Hogere techniek afvalwaterzuivering Module 2 Cursusboek
Nieuwegein, 2013
www.wateropleidingen.nl
© Stichting Wateropleidingen, december 2013 Groningenhaven 7 3433 PE Nieuwegein
Versie 6.0
Niets van deze uitgave mag worden verveelvoudigd en/of openbaar gemaakt door middel van druk, fotokopie, microfilm, of op welke andere wijze dan ook, zonder voorafgaande toestemming van Stichting Wateropleidingen.
Inhoudsopgave 1
Inleiding en kader ..................................................................................................... 1
2 2.1 2.2 2.3 2.4
Projectaanpak .......................................................................................................... 5 Leerdoelen ............................................................................................................... 5 Inleiding.................................................................................................................... 5 Projectinitiatief .......................................................................................................... 5 Projectaanpak en -beheersing.................................................................................. 6 2.4.1 Stap 1: projectdefinitie ................................................................................. 6 2.4.2 Stap 2: projectbeheersing ............................................................................ 6 2.4.3 Stap 3, 4 en 5: toetsing en vaststelling ........................................................ 7 Partijen in het bouwproces ....................................................................................... 7 Fasering ................................................................................................................... 8 Contractvorm en wijze van aanbesteding ............................................................... 11 2.7.1 klassieke contractvorm .............................................................................. 11 2.7.2 gemengde contractvormen ........................................................................ 11 2.7.3 aanbestedingsregels en -procedures ......................................................... 12 2.7.4 gunningscriteria ......................................................................................... 13 2.7.5 aanbestedingsprocedures ......................................................................... 13 Kwaliteitsborging .................................................................................................... 14
2.5 2.6 2.7
2.8 3 3.1 3.2 3.3 3.4
3.7
Programma van eisen ............................................................................................ 17 Leerdoelen: ............................................................................................................ 17 Inleiding.................................................................................................................. 17 Hoofdonderdelen van het programma van eisen .................................................... 17 Beschrijving van de situatie .................................................................................... 18 3.4.1 Beschrijving van de locatie ........................................................................ 18 3.4.2 Beschrijving huidige installatie ................................................................... 19 Prestatie-eisen ....................................................................................................... 19 3.5.1 Zuiveringscapaciteit ................................................................................... 19 3.5.2 Effluenteisen.............................................................................................. 22 Randvoorwaarden van de opdrachtgever ............................................................... 23 3.6.1 Knelpunten ................................................................................................ 23 3.6.2 Operationele aspecten .............................................................................. 24 3.6.3 Procesautomatisering en informatiesystemen ........................................... 24 3.6.4 Planning .................................................................................................... 25 3.6.5 Slibafzet en -hergebruikmogelijkheden ...................................................... 25 3.6.6 Levensduur................................................................................................ 26 3.6.7 Toepassing van ontwerpstandaards .......................................................... 27 Randvoorwaarden vanuit de omgeving .................................................................. 27
4 4.1 4.2 4.3 4.4
Kosten .................................................................................................................... 29 Leerdoelen ............................................................................................................. 29 Inleiding.................................................................................................................. 29 Initiële kosten ......................................................................................................... 29 Kapitaallasten ........................................................................................................ 31
3.5
3.6
4.5 4.6 4.7
Exploitatielasten ..................................................................................................... 32 Looptijd, aflossings- en afschrijvingstermijn............................................................ 33 Investeringsbeslissingen ........................................................................................ 34 4.7.1 Methode 1: totale jaarlijkse kosten............................................................. 34 4.7.2 Methode 2: Terugverdientijd ...................................................................... 35 4.7.3 Methode 3: Constante waarde ................................................................... 35 4.8 Gevoeligheidsanalyse ............................................................................................ 35 4.9 Kosten beïnvloedende factoren .............................................................................. 36 4.9.1 Zuiveringsconcept ..................................................................................... 36 4.9.2 Invloed belastingontwikkeling .................................................................... 37 4.9.3 Voorbezinking............................................................................................ 37 4.9.4 Beluchtingssystemen................................................................................. 