Randvoorzieningen van rioolstelsels kritisch beschouwd ISSN -0169-6246
Mededelinge n van de Vakgroep Gezondheidstechniek & Wa terbeheersing
Oktobe r 1991
R.G. Veldka mp
,f!~~'i · .z.
T U Delft Techn ische Universiteit Delft
Faculteit der Civiele Techniek Vakgroep Gezondheidstech niek & Waterbeheersing Sect ie Gezondheidstechn iek .
Technische Universiteit Delft Faculteit der Civiele Techniek Vakgroep Gezondhe idstechniek & Waterbeheersing Sectie Gezondheidstechniek
Technische Universiteit Delft Faculteit CiTG Bibliotheek Civiel e Techni ek Stevinweg 1 2628 CN Delft
Randvoorzieningen van rioolstelsels kritisch beschouwd
Mededeling nr. 42 van de Vakgroep Gezondheidstechniek & Waterbeheersing Ir. R.G. Veldkamp oktober 1991
Inhoud
Inleiding Principes Overzicht vuilreducerende middelen Hoofd- en nevenaansluitng Het bergingsaspect Het bezinkingsaspect Het rendement Ontwerp De ontwikkeling in Nederland en andere West-Europese landen Algemene uitgangspunten bij het ontwerp De Nederlandse ontwerpmethode De invloed van de vloeitijd en de first flush De invloed van de kwaliteit van het ontvangende water op de ontwerpmethode Toepassing Emissie- of immissieprincipe? Toepassing randvoorzieningen gerelateerd aan de vuiluitworp Resultaten recente binnenlandse onderzoeken Nieuwe ontwikkelingen Conclusies Literatuur
1
INLEIDING
Gemengde rioolstelsels en regenwaterriolen van gescheiden stelsels zijn of worden ontworpen voor een maximale afvoercapaciteit. Deze afvoercapaciteit kan bij zware regenbuien worden overschreden. De hoeveelheid water die niet naar de rwzi kan worden verpompt zal via noodoverlaten het stelsel verlaten en in het oppervlaktewater terechtkomen. Een indicatie voor een te grote vuiluitworp naar het ontvangende water zijn klachten van omwonenden of visverenigingen. Deze klachten gaan in de regel over stank, vissterfte en visuele vervuiling in de buurt van overstorten. Deze negatieve verschijnselen zijn dikwijls periodiek, zoals vissterfte. Stank en vissterfte worden direct opgemerkt, in tegenstelling tot bacteriologische verontreinigingen. Dat gebeurt alleen daar waar het oppervlaktewater een recreatieve functie heeft en er zodoende een kans bestaat op besmetting. Naar de effecten op lange termijn is weinig gericht onderzoek gedaan. Het effect van versluiering door andere lozingsbronnen speelt hierbij een grote rol. De effecten van emissies op het ontvangende water zijn op een eenvoudige manier terug te dringen met het doorspoelen van het oppervlaktewater waardoor een verdringings- en verdunningseffect op de geloosde verontreinigingen optreedt. Deze oplossing ligt binnen de mogelijkheden van een waterkwaliteitsbeheerder. De maatregel voldoet op het eerste gezicht, maar de totale geloosde vuilvracht blijft even groot! Het probleem wordt niet bij de bron aangepakt, men tracht alleen de kwalijke gevolgen zo beperkt mogelijk te houden. Het probleem aanpakken bij de bron kan door vermindering van de vuillozing op het ontvangende water. Deze reductie is te bereiken met de volgende maatregelen: Vergroting van de berging in het rioolstelsel zelf door het zgn. opdikken van de afvoerriolen onderin het stelsel. Verhoging van de pompovercapaciteit. Deze maatregel heeft effect op de werking van de zwaarder te belasten rwzi. Het zo goed mogelijk tegengaan van slibafzettingen in de rioolstelsels. Preventief (en geen curatief) onderhoud van rioolstelsels. Toepassing van randvoorzieningen . Met betrekking tot het laatste punt, het toepassen van randvoorzieningen, zijn er diverse mogelijkheden voorhanden die in dit rapport worden behandeld. Na deze inleiding volgen drie hoofdstukken: Principes, Ontwerp en Toepassing. In het hoofdstuk Principes worden enkele algemene zaken behandeld die vallen binnen het kader van dit artikel. Er wordt een overzicht gegeven van het hele scala aan middelen om de vuillozing in te perken. Van de in aanmerking komende randvoorzieningen wordt in hoofdzaak aandacht besteed aan bergbezinktanks. Deze tanks hebben een dubbele functie: het creëren van extra berging en het tegenhouden van bezinkbaar materiaal. De aspecten berging en bezinking worden afzonderlijk toegelicht. Daarna volgt een uiteenzetting over het rendement, de verschillende manieren waarop rendementen van een bergbezinktank zijn te berekenen en - niet onbelangrijk - de valkuilen waar men in kan lopen bij rendementsberekeningen. In het hoofdstuk Ontwerp wordt aandacht geschonken aan de aanpak in een aantal West-Europese landen. Na het noemen van de belangrijkste uitgangspunten bij het ontwerpen wordt in detail ingegaan op de Nederlandse ontwerpmethode.
2
Enkele voor het ontwerpen van belang zijnde aspecten, met name de first flush en de kwaliteit van het ontvangende water, worden nader toegelicht. In het volgende hoofdstuk Toepassing wordt eerst de filosofie aangestipt die ten grondslag ligt - of beter gezegd zou moeten liggen - aan een eventuele keuze voor een randvoorziening. Dient men uit te gaan van het emissie- of immissieprincipe? Vervolgens wordt de toepassing van randvoorzieningen in relatie gebracht met de vuiluitworp. Er wordt beknopt ingegaan op enkele recente onderzoeken in Nederland, die merendeels in het kader van het NWRW-onderzoek vallen. Dit hoofdstuk wordt afgerond met een opsomming van enkele nieuwe ontwikkelingen . In het laatste hoofdstuk Conclusies worden tenslotte de belangrijkste punten van het rapport opgesomd.
3
PRINCIPES
Overzicht vuilreducerende middelen Het hele scala aan vuilreducerende middelen is inmiddels zo groot dat een indeling in enkele hoofdgroepen wel op zijn plaats lijkt. Hoewel een indeling in strikt gescheiden groepen vrijwel onmogelijk is en er altijd overlappingen zijn, kan een indeling in drie groepen worden gemaakt waarbij het zwaartepunt van de gekozen middelen duidelijk verschilt. Constructieve middelen = randvoorzieningen Zuiveringstechnische middelen Operationele middelen Bij de constructieve middelen (samen te vatten onder de benaming "randvocrzleningen-) wordt getracht de vuiluitworp te reduceren door het aanbrengen van extra volume (berging) eventueel gecombineerd met afscheiding van deeltjes onder invloed van de zwaartekracht (bezinking). Sommige oplossingen hebben tot doel alleen de hoeveelheid geloosd afvalwater te verminderen, bij het merendeel wordt tevens een reductie van de concentratie aan geloosde stoffen beoogd. Enkele randvoorzieningen zijn vermeld in tabel 1.
Tabel 1: Overzicht randvoorzieningen Reductie vuiluitworp door: Conventionele overstortput Verbeterde overstortput Werveloverstortput Bergbezinktank Bergbezinkriool Retentietank Bergtank Bergingsriool Spiraalbocht Theekop afscheider
-
bezinking/concentratie bezinking/concentratie berging en bezinking berging en bezinking berging berging berging bezinking/concentratie bezinking/concentratie
Zuiveringstechnische middelen zijn behandelingsmethoden die tot doel hebben de concentratie aan geloosde stoffen te verminderen via technieken die ook gebruikt worden bij de afvalwaterzuivering. De hoeveelheid geloosd afvalwater wordt niet gereduceerd: Zeven Vlokvorming, gevolgd door afscheiding (sedimentatie, flotatie of filtratie) Biologische behandeling (kontaktstabilisatie, bioschijven) Adsorptie aan aktiefkool Desinfectie Operationele middelen worden gevonden op het vlak van beheer e.d. Afvoerregulering Preventief reinigen van riolen
4
In het NWRW-onderzoek [NWRW 1984] werden de verbeterde overstortput. de werveloverstortput en de bergbezinktank aangemerkt als oplossingen die nader onderzoek verdienden. Van deze drie heeft een bergbezinktank de hoogste vuilreducerende werking . Daarom wordt in dit artikel de meeste aandacht aan dit type randvoorziening besteed. Een bergbezinktank is een reservoir dat in vele uitvoeringsvormen is te realiseren. Om het onderscheid met andere typen reservoirs te houden is in tabel 2 een overzicht gegeven van de mogelijke reservoirs waarmee men te maken kan krijgen bij het ontwerpen van rioolstelsels. Gelijkluidende Duitse en Engelse benamingen zijn ook vermeld . Er wordt onderscheid gemaakt tussen reservoirs zonder externe overstort, waarbij er geen afvoer naar het oppervlaktewater kan plaatsvinden en reservoirs met een externe overstort waarbij, na vulling van het reservoir, ook afvoer naar het oppervlaktewater plaatsvindt.
Tabel 2: Overzicht reservoirs als randvoorziening Reservoirs zonder externe overstort Regenwatertank Regenwasserbecken Regenbecken Storm-sewage tank
Buiten het stelsel gelegen reservoir voor opvang van gemengd afvalwater. Vormt meestal onderdeel van rwzi. Reservoir zonder overstortvoorziening voor afvoerregulering
E:
Retentietank Regenwasserrückhaltebecken Rückhaltebecken Storm-water retention tank
D: E:
Bergtank Fangbecken Storm-retention tank
Reservoir zonder overstort, ter vergroting van de berging.
D: E: D:
I
Reservoirs met externe overstort
D: E:
0: E:
D:
Regenwaterbezinktank RegenauslaBklärbecken Regenklärbecken Storm-water tank
Bezinkingstank voor regenwater in gescheiden stelsels
Bergbezinktank Regenüberlaufbecken Storm-water overflow tank Detention tank
Reservoir met, behalve een afvoer naar het riool ook een overstort naar oppervlaktewater.
Combinatietank Verbundbecken
Combinatie van een bergtank en een bergbezinktank.
De in de STORA woordenlijst opgenomen benamingen voor deze voorzieningen eindigen allemaal op -bassin in plaats van -tank. Een bassin is een open constructie, een tank daarentegen kan zowel open als gesloten zijn. Omdat bovengenoemde randvoorzieningen open èn gesloten worden uitgevoerd verdient de benaming tank de voorkeur.
5
I
Hoofd- en nevenaansluiting Een berg-, bergbezink- of combinatietank kan op twee verschillende manieren op het rioolstelsel worden aangesloten, in hoofdaansluiting of nevenaansluiting (zie figuur 1).
_ aonvoer
ê
TANK
riool
!
vulling tank
I
_ afvoer
TANK
-
I
loverstorting
overstorting
Nevenaansluiting
Hoofdaansluiting
Figuur 1: Schema hoofd- en nevenaansluiting
In hoofdaansluiting (D:HauptschluB; E:on-Iine) staat de tank in serie met het riool. De tank wordt continu doorstroomd, tijdens de droogweerperiode met de dwa en tijdens regenperiodes met gemengd afvalwater. In nevenaansluiting (D:NebenschluB; E:off-Iine) ligt de tank naast het riool en wordt pas gevuld wanneer tijdens neerslag het waterpeil in het riool stijgt en via een overstort de tank binnentreedt. Na afloop van de regenbui loopt de tank leeg via een terugslagklep of wordt de tank leeggepompt wanneer het riool hoger ligt dan de tankbodem. Een tank in hoofdaansluiting is alleen te verkiezen als er voldoende verval aanwezig is. Wanneer dit niet het geval is, een situatie die in Nederland veelvuldig voorkomt, dan moet het afvalwater na het passeren van de tank continu worden opgepompt, zowel de dwa als de rwa. Dan is een tank in nevenaansluiting te verkiezen omdat de dwa langs de tank loopt; er hoeft alleen te worden gepompt wanneer het regent. Aan beide manieren van aansluiten kleven nog andere voor- en nadelen, die in tabel 3 worden opgesomd.
Tabel 3: Hoofd- en nevenaansluiting: voor- en nadelen Hoofdaansluiting
Voordelen
Nevenaansluiting
Lediging onder natuurlijk verval. Goede zelfreinigende werking. Eenvoudige inpassing in nieuwe stelsels.
Hoogteligging t.o.v. riool vrij te kiezen. Geen intrede van zand en grove delen tijdens droog weer. Betere verdeling instromend debiet Eenvoudige inpassing bij uitbreiding.
