Nieuwe kansen voor het PURO-concept

Nieuwe kansen voor het PURO-concept Verkenning inzet PURO-concept ter vergroting leveringszekerheid Oasen-Noord

Anthonie Hogendoorn

11-2012

Samenvatting Oasen is een drinkwaterbedrijf gevestigd in Zuid-Holland. Rond 1990 zijn verschillende winningen in het noordelijke leveringsgebied gesloten omdat het grondwater te zout werd. Nu wordt vanuit het zuiden water naar het noorden getransporteerd. Als de winningen in het zuiden grotendeels uitvallen of de transportleiding breekt, wordt nauwelijks voldaan aan de wettelijk vereiste minimum leveringszekerheid. Productiecapaciteitsvergroting in het noordelijk leveringsgebied is dus gewenst. Met membraanfiltratie is ontzouting inmiddels financieel haalbaar. Oasen is gestart met een onderzoeksproject waarbij de membraanfiltratie plaatsvindt in de winput zelf, wat de naam ‘PUt met RO’ (PURO) draagt. Om de productiecapaciteit in het noordelijke gebied te vergroten is een haalbaarheidsstudie uitgevoerd voor heropening van de voormalige winningen, waar het PUROconcept wordt toegepast. In deze studie is zowel geïnventariseerd wat schaalvoordelen (productie van 1.5 M m3/a of 3 M m3/a) betekenen als wat de combinatie met conventionele zuivering oplevert. Daarnaast is onderzocht of Oasen een industriële klant van industriewater kan voorzien, waarbij industriewater wordt geproduceerd m.b.v. het PURO-concept. De verschillende scenario’s zijn zuiveringstechnisch en financieel ontworpen/doorgerekend. Daarnaast zijn de vergunningvoorwaarden geïnventariseerd en is onderzocht of de huidige locaties nog geschikt zijn voor winning en productie. Voor de diverse manieren van drinkwaterproductie zijn de volgende zuiveringsschema’s gehanteerd. Na onttrekking is voor het PURO permeaat nog dolomietfiltratie, beluchting en zandfiltratie vereist. Als de productie wordt gecombineerd met conventionele zuivering, is alleen permeaat beluchting voldoende. De conventionele zuivering bestaat uit torenbeluchting, droogfiltratie, pellet-ontharding, Carry-over-filtratie, aktief koolfiltratie en UV desinfectie. Industriewaterproductie is ook mogelijk met implementatie van het PURO-concept. Als nabehandeling is alleen beluchting en zandfiltratie voldoende. De productieprijs voor industriewater bedraagt €0,75/m3, drinkwaterproductie is mogelijk voor €0,56/m3 tot €0,87/m3. Laatstgenoemde prijs geldt als membraanfiltratie wordt gecombineerd met conventionele zuivering op kleine schaal. Een grootschalige productiefaciliteit heeft de voorkeur voor vergunningverlening, omdat zo de hoeveelheid waterwingebieden beperkt blijft. Daarnaast moet de strategische zoetgrondwatervoorraad gehandhaafd blijven. Een nadeel van conventionele zuivering is dat veel grondoppervlak voor de zuivering vereist is. Op basis van de resultaten in deze scriptie is het advies om een heropening van de zuiveringen in Oasen noord te heroverwegen. De opgedane praktijkervaring met de PURO pilot op Ridderkerk dient hiervoor ingezet te worden. Een heropening betreft dan een winning met een productiecapaciteit van omstreeks 3 M m3/a, waarbij zowel alleen PURO winputten als de combinatie met conventionele zuivering verder uitgewerkt moet worden. De industriewaterproductie is financieel gezien het meest aantrekkelijk, maar is ook het meest risicovol. Een gelijkblijvende afname gedurende 17 jaar is vereist voor dekking van de investeringskosten.

I

Dankwoord Wat begon met een gesprekje met Alexander Vos-de Wael, groeide uit tot een haalbaarheidsstudie voor Oasen N.V. Gedurende dit traject ben ik door allerlei personen geholpen. Allereerst denk ik daarbij aan Walter van der Meer die met veel enthousiasme de veranderingen binnen het onderzoek gestimuleerd heeft en me van waardevolle adviezen voorzag. Daarnaast wil ik Harrie Timmer en Jan Vreeburg bedanken voor hun hulp en adviezen. Vooral in het begin stuurde ik Harrie frequent mails met vragen, die toch allemaal beantwoord werden. Daarnaast heb ik een heel goede begeleider aan hem gehad: dank daarvoor! Jan Vreeburg blijft voor mij de beste docent wat betreft zinsformulering; het scherpe commentaar op mijn drafts werd dan ook zeer gewaardeerd. Tenslotte wil ik nog noemen Bas Heijman, Ruud Kolpa, Harmen van der Laan en Marc Felten. Een ieder heeft op zijn gebied bijgedragen aan dit rapport. De sfeer die heerste gedurende mijn bezoeken in Gouda was bijzonder prettig. Ook dat heeft bijgedragen aan een vergroting van mijn interesse voor een baan in de drinkwaterwereld. Anthonie Hogendoorn November 2012

II

Inhoudsopgave SAMENVATTING ........................................................................................................................................ I DANKWOORD ........................................................................................................................................... II LIJST MET FIGUREN .................................................................................................................................. IV LIJST MET TABELLEN ................................................................................................................................ IV LIJST MET AFKORTINGEN ......................................................................................................................... IV 1

INTRODUCTIE ................................................................................................................................... 1 1.1 1.2 1.3 1.4

2

ACHTERGRONDINFORMATIE EN UITGANGSPUNTEN VOOR ONTWERP ............................................ 3 2.1 2.2 2.3

2.4

3

BELEIDUITGANGSPUNTEN ................................................................................................................ 13 WEGING SCENARIO’S ...................................................................................................................... 13

DISCUSSIE ...................................................................................................................................... 14 6.1 6.2

7

UITGANGSPUNTEN ......................................................................................................................... 10 KOSTENSCHATTING RESULTATEN ....................................................................................................... 10 VERGELIJKING MOMENTEEL GELDENDE PRODUCTIEPRIJZEN ..................................................................... 12

JURIDISCHE CONTEXT ..................................................................................................................... 13 5.1 5.2

6

DIMENSIONERING ZUIVERINGSEENHEDEN.............................................................................................. 8 KWANTIFICERING ZUIVERINGSEENHEDEN .............................................................................................. 9 IMPLEMENTATIE OP ZUIVERINGSTATIONS .............................................................................................. 9

FINANCIËLE ANALYSE ..................................................................................................................... 10 4.1 4.2 4.3

5

BRAKWATERWINNING ONTSTAANSREDEN PURO ................................................................................... 3 ACHTERGRONDGEGEVENS WINLOCATIES ............................................................................................... 3 NABEHANDELING PERMEAAT .............................................................................................................. 4 2.3.1 Kwaliteit permeaat ............................................................................................................ 4 2.3.2 Permeaat nabehandeling tot drinkwater ........................................................................... 5 2.3.3 Permeaat nabehandeling tot industriewater ..................................................................... 5 CONVENTIONELE ZUIVERING ............................................................................................................... 6 2.4.1 Schatting ruwwaterkwaliteit.............................................................................................. 6 2.4.2 Mengverhouding en benodigd zuiveringschema ............................................................... 6 2.4.3 Permeaat behandeling ....................................................................................................... 7

ZUIVERINGSSYSTEEM ONTWERP ...................................................................................................... 8 3.1 3.2 3.3

4

PROBLEEMBESCHRIJVING ................................................................................................................... 1 PURO-CONCEPT BIEDT STRATEGIE VOOR PRODUCTIE UITBREIDING ............................................................ 2 ONDERZOEKSDOELEN........................................................................................................................ 2 SRIPTIEOPZET .................................................................................................................................. 2

INTERPRETATIE RESULTATEN ............................................................................................................. 14 AFWEGING EN ADVIES ..................................................................................................................... 16

CONCLUSIES EN AANBEVELINGEN .................................................................................................. 17

BRONNEN ............................................................................................................................................... 18 BIJLAGEN ................................................................................................................................................ 19

III

Lijst met figuren Figuur 1. Kaart van leveringsgebied Oasen. .................................................................................................... 1 Figuur 2. Werking PURO concept. ................................................................................................................... 3 Figuur 3. Schematische weergave zuivering scenario 2a/3a. .......................................................................... 5 Figuur 4. Schematische weergave zuivering scenario 1. ................................................................................ 5 Figuur 5. Schematische weergave zuivering scenario 2b/3b. .......................................................................... 7 Figuur 6. Verandering gemiddelde maandafvoer Rijn 2050.......................................................................... 19 Figuur 7. Schematische weergave werking (omgekeerde) osmose. .............................................................. 20 Figuur 8. Werking PURO concept. ................................................................................................................. 20

Lijst met tabellen Tabel 1. Overzicht scenario karakteristieken. ................................................................................................. 2 Tabel 2. Volume rein waterkelders per locatie (pers. comm. Marc Felten 09-2012) ...................................... 3 Tabel 3. Waterkwaliteitsparameters voor ruwwater, permeaat, DW- en bedrijfsnorm en PS Katwijk. ........ 4 Tabel 4. Ruwwater kwaliteit van voormalig DPS’en Hazerswoude en Alphen a/d Rijn ................................. 6 Tabel 5. Dimensies en kentallen behorend bij de zuiveringseenheden. .......................................................... 8 Tabel 6. Kwantificering zuiveringseenheden per scenario. ............................................................................. 9 Tabel 7. Overzicht geschiktheid locatie voor implementatie. ......................................................................... 9 Tabel 9. Overzicht investeringskosten en exploitatiekosten per scenario. ................................................... 10 Tabel 8. Kentallen investering en exploitatiekosten ..................................................................................... 10 3 Tabel 10. Kostenspecificatie voor scenario 1: 3.5 M m /a industriewater. .................................................. 11 3 Tabel 11. Kostenspecificatie voor scenario 2a: 3 M m /a drinkwaterproductie uit permeaat. .................... 11 3 Tabel 12. Kostenspecificatie voor scenario 2b: 3 M m /a PURO en conventionele zuivering. ...................... 11 3 Tabel 13. Kostenspecificatie voor scenario 3a: 1.5 M m /a drinkwaterproductie uit permeaat. ................. 11 3 Tabel 14. Kostenspecificatie voor scenario 3b: 1.5 M m /a PURO en conventionele zuivering. ................... 12 Tabel 15. Vergelijking productieprijzen huidige situatie en winning met PURO putten. .............................. 12 Tabel 16. Afweging beleidskaders voor de verschillende scenario’s. ............................................................ 13 Tabel 17. Productieprijs stijging voor winveld met alleen PURO winputten alsook gecombineerd met conventionele zuivering. ..................................................................................................................14 Tabel 18. Weging scenario’s op vier criteria. ................................................................................................ 16 Tabel 19. Effectiviteit typen beluchting (gebaseerd op de Moel et al. (2006)). ............................................ 22 Tabel 20. Overzicht debieten per processtap en per scenario. ..................................................................... 28 Tabel 21. Overzicht filtratiesnelheden per zuiveringsstap onder normale proces omstandigheden en gedurende de tijd als 1 filter terugspoelt [m/h]. ..............................................................................28

Lijst met afkortingen DPS: DVG: PS: RO: ROSA: RWK: SPS:

distributiepompstation deelvoorzieningsgebied pompstation reverse osmosis reverse osmosis system analysis reinwaterkelder suppletiepompstation

IV

Nieuwe kansen voor het PURO-concept

1

2012

Introductie

Oasen is een drinkwaterbedrijf dat water levert in het oosten van de provincie ZuidHolland, rond de rivier Lek (zie Figuur 1). Het overgrote deel van het water wordt gewonnen met behulp van oeverfiltratie. Het bedrijf is ontstaan door fusies van gemeentelijke drinkwaterbedrijven. Als gevolg hiervan is de productie meer gecentraliseerd: bepaalde winningen zijn gesloten en de capaciteit van de nog bestaande winningen is vergroot. In het noordelijke deel van het leveringsgebied zijn winningen gesloten als gevolg van toenemende verzilting van het grondwater. Het benodigde water in die regio wordt vrijwel geheel door middel van een grote transportleiding1 vanuit zuidelijker gelegen winningen geleverd in de rein waterkelders (RWK) van de voormalige winningen. Een grote industriële klant in het Figuur 1. Kaart van leveringsgebied Oasen. noorden (een gemiddelde watervraag van 3.5 M m3/a) wordt gevoed met water dat ingekocht wordt bij drinkwaterbedrijf Dunea.

