Miljøgifter i vei avrenning og renseeffekt av grøfter i Ås kommune

Tire wear particles (TWP) are a major source of microplastics that are mainly transported by stormwater from roads to the environment. Their risk has not yet been sufficiently evaluated, mainly because of the lack of suitable analytical methods for identifying and measuring their environmental concentrations. However, the ecotoxicological effects of TWP or chemical substances present in, or on, the particles are widely reported. For example, recent findings attributed the mass mortality of coho salmon (Oncorhynchus kisutch) in the Pacific Northwest region of the USA to the acute toxicity of a by-product of a tire manufacturing additive. Acute toxicity to other fish species such as brook trout (Salvelinus fontinalis) and rainbow trout (Oncorhynchus mykiss) is also reported. Moreover, TWP are persistent in the environment while their generation is increasing, which calls for action to limit their environmental spread. Conversely, stormwater management solutions are becoming a growing fixture in the road environment for their multipurpose role in controlling peak runoff and reducing pollution. However, knowledge of the effect of stormwater management solutions in removing TWP is limited. The overall goal of this Ph.D. study was to introduce a suitable analytical method for detecting and quantifying TWP in the environment and measuring the actual concentrations of TWP in sediments of stormwater management solutions associated with roads. Three study sites and laboratory experiments were used as data sources for the studies included in this thesis (Papers I–IV). Simultaneous thermal analysis (STA) and Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) were used to analyze the samples, and parallel factor analysis (PARAFAC) was used for data analysis. Analysis of variance (ANOVA) and t-tests were used for statistical analysis. In the first part, the laboratory study introduced a method that detected the presence of rubber materials (RM) in formulated sediment spiked with tire granules (TGIS, Paper I). The combination of STA, FTIR, and PARAFAC enhanced the identification of TWP in formulated sediment. The method appeared to aggregate all likely RM (butadiene rubber (BR), styrene-butadiene rubber (SBR), ethylene propylene diene monomer (EPDM), and natural rubber (NR)) present in the spiked tire granules, which is a good attribute given that TWP in road environments originate from different types of tires, whose rubber compositions are varied. The method estimated unknown concentrations of RM by including a minimum of one sample with known RM concentration (reference sample) in the analysis setup (Paper I). However, it is uncertain if the results from the small data size used in the linearity analysis could be applied to environmental samples. It is also uncertain if using a fixed ratio of RM to TWP in the reference sample estimates unknown concentrations accurately since a wide range of ratios has been reported in the literature. Therefore, the method was further improved to suit the estimation of RM in environmental samples with a method detection limit (MDL) of 0.7 mg/g (Paper II). The improved method used the proportionality relationship between component score from PARAFAC model and sample mass loss during heating in the STA following Beer–Lambert’s law. In the second part, we measured TWP concentrations in stormwater treatment solutions; gully pots in Paper II, and bioretention cells in Paper III. The study demonstrated that stormwater management solutions retain TWP. Concentrations of TWP ranging between 0.1 and 15% were measured in gully pots’ sediments (Paper II). The study revealed the association between TWP concentrations, traffic density, and braking/acceleration intensity. The study demonstrated the potential of gully pots to act as temporary sinks. The study further demonstrated that another stormwater management solution, bioretention cells constructed with engineered soil, retain TWP (Paper III). TWP were detected in all size fractions of the bioretention soil. It appears particle sizes and locations of the inlet (entry point of road runoff to the bioretention cell) influenced TWP concentrations in the bioretention cell. Finally, the thesis recommends future research in applying high-resolution STA to further improve the quantification method. Establishing a linear range between scores and concentrations is also recommended to reduce uncertainty in estimates. Studying TWP retention in gully pots in settings where gully pot operations and environmental conditions are controlled is recommended to conclusively determine the influence of traffic conditions. It is also recommended to study the vertical distribution of TWP in the bioretention soil and conduct a long-term assessment of TWP concentrations in the influent and effluent.