De dwa loopt steeds door de tank. Groot hoogteverlies.
Lediging rn.b.v, pomp (bij lage ligging). Minder goede zelfreinigende werking. Extra overloopconstructie tussen riool en tank.
Nadelen
6
Het bergingsaspeet Uit tabel 1 komt duidelijk naar voren dat bij sommige randvoorzieningen de bergingsfunctie bepalend is, dat bij andere randvoorzieningen de bezinkingsfunctie van overwegend belang is, terwijl bij de bergbezinktanks en -riolen beide aspecten een rol spelen. Het is daarom van belang om beide aspecten apart te beschouwen. Het creëren van een extra volume in rioolstelsels wordt bewerkstelligd door het opnemen van retentietanks of bergtanks. Hoewel met beide tanks het bergingsvolume wordt vergroot, is hun uiteindelijk doel toch verschillend. Een retentietank heeft slechts een hydraulische functie en dient absoluut niet voor het achterhouden van bezinkende stoffen . De inhoud van de tank dient voor de tijdelijke buffering van gemengd afvalwater tijdens buien, om op die manier het water vertraagd af te voeren. Tijdens het vullen van de tank is de afvoer derhalve kleiner dan de aanvoer. Retentietanks kunnen onder de volgende omstandigheden worden toegepast: Aan het eind van een stelsel ter ontlasting van het transportriool naar de rwzi, waardoor een kleinere diameter kan worden toegepast. Een kostenvergelijking moet uitkomst geven over deze toepassing en over de grootte van de tank. Vlak voor een gemaal ter vermindering van de te installeren pompcapaciteit. Bij de aansluiting van een uitbreiding op een bestaand stelsel ter voorkoming van grotere transportriolen. Na een noodoverlaat ter ontlasting van het oppervlaktewater wanneer het afvoerend vermogen van dit ontvangende water te klein is. Een berçtsnk dient in de eerste plaats voor het creëren van meer berging ter vermindering van de emissie naar het oppervlaktewater. Toch kan ook nu de bergingsfunctie met verschillende oogmerken worden ontworpen. In landen als Duitsland, Zwitserland en Oostenrijk zijn bergtanks (Fangbecken) bedoeld om de first flush op te vangen. Op die manier tracht men het vuil binnen het stelsel te houden en zo de vuillozing te verminderen. Uiteraard is toepassing alleen zinvol in die stelsels waarin duidelijk sprake is van een first flush. In Nederland met zijn vele vlakke en sterk vermaasde stelsels is dit meestal niet het geval. Hier wordt een bergtank simpelweg gezien als een middel om de overstortingsfrequentie te verlagen. Hoewel de benadering verschilt, wordt ook nu een reductie van de vuilemissie beoogd .
Het bezinkingsaspeet Uitgezonderd de hiervoor behandelde berg- en retentietanks wordt met alle overige voorzieningen een reductie van de vuilemissie nagestreefd middels bezinking . In voorzieningen met een klein volume, zoals verbeterde overstortputten en werveloverstortputten. speelt de berging slechts een ondergeschikte rol. Alleen in bergbezinktanks en -riolen heeft, naast de bezinking, ook de berging een behoorlijke invloed op de vuilemissie. De reductie ten gevolge van bezinking wordt voor discrete deeltjes bepaald door de oppervlaktebelasting. Voor flocculente deeltjes is daarnaast ook de verblijftijd van invloed. Als basis voor het ontwerp van een bergbezinktank kan de bezinktheorie voor continu doorstroomde tanks worden gehanteerd , zoals gebruikelijk is bij het ontwerpen van bezinkingstanks van rwzi's [Kop 1989]. Het theoretische rendement is te berekenen uit de cumulatieve frequentieverdeling van de bezinksnelheden der deeltjes met de formule
7
Po
R
= (1 -Po)
+
..!. rsdp So
.Ic
waarin = R Po
rendement H deeltjesfractie met bezinksnelheid < Sa (-) So = de oppervlaktebelasting (m/h) = bezinksnelheid van een deeltje (m/h) s Een en ander is toegelicht in figuur 2. fr octie m et bezink snelheden < s
Po ---- - - - - - - - -- , 1/aof·dP
!, ,
____ __ _
2:,
bezinkzone
J
,,
I
, ,
I I
I
p.
:
o
So
s m ox
bez inksnelheid s ( m/h )
Figuur 2: Het rendement van een bezinktank
Op dit theoretische rendement dient een reductie te worden toegepast als gevolg van de niet te vermijden turbulentie van het water in de tank. Afhankelijk van de vormgeving van de tank en vooral van de stroomsnelheid van het water kan deze reductie oplopen tot zo'n 30% . Het zonder meer toepassen van deze bezinktheor ie op bergbezinktanks en -riolen moet met de nodige voorzichtigheid geschieden. De theorie is opgesteld voor continu doorstroomde reservoirs met een constant debiet . Daarvan is bij dit type tanks geen sprake. Ze worden alleen benut tijdens (hevige) neerslag, een discontinu gebeuren. Eerst wordt de tank gevuld met gemengd afvalwater. In deze fase zal er nauwelijks sprake zijn van enige bezinking. Pas na volledige vulling wordt de tank continu doorstroomd en wordt het stromingspatroon rustiger. De stromingscondities in bergbezinktanks zullen dan ook verre van ideaal zijn. In vergelijking met een normale bezinktank w ijkt een bergbezinktank op nog meer punten af. Ten eerste is voor iedere regenbui de toevoer naar de tank verschillend, afhankelijk van de intens iteit van de neerslag. Ten tweede is gedurende een regenbui de regenintensiteit nooit constant en zal dientengevolge het instromend debiet een grote variatie vertonen. Ten derde is er een variatie in de concentratie van de aangevoerde stoffen gedurende de bui. Ten vierde zijn de bezinksnelheden nooit constant.
8
Bij een langdurige bui met lage intensiteit zal de tank heel langzaam vollopen en vervolgens ook langzaam worden doorstroomd. In dit soort situaties benadert de werking die van bezinkingstanks op een rwzi. Bij zeer intense buien zal de tank in zeer korte tijd worden gevuld en van bezinking zal nauwelijks sprake zijn; de tank fungeert eerder als een woelbak. Wanneer in dit soort omstandigheden de externe overstort aanspringt zal het bezinkeffect bijzonder laag zijn .
Het rendement Het rendement van een bergbezinktank is opgebouwd uit: 1. Een reductie t .ç.v. de berging. Er stort een kleinere hoeveelheid afvalwater over . 2 . Een reductie t.g.v. de bezinking. Er stort minder geconcentreerd afvalwater over. Om de werking van bergbezinktanks beter te kunnen beoordelen is het zaak om niet alleen te kijken naar het totaalrendement, maar ook naar het bergings- en bezinkingsrendement. Het totaalrendement van een bergbezinktank zou kunnen worden bepaald door de vuiluitworp van een rioolstelsel op bijvoorbeeld jaarbasis te vergelijken met die van een identiek rioolstelsel aangevuld met een bergbezinktank. Indien het stelsel gemakshalve wordt voorgesteld door een bak, is dit schematisch weergegeven in figuur 3.
A
A
B
Lr LY-Y zonder bergbezinktank
met bergbezinktank
Figuur 3: Vuiluitworp uit stelsel met en zonder externe bezinktank
In de figuur zijn A en B de jaarlijkse vuilvrachten. Het totaalrendement is
R, = A-B ,100% A Het is onjuist om 2 stelsels met elkaar te vergelijken op basis van een gelijkblijvend volume voor de totale berging [Koot 1985, NWRW 1989-2], zoals in figuur 4.
A
A
ril
B
lilT!
I zonder bergbezinktank
met bergbezinktank
Figuur 4: Vuiluitworp uit stelsel met en zonder bergbezinktank als onderdeel van de onderdrempelberging
9
Als de berging in het stelsel wordt verminderd door toepassing van kleinere buisdiameters dan heeft zo'n ingreep invloed op de vuilemissie. De vuiluitworp A' hoeft niet gelijk te zijn aan de vuiluitworp A . Het verschil (A-BI in de vuiluitworp naar het ontvangende water is dus niet volledig toe te schrijven aan de aanwezigheid van de bergbezinktank maar wordt deels veroorzaakt door het verschilleden sedimentatie- en opwoeigedrag in de stelsesl zelf . Een goede vergelijkingsmaatstaf ontbreekt derhalve. Het totaalrendement is te spitsen in een deel t .g.v. berging en een deel t .ç.v. bezinking.
vuilgehalte
(gim 3 )
o
v,
V2
toegevoerd volume (m 3 )
Figuur 5: Concentratieverloop in toe- en afvoer tijdens neerslag
In figuur 5 is het vuilgehalte van de toevoer naar een bergbezinktank uitgezet tegen het ingestroomde volume tijdens een regenbui. Voor de gehele regenperiode is in totaal V 2 m 3 gemengd afvalwater de tank ingestroomd, waarvan een deel V, m3 is overnestort. Het verschil (V2 - V, I is de inhoud van de tank. De laatst ingestroomde hoeveelheid (V 2 - V,I stort niet over maar wordt in de tank geborgen. Het gearceerde oppervlak tussen V, en V 2 geeft de geborgen vuilvracht weer. In dezelfde figuur is de concentratie van het geloosde water uitgezet. Het verschil tussen beide lijnen is de bezonken vuilvracht. Het bergingsrendement is: v, c/ndV geborgen vuilvracht x 100% = ~. x 100% ingestroomde vuilvracht v, c/ndV
r
I
o
Het bezinkingsrendement is: v,
bezonken vuilvracht x 100% = ingestroomde vuilvracht
I (c/n-c&ot'tld V x 100% I c/ndV o
v, o
Om een beter inzicht te krijgen in de werking van bergbezinktanks is nader onderzoek naar deze deelrendementen uitgevoerd in het kader van de NWRW [NWRW 1986,
10
NWRW 1987]. In deze rapporten zijn ook het bergings- en bezinkingsrendement uitgerekend. Het is opvallend dat optelling van beide rendementen een getal geeft dat hoger is dan het totaalrendement, iets wat volgens de eerder gegeven definities niet mogelijk is. In de NWRW-rapporten echter wordt het bezinkingsrendement op een andere manier gedefinieerd, nl. als: bezonken vuil vracht x 100% ingestroomde - geborgen vuilvracht Hiermee is een valkuil geschapen die tot veel verwarring kan leiden. De vraag rijst welk definitie de juiste is. Wanneer men een bergbezinktank zuiver als bezinkingstank wil beoordelen , dan volstaat de definitie van de NWRW-onderzoekers. Zij berekenen immers het rendement van de tank op basis van de doorgestroomde (= overgestorte) hoeveelheid water, precies zoals het met bezinkingstanks op een rwzi gebeurt. Maar een bergbezinktank is geen zuivere bezinkingstank, zodat dit rendementsgetal misleidend kan zijn. Voor de rioleringswereld is het in de eerste plaats van belang dat men een indruk krijgt van de meerwaarde van een bergbezinktank tot de reductie van de vuiluitworp. Het totaalrendement geeft deze informatie. Als men vervolgens is geïnteresseerd in de bijdrage van de bezinking aan het totaalrendement dan is de door de auteur gegeven definitie de juiste. Voor het onderzoek aan de bergbezinktanks in Amersfoort en Kerkrade krijgt men dan het volgende beeld op basis van de CZV-metingen: Amersfoort - CZV-vrachten in kg Totaalovergestorte vracht Totaal bezonken vracht Totaal geborgen vracht
1648,1 1393,7 2270,9
Totaal ingestroomde vracht
5312,7
Kerkrade - CZV-vrachten in kg Totaalovergestorte vracht Totaal bezonken vracht Totaal geborgen vracht
14.636 15.364 8.553
Totaal ingestroomde vracht
38.552
Totaalrendement Bezinkingsrendement Bergingsrendement
69% 26% 43%
Totaalrendement Bezinkingsrendement Bergingsrendement
62% 40% 22%
Het in de NWRW-rapporten vermelde (gemiddelde) bezinkingsrendement voor Amersfoort en Kerkrade reduceert van 46% en 51 % naar resp. 26% en 40%. Deze getallen verdienen echter nog een verdere correctie, omdat een gedeelte van de vuilreducerende werking van de tanks niet in het onderzoek is betrokken. In de rapporten staat letterlijk -Monsters van gebeurtenissen, waarbij geen lozing op het oppervlaktewater is opgetreden, zijn niet in dit onderzoek opgenomen .Dit houdt in dat de neerslaggebeurtenissen waarbij de bergbezinktank enkel functioneerde als bergtank niet in beschouwing worden genomen. Het specifieke van een bergbezinktank is nu juist dat hij niet onder alle omstandigheden fungeert als bergbezinktank maar voor een aantal kleinere buien alleen als bergtank. Zolang er geen overstorting uit de tank is opgetreden is er geen verschil tussen een bergtank en een bergbezinktank. Wanneer men deze kleine buien ook in de berekening betrekt zal dit als gevolg hebben dat het aandeel van de berging in werkelijkheid veel groter is geweest. Het bergingsrendement, betrokken op het totaalrendement, zal dan ook meer zijn en het bezinkingsrendement zal navenant dalen. Zonder de beschikking te hebben over de
11
oorspronkelijke meetgegevens is een exacte berekening niet te geven, maar voor Amersfoort is een vrij nauwkeurige schatting mogelijk. Voor het onderzoek in Amersfoort zijn ook de zgn. "interne overstortingen" (vulling tank zonder lozing) gedurende de onderzoekperiode vermeld. Van deze interne overstortingen, in totaal 35 stuks, is alleen het aantal monsters bekend, geen analyseresultaten . Uit het aantal monsters is voor iedere interne overstorting een exacte ondergrens van de ingestroomde hoeveelheid water te berekenen. Er wordt verondersteld dat het werkelijk ingestroomde volume gemiddeld over de hele onderzoeksperiode precies tussen twee bemonsteringspeilen ligt. De tankinhoud tussen 2 bemonsteringspeilen is exact 70 m", Per gebeurtenis is het ingestroomde volume te berekenen als: (aantal monsters + % x aantal interne overstortingen) x 70
rn".