1.1 Probleembeschrijving Uit het leveringsplan (Oasen, 2012b) blijkt dat in geval van totale uitval van ZS Rodenhuis aan de wettelijk vereiste 75% leveringscapaciteit van de maximum dagvraag maar nauwelijks wordt voldaan. In geval van zo’n calamiteit levert drinkwaterbedrijf Dunea 1.000 m3/h extra en neemt ZS De Hooge Boom (gevestigd in het noorden) deels de leveringstaak over. Een breuk in de slagader heeft hetzelfde effect. Een calamiteit kan echter lang duren en de extra capaciteit van Dunea wordt alleen geleverd als Dunea zelf, PWN of Evides het niet nodig hebben. Een ander aspect van belang is dat mogelijk in de toekomst de regio Oost-IJsselmonde (Oasen West) beleverd zal worden vanuit de Alblasserwaard, wat wil zeggen dat ook die regio op de slagader zal worden aangesloten. Een logisch gevolg hiervan is dat niet meer de huidige leveringscapaciteit voor de noordelijke regio beschikbaar is. Kort samengevat is de waterlevering in de regio Oasen Noord niet voldoende zeker gesteld, met de twee volgende gevolgen:  aan de minimum leveringszekerheid wordt nauwelijks voldaan als ZS Rodenhuis uitvalt;  het is denkbaar dat in de toekomst de slagader levering in het noordelijk gebied zal dalen, als gevolg van het beleveren van Oost-IJsselmonde. Daarnaast geldt dat een grote industriële klant wordt voorzien van water van Dunea. Het is interessant te verkennen of Oasen dit zelf kan leveren.

1

Deze transportleiding wordt vaak aangeduid als ‘slagader’. In het vervolg van deze scriptie zal deze term ook worden gehanteerd. 1


2012

1.2 PURO-concept biedt strategie voor productie uitbreiding Zoals eerder vermeld, zijn de winningen in Oasen Noord gesloten vanwege verzilting van het grondwater. Ontziltingstechnieken waren nog relatief duur vergeleken met conventionele zuivering. Inmiddels is dat prijsverschil klein. Met behulp van membraanfiltratie kunnen er tot op moleculair niveau deeltjes verwijderd worden, waaronder ook zouten. Meer specifiek gaat het dan om nano filtratie en omgekeerde osmose (Reverse Osmosis (RO)). Een veel voorkomend probleem met membraanfiltratie is dat er een grote reststroom ontstaat: water met daarin geconcentreerd de verontreinigingen, concentraat genoemd. Daarbovenop vormt concentraat energetisch een verliespost, omdat het wel opgepompt moet worden tot maaiveldhoogte, maar het niet bruikbaar is. Dit probleem is op te lossen door de membranen in de winput te plaatsen. Het water wordt ondergronds gefilterd, het ‘schone’ water wordt omhoog gepompt en het concentraat wordt geloosd in een diepere grondwaterlaag. Dit concept heeft vorm gekregen in het PURO (Put met RO) project, waarvan Oasen een van de partners is. Met implementatie van het PURO-concept kan de productiecapaciteit in de regio Oasen Noord vergroot worden. Dit resulteert in een verbeterde spreiding van de productie over het gehele voorzieningsgebied en/of stelt Oasen in staat de industriële klant zelf van water te voorzien.

1.3 Onderzoeksdoelen Deze scriptie is een eerste haalbaarheidsstudie om mogelijkheden te onderzoeken om de leveringszekerheid te vergroten met inzet van het PURO-concept. Hiervoor zijn verschillende scenario’s opgesteld, die zijn weergegeven in Tabel 1. Omdat PURO water vrijwel geheel gedemineraliseerd is, moet er nog nabehandeling plaatsvinden zodat het weer drinkbaar en distribueerbaar is. Voor de industriële klant kan deze stap overgeslagen worden (industriewater). Anderzijds wordt membraanfiltratie vaak gecombineerd met conventionele zuivering. De producten van beide processen worden gemixt, zodat er geen intensieve nabehandeling nodig is. De mengverhouding wordt in latere hoofdstukken vastgesteld. Tabel 1. Overzicht scenario karakteristieken. Scenario nr. Type winning Capaciteit [M m3/a]

Eindproduct

Locatie

1 2a 2b 3a 3b

Industriewater Drinkwater Drinkwater Drinkwater Drinkwater

Zoeterwoude Hazerswoude Hazerswoude Hzw + A a/d R Hzw + A a/d R

PURO PURO PURO + conv. PURO PURO +conv.

3.5 3.0 3.0 2 * 1.5 2 * 1.5

In deze haalbaarheidsstudie zullen de scenario’s worden uitgewerkt en beoordeeld op:  Technische haalbaarheid: welke nabehandelingmethoden zijn noodzakelijk?  Financiële haalbaarheid: hoe verhouden de kosten zich tot de baten?  Juridische haalbaarheid: wat zijn de voorwaarden voor vergunningverlening?  Implementeerbaarheid: zijn de voormalige winvelden nog geschikt, zijn de RWK’s groot genoeg etc.?

1.4 Sriptieopzet Het vervolg van deze scriptie is als volgt opgezet. In hoofdstuk 2 worden de verschillende zuiveringsstappen worden geïnventariseerd die vereist zijn voor zowel PURO permeaat als conventioneel gewonnen water. Met deze informatie wordt in hoofdstuk 3 een concretere uitwerking van de winning, zuivering en (zo nodig) distributie gepresenteerd. Daarop gebaseerd wordt in hoofdstuk 4 een financieel overzicht gegeven. In hoofdstuk 5 wordt kort nagegaan in hoeverre de scenario’s passen binnen het beleid voor vergunningverlening. In de daaropvolgende discussie en conclusie worden de scenario’s gewogen, wordt het meest kansrijke scenario gepresenteerd en worden voorstellen gedaan voor verder onderzoek. 2


2

2012

Achtergrondinformatie en uitgangspunten voor ontwerp

In dit hoofdstuk worden de achtergrond/historie van het PURO-project en de distributielocaties kort geïnventariseerd. Daarnaast komen de data en uitgangspunten die bepalend zijn voor het ontwerp aan de orde. In dit hoofdstuk worden diverse waterzuiveringsmethoden genoemd; achtergrondinformatie daarover is te vinden in bijlage C.

2.1 Brakwaterwinning ontstaansreden PURO Drinkwaterproductie met behulp van PURO-putten is een strategie om de drinkwatervoorziening klimaat bestendiger te maken. Doordat Oasen merendeels oeverfiltratie winningen gebruikt, is de gewonnen waterkwaliteit direct afhankelijk van de rivierkwaliteit. Door klimaatverandering (zeespiegelstijging, langdurige droogte) is de kans op langdurig te zout water rond de winningen groot. Membraanfiltratie is inmiddels een betaalbare methode om water te ontzouten, alleen is het lozen van concentraat / brijn een potentieel probleem. In een PURO-put wordt dit ondergronds geloosd, wat minder pompenergie verbruikt en een milieuvriendelijke manier is om het concentraat te lozen. In Figuur 2 is het principe van een PURO-put weergegeven. Een laatste voordeel is dat het zoethouder-effect resulteerd in een vergroting van de zoetwatervoorraad. Een eerste proefput zal medio juli 2013 opgeleverd worden op zuiveringsstation Reijerwaard te Ridderkerk. Deze paragraaf is een samenvatting van bijlage A. Figuur 2. Werking PURO concept.

2.2 Achtergrondgegevens winlocaties

In deze scriptie zijn drie winlocaties het onderzoeksobject: Zoeterwoude, Hazerswoude en Alphen aan den Rijn. De twee laatstgenoemden zijn in bedrijf geweest als productiestation; Zoeterwoude is altijd een distributiepompstation geweest. Beide winlocaties zijn aan het begin van de 20 e eeuw in gebruik genomen en ontrokken water uit het 1e watervoerende pakket op een diepte van 20-40 m beneden maaiveld. Winning Alphen heeft een grotere productiecapaciteit gehad: 3.1 M m3/a tegen 2.3 M m3/a op Hazerswoude (KIWA, 1985). Op Zoeterwoude zijn de mogelijkheden tot het slaan van putten erg beperkt, op Alphen zou een kleine winning gestart kunnen worden en op Hazerswoude een grote winning. Tabel 2. Volume rein waterkelders per locatie (pers. comm. Marc Felten 09-2012)

DVG

Vraag [m3/a]

Vraag [m3/d]

Minimum volume [m3]

Netto inhoud [m3]

Zoeterwoude+ Hazerswoude Alpen a/d Rijn

4.064.900

11.100

3.100

2559 + 5600 = 8159

4.203.600

11.500

3.200

5185

Op alle locaties zijn reeds RWK’s aanwezig. Binnen Oasen wordt de vuistregel gehanteerd dat een RWK minstens 20% van de maximum dagvraag per deelvoorzieningsgebied moet bergen (max. dagvraag is 40% bovenop de gemiddelde dagvraag). In Tabel 2 zijn per locatie weergegeven de jaarlijkse vraag, het minimum vereiste volume en het daadwerkelijke volume. In beide gevallen wordt de norm van 20% ruim overschreden. Uit de data is duidelijk dat alleen voor scenario 1 (industriewaterproductie) RWK’s gebouwd moeten worden, de andere kelders hebben voldoende opslagcapaciteit. 3