38 4.9.5 Fosforverwijdering ..................................................................................... 38 4.9.6 Stikstofverwijdering.................................................................................... 38 4.9.7 Slibverwerking ........................................................................................... 39 4.10 Operationele kosten ............................................................................................... 39 4.10.1 Waterlijn .................................................................................................... 39 4.10.2 Sliblijn ........................................................................................................ 40 4.11 Rekenvoorbeelden ................................................................................................. 40 4.11.1 Voorbeeld 1 – berekenen kapitaalkosten ................................................... 40 4.11.2 Voorbeeld 2 – terugverdientijd ................................................................... 41 4.11.3 Voorbeeld 3 – netto contante waarde ........................................................ 43 4.11.4 Voorbeeld 4 – invloed keuze chemicaliën .................................................. 46 4.11.5 Voorbeeld 5 – gevoeligheidsanalyse ......................................................... 46 5 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7 5.8
5.9 5.10 5.11 5.12 5.13 5.14 5.15
Systeemkeuze........................................................................................................ 51 Leerdoelen ............................................................................................................. 51 Inleiding.................................................................................................................. 51 Selectie van technieken ......................................................................................... 52 Schaalgrootte van het zuiveren .............................................................................. 52 Voorbehandeling .................................................................................................... 53 Keuze voor zandverwijdering en systemen met en zonder voorbezinktank ............ 55 Beluchtingssystemen ............................................................................................. 58 Fosforverwijdering .................................................................................................. 60 5.8.1 Voorprecipitatie ......................................................................................... 60 5.8.2 Simultane chemische fosforverwijdering .................................................... 61 5.8.3 Map proces................................................................................................ 61 5.8.4 Biologische fosforverwijdering ................................................................... 62 Stikstofverwijdering ................................................................................................ 63 5.9.1 Voorbeelden van configuraties .................................................................. 64 Nabezinking ........................................................................................................... 67 Desinfectie ............................................................................................................. 69 Centrale of decentrale slibontwatering ................................................................... 69 Keuze directe slibontwatering of indikking gevolgd door ontwatering ..................... 72 Keuze voor het type slibontwateringsapparatuur .................................................... 74 Alternatieve zuiveringstechnieken .......................................................................... 76 5.15.1 Membraanbioreactor ................................................................................. 77 5.15.2 Slib op drager ............................................................................................ 78 5.15.3 Aeroob korrelslib/Nereda ........................................................................... 79
5.15.4 USBF......................................................................................................... 79 5.15.5 Deelstroombehandeling ............................................................................. 80 5.15.6 Koude Anammox in de waterlijn ................................................................ 81 5.16 Nabehandeling ....................................................................................................... 81 5.17 Opstellen van een variantenvergelijking ................................................................. 85 5.17.1 Vaststellen uitgangspunten........................................................................ 85 5.17.2 Inpassen van bestaande installatiedelen ................................................... 87 5.17.3 Beschrijving basisvarianten ....................................................................... 88 5.17.4 Gebruik van modellen bij de vergelijking van varianten ............................. 89 6 6.1 6.2 6.3
6.4
6.5 6.6 6.7
6.8
Dimensioneren en ontwerpen................................................................................. 91 Leerdoelen ............................................................................................................. 91 Inleiding.................................................................................................................. 91 Opstellen processchema ........................................................................................ 91 6.3.1 Proces flow diagram .................................................................................. 91 6.3.2 PID ............................................................................................................ 92 6.3.3 Symbolen en aanduidingen ....................................................................... 93 Hydraulische aspecten ........................................................................................... 93 6.4.1 Statisch en dynamisch verval .................................................................... 93 6.4.2 Berekenen leidingweerstanden.................................................................. 94 6.4.3 Waterschijf boven een overstortrand ......................................................... 95 Menging ................................................................................................................. 96 Massabalansen ...................................................................................................... 