Zuiverende gemalen:een haalbare combinatie?

Technische en financiele haalbaarheidsstudie

Jan Willem VoortEric Baars

15 april 2010

2

Waternet: gemeenschappelijke organisatie

Waterschap Amstel, Gooi en Vecht-Afvalwaterzuivering-Watersysteembeheer-Vaarwegbeheer

Gemeente Amsterdam-Drinkwatervoorziening-Riolering-Grondwaterbeheer-Stedelijk waterbeheer

Stichting Waternet- Beleidsvoorbereiding - Uitvoering

3

Organogram Waternet

4

Inhoud presentatie

1. Opdracht2. Achtergrond en zuiveringsstrategieën3. Zuiveringstechnieken4. Systeemanalyse poldergemalen (kwantiteit/kwaliteit)5. Technologische waterkarakterisering6. Uitgelicht: De boerenslootmethode7. Kostenvergelijking8. Multicritera analyse

5

Opdracht Deltares

• Inventarisatie zuiveringsprocessen voor P en N• Selectie van kansrijke zuiveringsprocessen• Beoordeling zuiveringsprocessen (multiciteria analyse)

– Kosten– Kwaliteit– Kwantiteit– Ruimtelijke inpasbaarheid– Bedrijfszekerheid (onbemande installatie)– Duurzaamheid

• Rapportage

6

Achtergrond fosfaat

7

ZuiveringsstrategieBron Recirculatie Gemaal

+ gehele watersysteem profiteert- schaalgrootte: hoge investering

+ continubedrijf mogelijk+ hoofdwatersysteem en boezem profiteren- extra installatie nodig- kan alleen als een kringloop eenvoudig te realiseren is- energie: extra rondpompen van water

+ combinatie met polderbemaling + boezemwateren profiteren+ gering extra energieverbruik- piekfactor: werkt alleen bij actieve polderbemaling

8

Strategie en techniekenTechniek Bronsysteem Recirculatie-

systeemGemaalsysteem

Puridrain XMestvrije zones XOever-/bodemfiltratie X X (X)Natuurvriendelijke oevers en helofytenfilters

X X (X)

Chemische defosfatering-Boerenslootmethode-Vlokkingsfiltratie

X XX

Langzamezandfiltratie met ijzerkrullen en kalk

X X

Fuzzy filter X XOne Step Filter X XSpaarbekken (retentie) X X

9

Systeemanalyse HHSK

Fosfaat• Verhouding P-ortho (opgelost) en P-totaal

(organisch gebonden fosfaat) varieert– De Kooi en Zuidplas: veel opgelost fosfaat– De Kley en Kroes: veel organisch gebonden

• Organisch gebonden filtratietechnieken• Opgelost precipitatie en bezinking

Boezemkanaal. bij Sc

Gamaal A. Kroes Moor

Gemaal De Kooi, Rott

Gemaal P.D. Kley Ber

Gemaal Verdoold

Gemaal Zuidplas Noor

Ringvaart ZPP, bij g

WATERGANG gemaal Lan

Box-and-Whisker Plot

0 0,3 0,6 0,9 1,2 1,5 1,8P

Zomer WinterDe Kooi

0,420,44

P-ortho P-org

De Kley0,05

0,27

P-ortho P-org

Kroes0,06

0,32

P-ortho P-org

Zuidplas

0,20

0,26

P-ortho P-org

De Kooi

0,39

0,32

P-ortho P-org

De Kley0,03

0,21

P-ortho P-org

Kroes0,05

0,31

P-ortho P-org

Zuidplas

0,11

0,30

P-ortho P-org

10

Systeemanalyse HHSK

Stikstof• Verhouding NH4 (ammonium), N-org

(organisch gebonden) en NO3 varieert– De Kooi en Zuidplas: veel nitriet/nitraat– De Kley en Kroes: veel ammonium

• N is vooral in opgeloste vorm aanwezig.