2012

2.3 Nabehandeling permeaat Met een PURO-put kan vrijwel geheel gedemineraliseerd water geproduceerd worden. Dit water voldoet echter niet aan de Drinkwaterbesluitnormen en Oasen bedrijfsnormen. Het zou de buizen van het distributienetwerk aantasten en het water is niet drinkbaar (Fritzmann et al., 2007). Voordat exact bepaald kan worden wat er aan de watersamenstelling veranderd moet worden, is een schatting van de permeaat kwaliteit nodig. Dit wordt bediscussieerd in paragraaf 2.3.1. Vervolgens worden de benodigde nabehandelingtechnieken geïnventariseerd. 2.3.1 Kwaliteit permeaat Om de permeaat kwaliteit te schatten is ROSA (Reverse Osmosis System Analysis) gebruikt. Analyseresultaten van de ruwwaterkwaliteit waren niet voorhanden; data is gebruikt van een waarnemingsput in Kamerik. Deze resultaten zijn bruikbaar als eerste inschatting, omdat het aannemelijk is dat de natuurlijke samenstelling van het water op gelijke diepte langs de Oude Rijn ongeveer gelijk is (TNO-NITG, 2012). Doordat water ontrokken wordt, zal water uit dieper gelegen grondwaterlagen omhoog stromen, upconing genoemd. Om voor de hogere concentraties te corrigeren zijn de analysegegevens gebruikt van 111 meter beneden maaiveld, 30 meter lager dan de locatie van het onttrekkingsfilter. De ROSA invoer en uitvoer resultaten zijn te vinden in bijlage B. De belangrijke parameters zijn weergegeven in Tabel 3, inclusief de wettelijke kaders (Drinkwaterbesluit, 2011), de Oasen bedrijfsnorm en de rein waterkwaliteit van productiestation (PS) Katwijk (Dunea). Tabel 3. Waterkwaliteitsparameters voor ruwwater, permeaat, DW- en bedrijfsnorm en PS Katwijk.

Component

NH4+ +NH3 Mg2+ Ca2+ TH =[Mg2+ + Ca2+] ClCO2 HCO3pH

Ruw water

Permeaat

Permeaat

[mg/l]

[mg/l]

[mmol/l]

2.45 79.00 340.00 1530.00 10.50 153.00 7.26

0.13 1.06 4.48

0.007 0.04 0.11 0.15

28.33 10.53 2.64 5.67

0.80 0.24 0.04 -

SI 0.11 -4.76 -4.76 * O2 <1 <1 <1 CH4* 0.4 0.4 0.02 * gebaseerd op KIWA (1985), ° Magnesium verwijdering

Norm DWbesluit [mg/l]

Oasen bedrijfsnorm [mg/l]

PS Katwijk [mg/l]

≤ 0.20 °

<0.10 >4

< 0.02 8.5 47

> 1 mmol/l

1.1> TH <1.3 mmol/l -

51 181 8.4

-0.2>SI<0.2 >8 -

0.7 10.4 -

≤ 150 > 60 ≥ 7.0 en ≤ 9.5 > -0.2 >2 is verboden.

In de volgende paragrafen worden de benodigde zuiveringsstappen die vereist zijn voor zowel drinkwater als industriewaterproductie geïnventariseerd. Het geschatte/gemodelleerde waterkwaliteitsverloop gedurende de zuiveringsstappen is weergegeven in Bijlage D.

4


2012

2.3.2 Permeaat nabehandeling tot drinkwater Voor het produceren van drinkwater uit permeaat is opharding, beluchting en zandfiltratie noodzakelijk. Dit is weergegeven in Figuur 3.

Opharden Filtratie over halfgebrand dolomitisch materiaal is nodig om naast calcium en buffercapaciteit ook magnesium toe te voegen aan het permeaat. Magnesiumverwijdering is verboden (DWbesluit), waarvoor gecompenseerd wordt middels dolomietfiltratie. Bijvullen van dolomietsteen moet frequent en verspreid plaatsvinden om kalkafzettend water te voorkomen (Gude et al., 2011). PHREEQC modellering leert dat de SI net te hoog is om voldoende Ca2+ en HCO3- te ontrekken uit de dolomietsteen. Voorafgaand Figuur 3. Schematische weergave zuivering scenario 2a/3a. aan het filtratieproces moet dus CO2 gedoseerd worden (6.4 mg/l) om de verzadigingsindex te verlagen waardoor de uiteindelijke hardheid ruim 1 mmol/l bedraagt.

Beluchting Het water is ook na opharden nog steeds anaeroob. Beluchting is nog noodzakelijk om O 2 toe te voegen. Een 4-traps cascade is voldoende voor het bereiken van een O2 concentratie van 10 mg/l (Stimela modellering). In deze stap wordt de verzadigingsindex licht positief.

Zandfiltratie De NH4+ concentratie is hoger dan de bedrijfsnorm. Een hoogbelast zandfilter (20 m/h) wordt hiervoor gebruikt.

2.3.3 Permeaat nabehandeling tot industriewater Het opwerken van permeaat tot industriewater vereist beluchting en zandfiltratie, zie Figuur 4 voor een grafische weergave. Opharden is niet gebruikelijk voor industriewater voorafgaand aan distributie (pers. comm. Bas Heijman 10-2012). Mocht in latere onderzoeksfasen blijken dat opharden toch nodig is, kan een marmerfilter gebruikt worden, evt. met gebruik van pellets van ZS de Laak (Reijnen en van Paassen, 1985). De RWK van de industriële klant is niet direct bruikbaar voor industriewater, omdat een sterk negatieve SI resulteerd in aantasting van beton. Overleg met de klant is nodig om de waterkwaliteitseisen en bijbehorende zuiveringsstappen te bepalen.

Beluchting Het permeaat bevat 10.5 mg/l CO2 en 0.4 mg/l CH4. Omdat voor CO2 verwijdering een hoge RQ vereist is, zal torenbeluchting worden toegepast. CH 4 verwijdering en O2 toevoeging vindt simultaan plaats.

Figuur 4. Schematische weergave zuivering scenario 1.

Zandfiltratie Een kleine hoeveelheid NH4+ moet verwijderd worden: 0.13 mg/l. Hiertoe wordt een zandfilter gebruikt met filtratiesnelheden tot 20 m/h. Vanwege de kleine hoeveelheid te verwijderen NH4+ is nabeluchting niet noodzakelijk. 5


2012

2.4 Conventionele zuivering Membraanfiltratie wordt doorgaans duurder geacht dan conventionele zuivering (de Moel et al., 2006). Zoals in de vorige paragraaf is gebleken wordt er met membraanfiltratie meer Cl- uit het water verwijderd dan wettelijk vereist is. Dit maakt het mogelijk het permeaat te mengen met ondiep gewonnen water dat op een conventionele manier gezuiverd is. In deze paragraaf wordt dit in grote lijnen verder uitgewerkt. Na schatting van de ruwwaterkwaliteit wordt de mengverhouding bepaald waaruit de vereiste zuiveringsstappen volgen. 2.4.1 Schatting ruwwaterkwaliteit Recente meetgegevens van ruwwaterkwaliteit op de Hazerswoude of Alphen a/d Rijn zijn niet beschikbaar omdat de winningen in de jaren ’90 vorige eeuw zijn gesloten. KIWA mededeling nr 89. (1985) bevat meetresultaten van zowel ruw- als reinwaterkwaliteit vanaf de start van de winningen tot 1983. De voor deze scriptie meest belangrijke parameters voor beide voormalige winstations zijn weergegeven in Tabel 4. Ook is een schatting gemaakt van de waterkwaliteit in 2040 op basis van de toename gedurende 1903-1983. De kwaliteit van deze schatting is echter laag; recentere gegevens (tot 1990) bevestigen de trends ook niet (pers. comm. Ruud Kolpa). Tabel 4. Ruwwater kwaliteit van voormalig DPS’en Hazerswoude en Alphen a/d Rijn Hazerswoude Alphen a/d Rijn Norm Drinkwater- Oasen bedrijfsnorm besluit [mg/l] [mg/l] [mg/l] [mg/l] 1983 2040* 1982 2040* Cl155 220 125 163.5 ≤ 150 HCO3500 403 - > 60 SO42218 290 180 210 ≤ 150 NO3<1 <1 - < 50 Na+ 100 93 - ≤ 150 K+ 16.5 11.1 - Ca2+ 175 216 156 182 Mg2+ 32.9 40.8 25.8 33.8 >4 1.1>TH <1.3 TH° 5.8 7.1 5.0 6.0 > 1 NH4+ 5.2 3.9 3.9 5.7 < 0.20 < 0.10 Fe2+ 5.5 8.0 5.4 7.5 < 0.2 < 0.1 2+ Mn 1.1 1.3 1.2 1.6 < 0.05 < 0.025 CH4 0.4 0.3 - -0.2>SI<0.2 SI 0.18 0.25 0.28 0.31 > -0.2 *een extrapolatie van de toename in de periode 1912 - 1972 volgens KIWA (1985). ° eenheid totale hardheid: mmol/l 2.4.2 Mengverhouding en benodigd zuiveringschema Voor het bepalen van de mengverhouding zijn de chloride concentratie en de hardheid de bepalende factoren. Met pelletontharding kan de calciumconcentratie niet verder teruggebracht worden dan tot 0.5 mmol/l. Ook mag de chloridenconcentratie in het uiteindelijke product niet meer dan 150 mg/l bedragen. Vanwege de lager verwachtte productieprijs van conventioneel gezuiverd water, is dat aandeel zo hoog mogelijk gekozen. Mixen met permeaat in een verhouding van 2-1 (conv. – PURO) levert een hardheid van 1.1 tot 1.3 mmol/l op. Het chloride gehalte in deze mengverhouding bedraagt omstreeks 100 mg/l, ruim onder de wettelijke norm. Als de toename van hardheid en chloride correct is, bedraagt de hardheid in 2040 1.53 - 1.65 mmol/l en de chloride concentratie 120 – 155 mg/l. Gebaseerd op de gegevens in Tabel 4 zijn de volgende zuiveringsstappen minimaal vereist voor drinkwaterproductie met ondiep gewonnen water: beluchting, droogfiltratie, ontharding, aktief kool filtratie, UV desinfectie. In Figuur 5 zijn de zuiveringsstappen gevisualiseerd. De uitgangspunten voor het ontwerp worden hier kort behandeld. Het waterkwaliteitsverloop per zuiveringsstap is weergeven in bijlage D. 6


2012

Beluchting Aquacalc modellering van het kalk koolzuurevenwicht laat zien dat de CO2concentratie 85 mg/l (Hazerswoude) of 44 mg/l (Alphen a/d Rijn) is. Omdat vrij veel ammonium aanwezig is en veel CO2 verwijderd moet worden, is een intensieve beluchtingstap praktisch: torenbeluchting is daarvoor het meest ruimte-efficiënt. Gelijktijdig is ook alle CH4 verwijderd. Zandfiltratie Omdat het ammonium gehalte relatief hoog is, is droogfiltratie de meest aanbevolen Figuur 5. Schematische weergave zuivering scenario 2b/3b. techniek. Als dit in een gesloten systeem plaatsvindt en de RQ hoog genoeg is, is één filtratie stap voldoende. Dit verkleint ook het benodigd grondoppervlak voor het zuiveringssysteem (Huisman, 2004). Een filtratiesnelheid van 2-3 m/h is als aanname gehanteerd. Ontharding Pelletontharding is toegepast als onthardingsmethode. Het doel is de uiteindelijke totale hardheid (=magnesium en calcium concentratie) ruim 1 mmol/l te laten bedragen. Hierbij moet de calciumconcentratie teruggebracht worden van 4.4 naar 0.5 mmol/l. Tegelijkertijd is het doel de HCO3concentratie te handhaven boven 2 mmol/l en Na+ onder 150 mg/l. Aan beide voorwaarden wordt voldaan in geval van dosering van natronloog. Aktiefkoolfiltratie In het grondwater zijn stoffen als pesticiden en aromatische koolwaterstoffen aanwezig, die uit het water verwijderd kunnen worden middels aktiefkool filtratie. De streefcontacttijd is binnen Oasen gesteld op 15 minuten (Oasen, 2012b). In dit ontwerp zal een minimum van 20 minuten worden gehanteerd (pers. comm. Ruud Kolpa 27-09-12). UV desinfectie Het doel van UV desinfectie is de beheersing van koloniegetallen na actiefkoolfiltratie. De bacteriën die nog aanwezig zijn kunnen niet meer reproduceren. Langzame zandfiltratie zou ook mogelijk zijn, alleen beslaat dat proces veel grondoppervlak. Na desinfectie wordt het water naar de RWK’s gepompt voor verdere distributie.