97 6.6.1 Slibleeftijd en nitrificatieruimte ................................................................... 98 Denitrificatieruimte ............................................................................................... 100 6.7.1 Berekening zuurstofinbreng capaciteit ..................................................... 101 6.7.2 Fosfaatbalans voor berekenen biologische fosforverwijdering ................. 103 6.7.3 Fosfaatbalans bij chemische fosforverwijdering ....................................... 104 6.7.4 Slibbalans bij berekenen retourslibcapaciteit ........................................... 105 Dimensionering van procesonderdelen ................................................................ 106 6.8.1 Ontvangstwerk en roostergoed ................................................................ 106 6.8.2 Zandverwijdering ..................................................................................... 107 6.8.3 Keuze voor het aantal straten .................................................................. 108 6.8.4 Voorbezinking.......................................................................................... 109 6.8.5 Dimensionering selector .......................................................................... 110 6.8.6 Anaerobe tank voor biologische fosforverwijdering .................................. 111 6.8.7 Dimensioneren beluchtingstank ............................................................... 112 6.8.8 Dimensioneren beluchtingsinstallatie ....................................................... 114 6.8.9 Dimensionering van nabezinktanks ......................................................... 116 6.8.10 Nereda installaties ................................................................................... 117 6.8.11 Membraanbioreactoren ........................................................................... 118 6.8.12 Effluentbemaling ...................................................................................... 119 6.8.13 Slibindikking ............................................................................................ 119 6.8.14 Slibgisting ................................................................................................ 120 6.8.15 Slibontwatering ........................................................................................ 121 6.8.16 Anaerobe waterzuivering ......................................................................... 124 6.8.17 Het SHARON proces voor deelstroombehandeling ................................. 127 6.8.18 Het Anammox proces .............................................................................. 129 6.8.19 Ventilatie en geurbehandeling ................................................................. 130
6.9
7 7.1 7.2 7.3 7.4
7.5
8 8.1 8.2
8.3
8.4
8.5
8.6 9 9.1 9.2 9.3 9.4
9.5
6.8.20 Lay-out .................................................................................................... 132 Modelleren ........................................................................................................... 132 6.9.1 Modellen en computerprogramma’s ........................................................ 133 6.9.2 Statische en dynamische simulatie .......................................................... 133 6.9.3 Voorbeelden van modellen ...................................................................... 133 6.9.4 Werken met modellen .............................................................................. 135 Civiele techniek .................................................................................................... 137 Inleiding................................................................................................................ 137 Terreinindeling ..................................................................................................... 137 Ruimtebeslag ....................................................................................................... 138 Hydraulisch ontwerp ............................................................................................. 139 7.4.1 Algemeen ................................................................................................ 139 7.4.2 Vervalberekeningen................................................................................. 139 7.4.3 Hoogtelligging.......................................................................................... 140 Materiaalgebruik................................................................................................... 141 7.5.1 algemeen ................................................................................................ 141 Werktuigbouwkunde ............................................................................................. 143 Inleiding................................................................................................................ 143 Pompen................................................................................................................ 143 8.2.1 Stroming van vloeistoffen ........................................................................ 143 8.2.2 Het totale pomprendement ...................................................................... 144 8.2.3 NPSH en cavitatie ................................................................................... 146 Leidingen ............................................................................................................. 147 8.3.1 Inleiding ................................................................................................... 147 8.3.2 Statische-, dynamische- en manometrische opvoerhoogte ...................... 147 8.3.3 Leidingweerstand .................................................................................... 148 8.3.4 Combinatie van pomp- en leidingkarakteristieken .................................... 149 8.3.5 De invloed van lucht- en/of gasinsluitingen in persleidingen .................... 152 8.3.6 Waterslag ................................................................................................ 152 Menging ............................................................................................................... 154 8.4.1 Onderwatermengers ................................................................................ 154 8.4.2 Menging slibgisting .................................................................................. 155 Scheiden .............................................................................................................. 155 8.5.1 Roostergoedverwijdering ......................................................................... 