Boezemkanaal. bij Sc

Gamaal A. Kroes Moor

Gemaal De Kooi, Rott

Gemaal P.D. Kley Ber

Gemaal Verdoold

Gemaal Zuidplas Noor

Ringvaart ZPP, bij g

WATERGANG gemaal Lan

Box-and-Whisker Plot

0 3 6 9 12 15N

De Kley

2,1

1,3

0,6

NH4 N-org NO2+NO3

Kroes

3,2

0,9

1,9

NH4 N-org NO2+NO3

De Kooi0,9

1,84,1

NH4 N-org NO2+NO3

Zuidplas

3,23,7

1,0

NH4 N-org NO2+NO3

De Kley

3,41,4

1,2

NH4 N-org NO2+NO3

Kroes

4,2

1,4

2,7

NH4 N-org NO2+NO3

De Kooi1,1

1,94,1

NH4 N-org NO2+NO3

Zuidplas

3,44,0

1,5

NH4 N-org NO2+NO3

Zomer Winter

11

Technologische karakteriseringOptimale techniek is afhankelijk van:

1. Deeltjesgrootteverdeling2. chemische eigenschappen van de deeltjes3. Deeltjesconcentratie

10-210-310-410-510-610-710-810-910-1010-11

Opgeloste stoffen

Colloidalestoffen

Zwevende stoffen

Bezinkbarestoffen

Coagulatie Flotatie/Sedimentatie/

Filtratie

Ultrafiltratie

Microfiltratie

Nanofiltratie

Omgekeerdeosm

ose

Zandfiltratie

Inactivatie en desinfectieAdsorptie

Ionenwisseling

Organische stoffen

Deeltjes-Grootte (m)

Chemischekwaliteits-

index

Anorganische stoffen

Bio-afbreekbaar(BOD)

persistent(COD – BOD)

Organo-metaalcomplexen Precipiteerbaar Chemisch

stabiel

Suspensie

Colloidaleoplossing

Opgelostestoffen

10-3 – 10-6

10-6 – 10-9

< 10-9

bacterien

Virussen/eiwitten

Suikers,Org. zuren Precipitatie Ionen-

wisseling

Biologische zuivering

Chemische coagulatie

Nano-, ultra- en microfiltatie

Membraantechnieken (reverse osmosis)

12

Uitgelicht:De Boerenslootmethode

• Redenen:– Prestaties van bestaande installaties variëren sterk– Relatief goedkope techniek– Robuust: geschikt voor onbemande bedrijfsvoering– Goed inpasbaar in een landelijke omgeving

Vinkeveen Botshol

13

Dimensionering vlokvorming

Smoluchowski (vlokaangroei)

G-waarde

– Ontwerpparameters: Oppervlaktebelasting / verblijftijd Horizontale stroomsnelheid G(t)-waarde

nG

dtdn

4

2530* dHG

t

20

2h

L vdHR C

kiemvorming vlokgroei aggregatenkiemvorming vlokgroei aggregaten

14

Parameter Eenheid Ontwerprichtlijn

Toelichting

0pp.belasting [m3/m2.h] 1 - 2verblijftijd [min] 20 - 40 In 20 – 40 minuten worden vlokken

gevormd van voldoende groottev0 [m/s] 0,1 --> 0,01 Afnemende stroomsnelheid levert minder

mengenergie en vermindert kans op vlokvernietiging (geleidelijk verbreden en verdiepen)

G [1/s] 0,5 - 1Gt [-] 1000 - 3000

Ontwerprichtlijnen vlokvorming

NB: Geen scherpe bochten of obstructies aanbrengen die kunnen zorgen voor sterke snelheidsgradienten!