Bij de berekening van de extra geborgen vuilvracht wordt het over de onderzoeksperiode gemiddelde CZV-gehalte van de toevoer aangehouden: 225,2 g/m 3 • Het totale geborgen extra volume bedraagt 12.915 rn". De totaal geborgen extra CZV-vracht is 2908,5 kg. Uit de aldus verkregen vuilbalans zijn de rendementen opnieuw te berekenen. Amersfoort - CZV-vrachten in kg Totaalovergestorte vracht Totaal bezonken vracht Totaal geborgen vracht
1648,1 1393,7 5179,2
Totaal ingestroomde vracht
8221,2
Totaalrendement Bezinkingsrendement Bergingsrendement
80% 17% 63%
Wanneer ook de kleine buien worden meegerekend stijgt het totaalrendement van de bergbezinktank van 62% naar 80%. Het aandeel hierin t.ç.v. de bezinking is slechts 17%, een heel ander getal dan de in het NWRW-rapport vermelde 46%. De in een recent artikel van Wiggers aangehouden reductie van de gemiddelde vuil vracht met 30%, louter en alleen als gevolg van bezinking in een bergbezinktank, was al laag geschat [Wiggers 1991]. In werkelijkheid blijkt de reductie t.g.v. bezinking nog veel lager uit te pakken, voor de metingen van Amersfoort dus 17%.
12
ONTWERP
De ontwikkeling in Nederland en andere West-Europese landen In Duitsland en Zwitserland werden al heel vroeg berg(bezink)tanks gebouwd. In deze landen, die toonaangevend zijn op het gebied van bergtanks en bergbezinktanks, gaat men bij het ontwerp van rioolstelsels voornamelijk uit van de first flush. Onderzoeken in Groot-Brittannië [Gameson 1962] en in Duitsland [Krauth 1971] hadden immers uitgewezen dat het eerst aanstromende gemengd afvalwater het meest vervuild is, de zgn. first flush. Om verzekerd te zijn van een first flush effect wordt, vooral in Duitsland, de voorkeur gegeven aan kleine rioolstelsels met elk een eigen overstort. Bovendien zijn, in tegenstelling met de Nederlandse situatie, vele rioolstelsels in hellende gebieden gelegen, wat de aanwezigheid van een first flush effect versterkt. Het ontwerp van bergtanks en bergbezinktanks gaat in Zwitserland en Duitsland uit van hetzelfde uitgangspunt. Deze en nog andere overeenkomsten vinden hun oorsprong in de "Bodensee-Kommission" [Bodensee 1973] waarin vertegenwoordigers van Duitse, Zwitserse en Oostenrijkse universiteiten zetelden. In deze landen wordt de keuze tussen een bergtank en een bergbezinktank voornamelijk bepaald op basis van de stroomtijd in het rioolstelsel die als maatgevend wordt beschouwd voor de aan- of afwezigheid van de first flush . Verder bestaan er in het empirische ontwerp van bergtanks, bergbezinktanks en kombinatietanks geen grote verschillen. In Duitsland wordt volgens de meest gebruikte ontwerpmethode [ATV 1977] een ontwerpintensiteit opgelegd afhankelijk van de kwaliteit van het oppervlaktewater waarop de overstortvoorziening loost. Naast een bergings- en in mindere mate een bezinkingsfunctie bezitten de verschillende tanks in Duitsland ook een regulerende functie. De doorvoercapaciteit naar de rwzi's wordt beperkt tot een veelvoud van de dwa, meestal twee. Het debiet dat niet meteen kan worden doorgevoerd wordt geborgen in de tank. In Nederland geschiedt de regulering meestal door middel van pompen. Net als in Duitsland, wordt in Zwitserland de inhoud van de tank bepaald uitgaande van de oppervlaktewaterkwaliteit. In Groot-Brittannië zijn relatief weinig grote tanks gebouwd. Als er al tanks worden toegepast, dan wordt de voorkeur gegeven aan bergtanks boven bergbezinktanks, omdat ook in dit land veel nadruk wordt gelegd op het opvangen van de first flush. Zeer veel aandacht wordt in Groot-Brittannië echter besteed aan kleinschaliger oplossingen in de vorm van allerlei types verbeterde overstortputten. Dit heeft o.a. te maken met de veel geringere berging in hun stelsels en de daaruit resulterende hoge overstortingsfrequenties. De verbeterde overstortputten beogen in de eerste plaats een verhoging van de vuilreductie door een verbeterde afscheiding van bezinkende en drijvende deeltjes, voornamelijk gebaseerd op hydraulische principes. Aan het aspect berging wordt veel minder aandacht geschonken. De eerste bergbezinktanks in Nederland zijn reeds geruime tijd geleden gebouwd: voorbeelden hiervan zijn de bergbezinktanks te Enschede (1966) en te Kerkrade (1970). De aanpak in Nederland verschilt echter aanzienlijk met die in Duitsland en Zwitserland. In Nederland zijn de stelsels over het algemeen groot qua oppervlak. Vele stelsels hebben een sterk vermaasde structuur. Dit gegeven, gecombineerd met het feit dat de meeste stelsels zeer vlak zijn aangelegd, zorgt er voor dat van een first flush effect bij de overstort dikwijls weinig is te merken. Dit heeft een verschillende uitvoeringswijze van de tanks tot gevolg. In Duitsland en Zwitserland zijn de meeste tanks bergtanks
13
(berging van de first flush), terwijl in Nederland ook veel bergbezinktanks worden aangetroffen (berging + bezinking). Verder zijn in Duitsland en Zwitserland de meeste tanks opgenomen in hoofdaansluiting. In Nederland daarentegen worden voornamelijk tanks in nevenaansluiting aangetroffen.
Algemene uitgangspunten bij het ontwerpen Randvoorzieningen dienen in het algemeen aan de volgende voorwaarden te voldoen: 1. Ze moeten een zo groot mogelijke reductie van de vuiluitworp bewerkstelligen. 2. Ze moeten een grote bedrijfszekerheid hebben. 3. De stichtings- en exploitatiekosten moeten zo laag mogelijk zijn. 4. Het onderhoud dient tot een minimum beperkt te blijven . 5. Hun werking moet zoveel mogelijk onafhankelijk zijn van debietfluctuaties. 6. Ze moeten qua hoogteligging goed inpasbaar zijn, vooral als aanvullende voorziening in bestaande stelsels. 7. Bij plaatsing in hoofdaansluiting moet het doorvoerdebiet goed zijn te regelen als daar noodzaak toe bestaat. 8. Ze mogen geen stank- of geluidshinder veroorzaken.
De Nederlandse ontwerpmethode De meeste ontwerpmethodes beperken zich tot het berekenen van het vereiste volume van een bergbezinktank. In Nederland bestaan geen eenduidige ontwerpregels die, afhankelijk van bepaalde stelselkarakteristieken, de grondslag vormen van een volumeberekening. Soms vormt een gewenste overstortingsfrequentie de basis voor een bepaald volume, soms is het een gewenste verblijftijd in de bergbezinktank. Via een gewenste overstortingsfrequentie wordt, in samenhang met een gekozen pompovercapaciteit, een bepaalde berging vereist. Deze berging wordt geheel of gedeeltelijk gevonden in het rioolstelsel zelf als onderdrempelberging. Voor het geval de onderdrempelberging ontoereikend is, moet een deel van de berging worden gevonden in extra randvoorzieningen zoals bergtanks of bergbezinktanks. Bergtanks hebben louter een retentiefunetie en hun vereiste volume is alleen afhankelijk van hydraulische condities. Deze rekenregels worden hier niet verder behandeld. Bergbezinktanks hebben naast een retentiefunctie ook een afscheidingsfunctie. Het is immers de bedoeling dat een zo groot mogelijke hoeveelheid slib wordt belet over te storten naar het oppervlaktewater middels bezinking. De analogie met voorbezinkingstanks van een rwzi ligt voor de hand. De Nederlands ontwerpmethode steunt hoofdzakelijk op de parallellen die er bestaan tussen een voorbezinkingstank van een rwzi en een bergbezinktank. Het enige verschil zijn de empirisch vastgestelde waarden voor de oppervlaktebelasting en de verblijftijd en de daarmee samenhangende eis aan de turbulentie. Ontwerpgrondslagen De ontwerpregenintensiteit is 20 lIs per ha verhard oppervlak. De verblijftijd is minimaal 20 min. De oppervlaktebelasting varieert tussen 5 en 10 m 3/(m2.h). De lengte-breedte verhouding is 5 à 6. De diepte bedraagt maximaal 2 m. De horizontale stroomsnelheid in de tank is maximaal 0, 1 mIs.
14
Het kengetal van Reynolds moet bij voorkeur 10.000 à 20.000 zijn en zeker niet meer dan 30.000. Het kengetal van Camps moet groter dan 10.6 zijn. Berekeningswijze 1.
Bepaal uit een hydraulische berekening van het stelsel het ontwerpdebiet voor de bergbezinktank. Dit kan met behulp van een computerprogramma of simpelweg met de rationele methode: = i. F' . 10. 3 waarin: = instromend debiet in de tank in m 3/s. i = ontwerpregenintensiteit in l/ls.ha). F' = verhard oppervlak in ha. Bepaal het nuttig volume V van de bergbezinktank (in m 3 ) uit de eis van een minimale verblijftijd T (in s) in de tank: V = O.T De doorvoercapaciteit wordt hierbij verwaarloosd omdat deze klein is t .O.V. het instromende debiet tijdens neerslag. Er wordt een constante aanvoer aangenomen: = constant. De duur van de ontwerpregen of de stroomtijd in het rioolstelsel hebben dus geen invloed op de dimensionering van de bergbezinktank. Bepaal de horizontale oppervlakte A van de tank uit de eis van een gewenste oppervlaktebelasting v 0 (in rn/hl: A = O/v o Bepaal de nuttige hoogte H uit het volume V en de oppervlakte A van de tank: H = V/A Bepaal de lengte en breedte van de tank met in achtneming van een gewenste lengte-breedte verhouding. Bereken de horizontale stroomsnelheid in de tank: u = O/(S.H) Controleer de mate van turbulentie met het Reynolds getal Re: Re = u.R/u waarin: R = de hydraulische straal in m. u = de viscositeit in m 2/s. De hydraulische straal is de verhouding tussen het natte oppervlak en de natte omtrek van de stroomvoerende doorsnede:
a
a
2.
a
3.
4.
5. 6. 7.
R
a.