Plastpartikler som slites av bildekk er en viktig kilde til mikroplast, som transporteres med overvann i miljøet. Miljørisikoen ved dekkpartikler er imidlertid ikke tilstrekkelig evaluert, hovedsakelig fordi vi mangler tilstrekkelige analytiske metoder for å identifisere og måle konsentrasjoner av disse partiklene. Giftige effekter av mikroplast er ofte rapportert ved at de kjemiske stoffene i eller på partiklene har negative miljøpåvirkninger. Nylige studier tilskrev massedødeligheten av coho-laks i Stillehavet og nordvestregionen i USA til den akutte forgiftningen av et biprodukt som hadde lekket ut fra dekkpartikler. Akutt forgiftning for andre fiskearter som bekkerøye og regnbueørret er også rapportert. Mengden dekkpartikler øker og partiklene er et bestandig materiale, som ikke brytes ned i naturen. Det krever tiltak for å begrense spredningen i miljøet. Samtidig er anlegg for overvann er i ferd med å bli et vanlig element i veimiljøet, først og fremst for å kontrollere avrenning av store mengder vann ved for eksempel styrtregn. Slike anlegg kan for eksempel være sandfang eller regnbed. Spørsmålet er om disse også kan brukes til å redusere forurensning, ved at mikroplasten fanges opp der, og deretter kan tømmes og fraktes til avfallsdeponier.Kunnskapen om hvor effektive slike anlegg for overvann er for å fjerne dekkpartikler er imidlertid begrenset. Forskningsarbeidet bidrar til mer kunnskap på dette feltet. Metoden utviklet i dette arbeidet kan brukes til måling av konsentrasjon av dekkslitasjepartikler i miljøet, risikoanalyse av sedimenter i anlegg for overvann, oppfølging av akkumulering over tid, og optimalisering av drift av anlegg for overvann. Denne metoden kan brukes av tilsynsmyndigheter, ingeniører som dimensjoner anlegg, forskere og de som jobber med mikroplastforurensing, og anleggseiere som kommuner, Statens Veivesen og motorsportsentre.

I de siste tiårene har overvann blitt et økende tema til bekymring for innbyggere, myndigheter, forsikringsselskaper og beslutningstakere på grunn av økt bevissthet om den potensielle negative effekten av kjemisk forurensning fra veier på vannmiljøet og folkehelse. Denne utfordringen vil vokse med klimaendringer og mer utviklingsaktiviteter i fremtiden. Ulike tiltak er brukt for å redusere de negative konsekvensene av forurensninger fra veiene i miljøet. Grøfter har vært mye brukt for å fjerne eller redusere forurensning fra veiavrenning før den går til resipienten. Grøfter er primært konstruert for å kanalisere overvann bort fra veiene, men er også forventet å fjerne partikulært materiale ved sedimentering, adsorpsjon og infiltrasjon. Imidlertid er grøfter sjelden utformet med tanke på rensing av miljøgifter på grunn av begrenset kunnskap. Kunnskapshull innen miljøgifter i veiavrenning og giftigheten av det overfor vannlevende organismer er påpekt som et problem av Norske og Europeiske veimyndigheter. Begrensningene inkluderer blant annet mangelen på gode modeller til å estimere avrenning og spredning av miljøgifter til vassdragene. Fravær av objektive kriterier for å foreta tiltak og mangel på kunnskap om effektiviteten av eksisterende renseanlegg er blant tema som behøver forskning. Matematiske ligninger, simulering modeller og statistiske teknikker anvendes for å bestemme beste modellen eller kombinasjoner for å anslå miljøgift i vei avrenning. Drenslinjer som er utarbeidet ved hjelp av Geografiske Informasjon Systemer (GIS) i Arcmap og digital terreng modell (DEM) brukes å kartlegge miljøgift spredning fra vei avrenning og estimere mengden av miljøgifter som tilsettes resipienten. Labforsøk vil også utføres på prøver fra utvalgt steder i grøfter og nærliggende områder for å finne miljøgift konsentrasjonsdata. Prosjektet er svært relevant for øvrige kommuner i Follo og Akershus som forventer større utviklingsaktivitet på grunn av befolkningsvekst.