15

Parameter Eenheid Vinkeveen Botshol Nieuwkoop Ontwerprichtlijn

dwarsprofiel [m2] 9 3,84 8,50pp.belasting [m3/m2.h] 0,90 0,29 0,30 1 - 2verblijftijd [min] 67 160 170 20 - 40v0 [m/s] 0,050 0,007 0,050 0,1 0,01Rh [m] 0,82 0,67 0,80dH [m] 3,02E-04 3,27E-06 9,24E-04G [1/s] 0,69 0,05 0,76 0,5 – 1,0Gt [-] 2780 448 7768 1000 - 3000

Praktijkgetallen vlokvorming

16

Computational Fluid Dynamics (CFD)Aanpassing vlokvorming Vinkeveen

Bottleneck!!!

17

18

Computational Fluid Dynamics (CFD)Coagulatie Loenderveen

19

20

Dimensionering sedimentatie

Wet van Stokes Bezinkingssnelheid

Froudegetal Kans op kortsluitstroming

Reynolds Turbulentie

Densimetrisch froudegetal

Stabiliteit bezinkingscondities

)(92 2 dsgrv

hRgvFr

2

2

Re hv R

hguFd

)/(

ppc /)(

21

Ontwerprichtlijnen sedimentatieParameter Eenheid Ontwerp

richtlijnToelichting

verblijftijd [min]  >240 Afhankelijk van bezinkingseigenschappenv0 [m/s] <0,01 Proportioneel met ReynoldsgetalRe [-]  <10.000 Resultaten Loenderveen zijn nog redelijk

goed met Re = ca. 17.000; extra veiligheidsmarge hanteren.

Fr2 [-] ± 1,0E-05 Bij lage waarden: schotten of schermen in lengterichting aanbrengen

Fd [-] <5 Belangrijkste dimensioneringsparameter: Afhankelijk van deeltjesconcentratie en dichtheidsverschillen.

22

Praktijkgetallen sedimentatie

Parameter Eenheid Vinke-veen

Loender- veen

Botshol Nieuw-koop

Ontwerp-richtlijn

opp.belasting [m3/m2.h] 0,20 0,89 0,15 0,30verblijftijd [min] 600 135 596 200 > 240v0 [m/s] 0,004 0,012 0,002 0,050 < 0,01Rh [m] 1,88 1,84 1,25 0,83Re [-] 5.964 17.292 1.602 31.807 < 10.000Fr2 [-] 9,4E-07 8,4E-06 2,3E-07 3,1E-04 ± 1,0E-05Fd [-] 4,2 12,6 2,3 101,9 <5

23

Computational Fluid Dynamics (CFD)installatie Vinkeveen

Kortsluit-stroming

24

Stap Berekening Hypothese Afwijking van de hypothese1 Bezinkingssnelheid volgens

Stokes, met een veiligheidsfactor

Bolvormige deeltjes, laminaire stroming, verticale beweging

Vlokstructuren, turbulente stroming, vooral horizontale waterbewegingen

2 Bepaal diepte Geselecteerde diepte is optimaal

Diepte is niet optimaal

3 Bepaal L/B verhouding, lengte en breedte

Lengte en breedte zijn optimaal

Lengte en breedte zijn niet optimaal

4 Bereken Reynolds en Froudegetallen, pas geometrie aan en voeg longitudinale schotten toe tot Re < 10.000 en Fr2 = circa 10-5, Fd < grenswaarde (afhankelijk van dichtheidsverschillen)

Fd, Re en Fr zijn belangrijke kengetallen, dichtheidsverschillen bekend, temperatuurbereik bekend.

Sterke dichtheidsstromen kunnen zorgen voor ondergeschikt belang van Fd, Re en Fr

5 Ontwerp een in- en uitlaatconstructie

Belasting en positie in- en uitlaatconstructie is optimaal

Belasting en positie uitlaatconstructie is niet optimaal

6 Bereken G-waarden en densimetrisch froudegetal ruimtelijk met CFD

Model is een realistische weergave van de praktijk

Onvoorziene invloeden zijn belangrijker (wind, opwoeling door vis, etc.)