= (BH)/(B + 2H)
De viscositeit is temperatuursafhankelijk en is voor 10 0 C gelijk aan 1,31 x 10. 6 m 2/s. De dimensionering is gebaseerd op ideale stromingsconditeits in de tank. In de praktijk treden deze ideale omstandigheden niet op. De belangrijkste afwijking wordt gevormd door het turbulente karakter van de stroming. Een maat voor de turbulentie is het Reynoldsgetal. Laminaire stroming, waarbij de deeltjes langs rechte stroombanen kunnen bezinken, treedt op bij Reynoldsgetallen kleiner dan 2000. Deze waarde is in bergbezinktanks onhaalbaar en men zal dan ook een zekere mate van turbulentie dienen te accepteren. Naarmate de turbulentie hoger wordt treedt reductie van het bezinkeffect op. Controleer de stabiliteit van de stroming met het Camps getal Ca: Ca = u2 /(g.H)
15
Een belangrijk uitgangspunt in de berekeningen is dat de snelheidsverdeling uniform is over de dwarsdoorsnede. In de praktijk hoeft dit niet altijd het geval te zijn door aanwezigheid van dichtheidsverschillen, stroomneren e.d. Het Campsgetal is een goede maat voor de mogelijke aanwezigheid van instabiliteiten. Naarmate het Campsgetal hoger is, is de stroming stabieler. Een hoger Campsgetal betekent echter ook meer turbulentie, zodat beide kengetallen tegenstrijdige eisen aan de dimensionering oplegggen. Vergeleken met buitenlandse ontwerpmethoden is de Nederlandse methode aan de veilige kant wat de inhouden van de ontworpen bergbezinktanks betreft. De Nederlandse methode brengt slechts een gering aantal factoren in rekening en is dus betrekkelijk eenvoudig. Maar omdat alle buitenlandse ontwerpmethoden ook deels steunen op empirische gegevens, is de hier gepresenteerde methode niet slechter. De keuze van de empirische waarden is immers voornamelijk een kwestie van ervaring en gezond verstand. Op basis van praktijkervaring is men in Nederland gekomen tot empirische waarden van de ontwerpneerslag (i = 20 I/(s.ha)), van de oppervlaktebelasting tv, = 5 à 10 m/h) en van de verblijftijd (r ~ 20 min). Wel wordt in de besproken methode op geen enkele manier rekening gehouden met de kwaliteit van het ontvangende water. Dit is echter niet uitsluitend een probleem bij het ontwerpen van bergbezinktanks, maar meer algemeen bij het integrale ontwerp van rioolstelsels. Men dient zich goed te realiseren dat de gepresenteerde ontwerpregels zijn gebaseerd op een continue toevoer naar de tank. In het geval van neerslagafvoer is hiervan nimmer sprake. Een bergbezinktank wordt belast met een in de tijd variabel debiet. Het is juist deze dynamische belasting die er voor zorgt dat een bergbezinktank zich niet onder alle omstandigheden als een bezinktank gedraagt maar soms eerder het karakter krijgt van een woel bak. Over de meest aangewezen afmetingen en over de constructieve vormgeving van de tank om een optimale bezinking te verkrijgen is nog zeer weinig bekend. Fysisch modelonderzoek is nodig om meer inzicht te verkrijgen in de werking van bezinktanks onder sterk wisselende dynamische omstandigheden.
De invloed van de vloeitijd en de first flush In landen als Duitsland, Zwitserland, Oostenrijk, Frankrijk en Groot-Brittannië speelt de first flush een zeer grote rol bij het ontwerp en de dimensionering van bergbezinktanks. De first flush wordt zowel in rekening gebracht bij de keuze van het bekkentype als bij de berekening van het volume van het bergbezinktank. In de Duitse, Zwitserse, Oostenrijkse en Franse literatuur wordt vooral de vloeitijd t. aangetroffen als maatgevende parameter voor het first flush effect (de vloeitijd is de stroomtijd vanaf het in tijd verst verwijderde punt van het rioleringsgebied tot aan de randvoorziening). Dit hoeft geen verwondering te wekken omdat - zoals reeds eerder vermeld - een Duitse, Zwitserse en Oostenrijkse delegatie samen in een kommissie (Die Bodensee-Kommissionl zetelden die de dimensionering van bergbezinktanks bestudeerde en ook één van de eerste ontwerpmethodes voor bergbezinktanks opstelde [Bodensee-Kommission 1973]. In de achter ons liggende jaren waarin het NWRW-onderzoek is uitgevoerd is er in Nederland een hevige discussie ontstaan of er wel sprake was van een first flush effect
16
in de Nederlandse rioolstelsels. Men leek in steeds grotere getale geneigd om een first flush te ontkennen. In verband met de invloed van het first flush effect op het ontwerp van bergbezinktanks kan men zich volgende twee vragen stellen: 1. 2.
Is er wel een first flush effect aanwezig in grote rioolstelsels? Is er een (wezenlijk) verschil in overgestorte vracht voor de verschillende types bergbezinktank?
Om eem antwoord te geven op de eerste vraag kunnen meetgegevens, verricht op verschillende rioolstelsels, enige klaarheid in deze materie brengen. Voor enkele rioolstelsels met een bergbezinktank werd nagegaan welk deel van de totaal instromende vracht in een bepaald percentage van het instromend volume is begrepen (figuur 6). De gegevens voor de rioolstelsels te Entzheim (Frankrijk) en Büsnau (Duitsland) werden uit de literatuur gehaald [Bellefleur 1989], [Krauth 1971]. De curven voor Amersfoort en Kerkrade werden uit de NWRW-rapporten gedestilleerd [NWRW 1986, 1987]. Voor elke overstortgebeurtenis te Amersfoort en Kerkrade werd nagegaan welk percentage van de aanstromende gemengd afvalwaterhoeveelheid wordt opgevangen in de eerste X m 3 • Telkens werd ook nagegaan wat de vuil vracht in deze X m 3 was. De opgevangen vracht is gesommeerd voor alle bestudeerde overstortgebeurtenissen. Op deze manier werd het mogelijk voor de rioolstelsels van Amersfoort en Kerkrade de grafieken uit figuur 6 op te stellen. Hierin is weergeven welk percentage van de vuilvracht in een bepaald percentage van de opgevangen hoeveelheid afvalwater begrepen zit. 100
g
90
:i: BO v 0 !> 70 Ol
ö
2
60
<,
50
:i: v 0
40
l: Ol
30
0
20
!>
""c >
Ol
""oc,
10 0
w
0
•
~
~
M
~
opgevongen vo lume / totooi vo lume [~] • Kerkrode
+
Amersfoor t
0
Busnou
6
Entzheim
Figuur 6: First flush effect in enkele rioolstelsels
De stippellijn in figuur 6 geeft de situatie weer waarbij de vuilvracht gedurende de overstorting recht evenredig is met de hoeveelheid overstortend water, m.a.w. er is geen first flush aanwezig . Alle lijnen liggen boven deze stippellijn, zodat in elk van de bestudeerde stelsels een first flush effect waarneembaar is.
17
Uit figuur 6 kan men aflezen dat respectievelijk 42 % van het BZV bevatten 39 % van het BZV bevatten 35 % van het CZV bevatten 29 % van het CZV bevatten
de eerste 20% van het totaal aanstromend volume (Stuttgart-Büsnau) (Entzheim) (Kerkrade) (Amersfoort)
De mate waarin dit effect optreedt hangt nauw samen met de hellingsgraad van de leidingen en van de verdeling, de grootte en de aard van het verhard oppervlak. Zo is de first flush in de stelsels van Stuttgart-Büsnau en Entzheim vrij uitgesproken, wat niet zo verwonderlijk is omdat er slechts 12 resp. 16 hectaren verhard oppervlak zijn en in kleine stelsels hoe dan ook een sterker first flush effect aanwezig is. Het rioolstelsel in Amersfoort is ook niet zo groot (26 ha verhard oppervlak). Kerkrade heeft wel een groot verhard oppervlak (60 ha) maar is dan weer in een hellend gebied gelegen zodat hierin ook een zeker first flush effect waarneembaar is. Opvallend is dat het eindpunt van de curve voor Kerkrade bijna op de stippellijn ligt. Wanneer 80% van de overgestorte hoeveelheid afvalwater wordt beschouwd is hierin ook 80% van de vuilvracht begrepen. Dit is volomen in overeenstemming met het in het NWRW-rapport 5.1 uitgesproken vermoeden dat het rioolstelsel in Kerkrade tijdens hevige neerslag volledig wordt schoongespoeld [NWRW 1989-1]. Voor de curve van Amersfoort is dit beslist niet het geval, wat het vermoeden bevestigd dat in dat stelsel een gedeeltelijke herbezinking van sediment optreedt. Voor grote stelsels in weinig hellende gebieden wordt de first flush afgevlakt en vertraagd. Bovendien is het zo dat indien meer dan 50% van het aanstromende volume dient te worden opgevangen, men van een first flush effect nauwelijks voordeel kan hebben omdat de first flush (indien die al aanwezig is) zich vooral manifesteert in de eerste 25 à 40% van de aanstromende hoeveelheid afvalwater. In Duitsland lATV 1977] houdt men indirekt rekening met een mogelijke first flush bij de keuze van het type randvoorziening. Dit gebeurt via de vloeitijd t. als ontwerpparameter: t. < 15 min : bergtank t. > 15 min : bergbezinktank Achtergrondgedachte hierbij is dat bij een vloeitijd t. in het rioolstelsel van minder dan 15 minuten een bergtank het meest geschikt is om de first flush op te vangen. Hoe en waarom de grens van 15 minuten werd gekozen is niet duidelijk te vinden. Door Munz [Munz 1973n4] worden naast de vloeitijd lt ook de helling van het rioleringsgebied en de eventuele aanwezigheid van bovengelegen overstortvoorzieningen in rekening gebracht om het first flush effect te begroten. Op de tweede vraag, of er een verschil bestaat in de vuiluitworp bij toepassing van verschillende types randvoorziening, is getracht een antwoord te geven door gebruik te maken van de gepresenteerde meetgegevens in de NWRW-rapporten 8.1 en 8.2. Door bewerking van deze meetresultaten is het mogelijk na te gaan wat de overgestorte vuilvracht gedurende de meetperiode zou zijn geweest voor verschillende fictieve inhouden van een bergtank en een bergbezinktank. De hiervoor gehanteerde methode wordt gedetailleerd beschreven in een nog te publiceren artikel. Het resultaat is te zien in figuur 7. Zo is bijvoorbeeld uit de bergbezinktank te Amersfoort, een rechthoekige tank met een inhoud van 640 m3 , gedurende de meetperiode 60,8 kg CZV per ha verhard oppervlak overgestort. Voor inhouden van de tank tot 1150 m3 blijkt de vuilvracht bezonken en geborgen in een bergbezinktank groter te zijn dan de geborgen vuilvracht in een
18
1
Amersfoort 90
I
I
I
I
1
I
I
'1'
I
I
I
I
I
I I
\
I I
I I
I I
I I
I I
I
I
I
I
I
80
-------r--\----r-------j-------r-------r-------r-------
70 '0 J:
---- -- ~---~--- - I \ -_r I -- --- -- Ir--- -- --r I ------- ~ I - --- - - - ~-I
\
I
\
I
\
I
\
I
I
I
I
I
I
I
I
I
I
v :
:
:
:
:
I I
I I
I I
I I
'"
60 ,8 : 60 F=======F 1 = =1- -~ - - - - - -- ~ - - - - - - - ~ - - -- - - -r - -- - - -- t - - - - - - -
> N
50
-------t-r-
40
- - - - - -~~--TI I I
<,
~ U
" ~ "'g,
I I
I
30
> 0
20 10
1\
1\
I I
' ~t-------t-------t-------r-------r------"" 1 I I 1
I I
I I I
1 '4 I"
I I
I I
I I
I I
1 I
I I
I I
I I
- - - - - -r \- - -----rI I ------- r I - - -- - - -~ I - -- - -- I I I I I I I I
-- ----~ I - ~--+ I I - ~I , \ --- - I~ - - - - -- - I~ - - - -- --~ I -- -- - - -~ I - - - -- -I I
ti
I I
I I
I I
I I
I \ I \
I I
I I
I I
I I
' ~~ -------l-Jl--L-l-J-----J~~:~-~-: ------JL------~-----1: : : : : ..l.. . . . . L : I
I
I
I
I
....~
I
I
I
I
I
I
I
I
I
I
I
500 : : 100q 64'0 840 1 i 50
1500
2000
I
...... _ _
I
_
2500
3000
tan kinh oud [ m 3] - - - - - berC)ton k
Figuur 7: Overgestorte vuilvracht voor verschillende fictieve inhouden en types randvoorzieningen in Amersfoort
bergtank. Uit de berekeningen die geleid hebben tot figuur 7 blijkt dat, wanneer in Amersfoort een bergtank in plaats van een bergbezinktank had gestaan , deze een inhoud van 840 m 3 had moeten hebben om eenzelfde vuillozing te verkrijgen. Tanks met meer dan 1150 m3 inhoud blijken "voldoende groot te zijn t .O.V. de aanstromende hoeveelheid afvalwater. Vermits er een first flush aanwezig is in het stelsel van Amersfoort wordt vanaf deze inhoud in een bergtank meer vuil tegengehouden dan in een bergbezinktank. De curve voor een combinatietank kan niet worden afgeleid uit de meetgegevens van Amersfoort. Wel kan worden opgemerkt dat deze vuilvrachtcurve tussen de beide andere curves moet liggen, vermits een combinatietank constructief het midden houdt tussen een bergtank en een bergbezinktank. W
In sommige ontwerpmethodes wordt bij het bepalen van de tankgrootte rekening gehouden met de vloeitijd lt. In de ATV-methode wordt het first flush effect ingebracht via de vloeitijdfactor a die volgens figuur 8 afhankelijk is van t •. De factor a is eigenlijk een "meer-dan-evenrediçheidsfactor" omdat de tankinhoud per ha verhard oppervlak met a moet worden vermenigvuldigd. Dit betekent een grotere tankinhoud bij grotere vloeitijden. De achterliggende gedachte is de volgende: Als de vloeitijd in een stelsel groter is, is het first flush effect minder uitgesproken en heeft men een grotere inhoud per ha verhard oppervlak nodig om eenzelfde hoeveelheid vuil op te vangen. De bezwaren die tegen het gebruik van factor a kunnen worden ingebracht zijn: De factor is afgeleid uit meetgegevens van Stuttgart-Büsnau met een vloeitijd van 6,7 min en vraagt een enorme extrapolatie bij toepassing voor stelse ls met vloeitijden groter dan 30 min . De factor is ontwikkeld vanuit de gedachte een first flush te moeten opvangen , maar wordt niet alleen bij de dimensionering van bergtanks maar evenzeer bij de dimensionering van bergbezinktanks gebruikt.