156 8.5.2 Slibontwatering ........................................................................................ 156 Beluchten ............................................................................................................. 158 Elektrotechnische installatie en besturing ............................................................. 161 Opbouw van de elektrische installatie .................................................................. 161 Uitvoerorganen..................................................................................................... 161 Hoofdschakelelementen ....................................................................................... 163 Besturing .............................................................................................................. 164 9.4.1 PLC ......................................................................................................... 165 9.4.2 Besturingsplan......................................................................................... 166 9.4.3 Testen van een besturing ........................................................................ 167 Signaalgevers ...................................................................................................... 168
9.6
9.7
9.8 9.9
9.5.1 IP-beschermingsklasse van elektromotoren ............................................ 169 9.5.2 Werking en temperatuur .......................................................................... 169 9.5.3 Motorvermogen, arbeidsfactor cos φ en rendement ................................ 170 9.5.4 Aanzetmethoden ..................................................................................... 171 Veiligheid in elektrische installaties ...................................................................... 172 9.6.1 Elektrische gevaren ................................................................................. 172 9.6.2 Beveiligingen van elektromotoren ............................................................ 172 9.6.3 Aardlekbeveiliging ................................................................................... 173 9.6.4 Aarding .................................................................................................... 173 9.6.5 Bliksembeveiliging ................................................................................... 174 9.6.6 Kooi van Faraday en elektromagnetische comptabiliteit .......................... 174 9.6.7 Voorschriften ........................................................................................... 174 Ontwikkelingen op gebied van besturingssystemen ............................................. 175 9.7.1 Human Machine Interface........................................................................ 176 9.7.2 SCADA-systeem ..................................................................................... 177 9.7.3 DCS ........................................................................................................ 180 Gegevenspresentatie en archief ........................................................................... 181 Bussystemen ....................................................................................................... 183
10 10.1 10.2 10.3 10.4
Meet- en regeltechniek en procesautomatisering ................................................. 187 Inleiding................................................................................................................ 187 de corrigerende organen.P&I-schema's ............................................................... 187 Regeltechnische kenmerken van processen ........................................................ 192 Procesregelsystemen ........................................................................................... 195 10.4.1 Feed-back regeling (terugkoppeling) ....................................................... 196 10.4.2 Feed-forward regeling (Sturing) ............................................................... 197 10.4.3 Master-slave of cascade regeling ............................................................ 198 10.4.4 Verhoudingsregeling................................................................................ 199 10.5 Regelaars............................................................................................................. 200 10.6 Corrigerende organen .......................................................................................... 201 11 11.1 11.2 11.3 11.4 11.5 11.6
Energie ................................................................................................................ 203 Inleiding................................................................................................................ 203 Hoofdvormen van energie .................................................................................... 204 Energie, vermogen en energie-inkoop.................................................................. 205 Elektriciteitsverbruik ............................................................................................. 209 Warmtebehoefte................................................................................................... 211 Gasproductie en slibverwarming .......................................................................... 212 11.6.1 Gasproductie bij anaerobe afbraak .......................................................... 212 11.6.2 Slibverwarming ........................................................................................ 213 11.7 Warmtekrachtkoppeling........................................................................................ 214 11.7.1 Installatie-uitvoeringen ............................................................................. 214 11.7.2 wkk-installatie .......................................................................................... 216 11.8 Economisch rendement energie-opwekking ......................................................... 218 11.9 Nieuwe ontwikkelingen ......................................................................................... 219 12 Opstarten en testen van de zuivering ................................................................... 220 12.1 Leerdoelen ........................................................................................................... 220
12.2 12.3 12.4 12.5