2.4.3 Permeaat behandeling Het permeaat heeft een verzadigingsindex van -4.7. Zonder behandeling zou het gemengd met het conventioneel gezuiverde water nog steeds teveel CO 2 bevatten. Torenbeluchters zullen worden gebruikt vanwege de effectieve verwijdering van CO 2. Na beluchting is een natronloog dosering van 1.5 mg/l vereist om in het uiteindelijke product een licht positieve SI te verkrijgen.

7


3

2012

Zuiveringssysteem ontwerp

In het voorgaande hoofdstuk is de basisinformatie verzameld die nodig is voor een definitief ontwerp. In dit hoofdstuk worden de scenario’s ontwerpen gepresenteerd. De nadruk ligt op de dimensionering en kwantificering van de zuiveringsstappen, wat nodig om tot een goede kostenschatting te komen. Ook wordt er aandacht gegeven aan de bruikbaarheid van de winvelden.

3.1 Dimensionering zuiveringseenheden PURO putten hebben een permeaat productiecapaciteit van 25 m3/h, ondiepe winputten pompen 70 - 80 m3/h op. De andere zuiveringseenheden zijn gedimensioneerd volgens de gegevens in Tabel 5. Voor de filters zijn ketels gebruikt vanwege de lagere investeringskosten. Tabel 5. Dimensies en kentallen behorend bij de zuiveringseenheden.

(filter)oppervlak [m2]

Diameter [m]

Bedhoogte [m]

(Filtratie)snelheid (min-max) [m/h]

Spoelwaterverliezen [%]

Torenbeluchter 1.23-1.43 1.25-1.35 3 75-80 1-3 Natfilter 10 3.5 2 9-20 1 Droogfilter 10 3.5 2 2.8-3.3 3 Carry-overfilter 10 3.5 2 6-12 3 AKF filter 10 3.5 2 4-6 0 Dolomietfilter 10 3.5 1 10-15 0 Pelletreactor 0.95-2.0 1.1-1.6 7-8 60-100 0 Ads bij Tabel 5:  het oppervlak is een range i.p.v. een vast getal omdat in verschillende scenario’s verschillende afmetingen zijn gebruikt. De range in filtratiesnelheden is afhankelijk van het scenario en of een van de filters/reactors buiten werking is.  de pelletreactor heeft een kleine diameter in geval van scenario 3b. Dit is zo gekozen omdat tijdens uitval van een reactor de andere reactor de totale productie moet kunnen overnemen. Zuiveringstechnisch levert dit geen problemen op (pers. comm. Bert de Vree, 10-2012). Wel is onderhoud lastiger. Reiniging kan echter plaatsvinden zonder dat medewerkers in de reactor zelf aanwezig zijn (van Hal en Meurs, 2012). Voor de RWK berekening is gebruik gemaakt van het verbruikspatroon van de klant vanaf 01-012010 tot 08-10-2012. Met een constante productie is een gemiddelde keldergrootte van 20.000 m3 vereist. Verondersteld is dat door middel van RWK optimalisatie van zowel de RWK’s van Oasen als die van de klant erin resulteert dat niet meer keldervolume nodig is.

8


2012

3.2 Kwantificering zuiveringseenheden In Tabel 6 is per scenario aangegeven hoeveel zuiveringeenheden nodig zijn om tot de gewenste waterkwaliteit te komen. Hierbij is rekening gehouden met reservestelling en spoelwaterverliezen. Voor de winning is aangegeven hoeveel putten als reserve dienen; een vast pompdebiet is gehanteerd. De andere zuiveringseenheden zijn onder normale omstandigheden allemaal in werking, maar niet op volledige capaciteit. Uitval van bijvoorbeeld een filter kan opgevangen worden door de overcapaciteit van de overige filters. In bijlage E is per zuiveringsstap aangegeven hoe hoog de debieten en filtratiesnelheden zijn. Tabel 6. Kwantificering zuiveringseenheden per scenario.

Scenario:

1

2a

PURO put (# nodig + # reservestelling) Conv. put (# nodig + # reservestelling)

16+4

14+4

-

-

Torenbeluchter Natfilter

4 3

-

Dolomietfilter Cascades Natfilter

-

4 4 3

Torenbeluchter Droogfilter Pelletreactor Carry-over filter Aktiefkool filter UV lamp

-

-

RWK volume

20.000

-

2b Winning 5+2 3+2 Zuivering 2 5 8 2 3 5 119 Distributie -

3a

3b

7+3

2+2

-

2+1

-

1 -

2 2 2

-

-

3 5 2 2 3 50

-

-

3.3 Implementatie op zuiveringstations In hoofdstuk 2 is al kort aandacht besteed aan de drie winlocaties: Zoeterwoude, Hazerswoude en Alphen a/d Rijn. De vraag is hoeveel putten er geplaatst kunnen worden op het grondgebied dat momenteel door Oasen in bezit is. Als vuistregel voor de afstand tussen de winputten is 40 - 50 m gehanteerd. In bijlage F zijn schetsen weergegeven waar de putten zijn geplaatst. In Tabel 7 is weergegeven welk scenario op welke locatie kan worden uitgevoerd. Zoeterwoude is alleen als productielocatie beschouwd voor industriewater vanwege de zeer dichte nabijheid bij de klant. Hiervoor dient land gekocht te worden. Tussen de N11 en de spoorlijn is een stuk grasland aanwezig, van 1 km bij 60 m. Voor scenario 2a dient grond aangekocht te worden op Hazerswoude, of de reservestelling moet naar beneden worden bijgesteld. Alphen a/d Rijn is alleen geschikt voor een kleinschalige zuivering: scenario 3a is ook mogelijk, maar dan moet de reservestelling verlaagd worden. Tabel 7. Overzicht geschiktheid locatie voor implementatie. Locatie Maximum aantal Geschikt voor winputten scenario (‘s)

Zoeterwoude Hazerswoude Alphen a/d Rijn

2 15 8

- (1) 2b, 3a en 3b 3b 9


4

2012

Financiële analyse

In dit hoofdstuk worden de financiële aspecten van de ontworpen scenario’s geïnventariseerd. Allereerst wordt aandacht besteed aan de uitgangspunten en middelen waarmee de kosten geschat zijn, waarna de kosten zelf worden gepresenteerd. Vervolgens wordende productieprijzen vergeleken met de productieprijzen van de bestaande winningen. Tabel 8. Kentallen investering en exploitatiekosten

4.1 Uitgangspunten

Bijkomende kosten: Voor de kostenschatting is gebruik gemaakt van de Voorbereidingskosten 15 % Kostenstandaard van ingenieursbureau DHV. De kentallen voor Onvoorziene kosten 10 % investering en exploitatie zijn waar nodig aangepast aan de Bouwrente 10 % waarden uit het afwegingsrapport voor de nieuwbouw van ZS De Kentallen exploitatie Hooge Boom (Oasen, 2012a). De gehanteerde kentallen zijn Elektriciteit €0.082 kWh € 178 ton weergegeven in Tabel 8. De kostenstandaard heeft een Natronloog Dolomiet* € 400 ton foutenmarge van ongeveer 30%. Afschrijftermijnen Omdat de kosten van PURO putten vanzelfsprekend nog niet 40 j zijn opgenomen in de kostenstandaard, is hiervoor de eerder Bouw 20 j gemaakte begroting gebruikt. In deze begroting is een WTB E&I 10 j levensduur aangenomen van 4 en 20 jaar voor resp. membranen Leidingen 30 j en de overige delen van de winput. * gebaseerd op pers. comm. met Roman In de kostenstandaard worden 3 parameters weergegeven Dobbe, lhoist Nederland BV (16-10-2012) om de alternatieven te vergelijken, nl. investeringskosten, exploitatiekosten en de productie kosten per m3 water. Met investeringskosten worden bouwkosten, voorbereidingskosten en bouwrente bedoeld. Exploitatiekosten zijn de jaarlijkse kosten van energie en chemicaliën verbruik, onderhoudskosten, afschrijving en rente, bedrijf en administratiekosten. Met de exploitatiekosten en de jaarlijkse water productie zijn de productiekosten per m3 water te schatten.

4.2 Kostenschatting resultaten In Tabel 9 is een samenvattend kostenoverzicht gegeven voor de verschillende scenario’s. In de tabellen 10-14 is per scenario de kostenschatting per procesonderdeel gegeven. De productieprijzen verschillen niet veel per scenario, alleen scenario 3b verschilt significant van de andere drinkwaterscenario’s. Uit Tabel 12 blijkt dat conventionele zuivering een hogere productieprijs met zich meebrengt; anderzijds is de permeaat nabehandeling goedkoper. Dit resulteert in een uiteindelijke productieprijs voor scenario 2b die vergelijkbaar is met scenario 2a. De prijs voor industriewater productie met PURO water is hoger in vergelijking met drinkwaterproductie. Dit wordt veroorzaakt door de vereiste nieuwbouw van een RWK en pompstation. Tabel 9. Overzicht investeringskosten en exploitatiekosten per scenario. Scenario Investeringskosten 3

1: 3.5M m /a industriewater 3 2a: 3 M m /a drinkwater (PURO) 3 2b: 3 M m /a drinkwater (PURO + conv.) 3 3a: 2 * 1.5 M m /a drinkwater (PURO) 3 3b: 2 * 1.5 M m /a drinkwater (PURO + conv.)