19
o 2
...
.Bu
............. .............. .............. ....-_..__.... ..............
~ 1 .8
~
i-:
.2 1,6 ............. .............. ..............
>
............. ..............
1,4
1.2
1
• • &0 &0 • • • • • • •
o
1
5
;7
7
--_........... ...............
~
............... .............. ............... .............. ............... ..............
_____•__•._.&0
.............. ............................ .............. .............................
10
15
20
25
35
JO
Vloeit ijd
40
T
Figuur 8: De vloeitijdfactor a als functie van de vloeitijd ti
In de ontwerpmethode van Munz wordt de vloeitijd ook in rekening gebracht, echter anders dan in Duitsland. Bij vloeitijden kleiner dan 15 min wordt de tankinhoud per ha verhard oppervlak goter bij toenemende ft. Voor stelsels met een ft groter dan 15 min wordt de tankinhoud kleiner bij stijgende vloeitijden. Munz gaat er van uit dat in een groter rioleringsgebied de neerslagintensiteit meer verspreid is en dat dus voor een gebied met een grotere ~ de gemiddelde neerslaghoeveelheid per ha verhard oppervlak kleiner zal zijn. In de Nederlands ontwerpmethode wordt geen rekening gehouden met de vloeitijd. Het effect van de vloeitijd op de tankinhoud is voor de genoemde methoden af te lezen in figuur 9. 1. 5 , - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - , -e
1.4
ATV A 128
] 1.3 .5 1.2 ". c 1.1
2 11
1
Nederland
---------- -----------------------------
't: 0.9
~ 0.8 .~ 0.7
é
. , ••• -, < , -,
0.6
~ 0.5
,
_
~~.~
•••••••
••••.
> 0.4
0.3 0.2 0.1
O+-----r-----,-----.---,----l 10 30 40 o 20 vloeitijd t I [min]
•
Figuur 9: De invloed van de vloeitijd op de tankinhoud
20
De meningen over de invloed van ti zijn verdeeld. De ene zegt een groter specifiek (= per ha verhard oppervlak) volume te vragen bij stijgende ti en de andere een kleiner . De waarheid ligt waarschijnlijk ergens tussen beide, hetgeen hier concreet wil zeggen dat het waarschijnlijk correcter (en uiteraard ook eenvoudiger) is de factor t. niet in rekening te brengen bij de berekening van de tankinhoud, zoals in Nederlan gebruikelijk. Overigens blijkt uit het bovenstaande dat de invloed van ~ nog niet eenduidig te begroten is en het heeft weinig zin een factor die men niet kent in rekening te brengen voor de berekening van een volume.
De invloed van de kwaliteit van het ontvangende water op de ontwerpmethode Een lozing vanuit het rioolstelsel op het oppervlaktewater brengt een vervuiling van het ontvangende water teweeg . Elke randvoorziening heeft als uiteindelijk en enig doel de lozingen vanuit het rioolstelsel op het oppervlaktewater kwalitatief te verbeteren enlof kwantitatief terug te dringen. Het lijkt dan ook voor de hand liggend bij-het ontwerp van een rand voorziening rekening te houden met de kwaliteit van het oppervlaktewater. In deze paragraaf wordt voor enkele ontwerpmethodes voor bergbezinktanks nagegaan of de kwaliteit en de aard van het oppervlaktewater waarop wordt geloosd invloed hebben op het ontwerp, in het bijzonder op de inhoudsberekening van de tank. In Nederland worden waterkwaliteitsplannen opgesteld door de waterkwaliteitsbeheerders. Daarbij wordt al het oppervlaktewater binnen het beheersgebied ingedeeld in diverse types, afhankelijk van het gebruiksdoel. Naarmate de eisen die worden gesteld aan de kwaliteit van het water strenger zijn, zal de vuiluitworp verder dienen te worden beperkt. In Nederland is men er aan gewend om te denken in termen van berging in mmo Strengere eisen aan de oppervlaktewaterkwaliteit worden vertaald in het toepassen van extra berging. Het verband tussen beide grootheden is de overstortingsfrequentie, die immers vermindert bij het vergroten van de berging. De waterkwaliteit bepaalt dus op een heel indirekte manier het wel of niet bouwen van bergbezinktanks. Op de eigenlijke dimensionering in termen van inhoud, lengte, breedt en hoogte heeft de waterkwaliteit geen invloed. In het buitenland is de kwaliteit van het oppervlaktewater waarop de overstorten lozen soms direkt als dimensioneringsgrondslag in de ontwerpmethode opgenomen. Dit geldt bijvoorbeeld voor de in Duitsland gebruikelijke ATV-richtlijn [ATV 1977] en in het bijzonder voor de in Zwitserland door Munz ontwikkelde ontwerpmethode [Munz 1973/1974]. Toen in Duitsland ontwerpnormen voor bergbezinktanks dienden te verschijnen, bestonden er al wel richtlijnen voor de dimensionering van gemengde rioolstelsels lozend op het oppervlaktewater via noodoverlaten. Deze stelsels werden zo ontworpen dat bij een regenbui met een intensiteit i kleiner dan een zekere kritische regenintensiteit ikrit geen overstorting uit het rioolstelsel mocht plaatsvinden. Men achtte het wenselijk de reeds jaren aanwezige overstorten en de nieuw te plaatsen bergbezinktanks in gemengde rioolstelsels op dezelfde basis te kunnen beoordelen, wat op juridisch vlak van belang kon zijn. Bovendien maakt het geen verschil uit of de overgestorte vuilvracht wordt geloosd via een gewone overlaat dan wel via een bergbezinktank. Daarom werd ikrit ook ingevoerd bij het ontwerpen van bergbezinktanks in gemengde rioolstelsels. 21
Er bestaat geen rechtstreeks verband tussen ikrit en de hoeveelheid afvalwater die naar de rwzi wordt gevoerd (en dus belet wordt over te storten). Op een niet rechtstreekse wijze werd wel een dergelijk verband gevonden via de meetgegevens van Krauth in Stuttgart-Büsnau [Meier 1979]. Het gevonden verband, weergegeven in tabel 4, heeft geen fysische betekenis, maar stemt enkel overeen met de meetgegevens van Krauth. In de ATV-methode wordt als doel vooropgesteld 90 % van de biologisch afbreekbare en bezinkbare stoffen bij regen naar de rwzi te voeren. Vandaar dat in principe ikrit = 15 l/s.ha wordt genomen. Men vertrouwt erop dat de metingen die tot bovenstaande tabel hebben geleid correct en algemeen geldig zijn. Het ligt voor de hand dat de resultaten uit tabel 4 niet zonder meer geëxtrapoleerd mogen worden naar grotere riool stelsels. Uit metingen blijkt trouwens dat in stelsels, waarin ikrit gelijk is aan 15 l/s.ha, de 90%-grens niet wordt gehaald [Meier 1979]. In Oostenrijk is men overigens voorzichtiger en wordt slechts gerekend op 70 à 90% doorvoer naar de rwzi bij een ikrit van 15 IIs.ha [Hörler 1988].
Tabel 4: Verband tussen i krit en overstortvracht (naar meetgegevens van Krauth)
ll/s.hal
percentage jaarlijkse vuilvracht die tijdens neerslag naar rzwi wordt gevoerd .
7
ca. 70%
10
ca. 80%
15
ca. 90%
30
ca. 95%
ikrit
De kritische regenintensiteit is een functie van de verhouding laagwaterdebiet van de ontvangende rivier t.O.V. vuilwaterdebiet (figuur 10). De oppervlaktewater"factor" wordt in deze methode dus in rekening gebracht via het laagwaterdebiet van de ontvangende rivier. Voor grotere ontvangende rivieren wordt een kleinere ikrit (en dus een kleiner vereist volume voor de bergbezinktank) toegelaten. De achterliggende gedachte hierbij is dat rivieren met een kleiner debiet gevoeliger zijn voor vuillozingen vanwege het geringere verdunningseffeet en dus beter moeten worden beschermd door een beperking van het aantal overstortingen. In vergelijking met de meeste andere ontwerpmethodes voor bergbezinkbassins, leidt de ATV -richtlijn tot bergbezinkbassins met kleine inhouden. Vandaar dat het wellicht beter ware geweest ï..m = 15 IIs.ha aan te nemen in rioolstelsels die lozen op oppervlaktewateren met groot debiet en voor kleinere ontvangende rivieren een grotere ikrit op te leggen. In verband met de keuze van het laagwaterdebiet voor de bepaling van ikrit , en dus ook van het volume van het bergbezinkbassin, zijn de volgende punten van belang: Het laagwaterdebiet is niet de enige parameter die de aard van het oppervlaktewater kan karakteriseren. De reeds aanwezige vervuiling alsook de functie van het ontvangende water zijn op zijn minst even belangrijke factoren. In de ATV-richtlijn wordt niet vermeld hoe de laagwaterafvoer dient te worden bepaald.
22
Kritisc he regen intensiteit . ... . .. . .. ,
15
~
:
: :: : : ~._--+--+ . + · ·· i· · · · ~· · · · · · · · ·f· · ··+ ·· · · ·+ · · · ~
~. _
_ ~ ._ _-+
~
.._.!
t i ;··F··j····j······+·+···++·+·······f······+····+·-j-····
14 13
.
.
·······+ ······+···H -+-··; ..; -+ + + ; + ~ + ; ·i····················· î 12 ········~·········~·····~···~··t···~····~····· .t + ~ ~ ~ _-~.- ---+ ~_._-j. 1 11 ~ ~....+..~.~ ~ ; ...; ~ ·..+) ····;···.··.) ~ ;· i ·_ . •- 10
9 8 7
·······+·····--l- ···H++·-j--·······f··+···-t-··:··+·······f······+····+·+···················· ········i·········~···+++···i····1·········f····+·····+ ..+-.+[..... L····1····~····················· i i : :: i i : : : i i: :
········j·········i····t--t·t···j····j·········i····t·····t···j""··j"'· ···:········t······j····(··············--·· 2
3 45 7 10
2030 50 70100 200 400700000
laagwaterdeb ietjdwa RQI 080991
Figuur 10: De kritische regenintensiteit als functie van het laagwaterdebier
In de ontwerpmethode van Munz komt een invloedsfactor U voor die de kwaliteit van het ontvangende water mathematisch in rekening brengt. De grootheid U varieert tussen 20 voor oppervlaktewateren die gunstig zijn voor het ontvangen van het overgestorte rioolwater (groot debiet, geringe vervuiling met microverontreinigingen en zuurstofbindende stoffen, geringe visuele vervuiling) en 50 voor oppervlaktewateren waarop de lozingen zoveel mogelijk dienen te worden beperkt. Allereerst is het kritische punt waarop een bergbezinktank nodig is rechtstreeks afhankelijk van de factor U. Dit is het geval als: ikl it S %U
U/s.ha)
De ontwerpparameter ikrit heeft dezelfde grootte-orde als in de ATV-richtlijn, zo'n 10 à 15 l/s.ha. De van te voren vast te stellen waarde voor ï..m is bepalend voor het ontwerp. Later wordt dezelfde factor U opnieuw gebruikt ter vaststelling van de totale onderdrempelberging B: B = U +
5
. waann m
22.1+m
(m 3 /ha )
uit bergbezinktank = afvoercaoaciteit droogweerafvoer
In Nederland, waar de bergbezinktanks meestal in nevenaansluiting zijn geplaatst, is de factor m gelijk aan nul als de tank pas na beëindiging van de regenbui wordt geledigd . De totale onderdrempelberging wordt vervolgens voor een deel toegerekend aan een bergingsreservoir, waarbij nog onderscheid wordt gemaakt tussen een bergtank of bergbezinktank. Het resterende deel van de berging maakt deel uit van het stelsel zelf .