Inleiding................................................................................................................ 220 Bestek .................................................................................................................. 221 Aanbesteding, gunning en bouw .......................................................................... 222 Testen en opstarten ............................................................................................. 222 12.5.1 Omvang ................................................................................................... 222 12.5.2 Civiel technisch, mechanisch en elektrisch gereed .................................. 224 12.6 Procedures........................................................................................................... 224 12.6.1 Werkwijze ................................................................................................ 224 12.6.2 Draaiboek en protocollen ......................................................................... 225 12.6.3 Toezicht directie ...................................................................................... 225 12.6.4 Planning en voortgang ............................................................................. 225 12.6.5 Verantwoordelijkheden ............................................................................ 225 12.6.6 Civiel technisch gereed maken ................................................................ 226 12.6.7 Mechanisch gereed maken...................................................................... 226 12.6.8 Elektrisch gereed maken ......................................................................... 227 12.7 Droogtesten ......................................................................................................... 228 12.7.1 Civiel ....................................................................................................... 228 12.8 Natte testen.......................................................................................................... 229 12.8.1 Civiele testen ........................................................................................... 231 12.8.2 Mechanisch-elektrisch ............................................................................. 231 12.8.3 Voorbeelden van natte testen .................................................................. 232 12.9 Oplevering en ingang onderhoudstermijn ............................................................. 236 12.9.1 Algemeen ................................................................................................ 236 12.10 Technologische opstart ........................................................................................ 237 12.10.1 Opstart biologie (beluchtingstank) ........................................................... 237 12.10.2 Opstart Membraanbioreactor ................................................................... 239 12.10.3 Testen en opstart van zandfiltratie ........................................................... 240 12.10.4 Opstart slibgisting .................................................................................... 241 12.10.5 Opstart biofilter ten behoeve van luchtbehandeling ................................. 244 13 13.1 13.2 13.3 13.4 13.5 13.6
Procesbeheersing ................................................................................................ 245 Leerdoelen: .......................................................................................................... 245 Inleiding................................................................................................................ 245 De mens in evenwicht met proces en automatisering ........................................... 246 Procesbesturing ................................................................................................... 249 Procesbeveiliging ................................................................................................. 253 Procescontrole ..................................................................................................... 255
14 Onderhoud en asset management zuiveringsbeheer ........................................... 257 14.1 Leerdoelen ........................................................................................................... 257 14.2 Wat is asset management? .................................................................................. 257 14.2.1 De definitie van asset management ......................................................... 258 14.2.2 De doelstelling van asset management ................................................... 259 14.2.3 De assets van asset management ........................................................... 259 14.2.4 De levenscyclus van een asset................................................................ 260 14.2.5 Het asset management systeem (AMS) .................................................. 262 14.3 Waarom asset management en hoe?................................................................... 263 14.3.1 Generiek doorvoeren management systeem ........................................... 264 14.3.2 Het bewerkstellingen van kosteneffectiviteit............................................. 264
14.4 14.5
14.6
14.7
14.8
14.3.3 Rollen rondom de assets ......................................................................... 266 14.3.4 Pas 55: Specification for the optimized management of physical assets .. 267 14.3.5 Asset management bedrijven .................................................................. 269 Risicodenken ....................................................................................................... 271 Onderhoud ........................................................................................................... 273 14.5.1 Het begrip onderhoud .............................................................................. 274 14.5.2 Beheer en onderhoud .............................................................................. 275 14.5.3 Onderhoud per vakgebied ....................................................................... 276 14.5.4 Fasemodel in relatie tot onderhoudsorganisatie ...................................... 277 14.5.5 De plaats van het onderhoud in de organisatie ........................................ 279 Onderhoudsmanagement ..................................................................................... 280 14.6.1 De driehoek management, technologie en engineering ........................... 281 14.6.2 Onderhoudsprocessen ............................................................................ 281 14.6.3 Sturing van onderhoudsprocessen .......................................................... 283 14.6.4 Typische indicatoren voor onderhoud (RAMS) ........................................ 284 14.6.5 het onderhoudsbeheersysteem ............................................................... 285 Onderhoudstechnologie ....................................................................................... 288 14.7.1 Terminologie............................................................................................ 288 14.7.2 Onderhoud methodieken ......................................................................... 290 Onderhoudsengineering ....................................................................................... 294 14.8.1 Onderhoudsbewust ontwerpen ................................................................ 294 14.8.2 Onderhoud in relatie tot afdeling projecten/nieuwbouw ............................ 294