18,094 7,509 10,275 9,123 15,770

10

Exploitatiekosten (/jaar)

€ ct./m

3

2,636 75 1,680 56 1,749 59 1,735 58 2,595 87 (Investering en exploitatiekosten x 1000)


2012

Tabel 10. Kostenspecificatie voor scenario 1: 3.5 M m3/a industriewater. Processtap Investeringskosten Exploitatiekosten (/jaar)

PURO winputten Torenbeluchting Zandfiltratie RWK Pompstation Transportleiding Grondkosten Onvoorzien Totaal

€ ct./m

3

4,400 1,055 1,586 5,186 3,364 285 575 1,645 18,094

1,337 38 124 4 185 5 436 12 417 12 22 1 6 0 109 3 2,636 75 (Investering en exploitatiekosten x 1000) Ad bij Tabel 10: onder ‘grondkosten’ wordt verstaan de grondaankoop (8 euro per m 3), belastingen en bouwrijp maken. Afschrijving op grondoppervlak is niet relevant, wel is de overdrachtsbelasting verdeeld over 30 jaar met annuïtaire afschrijving. Tabel 11. Kostenspecificatie voor scenario 2a: 3 M m3/a drinkwaterproductie uit permeaat. Processtap Investeringskosten Exploitatiekosten (/jaar)

PURO winputten Dolomietfiltratie Cascadebeluchting Natfiltratie Onvoorzien Totaal

3,960 1,293 436 1,137 683 7,509

650 227 2,473 1,566 983 1,650 116 7,665 1,540 135 1,675 934 1,003

€ ct./m

3

197 10 35 2 290 15 287 15 114 6 216 11 54 3 1,193 62 465 42 28 3 494 45 62 2 1,749 59 (Investering en exploitatiekosten x 1000)

Tabel 13. Kostenspecificatie voor scenario 3a: 1.5 M m3/a drinkwaterproductie uit permeaat. Processtap Investeringskosten Exploitatiekosten (/jaar)

PURO winputten Dolomietfiltratie Cascadebeluchting Natfiltratie Onvoorzien Totaal

3

1,200 40 253 8 55 2 126 4 45 2 1,680 56 (Investering en exploitatiekosten x 1000)

Tabel 12. Kostenspecificatie voor scenario 2b: 3 M m3/a PURO en conventionele zuivering. Processtap Investeringskosten Exploitatiekosten (/jaar)

Conventionele winputten Torenbeluchting Droogfiltratie Pelletontharding Carry-over-filtratie Aktiefkool filtratie UV-desinfectie Subtotaal PURO winputten Torenbeluchting Subtotaal Onvoorzien Totaal

€ ct./m

4,400 1,676 405 1,812 829 9,123

€ ct./m

3

1,327 45 282 9 52 1 20 1 55 2 1,735 58 (Investering en exploitatiekosten x 1000)

11


2012

Tabel 14. Kostenspecificatie voor scenario 3b: 1.5 M m3/a PURO en conventionele zuivering. Processtap Investeringskosten Exploitatiekosten (/jaar)

Conventionele winputten Torenbeluchting Droogfiltratie Pelletontharding Carry-over-filtratie Aktiefkool filtratie UV desinfectie Subtotaal PURO winputten Torenbeluchting Subtotaal onvoorzien Totaal

1,256 254 3,683 2,395 2,021 2,277 175 12,060 1,760 516 2,276 1,434 15,770

€ ct./m

3

234 11 43 2 439 21 454 22 222 11 302 14 219 10 1,914 91 524 60 62 7 587 67 95 3 2,595 87 (Investering en exploitatiekosten x 1000)

4.3 Vergelijking momenteel geldende productieprijzen De productieprijs voor drinkwater kan op allerlei manieren gedefinieerd worden: inclusief distributiekosten of niet, wel of geen leegloopverliezen etc. In deze scriptie is de prijs geschat voor de productiekosten van het water tot het distributienetwerk. In Tabel 15 zijn de huidige productieprijzen voor drink en industriewater weergegeven alsook de productieprijzen indien een winning met het PURO concept zou worden toegepast.

Tabel 15. Vergelijking huidige productieprijzen en productie met PURO-putten.

Type productie

Huidig [ct/m3]

PURO winning [ct/m3]

Drinkwater Industriewater

60-90 100

58+12=70 75

De prijzen zijn als volgt berekend:  in de vorige paragraaf zijn de zuiveringskosten (exclusief RWK en HD sectie) berekend op € 0.58/m3. Met de kostenstandaard is berekend hoeveel een RWK van het volume van Hazerswoude kost, inclusief de HD sectie. Beide onderdelen resulteren samen in extra kosten van 12 ct/m3.  Om de huidige drinkwaterproductiekosten te schatten zijn de volgende aannamen gemaakt: de verbruik- en bedrijfskosten zijn 30-40 ct/m3. Een winning met een productiecapaciteit van 4 M m3/a kost initieel € 20-30 M (pers. comm. Harrie Timmer 2310-12). De afschrijvingskosten resulteren samen met de verbruikskosten in de totale productiekosten tot distributienetwerk van 60-90 ct/m3.  Voor de huidige industriewaterproductieprijs is de inkoopprijs van Dunea gehanteerd. De winstmarge voor Oasen is momenteel nihil. Indien direct RO-permeaat geleverd wordt, is de geschatte meerprijs €0.15-0.20/m3 (pers. comm. Han Dijkhuizen 17-09-12). De kosten voor drinkwaterproductie met PURO winputten heeft een productieprijs die zich aan de lagere kant van de huidige productieprijsbandbreedte bevindt. Industriewaterproductie lijkt financieel gezien aantrekkelijker. De kosten voor productie zijn aanzienlijk lager dan de huidige inkoopprijs, terwijl de verkoopprijs verhoogd kan worden vanwege het direct leveren van permeaat.

12


5

2012

Juridische context

In dit hoofdstuk wordt kort nagegaan welke voorwaarden gelden voor het verkrijgen van een winvergunning. Allereerst worden de uitgangspunten voor het beleid kort samengevat, waarna ze voor de diverse scenario’s gewogen worden.

5.1 Beleiduitgangspunten In het Grondwaterplan van de Provincie Zuid-Holland (2007) staan twee grondwaterbeleid speerpunten vermeld die direct gerelateerd zijn aan waterwinning: verzilting en bodemdaling. Alleen voor het verziltingspeerpunt is reeds beleid opgesteld, waarin de volgende voorwaarden voor grondwateronttrekkingen zijn vermeld:  Onttrekking van de strategische zoetgrondwatervoorraad moet 100% aangevuld of



geretourneerd worden (compensatie-eis). Dit mag ook plaatsvinden middels infiltratie van oppervlaktewater; Negatieve effecten op grondgebruikfuncties moeten voorkomen worden (daling grondwaterstand/verzilting).

Zoeterwoude valt buiten het gebied met ‘strategische zoetgrondwatervoorraad’, Alphen a/d Rijn en Hazerswoude niet. Voor het speerpunt bodemdaling is vermeld dat ‘drinkwaterbedrijven samen met de provincie op zoek moeten naar oplossingen om bodemdaling tegen te gaan of te vertragen’. Beleid aangaande ondergrondse lozing van brijn wordt alleen behandeld in de context van de glastuinbouw en boomteeltsector. Voor lozing dient ontheffing aangevraagd te worden, die verleend wordt indien er geen alternatieve afvoermogelijkheden zijn en er geen milieuvreemde stoffen worden ingebracht. Wat dit betekent voor een drinkwaterwinning met het PURO-concept is niet duidelijk. In het Provinciaal Waterplan (2009) wordt, in lijn met de Kader Richtlijn Water, het streefbeeld 2040 geschetst dat drinkwater met eenvoudige middelen te produceren is. Daarnaast is de drinkwatervoorziening ‘robuust, duurzaam en klimaatbestendig’ . Uit het gesprek met R. van Binsbergen (werkzaam bij Provincie Zuid-Holland, 02-10-12) bleek dat de noodzaak voor de heropening van een van de winningen duidelijk onderbouwd moet worden. Hierbij kan gedacht worden aan een vraagprognose, de zelfvoorzienendheid van het bedrijf, leveringszekerheid en waterkwaliteit. Daarnaast moeten de gevolgen voor de omgeving in kaart worden gebracht: bodemdaling en de beperkingen vanuit de grondwaterbescherming. Om dat laatste te minimaliseren heeft één grootschalige winning de voorkeur boven twee kleinschalige winningen.

5.2 Weging scenario’s Een ruwe schatting is gemaakt in hoeverre de scenario’s voldoen aan bovenstaande beleidskaders. Het resultaat is weergegeven in Tabel 16. Uit de tabel blijkt dat geen enkel scenario voldoet aan alle richtlijnen. Wel is duidelijk dat zuiveringen met alleen PURO winputten beter scoren dan met conventionele zuivering. Hetzelfde geldt voor de grootschalige t.o.v. de kleinschaligere zuiveringen. Tabel 16. Afweging beleidskaders voor de verschillende scenario’s. Beleidsrichtlijn

1

2a

2b

3a

3b

Handhaving strategische zoetgrondwatervoorraad Voorkomen negatieve effecten grondgebruik Stoppen/tegengaan bodemdaling Eenvoudigheid zuivering Robuust, duurzaam en klimaatbestendige drinkwaterproductie Economische gevolgen door instellen waterwingebied

+ 0 ++ + --

+ 0 + + --

--0 --

+ 0 + + ---

---+ ---

13


6

2012

Discussie

In voorgaande hoofdstukken is de technische, financiële en juridische achtergrond geschetst voor een heropening van een drinkwaterwinning gebaseerd op het PURO-concept in het noordelijk leveringsgebied van drinkwaterbedrijf Oasen. Hierbij zijn de mogelijkheden onderzocht van drink- en industriewaterproductie, schaalgrootteverschillen geïnventariseerd, evenals de combinatie met conventionele zuivering. In dit hoofdstuk worden de resultaten geïnterpreteerd en becommentarieerd, waarna een advies gegeven wordt welke scenario’s verdere ontwikkeling verdienen.

