrör då man vill undvika att förorena ett friluftsbad eller motsvarande område. Punkt B ser ut att vara en optimal utsläppspunkt.

När man betraktar de resultat som erhållits vid enskilda mätningar bör man märka att de avser strömningarna under mätperiodens vind-, temperatur- och strömningsförhållanden. För grundliga utredningar bör man utföra mätningar under olika förhållanden och väga resultaten mot sannolikheten för förhållandenas förekomst. Vintermätningarna är i detta avseende speciella då förhållandena under den tid vattnen är isbelagda är relativt konstanta och resultaten från en mätning motsvarar ett medelvärde för en längre period.

Sammandrag

Den radioaktiva spårämnestekniken har visat sig ge en effektiv metod för kartläggning av avloppsströmningar i vattendrag. Utvecklnigsarbetet och serviceverksamheten på området har mottagits positivt av industrin och olika vattenskyddslaboratorier. Under det knappa år verksamheten pågått har fem större undersökningar utförts och detta antal kommer sannolikt att överskridas under nästa år.

Det är klart att dessa studier inte avlägsnar avfall, men resultaten visar hur man kan minimera de miljöskador som förorsakas av avfall, som i varje fall måste ledas ut i vattendragen. O 23