15 15.1 15.2 15.3 15.4 15.5 15.6
Bottlenecks van een biologische awzi .................................................................. 297 Leerdoelen: .......................................................................................................... 297 Inleiding................................................................................................................ 297 Wat zijn bottlenecks? ........................................................................................... 297 Het belang van het kennen van de bottleneck van een awzi ................................ 299 Herkennen van bottlenecks en de plaats in de organisatie ................................... 299 Bottlenecks op het niveau van procesonderdelen ................................................ 300 15.6.1 Beschikbare capaciteit ............................................................................. 300 15.6.2 Benodigde capaciteit ............................................................................... 300 15.6.3 Systematiek ............................................................................................. 301 15.7 Bottlenecks op het niveau van processen ............................................................ 301 15.8 Onvoldoende bufferende of egaliserende capaciteit ............................................. 302 15.9 Capaciteit nabezinktanks ..................................................................................... 302 15.10 Nieuwe duurzamheidsambities............................................................................. 304 16 16.1 16.2 16.3 16.4 16.5
Troubleshooting water en slib............................................................................... 307 Leerdoelen: .......................................................................................................... 307 Inleiding................................................................................................................ 307 De plaats van troubleshooting in de organisatie ................................................... 307 In de praktijk veel voorkomende problemen ......................................................... 308 Stikstofverwijdering .............................................................................................. 308 16.5.1 Ammonificatie .......................................................................................... 308 16.5.2 Nitrificatie ................................................................................................ 309 16.5.3 Denitrificatie............................................................................................. 313 16.5.4 Voorwaarden voor het optreden van denitrificatie .................................... 313 16.6 Uitspoeling van zwevende stof en licht slib ........................................................... 314
16.6.1 16.6.2 16.6.3 16.6.4 16.6.5 16.6.6 17 17.1 17.2 17.3 17.4
Nabezinktank: scheiding en recirculatie ................................................... 315 Nabezinktank: indikking ........................................................................... 318 Nabezinktank: buffering ........................................................................... 319 Nabezinktank: constructieve en mechanische oorzaken .......................... 319 Overige procesmatige oorzaken .............................................................. 319 Dosering van poly-elektroliet ................................................................... 321
Visie op toekomstige ontwikkelingen .................................................................... 323 Leerdoelen ........................................................................................................... 323 Inleiding................................................................................................................ 323 Watersysteem en waterketen ............................................................................... 323 Historie ................................................................................................................. 325 17.4.1 watermanagement ................................................................................... 325 17.4.2 drinkwater ................................................................................................ 328 17.4.3 Afvoer van regenwater ............................................................................ 328 17.4.4 sanitatie ................................................................................................... 328 17.4.5 afvoer van afvalwater .............................................................................. 330 17.4.6 Rioleringssystemen ................................................................................. 331 17.4.7 Afvalwaterzuivering ................................................................................. 332 17.5 Ontwikkelingsrichting............................................................................................ 334 17.5.1 Effluenteisen............................................................................................ 337 17.5.2 Duurzaamheid ......................................................................................... 337 17.5.3 hergebruik ............................................................................................... 339 17.5.4 Ruimtebeslag .......................................................................................... 339 17.5.5 Kosten ..................................................................................................... 341 17.6 Toekomstige stedelijk sanitatiesystemen.............................................................. 341 17.6.1 Scheiden van waterstromen .................................................................... 342 17.6.2 Decentrale zuivering ................................................................................ 342 17.6.3 Toegepaste technologie .......................................................................... 343