23
TOEPASSING
Emissie- of immissieprincipe? Een lozing vanuit het rioolstelsel op het oppervlaktewater brengt een vervuiling van het ontvangende water (voor zover dit nog vervuild kan worden) teweeg . Elke randvoorziening heeft als uiteindelijk en enig doel de lozingen vanuit het rioolstelsel op het oppervlaktewater kwalitatief te verbeteren en/of kwantitatief terug te dringen. Het lijkt dan ook voor de hand liggend bij het ontwerp van een randvoorziening rekening te houden met de kwaliteit van het oppervlaktewater. Het globale systeem -gemengd rioolstelsel met randvoorziening - rwzi - oppervlaktewater- kan zowel beoordeeld worden aan de hand van de toegestane hoeveelheid die uit het rioolstelsel op het oppervlaktewater wordt geloosd (emissie) als aan de hand van de toegestane belasting van het oppervlaktewater (immissie). Uitgaande van de gesteldheid van het oppervlaktewater, worden bij een ontwerp volgens het immissieprincipe, voor de belasting van het oppervlaktewater een aantal grenswaarden voor verschillende vervuilingsparameters vastgesteld. Vanzelfsprekend zou het immissieprincipe als uitgangspunt moeten dienen bij het ontwerp van rioolstelsels. Het dimensioneren van een randvoorziening aan de hand van de immissie is echter niet zo vanzelfsprekend, immers: Het is een zeer moeilijke opgave toelaatbare belastingen vast te stellen die een zekere uniformiteit bezitten en tegelijkertijd voor meerdere oppervlaktewateren geldig zijn. Om de toelaatbare belasting te kunnen bepalen zou voor iedere randvoorziening een reeks (dure) metingen aan het ontvangende water vereist zijn, teneinde de waterkwaliteit te bepalen. Bovendien moeten deze metingen regelmatig worden herhaald. De vervuiling van het oppervlaktewater wordt niet enkel en alleen veroorzaakt door de overstortingen uit gemengde rioolstelsels. Er zijn genoeg situaties te vinden waarin voor een bepaalde vervuilingsparameter de bijdrage van riooloverstortingen slechts 10% is en de resterende 90% afkomstig is van het effluent van een rwzi en van de landbouw. Alvorens over te gaan tot de bouw van een randvoorziening zou men eerst voor elk oppervlaktewater het aandeel van elke vervuiler tot de totale vervuiling moeten vaststellen. Met de huidige technische stand van zaken is het dan ook realistisch het emissieprincipe te hanteren bij de dimensionering van randvoorzieningen in gemengde rioolstelsels. Het emissieprincipe gaat uit van de geometrie van het rioolstelsel en bepaalt aan de hand hiervan een grenswaarde van de één of andere vervuilingsparameter.
Toepassing randvoorziening gerelateerd aan de vuiluitworp Ook al is in het voorgaande aangeraden bij de dimensionering van een randvoorziening uit te gaan van het emissieprincipe, neemt dat niet weg dat bij het ontwerpen rekening kan (moet) worden gehouden met de aard van en de toestand waarin het oppervlaktewater zich bevindt. Het probleem is enkele eenvoudige parameters te vinden die in staat zijn de toestand van de ontvangende rivier te karakteriseren. De effecten van overstorten uit rioolstelsels op het oppervlaktewater [NWRW 1989-31 kunnen zowel hydraulisch,
24
thermisch, zintuiglijk (reukhinder, visuele hinder, ..) zijn. Verder kunnen rioolwaterlozingen het zuurstofgehalte verminderen, de algengroei bevorderen (door lozing van fosfor en stikstof), zware metalen in het oppervlaktewater brengen, virussen overbrengen en de fauna en flora verstoren of vernietigen. Een studie van de toestand van het oppervlaktewater zou met al deze factoren moeten rekening houden. Bovendien is het van belang of het oppervlaktewater waarop wordt overgestort een recreatie-, vis-, natuurgebied- of ander water is. Verder wordt een nauwkeurige inschatting van de invloed van rioollozingen op de waterkwaliteit nog bemoeilijkt indien men voor elke vervuilingsparameter een tijdsaspect in rekening brengt. Men onderscheidt drie effecten: Korte termijn effecten. De duur van de benadeling is gelijk aan de duur van de vervuilingsperiode (bijv. een baadverbod wordt ingesteld zodra de concentratie aan bacteriën boven een bepaalde grenswaarde ligt en opgeheven zodra de concentratie beneden deze grenswaarde is gedaald). Middellange termijn effecten. De duur van de benadeling strekt zich uit over de vervuilingsperiode plus nog een zekere tijd (bijv. wanneer een zuurstoftekort in viswaters een vissterfte veroorzaakt, omhelst de benadelingsperiode zowel de vervuilingsperiode zelf als de periode die nodig is geweest om de vispopulatie terug op te bouwen) lange termijn effecten. De duur van de benadeling loopt over een langere tijd van verschillende overstortgebeurtenissen en hun tussenperioden (bijv. de belasting met persistente organische verbindingen of zware metalen). Rekening houdende met bovenstaande kan men bij het ontwerpen van randvoorzieningen één van de volgende uitgangspunten aanhouden: 1. 2.
3.
De eenvoudigste (en minst goede) oplossing is om geen rekening te houden met de kwaliteit van het oppervlaktewater. Een betere oplossing is om aan te nemen dat er een eenduidige samenhang bestaat tussen de bovenvermelde factoren onderling (hydraulische belasting, reukhinder, belasting met zuurstofverbruikende stoffen, enz.) samen met de tijdsfactoren. Het volstaat dan één van deze factoren in rekening te brengen. Dit principe wordt bijvoorbeeld gebruikt in de ATV-richtlijn, waarin de hydraulische belasting als maatgevend wordt aangenomen. Impliciet wordt dus verondersteld dat bij een grote hydraulische belasting ook de reuk en visuele hinder, de belasting met zuurstofverbruikende stoffen, nitraten, microverontreinigingen, enz. groot zullen zijn. De beste oplossing is een indeling voor de oppervlaktewateren te maken die rekening houdt met meer dan één factor. Deze variabelen dienen zo gekozen te zijn dat zij representatief kunnen zijn voor de ervaren vervuiling van het ontvangende water en bovendien gemakkelijk zijn te bepalen of te meten. In het NWRW eindrapport wordt aldus een onderverdeling gemaakt. Voorgesteld wordt rekening te houden met de omvang van het ontvangende watersysteem, de gemiddelde stroomsnelheid, het feit dat het oppervlaktewater al dan niet hydraulisch is geïsoleerd en de aanwezigheid van waterplanten in het oppervlaktewater.
Een van de onderzoeksthema's in het kader van de NWRW was het effect van overstortingen op de kwaliteit van het oppervlaktewater [NWRW 1990-3]. Van de 63 in dit onderzoek opgenomen locaties is het ontvangende water ingedeeld naar grootte en naar stromingscondities. Men heeft onderscheid gemaakt tussen groot, middelgroot
25
en klein ontvangend water enerzijds en stilstaand, semi-stilstaand en stromend water anderzijds. Een voorspelbare uitkomst van het onderzoek was dat er in groot en/of stromend water geen problemen optraden . Op klein stilstaand water daarentegen, bijvoorbeeld kopslootjes, is in meer of mindere mate een ernstige verslechtering van de kwaliteit geconstateerd. Hiermee is duidelijk aangetoond dat overstortingen een locaal probleem vormen dat dan ook locaal moet worden aangepakt. Een aanpak zoals is voorgesteld in de provincie Noord-Brabant roept vraagtekens op. Voor de gehele regio zijn richtlijnen opgesteld voor het realiseren van een hoeveelheid berging in de stelsels. In de basis richtlijnen zijn 7 mm onderdrempelberging en 0,7 mm pompovercapaciteit vereist, aangevuld met 3 mm berging in gesloten bergbezinktanks. Als aanvullende eis is gesteld dat 13 mm extra berging nodig is voor lozingen op water met een specifieke ecologische kwaliteits-doelstelling en 7 mm extra berging voor alle typen water waaraan minder strenge doelstellingen zijn opgelegd. Deze extra berging dient te worden uitgevoerd als open reservoirs. Bij een dergelijke regionale in plaats van locale aanpak bestaat het gevaar dat er enorme investeringen worden gedaan op plaatsen waar de waterkwaliteitsproblemen niet zo nijpend zijn. Bovendien dragen deze richtlijnen een enigszins eenzijdig karakter wanneer alleen bergbezinktanks in aanmerking komen om de doelstellingen te bereiken. Het toepassen van andere, voor de locale situatie wellicht meer geschikte randvoorzieningen dient ook in overweging te worden genomen. Een zo kosteneffeetief mogelijke oplossing verdient een gedifferentieerde aanpak. Op grond van het voorgaande worden de hierna gegeven stappen aanbevolen. 1• Localiseer de grootste problemen in een beheersgebied met betrekking tot de (mogelijke) nadelige beïnvloeding van de waterkwaliteit door overstortingen. 2. Probeer door middel van het opstellen van een vuilbalans te achterhalen in hoeverre de bijdrage van overstortingen maatgevend zijn voor de slechte kwaliteit van het oppervlaktewater. 3. Voordat wordt besloten tot de bouw van randvoorzieningen dient eerst te worden nagegaan of meer kosteneffectieve maatregelen dan de bouw van deze randvoorzieningen hetzelfde effect teweeg brengen.
Resultaten recente binnenlandse onderzoeken Werveloverstortout te Goes In het kader van de NWRW zijn ook metingen uitgevoerd aan een werveloverstortput te Goes [NWRW 1990-1 J. De put heeft een diameter van 8 m en is gedimensioneerd op een maximale aanvoer van 1,2 m3/s, waarvan 0,2 m 3/s wordt afgevoerd en de resterende 1 m3/s via de overstort naar het oppervlaktewater verdwijnt (zie figuur 11). In de onderzoeksperiode zijn 13 overstortgebeurtenissen opgetreden. Tijdens deze gebeurtenissen zijn 3 deelstromen bemonsterd: de aanvoer, de afvoer en het overstortende water. Op basis van debietmetingen en analyses op het CZV kan voor iedere gebeurtenis een vuilbalans worden opgesteld, die - in afwijking van die in het NWRW-rapport - luidt: aangevoerde vuil vracht
= afgevoerde +
overgestorte + geborgen vuilvracht
26
In het rapport is niet vermeld hoe de geborgen vuilvracht is bepaald. Het is triest te moeten constateren dat van de 13 gebeurtenissen er 12 onvolledig zijn bemonsterd door het wegvallen van 3x de aanvoer, 1x de overstort en 8x de afvoer. Uit de resultaten is het totaalrendement bepaald op basis van de berekende vuilvrachten. Voor het CZV bedroeg dit 53% voor de gehele onderzoeksperiode. Ook nu is het interessant om na te gaan wat de bijdrage is geweest van de berging en hoeveel er is tegengehouden door "bezinking" of beter door vuilconcentratie in de put. Goes - CZV-vrachten in kg Totaal afgevoerde vracht Totaalovergestorte vracht Totaal geborgen vracht
3782 3744 467
Totaal aangevoerde vracht
7993
Totaalrendement Concentratierendement Bergingsrendement
53% 47% 6%
Het bergingsrendement, hier 6%, is beduidend lager dan dat van de bergbezinktanks in Amersfoort en Kerkrade, 43% resp. 22% . Dit is logisch, want de inhoud van de werveloverstortput in Goes is slechts 135 m3 tegen 640 m3 en 2100 m3 voor Amersfoort resp. Kerkrade.
overstortr
duik
û/
~
Afvoer naar ontvcrlgend weter
Figuur 11 : Werveloverstortput
27
Afvoer nocr RWZI
Een voor de hand liggende vraag is in hoeverre een werveloverstonput meer bijdraagt aan de vuilreductie dan een conventionele overstortput. Omdat het niet mogelijk was om onder dezelfde omstandigheden aan een conventionele overstortput te meten, zijn de gegevens van Goes hiervoor gebruikt. Uitgangspunt voor de vergelijking was dat er geen vuilreductie optreedt in een conventionele overstortput. dus de concentraties in het overstortende water en het aangevoerde water zijn hetzelfde. Dit geeft het volgende beeld: werveloverstortput
conventionele overstortput
Aangevoerde vracht
Vi
7993
Overgestorte vracht
Vo
3744
v',
= 0 x C.