Ontwerp bezinking

25

Ideaalbeeld geometrieDefosfatering Vinkeveen

Vlokvorming: geleidelijk verbreden en verdiepen

Geen scherpe bochten

Schermen of dammen ter voorkoming van kortsluitstromingen

26

Kostenvergelijking• Methode: Standaard Systematiek Kostenraming (SSK)

van blad P137 van de CROW.NEN 2631 – Grondkosten; – Bouwkosten;– voorbereidings- en begeleidingskosten;– Overige bijkomende kosten (inrichtingskosten, leges);– bouwrente

• Exploitatiekosten: NEN 2632 – vaste kosten (afschrijving, rente en heffingen);– Verbruikskosten (chemicaliën, energie);– onderhoudskosten;– administratieve beheerskosten (personeelskosten);– specifieke bedieningskosten (personeelskosten en

analysekosten)

27

Technieken• Vlokvorming• sedimentatie• (vlokkings)filtratie• Langzame zandfiltratie met ijzer en kalk• Fuzzy filter

Basis: ‘Kostencalculator drinkwater, Niveau beleidsplan en systeemkeuze’ (DHV Water BV)Afwijking: Goedkoper door eenvoudige uitvoering in landelijke omgeving (boerenslootmethode)

28

Methode• Bouwkostenfunctie

– Coagulatie volume vlokvormingsruimte– Sedimentatie volume bezinkingsruimte– Vlokkingsfiltratie, langzame zandfiltratie en Fuzzy filter filteroppervlak

• Berekening investering– Bouwkosten + ophoogpercentages voor alg. voorzieningen,

inrichtingskosten, beveiligingskosten, administratie en toezicht, overige bijkomende kosten, bouwrente

• Berekening exploitatiekosten– Rente en afschrijving (verschilende afschrijvingstermijnen CT, WTB en ET)– Verbruikskosten– Onderhoudskosten– Administratie– Specifieke bedrijfskosten (bedienings-/onderhoudspersoneel,

analysekosten)

29

VlokvormingGemaalsysteem (piekfactor 1,7) 5 15 30 Ontwerpdebiet (m3/min) 8,5 25,5 51 Volume vlokvorming (m3) 226 678 1,357 Investering (€) 336.889 982.130 949.991 Exploitatie (€) 56.841 167.356 33.128 € ct/m3 0,022 0,021 0,021 Recirculatiesysteem 5 15 30 Ontwerpdebiet (m3/min) 5 15 30 Volume vlokvorming (m3) 133 399 798 Investering (€) 204.046 583.599 1.152.929 Exploitatie (€) 42.096 123.120 244.656 €/m3 0,016 0,016 0,016

30

Sedimentatie Gemaalsysteem (piekfactor 1,7) 5 15 30 Ontwerpdebiet (m3/min) 8.5 25.5 51 Volume vlokvorming (m3) 4.070 12.209 24.419 Investering (€) 132.466 368.410 722.326 Exploitatie (€) 44.466 130.389 259.273 €/m3 0,0169 0,0165 0,0164 Recirculatiesysteem 5 15 30 Ontwerpdebiet (m3/min) 5 15 30 Volume vlokvorming (m3) 2.394 7.182 14.364 Investering (€) 83.889 222.680 430.866 Exploitatie (€) 39.422 115.255 229.005 €/m3 0,0150 0,0146 0,0145

31

Vlokkingsfiltratie Gemaalsysteem (piekfactor 1,7) 5 15 30 Ontwerpdebiet (m3/min) 8.5 25.5 51 Filteroppervlak (m2) 45 136 273 Investering (€) 2.545.690 4.515.327 6.503.102 Exploitatie (€) 293.405 565.389 875.878 €/m3 0,111 0,072 0,056 Recirculatiesysteem 5 15 30 Ontwerpdebiet (m3/min) 5 15 30 Filteroppervlak (m2) 26.75 80.25 160.5 Investering (€) 1.933.185 3.421.368 4.917.211 Exploitatie (€) 231.427 454.445 714.702 €/m3 0,088 0,058 0,045

