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
Top Related