6274
Afgevoerde vracht
V.
3782
V'.
= v, - v,
1719
Geborgen vracht
Vb
467
niet aanwezig
0
VI 0
7993
Het totaalrendement van een conventionele overstortput is 22 %. De extra reductie
t.ç.v, de toepassing van een werveloverstortput in plaats van een conventionele overstortput is dus 53 - 21 = 31 %. In het NWRW-rapport is op een foutieve wijze deze extra reductie berekend als 40%, nl. als het zgn. netto-rendement: [
1 - overgestortevuilvrachtuitwerveloverstortput ] x 100% overgestortevuilvrachtviaconv.overstorput
Deze formule gaat alleen op als een werveloverstortput in serie wordt geplaatst met een conventionele overstortput.
Verbeterde overstortput te IJsselmonde In IJsselmonde, een wijk in Rotterdam, is een verbeterde overstortput gebouwd waaraan over een periode van ruim een jaar veldonderzoek is verricht [NWRW 1990-2]. Op grond van de in Groot-Brittannië bestaande kennis is binnen de NWRW geopteerd voor een put met hoge zijdelingse overstort (HZO-put). Voor de Nederlandse omstandigheden is er afgeweken van het standaardmodel, zoals weergegeven in figuur 12. In Groot-Brittaniê worden dergelijke randvoorzieningen altijd in hoofdaansluiting geprojecteerd, hetgeen inhoudt dat er altijd een continue doorstroming van de put bestaat. In IJsselmonde is de put in nevenaansluiting uitgevoerd (een zgn. kopoverstort). De gekozen oplossing is geschets in figuur 13. Gedurende de onderzoeksperiode zijn een 18-tal overstortgebeurtenissen bemonsterd en geanalyseerd. Het totaalrendement voor CZV bedroeg 27%. De spreiding in het rendement voor de afzonderlijke gebeurtenissen is bijzonder groot geweest en loopt voor het CZV van -8% tot 63%. In dit geval is er geen sprake van berging, zodat het totaalrendement gelijk is aan het concentratierendement. Wat in dit NWRW-rapport 8.4.1 is berekend als het totaalrendement is in het NWRWrapport 8.3 (werveloverstortput Goes) berekend als het zgn. netto-rendement, zijnde de reductie in de aangevoerde vuilvracht Di een conventionele overstortput. Door de plaatsing van een meetput met een overstortrand vlak voor de HZO-put is inderdaad een dergelijke situatie gecreëerd in IJsselmonde.
28
V:'/ .'/ / / ///////
Y JD
-
~
'/ / /
/ / '/ /
r-~
'/J
-A r///77777
~
1.4D ~
~
////////
~ ~
40
·1
~
~
'/ / / / 'r>./ / / / / /. /A
40
-
1
2à 30
Ho. 0,75 ia 0,90 Hd_O,1 àO,15D Ad.O,1 00,15D (min.200mml
DOORSNEDE X_ X
Figuur 12: Standaardput met hoge zijdelingse overstort
meelkosl A
meelkosl B
3 41 Figuur 13: Put te IJsselmonde
Bergbezinkriool te Maartensdijk Een bergbezinkriool in is feite niets anders dan een speciale uitvoering van een bergbezinktank. Qua aanlegkosten is een riool goedkoper dan een tank. Om een bergbezinkriool te kunnen toepasen moet zich een situatie voordoen die geschikt is voor deze oplossing. In Maartensdijk ligt zo'n riool met een lengte van 230 m, een diameter van 1,50 m en een berging van 406 m3 (zie figuur 14). Bij droog weer staat het riool leeg. Tijdens regen kan het overtollige water via een interne overstortdrempel met terugslagklep het
29
bergbezinkriool instromen. Op het moment dat het peil van de externe overstortdrempel is bereikt wordt er geloosd op het oppervlaktewater. De rendementen op basis van de CZV zijn: Totaalrendement 55% Bergingsrendement 29% Bezinkingsrendement 26% In een artikel over het onderzoek [ten Hove 1990] wordt een kritische stroomsnelheid van 0,1 mIs vermeld, waarboven mogelijkerwijs opwoeling en uitspoeling van deeltjes plaatsvindt. Het is helaas niet duidelijk of deze uitspoeling louter het resultaat is van een te hoge turbulentie in de bergbezinkleiding of dat soortgelijke verschijnselen in het stelsel mede de oorzaak zijn van toenemende concentraties in het geloosde water.
aanvoerr iool oppervlaktewater
- - - -Ö~
bergbezinkle iding rioolput
externp overstortput
interne overstortput
i nte r ne overstortput I
1
\I.
I aanvoer rioo l 4> 100 Omm
'.
."..~ ~... P - -.......~-tY I
-
bergbezin k l ~ i di ng
-IJ ........
' ." .. . ..
/
1500
lIUI1
/
externe overstortput
terugslagklep
Figuur 14: Bergbezinkriool te Maartensdijk
30
Nieuwe ontwikkelingen In Groot-Brittannië wordt uitvoering onderzoek verricht naar diverse types verbeterde overstortputten. In vrijwel alle gevallen heeft het onderzoek zich beperkt tot modelonderzoek op laboratoriumschaal. De laatste tijd vindt er een verschuiving plaats naar veldonderzoek omdat met zich terdege realiseert dat de werkelijkheid moeilijk in een laboratorium is na te bootsen. Ook het gegeven dat in het laboratorium ontwikkelde constructies onder praktijkomstandigheden minder goed bleken te functioneren heeft tot deze verschuiving geleid. Enkele veelbelovende constructies worden in deze paragraaf gepresenteerd. De hoge zijdelingse overstortDut De HZO-put heeft een langgerekte rechthoekige vorm met een enkel- of tweezijdige overstortrand. Bij droog weer wordt de dwa via een goot in de bodem afgevoerd. De bodem helt af in de richting van de goot. De put is verdeeld in drie zones, een stroomverlammingszone aan de instroomzijde, een overstortzone in het midden en een bergingszone aan de afvoerzijde. In de stroomverlammingszone worden door verlaging van de stroomsneldheden gunstige condities geschapen voor de bezinking en het opdrijven van deeltjes. De afvoer van drijfvuil wordt tegengegaan door duikschotten voor de overstortranden te plaatsen. In de bergingszone kunnen tijdens een overstorting de bezinkbare en drijvende deeltjes worden verzameld om de kans op oversorten te verminderen. Deze bergingszone is niet bedoeld om een first flush op te vangen; daarvoor is hij te krap gedimensioneerd. De constructie is, inclusief de belangrijkste ontwerpregels, weergegeven in figuur 12. De schachtoverstort Het kenmerkende van een schachtoverstort is het grote verval over de put. De ontwikkeling van dit type randvoorziening kwam dan ook voort uit de noodzaak een put te bouwen voor een hoogteverschil van 10 m tussen het aanvoer- en afvoerriool. De toepassing van dit type is dus beperkt, zeker in het vlakke Nederland. De voorziening is uitgevoerd als een vertikale schacht met een scheidingswand die aan de onderzijde is omgezet (figuur 15). Het aanvoerriool mondt uit in de schacht en eindigt in een drempel. De dwa wordt via een leiding naar een goot in de bodem afgevoerd. Tijdens regen vult de schacht zich via de drempel, waarbij het water een neerwaartse beweging krijgt door de tussenwand. In de zone achter de tussenwand is de overstort geplaatst, die is voorzien van een duikschot om het drijvende vuil tegen te houden . De V0rteXDut met perifere overstort Het principe van deze put lijkt op dat van een werveloverstortput. De constructie is cirkelvormig met een tangentiële invoer (figuur 16). In de put wordt een spiraalvormige stroming in stand gehouden. Bovendien ontwikkelt zich in het centrum een sterke vortex. De bezinkbare deeltjes worden hierdoor geconcentreerd op de bodem in het centrum, waar ook de afvoer is geplaatst. Het water verdwijnt via een overstort aan de buitenkant over een lengte die kan variëren van een kwart tot de helft van de omtrek. Het drijfvuil concentreert zich ook in het centrum door de vertex, waardoor de kans op overstorten wordt verminderd . Het wordt tegengehouden door een spiraalvormig duikschot.
31
overstortwater
afvoer
'~=1==$::::::::::::~
Doorsnede x-x duikschct
x
x
d.w.a.-leidin
schot
Figuur 15: Schachtoverstort
x
L.
x
.J
~
VJ.~-----""'"
afvoer Doorsnede x-x
Figuur 16 : Vortexput met perifere overstort
32
Het parallel bergbezinkriool Het parallel bergbezinkriool is een compleet nieuwe randvoorziening, waarvan er tot nu toe slechts één is gebouwd in de gemeente Ede. Het principe van deze vinding berust op het gegeven dat het merendeel van het vuil in een rioolleiding deel uitmaakt van het sediment. Hoeveel het precies is, is vooralsnog onbekend en zal ook van stelsel tot stelsel verschillen, maar ruwweg zal dit zo'n 60 tot 80% bedragen. Het resterende deel van het vuil is als opgeloste of zwevende stof aanwezig. Tijdens neerslag zal zich in een leiding zonder storende turbulenties van aansluitingen, bochten, putten e.d. een concentratieprofiel instellen zoals in figuur 17 . Het merendeel van de bezinkbare stoffen beweegt zich onderin de leiding en daarmee ook het merendeel van het vuil. Een dergelijke toevoerleiding vormt een wezenlijk onderdeel van het parallel bergbezinkriool. Door middel van een horizontaal scheidingsschot wordt de slibrijke onderstroom afgescheiden en naar een ruim bemeten bezinkingsriool gevoerd (zie figuur 18). De stroomsnelheid in dit bezinkingsriool wordt laag gehouden zodat zich eenzelfde proces van slibuitzakking afspeelt. Aan het einde van het bezinkingsriool vindt een soortgelijke scheiding van een vervuilde onderstroom en een relatief heldere bovenstroom plaats (zie figuur 19). De onderstroom wordt via het gemaal afgevoerd naar de rwzi. De bovenstroom wordt via een verbindingsleiding naar de overstortleiding afgevoerd. De stroming via deze kortsluitleiding na het tweede scheidingsschot dient tijdens regenbuien zo te worden ingesteld dat er in de bezinkingsleiding ofwel het parallelle bergbezinkriool een kritische stroomsnelheid niet wordt overschreden. De droogweerafvoer loopt in zijn geheel via het parallelle bergbezinkriool naar de rwzi. De voordelen van het parallel bergbezinkriool zijn: Geen mechanische, pneumatische of elektrische onderdelen. Een gering ruimtebeslag. Lagere kosten dan bij de bouw van een bergbezinktank. Aangezien de ontwikkeling van het parallel bergbezinkriool niet steunt op voorafgaand laboratoriumonderzoek zal de toekomst moeten uitwijzen, door middel van veldmetingen, of het geheel aan de verwachtingen voldoet. Vooralsnog lijkt het concept gezond genoeg om met vertrouwen de toekomst tegemoet te zien.
.
.
~i~:~::~~·::~ :·:·i·~~·~;~kr~~~·:ii~~:·~.;:~i;*~:~~·,~~:t·: vullconoentratle Figuur 17: Concentratieprofiel in toevoerleiding parallel bergbezinkriool
33
overstortleldlng
------~
toevoerteldlng
..