6.1 Interpretatie resultaten Een winning met alleen PURO-winputten heeft zuiveringstechnisch de meeste voordelen, als is de combinatie met conventionele zuivering ook mogelijk. Conventionele zuivering is minder aantrekkelijk vanwege de grote hoeveelheid zuiveringsstappen: torenbeluchting, droogfiltratie, pelletontharding, Carry-over filtratie, aktiefkool filtratie en UV desinfectie. Door deze hoeveelheid zuiveringsstappen is het proces vatbaarder voor storingen en beslaat het meer grondoppervlak. Daarnaast is het niet zeker of één droogfiltratiestap voldoende is om ijzer, ammonium en mangaan te verwijderen. Een drinkwaterwinning met alleen PURO-winputten behoeft slechts dolomietfiltratie, torenbeluchting en snelle zandfiltratie. In geval van industriewaterproductie is dolomietfiltratie zelfs overbodig. Een winning met PURO winputten beslaat minder ruimte, maar biedt ook een betere verwijdering van prioritaire stoffen. Het gaat dan om gewasbeschermingsmiddelen, medicijnresten etc. Hierdoor is een PURO-winveld een robuustere methode. Voor de vergunningverlening is geen enkel scenario gewenst. Wel geldt dat een grootschaligere zuivering de voorkeur heeft, net als dat PURO-winputten de voorkeur verdienen boven de ondiepe putten vanwege de verminderde grondwaterstanddaling. Wel is het lozen van concentraat voor drinkwaterproductie nog niet beleidsmatig uitgewerkt. In geval van drinkwaterzuivering zijn de zuiveringskosten hoger dan voor industriewaterproductie, waarbij het voordelig is dat de bestaande RWK’s gebruikt worden. De productieprijzen van de drinkwater scenario’s zijn vrijwel gelijk: €0.70/m3, met uitzondering van een kleinschalige winning waarbij ook conventionele zuivering wordt gebruikt: €1.00/m 3 (scenario 3b). Een gevoeligheidsanalyse is uitgevoerd naar de invloed van de energieprijs en de levensduur van de membranen op de productieprijs. In Tabel 17 is de stijging in productieprijs weergegeven. Duidelijk is dat de levensduur van de membranen van grote invloed is op de productieprijs. Tabel 17. Productieprijs stijging voor winveld met alleen PURO winputten alsook gecombineerd met conventionele zuivering. PURO PURO en conv. zuivering ct/m3 ct/m3

Verdubbeling energieprijs (€0.082/kWh - €0.164/kWh) Halvering levensduur membranen

14

6 18

4 7


2012

De prijs voor conventionele zuivering is mogelijk te laag ingeschat omdat wellicht een extra zandfiltratie noodzakelijk is. Conventionele zuivering kan op andere manieren wellicht goedkoper worden uitgevoerd:  Het vervangen van pelletontharding door het CARIX-proces. Bijkomend voordeel is dat ook chloride en sulfaat wordt verwijderd (Sauer, 2011).  Biologische ontijzering voorafgaand aan de droogfiltratie stap resulteert in een hogere filtratiesnelheid voor het droogfilter (de Ridder et al., 2008).  De mengverhouding is niet geoptimaliseerd op productiekosten. Dit kan meer productieprijsvoordeel opleveren. Wel is het sterk de vraag of de mengverhouding zo kan worden aangepast dat zowel opharden als ontharden achterwege gelaten kan worden. De hardheid is dermate hoog (6 mmol/l) dat de mengverhouding 1:6 (conv. : PURO permeaat) zou moeten zijn. Dit heeft tot gevolg dat de conventionele zuivering een zeer lage capaciteit heeft, met de bijbehorende hoge kosten voor back-upvoorzieningen. Het produceren van drinkwater met alleen PURO-winputten kan wellicht tegen lagere kosten:  De kosten voor PURO winputten zijn gebaseerd op een eerder gemaakte begroting (Haitjema et al., 2010), waarin een schatting is gemaakt voor een winveld bestaande uit 4 putten. In de scenario’s met grootschalige winningen gaat het echter om meer dan 10 winputten. De investeringskosten vallen hierdoor waarschijnlijk lager uit.  In dezelfde begroting is verondersteld dat de gehele membraanunit in de put na 4 jaar afgeschreven is. In werkelijkheid worden alleen de membranen vervangen, die slechts 1/6e deel van de investeringskosten van de membraanunit bedragen. De afschrijvingswaarde zal lager uitvallen.  Op de pilotwinning zal blijken of de membraan afschrijftermijn van 4 jaar haalbaar is en/of verlengd kan worden. Gedeeltelijke vervanging van de membranen zal ook de afschrijvingskosten verminderen: de laatste membranen zullen waarschijnlijk eerder vervanging nodig hebben i.v.m. scaling.  Volgens het Drinkwaterbesluit is dolomietfiltratie niet noodzakelijk om magnesium toe te voegen. Marmerfiltratie wordt zelfs letterlijk genoemd als nabehandelingtechniek om ‘de hardheid en/of magnesium gehalte aan te vullen’. De prijs van marmer is slechts 20% van de dolomietprijs, wat een productieprijsreductie van 4 ct/m3 oplevert (-50%). Ervaringen van andere zuiveringsstations en/of drinkwaterbedrijven kunnen gebruikt worden in de evaluatie hoe om te gaan met het verbod op magnesiumverwijdering uit het Drinkwaterbesluit. Ook kan dolomietfiltratie beperkt worden tot bijvoorbeeld de helft van de permeaatstroom, de andere helft kan opgehard worden met marmerfilters (evt. met gebruik van Oasen pellets). Naast het vergroten van de leveringszekerheid is een nevendoel van deze studie te verkennen of industriewaterproductie kan plaatsvinden m.b.v. het PURO concept. Na onttrekking vinden 2 nabehandelingstappen plaats. Wel zal de noodzakelijke bouw van een nieuwe reinwaterkelder de kosten doen toenemen: van €0.45/m3 tot €0.70/m3. Daarnaast is het alleen voor industriewaterproductie noodzakelijk dat er nieuw terrein wordt aangekocht. Een groot risico is dat de afname van water door de industriële klant niet gegarandeerd is voor de afschrijftermijn van de zuivering. Als de klant de fabriek sluit of het verbruik vermindert zijn de financiële gevolgen voor Oasen erg groot.

15


2012

6.2 Afweging en advies In Tabel 18 is per scenario weergegeven wat de eindevaluatie per criterium. Uiteraard is een tabel als deze subjectief. In het advies zal de achtergrond van de gegeven beoordeling verhelderd worden. Tabel 18. Weging scenario’s op vier criteria.

Scenario 1: 3.5 M industriewater 2a: 3 M PURO 2b: 3M PURO en conv. zuivering 3a: 2x1.5 M PURO 3b: 2x1.5 M PURO en conv. zuivering

Financieel

Technisch

Juridisch

Implementeerbaar

+ + + -

++ ++ + ++ +

0 0 --

0 + + ++ ++

Geadviseerd wordt om scenario 2 en 3 verder te onderzoeken. Kleinschalige productie (scenario 4 & 5) is duurder en het vermeende vergunningsvoordeel bleek onwaarheid. Voor scenario’s 2 en 3 moet niet allereerst de 3 M m3/a productienorm gelden, maar de maximumwincapaciteit op winveld Hazerswoude; Alphen a/d Rijn biedt niet voldoende ruimte om een grote winning te starten. Omdat de combinatie met conventionele zuivering niet significant duurder bleek te zijn, is het de moeite waard om beide sporen verder te onderzoeken. In dit onderzoek moet ook prioritaire stoffen verwijdering en storingsgevoeligheid van het zuiveringsproces geïnventariseerd worden. Het conventionele zuiveringsproces kan verder geoptimaliseerd worden door bijvoorbeeld biologische ontijzering voorafgaand aan droogfiltratie (de Ridder et al., 2008) en/of ontharding middels het CARIX-proces. Geohydrologische modellering kan uitwijzen of de combinatie met conventionele zuivering significant grotere gevolgen heeft voor bodemdaling etc. Industriewaterproductie (scenario 1) met het PURO concept biedt de grootste financiële voordelen, maar ook de grootste financiële risico’s. Omdat winstoptimalisatie niet primair doel is van Oasen en de risico’s groot zijn, wordt verdere ontwikkeling afgeraden. Wel kan het PURO concept ‘verkocht’ worden aan industriewaterproductiebedrijven vanwege de eerder genoemde financiële voordelen.

16


7

2012

Conclusies en aanbevelingen

In deze scriptie zijn de resultaten gepresenteerd van een haalbaarheidstudie om oude winningen te heropenen in het noordelijke leveringsgebied van drinkwaterbedrijf Oasen. Heropening dient ter verbetering van de leveringszekerheid. De extra productiecapaciteit is nodig om de afhankelijkheid van de transportleiding, achterliggende zuiveringstations en drinkwaterbedrijf Dunea te verminderen. Centraal staat de implementatie van het PURO concept. Membraanfiltratie vind plaats in de winput zelf, waarbij het concentraat ondergronds geloosd wordt. Ook is onderzocht of industriewaterproductie mogelijk is met behulp van het PURO-concept. Diverse scenario’s zijn opgesteld op basis van schaalgrootte en het wel of niet combineren met conventionele zuivering. De scenario’s zijn uitgewerkt en beoordeeld op kosten/baten, zuiveringstechniek, voorwaarden voor vergunningaanvraag en implementeerbaarheid op de huidige stations. Op basis van de uitgevoerde analyses wordt geadviseerd om het spoor van drinkwaterproductie met behulp van het PURO-concept verder te onderzoeken, zowel in combinatie als zonder conventionele zuivering. Omstreeks 3 M m3/a drinkwaterproductie dient hierbij als richtlijn gehanteerd te worden; productie op kleinere schaal resulteert in hogere productieprijzen en het verkrijgen van een vergunning is lastiger. Industriewaterproductie is heel goed mogelijk en biedt grote financiële voordelen. Toch is vanwege de ook aanwezige financiële risico’s het advies dit niet verder te ontwikkelen. De resultaten van de pilotwinning in Ridderkerk zijn van cruciaal belang voor het wel of niet heropenen van de voormalige winningen. Het al dan niet optreden van scaling op de membranen, het gedrag van concentraat in de bodem etc. zullen in belangrijke mate bepalend zijn of het PURO concept ook ‘echt’ werkt. Verder onderzoek is ook nodig voor de conventionele zuivering: de haalbaarheid van één droogfiltratie stap voor ammonium, ijzer en mangaan verwijdering, de implementatie van biologische ontijzering en het vervangen van pelletontharding door ionenwisseling.