32

Langzame zandfiltratie (ijzer- & kalkhoudend)Gemaalsysteem (piekfactor 1,7)

5 15 30

Ontwerpdebiet (m3/min) 8,5 25,5 51 Oppervlakte filterbed (m3) 5875 17626 35251 Volume filterbed (m3) 3525 10575 21151 Investering (€) 779.068 2.117.203 4.124.407 Exploitatie (€) 54.535 148.204 288.708 €/m3 0,0208 0,0188 0,0183 Recirculatiesysteem 5 15 30 Ontwerpdebiet (m3/min) 5 15 30 Oppervlakte filterbed (m3) 3456 10368 20736 Volume filterbed (m3) 2074 6221 12442 Investering (€) 503.569 1.290.708 2.471.416 Exploitatie (€) 35.250 90.350 172.999 €/m3 0,0134 0,0115 0,0110

33

Fuzzy filterGemaalsysteem 5 15 30 Ontwerpdebiet (m3/min) 8,5 25,5 51 Oppervlakte filterbed (m3) 11 34 68 Volume filterbed (m3) 40 119 237 Investering (€) 662.920 1.888.877 3.727.812 Exploitatie (€) 108.494 313.983 622.216 €/m3 0,0413 0,0398 0,0395 Recirculatiesysteem 5 15 30 Ontwerpdebiet (m3/min) 5 15 30 Oppervlakte filterbed (m3) 6,65 19,95 39,9 Volume filterbed (m3) 23 70 140 Investering (€) 410.517 1.131.668 2.213.395 Exploitatie (€) 79.436 226.808 447.866 €/m3 0,0302 0,0288 0,0284

34

Overzicht techniekenGemaalsystemen met piekfactor = 1,7 investeringsbedragen per 100 m3/h)

vlokvorming (natuurlijk gegraven

boerensloot)

Sedimentatie (natuurlijk gegraven

bekken)

Vlokkings filtratie

(Continu)

Langzame zandfiltratie

(ijzer en kalk)

Fuzzy filter

rendement stikstof 0 ? ? ? ?rendement fosfaat - 50-80 60-90 70-90 ?rendement SS - 50-80 60-80 70-90 60-80hygienische kwaliteit - - + + -energieverbruik Wh/m3)

20 5 30 5 30

FeCl3 (g/m3) 40 - 20 - 20slibproductie g/m3) - 40 30 - 30Ruimtebeslag (m2) 50 400 20 1000 2,5Investering (per 100 m3/h)

115.000 45.000 500.000* 240.000* 200.000*

Exploitatiekosten (€ct/m3)

1,5 – 2,5 1,5 – 2(3 – 4,5)**

5 – 9* 1,5 – 2,5* 3 - 5*(4,5 – 7,5)**

Flexibiliteit +/- +/- + - +Werking zomer/winter z+/w- z+/w- z+/w? z+/w? z+/w?

* Prijs voor middelgrote installaties** Exploitatiekosten Inclusief voorafgaande vlokvorming

35

Haalbaarheid

• Technisch– Er is altijd een technische oplossing– Fysiek ruimtebeslag en inpasbaarheid

zijn belangrijke randvoorwaarden• Financieel

– Bereikbaarheid voor materieel en materialen

– Bodemstabiliteit: hogere bouwkosten bij een slappe ondergrond

– Grondaankopen kunnen de investeringskosten opschroeven

36

Stappenplan• Nut en noodzaak: goede watersysteemanalyse• Communicatie tussen planvormers,

watertechnologen en beheerders • Locatiespecifieke systeemkeuze maken• Waterdicht bestek schrijven• Toezicht tijdens de aanleg• Tijdig signaleren en bijsturen• Aandacht voor procesmonitoring• Aandacht voor processturing