~i~~:::~i~~:;~~~~·.::~;,~:i.~~:;~~i':~~;~i.~.;~;~~::~·.~i.~.;·; : ·~;i.~~~i:.i.:~4;~1.~;~:::':'~:·:· sc:heldlngsplaat
bergbezInkrIool
Figuur 18: Afscheiding vuilwaterstroom in parallel bergbezinkriool
overstortrlool
afvoer naar rwzI Figuur 19: Tweede scheiding vuilwaterstroom met kortsluitleiding
34
· CONCLUSIES
Het verdient aanbeveling om bij het ontwerpen van toekomstige rioolstelsels te streven naar minder overstorten. Door concentratie van overstorten op enkele plaatsen worden de keuzemogelijkheden in het zinvol toepassen van een randvoorziening vergroot. Het is gewenst dat er eenduidige regels worden vastgelegd over de wijze waarop het rendement van randvoorzieningen wordt berekend. Met de huidige wildgroei in rendementsberekeningen kunnen verschillende randvoorzieningen niet zonder meer met elkaar worden vergeleken. Het ontwerpen van bergbezinktanks gebeurt in Nederland niet volgens een duidelijke richtlijn. Voor de bepaling van het vereiste volume gaat men in de regel uit van een gewenste extra berging in mmo De verdere dimensionering van de tank geschiedt geheel analoog aan de methodiek die wordt gehanteerd bij het ontwerpen van een bezinkingstank in de afvalwaterzuivering. Er bestaat geen duidelijke relatie tussen het vereiste volume van een randvoorziening en de kwaliteit van het ontvangende water waarop deze randvoorziening loost. Er wordt te weinig aandacht geschonken aan een verbetering van de bezinkfunctie van bergbezinktanks. Wellicht kan door operationele maatregelen of constructieve aanpassingen het bezinkingsrendement onder dynamische omstandigheden worden verbeterd. Er bestaat onvoldoende kennis van het hydraulisch gedrag van bergbezinktanks onder dynamische omstandigheden. Het gegeven dat een bergbezinktank met een zeer wisselende aanvoer kan worden belast, in tegenstelling tot bezinkingstanks van een zuiveringsinrichting, maakt het minder aannemelijk dat beide typen tanks op identieke wijze kunnen worden gedimensioneerd. Er bestaat eveneens onvoldoende kennis van het bezinkgedrag van rioolslib onder sterk wisselende dynamische omstandigheden. Om de lacunes in onze kennis omtrent de werking van bergbezinktanks op te vullen is onderzoek dringend nodig .
35
Literatuur Abwassertechnische Verein igung (ATV) (1977): Arbeitsblatt A128 "Richtlinien für die Bemessung und Gestaltung von Regenentlastungen in Mischwasserkanälen-, St. Augustin. Bellefleur, D. (1989): Suivi d'un r6seau d'assainissement unitaire - Synthèse de deux campagnes de mesure. T.S .M.-I'Eau, 11, pp.561-572. Gameson, A.L.H. (1962): Storm water investigations at Northampton. The Institute of Sewage Purification, Uandudno, UK. Hörler, A. (1988): Gedanken zur Bemessung von Regenentlastungsanlagen, Korrespondenz Abwasser 11, pp. "10-1115. Hove, D. ten (1990): -Een bergbezinkleiding en de wiluitworp van een rioolstelsel", 2e Nationale Rioleringscongres Riolering en Waterkwaliteit - Zorgen voor nu en later, Aquatech Amsterdam. Kop, J.H. (1989): -Sedimentation and flotation and mechanical filtration-, Collegehandleiding n4, Vakgroep Gezondheidstechniek & Waterbeheersing. TU Delft. Internationale Gewässerschutzkommission für die Bodensee (1973): RegenentJastungen, Bemessung und Gestaltung, Bericht Nr. 14. Koot, A.C.J. (1985): -Inzameling en transport van rioolwater-, collagedictaat Vakgroep Gezondheidstechniek & Waterbeheersing, TU Delft. Krauth, K. (1971): -Der AbfluB und die Verschmutzung des Abflusses in Mischwasserkanalisationen bei Regen-. Stuttgarter Berichte zur Siedlungswasserwirtschaft, Heft 45. Oldanbourg Verlag, München. Meier, K.; Neumann, D. (1979): Grundsitze zur Wahl der kritischen Regenspende, Korrespondenz Abwasser, 10, pp.579-582. Munz, W. (1973n4): Regenbecken und RegenentJastungen, Gas-Wasser-Abwasser 1973,9, pp.293-300; 11, pp.392-404; 1974, 1, pp.27-32; 3, pp.98-" O. Nationale Werkgroep Riolering en Waterkwaliteit (NWRW) (1984), -Randvoorzieningen aan rioclstelsels", Rapport nr. 3.1. Nationale Werkgroep Riolering en Waterkwaliteit (NWRW) bergbezinkbassin in Amersfoort-, Rapport nr. 8.1.
(1987), -Rendement randvoorzieningen
Nationale Werkgroep Riolering en Waterkwaliteit (NWRW) bergbazinkbassin Kerkrada-. Rapport nr. 8.2.
(1986), -Rendement randvoorzieningen
Nationale Werkgroep Riolering en Waterkwaliteit (NWRW) (1989), -De wiluitworp van gemengde rioolstelsels-. Rapport nr. 5.2. Nationale Werkgroep Riolering en Waterkwaliteit (NWRW) (1989), -Rioolstelsels met en zonder bergbezinkbassins-. Rapport nr. 8.5. Nationale Werkgroep Riolering en Waterkwaliteit (NWRWl (1989), -Eindrapportage en evaluatie van het onderzoek 1982-1989-, NWRW-eindrapport. Nationale Werkgroep Riolering en Waterkwaliteit (NWRW) werveloverstortput te Goes-, Rapport nr. 8.3.
(1990). -Rendement randvoorzieningen
Nationale Werkgroep Riolering en Waterkwaliteit (NWRW) (1990). -Rendemant randvoorzieningen verbeterde overstortput te Usselmonde-, Rapport nr. 8.4.1 . Nationale Werkgroep Riolering en Waterkwaliteit (NWRW) (1990), -Effecten van emissies op oppervlaktewa-
ter", Rapport nr. 9.1 .
36
MEDEDELING VAN DE VAKGROEP GEZONDHEIDSTECHNIEKEN WATERBEHEERSING
In de serie "Mededeling van de Vakgroep Gezondheidstechniek en Waterbeheersing" zijn tot nu toe de volgende publicaties verschenen: 1.
Siebers, H.H .: Pattems and variability of phosphate and heavy metals in sedirnents of two shallow lakes.
2.
Flipse, M.J. en Heide, J. van der : Ontwikkelingen met betrekking tot vaste afvalstoffen ex art. 4, 17, 25, 26 van de Afvalstoffenwet in periode van ca. 1980 tot 1985.
3.
Kop, J.H.: Planvorming voor de drinkwatervoorziening. (februari 1986)
4.
Blanken, J.G. den en Hoogh, M.P.A.J. de: Modellen voor desinfectie van gezuiverd afvalwater met chloor en ozon.
S.
Kop, J.H.:Het probleem van de wederzijdse afstemming van de belangen van drinkwatervoorziening en milieubeschermingbij de planning voor de winning van zoet grondwater. (augustus 1986)
6.
Boekelman, R.H. en Niet, H. de: Het berekenen van modelkrommen voor Geo-elektrische metingen.
7.
Vos, W.L., Donze, M. and Buiteveld, H. : On the reflectance spectrum of algae in water: the nature of the peak at 700 nm and its shift with varying algal conccntration.
8.
Smit, D., Mameren, HJ. van en VeIdkamp, R.G. : De zuurstofhuishoudingvan de Utrechtse Vecht.
9.
Heide, J. van der: Kinetische modellen voor ontwerp en beheer van actief-slib-installaties deel 1 en 2. (februari 1987)
10.
Boulan, R.P., Donze, M. en Klapwijk Sj.P.: Fosfaathalans van de polder Reeuwijk en een aantal deelgebieden.
11.
Groot, C.P.M. de en Breemen, A.N. van : Ontspanningsflotatie en de bereiding van drinkwater.
12.
Blanken, J.G. den en Hoogh, M.P.AJ. de: Modelvorming voor verwijdering van indicatororganismen in het actief-slibproces.
13.
Mishra, K.K. and Breemen, A.N. van: Gravel-bed flocculation.
14.
Vlis, E. van der: De filtratietheorie. (maart 1988)
15.
Koreman, E.A. en Breemen, A.N. van : Toepassing van het vriesdooiproces bij de ontwatering van coagulatieslib.
16.
Ganzevles, P.P.G., Kop, J.H. en Ywema, R. : Materiaalkeuze afvalwaterleidingen. (juni 1988)
17.
Nieuwenhuyze, R.F. van, Stokman, G.N.M., Kuijper, R., Gerritsen, JJ. en Donze, M.: Detectie van proceswater met behulp van thermische remote-sensing,
18.
Blanken, J.G. den en Hoogh, M.P.AJ. de: Modelvorming voor een goede procesregeling van de desinfectie met chloor c.q. ozon aan de hand van instelbare enlof direct meetbare variabelen. (augustus 1988)
19.
Noppeney, R.M.: De invloed van stagnante zones op dispersie.
20.
Noppeney, R.M.: Gevoeligheidsonderzoek Alarmmodel Rijn; De invloedslengte van samenvloeiingen bij dispersie. (november 1988)
21.
Noppeney, R.M.: De verspreiding van olie op rivieren benaderd met het Taylor-model.
22.
Noppeney, R.M.: De invloed van neer-field processen op een far-field dispersie beschrijving.
23.
EDen, T. van: De invloed van afvoerfluctuaties op de verspreiding van een verontreinigingsgolf. (juni 1989)
24.
Blanken, J.G. den: Afscheidssymposiumprof.ir. A.C.J . Koot.
25.
Hooykaas, L.J., Donze, M. en Klapwijk, Sj.P. : Fosfaatbalans van de polder Reeuwijk en de Reeuwijkse plassen. (januari 1989)
26.
Verwoerdt, P. en Mazijk, A. van: De één-dimensionale dispersievergelijking van Taylor bij een opdeling van de rivier in vakken. (maart 1989)
27.
Mazijk, A. van: GevoeligheidsonderzoekAlarmmodel Rijn; eindrapportage. (mei 1989)
28.
Blanken, J.G. den en Hoogh, M.P.A.J. de: Desinfectievan behandeld afvalwater met chloor: vergelijking van eenpunts- en tweepuntsdosering; deel 1: Tekst, bijlage A, B en C. deel 2: Bijlage D, E, Fen G. (mei 1989)
29A.
Verstappen, G.G.C.: Gedrag van organische micro-verontreinigingen in rivieren. (juli 1989)
29B.
Mooren, J.J.M. en Heide, J. van der: Leaohingof heavy metals from thermally decontaminated soils. (maart 1989)
30.
Nieuwstad, Th.J., Wortel, N.C., Bout, F.N. van den en Alting, B.l.: Een vergelijking tussen ladingsgewijze en continue zuivering van afvalwater. (juni 1989)
31.
Kramer, J.P., Wouters, J.W. en Kop, J.H.: Dynasand Filtratie. Guli 1989)
32.
Nieuwstad, Th.J.: Treatment of municipal wastewater in a pilot-scale airlift-loop reactor. (december 1989)
33.
Ankum, P.: Polders; achtergronden, ontwerp en toekomstige ontwikkelingen.
34.
Brandsma, T.: Evaporation in Hydrology and Meteorology. (juli 1990)
35.
Mooren, J.J.M.: Het uitlooggedragvan kunstmatig samengesteldeen verontreinigde grond. (2 delen)
36.
Singh, S.N., Boekelman, R.H., Rientjes, T.H.M. en Dam, J.C. van: Behaviour of groundwater of the polder Groot-Mijdrecht.
37.
Boekelman, R.H. en Rienijes, T.H.M.: Workshop hydrological models.
38.
Stavrides, N., Rienijes, T.H.M. en Dam, J.C. nn: Network optimization, a simple approach applying GIS and MLR.
39.
Duindam, P., Morales, C. and Heide, Masaya, Nicaragua.
40.
Heide, J. van der: Evaluacion hidraulica de plantas potabilizadorasde filtracion rapida en Nicaragua.
41.
Heide, J. van der: Metodologia de potabilizacionde agua superficial en Nicaragua.
J.
van der: Investigacion sobre
101
desechos solidos de la ciudad de
I I
Bibliotheek TU Delft Fac . CiTG subfac . Civ iele Techniek C 3134053
.
11111111111111111 11111111111111 11
~ 917808
)
1
I