17


2012

Bronnen BANG, D. P. 2012. Upflow limestone contactor for soft and desalinated water. - Based on calcite dissolution kinetics and PHREEQC built-in Excel models. MSc, Delft University of Technology. DE MOEL, P. J., VERBERK, J. Q. J. C. & VAN DIJK, J. C. 2006. Drinking Water - Principles and Practices, Singapore, World Scientific Publishing Co. Pte. Ltd. DE RIDDER, D., BRUINS, J., HUISMAN, K. & KAPPELHOF, J. 2008. Biologisch ontijzering aantrekkelijk voor grondwaterwinningen met twee filtratiestappen. H2O, 16, 14-15. DELTACOMMISSIE 2008. Samen werken met water - een land dat leeft, bouwt aan zijn toekomst - bevindingen van de Deltacommissie 2008. In: VEERMAN, C. P. (ed.). Drinkwaterbesluit, Ministerie van Infrastructuur en Milieu 2011; Den Haag FRITZMANN, C., LÖWENBERG, J., WINTGENS, T. & MELIN, T. 2007. State-of-the-art of reverse osmosis desalination. Desalination, 216, 1-76. GREENLEE, L. F., LAWLER, D. F., FREEMAN, B. D., MARROT, B. & MOULIN, P. 2009. Reverse osmosis desalination: Water sources, technology, and today's challenges. water research, 43, 2317-2348. GUDE, J. C. J., SCHOONENBERG KEGEL, F., VERBERK, J. Q. J. C., MOEL, P. J. & VAN DIJK, J. C. 2011. Wordt ons drinkwater (eindelijk) minder agressief? H2O; tijdschrift voor watervoorziening en waterbeheer. HAITJEMA, LOGISTICON, OASEN, WATERNET & TUDELFT 2010. InnoWater subsidieaanvraag - Ontwikkeling van PUT Reverse Osmose- Doorbraak brijnproblematiek ontzouting - PURO. HUISMAN, L. 2004. Rapid Filtration - lecture notes CT 4470, Delft, Sanitary Engineering Section TUDelft. KIWA 1985. Drinkwater uit oevergrondwater: hydrologie, kwaliteit en zuivering. Mededeling nr. 89, Nieuwegein, KIWA. KNMI 2006. Klimaat in de 21e eeuw. Vier scenario's voor Nederland. De Bilt: Koninklijk Nederlands Meteorologisch Instituut. KWR 2009. Vergelijk waterkwaliteit concentraat en doelaquifer PURO-project (Ridderkerk) 26 oktober 2009. MINISTERIE-VERKEER&WATERSTAAT 2000. Waterhuishouding in het Natte Hart - WIN-strategie als leidraad voor toekomstig waterkwantiteitsbeheer van het Natte Hart - Eindnota. Lelystad. OASEN 2012a. Afweging varianten ZS De Hooge Boom op TCO, waterkwaliteit, duurzaamheid en risico's. Gouda: Oasen N. V. OASEN 2012b. Leveringsplan Oasen. In: HAASNOOT, A. & MENSE, P. (eds.) Marc Felten. Gouda. OOSTERHOF, A., VAN DER VALK, M., DE RUIJTER, J. A. & RAAT, K. 2010. ‘Zoethouder’ levert gescheiden brak en zoet grondwater uit één put. H2O, 12, 14-15. PROVINCIE-ZUID-HOLLAND 2007. Grondwaterplan Zuid-Holland 2007 – 2013, Den Haag - Postbus 90602, 2509 LP, Provincie Zuid-Holland. PROVINCIE-ZUID-HOLLAND 2009. Waterplan Zuid-Holland 2010 – 2015, Den Haag - Postbus 90602, 2509 LP, Provincie Zuid-Holland. REIJNEN, G. K. & VAN PAASSEN, J. A. M. 1985. Ontzuren met onthardingspellets biedt perspectief. H2O, 18, 34 37. SAUER, U. 2011. Carix - Economical and environmentally-friendly water softening. Bayreuth - Germany: Krüger Wabag- Veolia Water. TNO-NITG. 2012. Digitale grondwaterkaart zoet-zout grensvlak - GWK 25 [Online]. Available: http://www.dinoloket.nl/nl/download/maps/gwMap/gwMap.html. VAN BENNEKOM, C. A. 1988. Ontzuren door filtratie over dolomitische materialen. In: REIJNEN, G. (ed.) Ontzuren van grondwater - rapport van de Werkgroep Ontzuring - mededeling nr. 101. Nieuwegeig: KIWA. VAN DER HOEK, J. P. 2012. Topkwaliteit drinkwater: nimmer vanzelfsprekend. Oratie 27 januari 2012. Delft, The Netherlands: Delft University of Technology. VAN DER VALK, M. J. H. 2010. A fresh-keeper for Noard Burgum. The future for a salinated well field? MSc, Delft University of Technology. VAN HAL, M. & MEURS, C. 2012. Nieuwe methode voor reinigen pelletreactoren. H2O, 44, 33. WASSINK, J. 2012. Zoethouder tegen de verzilting. Delft Integraal, 1, 20-21.

18


2012

Bijlagen Bijlage A. Achtergrond informatie m. b. t. PURO-concept Allereerst wordt de aanleiding tot het starten van het PURO project nader toegelicht en in een bredere context geplaatst. Daarna zullen kort de onderzoeksuitdagingen besproken worden. Klimaatverandering is hoofdreden voor brakwaterwinning voor drinkwaterproductie Continuïteit van de drinkwatervoorziening is topprioriteit voor een drinkwaterbedrijf. Als gevolg hiervan moet er blijvend ingespeeld worden op veranderende omgevingsomstandigheden en gezocht worden naar nieuwe en betrouwbare waterbronnen. Een van de voor drinkwaterwinning momenteel meest belangrijke veranderende omgevingsfactor is het klimaat (van der Hoek, 2012). Het KNMI heeft in 2006 4 scenario’s gepresenteerd als mogelijk toekomstig klimaat. Variabelen zijn een wereldwijde temperatuurstijging van 1 of 2 °C en de mate van verandering van luchtstromen boven West-Europa. Van groot belang zijn de gevolgen van deze veranderingen: extremere weersituaties zullen vaker voorkomen. Extremen in regenval en als gevolg dus ook in de rivierafvoeren. Voor de rivier de Rijn is dit weergegeven in Figuur 6, waarin de verwachtte verandering in afvoer is weergegeven voor het jaar 2050 ten opzichtte van het jaar 1990. Duidelijk blijkt dat de piekafvoeren kunnen oplopen tot 40% hoger en 30% lager dan het geval geweest is (Bron: Min. van Ministerie-Verkeer&Waterstaat, 2000).

Figuur 6. Verandering gemiddelde maandafvoer Rijn 2050.

Drinkwaterbedrijven gebruiken echter nog geen halve procent van de rivierafvoeren; kwantitatief gezien zijn de gevolgen van klimaatverandering dus niet problematisch. Wat wel van belang is, is de waterkwaliteit: concentraties van vervuilingen zullen groter zijn, tenzij de lozingsvergunningen afhankelijk worden gemaakt van de rivierafvoer. Lage afvoeren zorgen ook voor meer zoutintrusie die ook weer de grondwatervoorraden beïnvloed . In het ongunstigste klimaatscenario overschrijdt de zoutconcentratie de drinkwaternorm (150 mg/l) op de zuiveringstations van Ridderkerk, Lekkerkerk en Nieuw-Lekkerland. Zonder verdere maatregelen zou dat het einde betekenen van waterwinning in de benedenloop van de Lek. De gevolgen zouden nog sterker zijn als het advies van de Deltacommissie (2008) wordt uitgevoerd: ten tijde van waterschaarste moet de rivierafvoer naar het IJsselmeer vergroot worden. Het is tegenwoordig tegen lage kosten mogelijk om water te ontzilten (Greenlee et al., 2009). Ontzilting is daarmee een belangrijke oplossingsrichting om de drinkwatervoorziening in WestNederland klimaatbestendig te maken.

19


2012

Werking PURO principe Het PURO concept is gebaseerd op membraan filtratie. Membranen zijn simpel gezegd filters met een heel kleine poriediameter. Membranen met de kleinste poriediameter laten alleen watermoleculen door, wat omgekeerde osmose wordt genoemd, zie ook Figuur 7. In geval van omgekeerde osmose wordt aan de zout-zijde druk aan het water toegevoegd, wat het water doet stromen. Hierdoor wordt er vrijwel ‘puur’ water geproduceerd. Het probleem van reverse osmosis (RO) filtering is dat er Figuur 7. Schematische weergave werking (omgekeerde) osmose. water overblijft met een verhoogde zout concentratie, ook wel concentraat of brijn genoemd. Voor grootschalige installaties vormt dit een probleem: lozen op oppervlaktewater of riool zal niet worden toegestaan door het waterschap en transport naar de Noordzee is erg kostbaar. Echter, vlakbij de winput is ook water aanwezig met min of meer gelijke zoutconcentraties: dieper gelegen grondwaterlagen. Door de deltavorming en aanvoer van zoet water via de rivieren is het grondwater in de bovenste watervoerende pakketten zoet geworden; daaronder is het zoute water nog aanwezig. Kerngedachte van het PURO-concept is het water te ontrekken op -70 m NAP, in de bodem te filteren met RO membranen, het concentraat te lozen op -170 m NAP en het zuivere water omhoog te pompen. In Figuur 8 is dit overzichtelijk weergeven. Zo snijdt het mes aan twee kanten: de pompkosten zijn lager en het concentraat is afgevoerd. Een laatste voordeel is het zogenaamde ‘zoethoudereffect’. Doordat er brak grondwater wordt ontrokken, stroomt er van alle zijden water richting het onttrekkingsfilter. Aan de bovenzijde vindt afpomping plaats: zoeter water wordt van Figuur 8. Werking PURO concept. boven aangetrokken, wat dus een vergroting van de zoetwatervoorraad betekent (meer water vanuit het oppervlaktewater zijgt weg). Dit is ook helder in Figuur 8 te zien. In hoeverre het zoute water uit diepere grondwaterlagen omhoog komt is erg afhankelijk van de lokale omstandigheden. Proeven op andere winvelden hebben uitgewezen dat laatstgenoemde effect niet significant aanwezig is: het gemiddelde zoutgehalte daalde zelfs gedurende de proef (Oosterhof et al., 2010, van der Valk, 2010) .

20


2012

Onzekerheden en noodzaak van verder onderzoek Bovenstaand scenario lijkt betrouwbaar, efficiënt en veilig. Er zijn echter nog onzekerheden. Normaal gesproken wordt er aan het brakke water een anti-scalant toegevoegd; een chemisch middel wat er voor zorgt dat er geen kalk neerslaat op het membraan. Dit middel injecteren in de ondergrond is vanzelfsprekend niet gewenst, en kan daardoor niet toegepast worden. Om scaling toch te voorkomen is concentratie factor al naar beneden geschroefd: geschat is dat een factor 2 mogelijk is (Wassink, 2012), tegenover de conventionele 5 (de Moel et al., 2006). Onderzoek wat nog loopt moet uitwijzen onder welke condities dit haalbaar is. Niet alleen zout wordt verwijderd uit het brakke water, vrijwel alle aanwezige stoffen worden geconcentreerd. Op basis van een door onderzoeksinstituut KRW uitgevoerd onderzoek kan gesteld worden dat de injectie van concentraat niet tot problemen leidt (KWR, 2009). Slechts drie stoffen (cobalt, ruthenium en nikkel) zullen significant in concentratie toenemen. Gezien de diepte waarop wordt geïnjecteerd en de kleine hoeveelheid stoffen die toenemen in concentratie is dit vrijwel geen bezwaar. Door middel van proeven moet nog worden vastgesteld of neerslag van oververzadigde mineralen in de diepe grondwaterlaag plaatsvindt.

Bijlage B. Rosa modelleringresultaat.

Component NH4 +NH3+ K Na+ Mg2+ Ca2+ Sr Ba CO32HCO3NO3ClF SO42SiO2 Boor CO2 TDS pH

Ruw 2.45 22.00 480.00 79.00 340.00 2.10 0.21 0.31 153.00 0.05 1530.00 0.10 25.00 15.60 0.00 10.50 2649.82 7.26

Concentraat

Permeaat

4.81 43.46 999.16 156.94 675.53 4.17 0.42 1.45 301.80 0.08 3031.72 0.20 49.84 31.01 0.00 11.00 5300.59 7.47

0.13 0.54 11.77 1.06 4.48 0.03 0.00 0.00 2.64 0.02 28.33 0.00 0.16 0.19 0.00 10.53 49.34 5.67 21

Geëiste kwaliteit ≤ 0.20 ≤ 150 Samen met Ca ≥ 1 mmol/l > 60 < 50 ≤ 150 ≤ 1.0 ≤ 150 ≤ 0.5 ≥ 7.0 en ≤ 9.5


2012

Bijlage C. Achtergrondinformatie zuiveringstechnieken Deze bijlage biedt informatie aangaande de zuiveringstechnieken die in deze scriptie gebruikt zijn. Achtereenvolgens zal behandeld worden: beluchting, zandfiltratie, ontharding, dolomietsteen filtratie, aktief kool filtratie en UV desinfectie. Beluchting Door beluchten wordt het water intensief in contact gebracht met lucht, waardoor uitwisseling van gassen plaatsvindt. CO2 en CH4 verdwijnen uit het water, terwijl O2 wordt opgenomen. Er bestaan diverse manieren om water te beluchten, zoals cascadebeluchting, versproeiing, torenbeluchting en plaatbeluchting. Belangrijk is de verhouding tussen de hoeveelheid lucht die met het water in contact wordt gebracht; RQ genoemd. In Tabel 19 is een overzicht weergegeven van de verschillende beluchtingsystemen met bijbehorende RQ-waarden. Daarnaast is weergegeven welke moleculen effectief te verwijderen/toe te voegen zijn per type beluchting. Tabel 19. Effectiviteit typen beluchting (gebaseerd op de Moel et al. (2006)). Type beluchting RQ-waarde Geschikt voor verwijdering/toevoeging van:

Cascades Torenbelucting Plaatbeluchting Versproeiing

0.4 5-100 20-60 0.5

O2 CO2, O2 CH4, CO2, O2 O2

Uit de tabel blijkt dat voor CO2 en CH4 verwijdering hogere RQ waarden nodig zijn. Zandfiltratie In het algemeen gesproken is filtratie een proces waarbij water door een poreus medium stroomt. Het filter wordt gebruikt om zwevende delen te verwijderen (zand en klei) en ijzer, mangaan, ammonium, aluminium te verwijderen. Ook worden zand filters toegepast als carry-over filter na korrelreactoren. In geval van grondwater zuivering worden ijzer (II) en mangaan verwijderd door middel van oxidatie. Hiervoor is zuurstof nodig. IJzer (II) wordt omgezet in ijzer (III)-hydroxide wat door vlokvorming in het filter achterblijft. Mangaan wordt omgezet naar mangaanoxide. Ook vinden er biologische processen plaats in zandfilters: methaan, ammonium en organische stof worden afgebroken. Methaanverwijdering door bacteriën moet echter worden beperkt, omdat die populatie zorgt voor snelle verstopping van het filter. Ammonium wordt omgezet naar nitraat. De volgende reacties vinden plaats in een zandfilter: NH4+ + 2 O2 + 2 H3O+  NO3- + 3 H2O 2 Mn2+ + O2 + 6 H2O  2 MnO2 + 4 H3O+ 4 Fe2+ + O2 + 2 H2O  4Fe(OH)3 + 8 CO2 CH4 + 2 O2  2 H2O + CO2 Met bovenstaande vergelijkingen kan berekend worden hoeveel zuurstof nodig is per hoeveelheid verwijderde stof, resulterend in de volgende waarden: 1 mg Fe2+ gebruikt 0.14 mg O2; 1 mg Mn2+ gebruik 0.29 mg O2; 1 mg NH4+ gebruikt 3.55 mg O2; 1mg CH4 gebruikt 4 mg O2. Wat duidelijk blijkt is dat voor ijzer en mangaan verwijdering niet veel zuurstof nodig is, voor ammonium en methaan (voor zover aanwezig) des te meer. Aangezien er niet veel meer dan 10 mg/l O2 in water opgelost kan worden, kan zuurstof opraken halverwege het filter, waardoor niet alle 22


2012

ammonium verwijderd wordt. Als water hoge concentraties ammonium bevat (> 2.5 mg/l), wordt vaak droogfiltratie toegepast. In dit filter is zowel water als lucht aanwezig, wat een continue toevoer van zuurstof betekent. Het water kan bovenop het filter gesproeid worden, zodat nog intensiever water-lucht contact plaatsvindt. Soms vindt er na een droogfilter nog een natfiltratie stap plaats om bacteriën te verwijderen. Modellering van zandfiltratie is tot op heden erg moeilijk gebleken. Pilot plant studies moeten uitwijzen of het beoogde resultaat haalbaar is. (de Moel et al., 2006, Huisman, 2004) Ontharding Waterontharding wordt voornamelijk toegepast voor de gebruikers: geen of verminderde kalkaanslag verlengt de levensduur van apparaten, minder detergenten zijn nodig voor reiniging en kalkaanslag op huishoudelijke producten is vermindert. Hard water wordt veroorzaakt door het verwijderen van CO2 tijdens beluchting. Hierdoor wordt het kalkkoolzuuur evenwicht verstoord, wat resulteert in neerslag van CaCO3 (kalk). Hard water kan zacht gemaakt worden door het slib proces (voornamelijk in de VS toegepast), membraanfiltratie, ionenwisseling of middels een pelletontharding in een korrelreactor. Laatstgenoemde is meest toegepast in Nederland, en wordt ook als enige technologie voor ontharding binnen Oasen gebruikt. Deze methode zal hier dan ook verder uitgewerkt worden. Het kalkkoolzuur evenwicht wordt door de volgende evenwichtsvergelijkingen beschreven: CO2 + 2 H2O <-> H3O+ + HCO3-; HCO3- + H2O <-> H3O+ + CO32-; CO32- + Ca2+ <-> CaCO3 Totaalvergelijking: CaCO3 + CO2 + H2O <-> Ca2+ + 2 HCO3Uit bovenstaande vergelijking volgt direct dat als water dat in evenwichtstoestand verkeert belucht wordt, het evenwicht naar links schuift en er dus CaCO 3 gevormd wordt. Omgekeerd geldt dat als CaCO3 wordt verwijderd (in een korrelreactor) er minder HCO 3- overblijft. Zolang er meer dan 1.0 mmol/l (liefst 2.0 mmol/l) HCO3- overblijft is er voldoende buffercapaciteit om problemen tijdens distributie te voorkomen. Een korrelreactor is een cilindervormig vat dat deels gevuld is met zandkorrels. Water wordt omhoog gepompt met een snelheid van 60 tot 100 m/h, wat ervoor zorgt dat het zand gaat zweven. Onderin de reactor wordt een base gedoseerd waardoor het oplosbaarheidsproduct van de calcium overschreden wordt en neerslaat (kristallisatie) op de zandkorrels. De korrels groeien zo in diameter, ‘pellets’ genoemd. Als base wordt vaak natronloog (NaOH), kalkmelk (Ca(OH) 2) of soda (Na2CO3) gebruikt. De keuze voor een van de chemicaliën wordt bepaald door de ruwwater kwaliteit en de gewenste kwaliteit na ontharding. Zo wordt bij gebruik van natronloog en soda natrium toegevoegd. Toepassing van soda resulteert in een gelijkblijvende concentratie HCO3- (buffer), terwijl in geval van kalkmelk veel HCO3- reageert. Ook wordt bij gebruik van kalkmelk de dubbele hoeveelheid pellets gevormd. Bij water met een lage buffercapaciteit is kalkmelk minder geschikt, soda valt af voor water met een hoog natrium gehalte.

23


2012

Dolomietsteen filtratie Dolomietsteenfiltratie wordt, naast marmerfiltratie, toegepast om water op te harden. Beide filtratieprocessen zijn feitelijk het omgekeerde van ontharding: het kan het meest effectief toegepast worden in een korrelreactor, waarbij pellets van andere zuiveringstations kunnen worden gebruikt (Bang, 2012, Reijnen en van Paassen, 1985). Vanwege de hoge investeringskosten voor korrelreactoren worden echter vaker filters gebruikt. Het doel van het proces is niet zozeer om het kalkgehalte te verhogen, maar om buffer (HCO 3) toe te voegen (zie ook de kalkkoolzuur evenwichtsvergelijking bij het ontharding proces). Bij het opharden lost de CaCO3 op in het water, waarbij HCO3- en Ca2+ gevormd wordt. Dit evenwicht is afhankelijk van de verzadigingsindex. De verzadigingsindex moet laag genoeg zijn om voldoende kalk op te lossen en zodoende te voldoen aan de eis van de buffercapaciteit: 2 mmol/l. Marmer bestaat vrijwel volledig uit CaCO3, dolomitisch gesteente bestaat voor ongeveer 50% uit CaCO3 en 50% uit MgO (na verhitting). Calciumcarbonaat lost op in het water door de aanwezigheid van CO2; naarmate het evenwicht bereikt wordt neemt de oplossnelheid af. MgO lost echter op onafhankelijk van de CO2 concentratie, waarbij de volgende reactie geldt: MgO + H2O  Mg2+ + 2 OHDoor het ontstaan van de hydroxyl-ionen wordt de pH beïnvloed. Ontzuring volgt als een reactie op het oplossen: OH- + CO2  HCO3Als de contacttijd lang genoeg duurt ontstaat er zelfs carbonaat en wordt het water kalkafzettend: OH- + HCO3-  H2O + CO32Ca2+ CO32-  CaCO3 Laatstgenoemde reacties treden niet op als de verblijftijd van water in het filter kort genoeg is. Ook moet stilstaand water voorkomen worden. (van Bennekom, 1988) MgO reageert aanzienlijk sneller dan CaCO3. Na het starten of bijvullen van het filter zal de pH dus tijdelijk hoger zijn omdat de MgO oplost. Na verloop van tijd ontstaat er een CaCO 3 laag op de korrels, wat in een stabiel oplossingsproces resulteert. Hierdoor kan proces met een marmerfilter model gesimuleerd worden. Vanwege de variërende waterkwaliteit (als gevolg van infrequent bijvullen) en het risico op samenkitting van de korrels (direct na bijvullen) heeft drinkwaterbedrijf Vitens besloten de dolomietfilters op termijn te vervangen door marmerfilters voor het ontzuren van het agressieve grondwater (Gude et al., 2011). Vitens is hiertoe in staat omdat geen membraanfiltratie is toegepast, wat betekent dat er geen magnesium is verwijderd. In geval van opharden van permeaat is echter niet alleen de hardheid en verzadigingsindex van belang; ook het magnesium gehalte moet verhoogd worden (Drinkwaterbesluit).

24


2012

Aktief kool filtratie Aktiefkool filters worden gebruikt om kleur, geur en organische microverontreinigingen (pesticiden, medicijnresten etc) uit het water te verwijderen. Aktief kool filtratie is gebaseerd op adsorptie: de verontreinigingen worden geadsorbeerd door de kool. Onderscheid wordt gemaakt tussen poederkool en korrelkool. Laatstgenoemde kan in een filter gebruikt worden en is daardoor geschikt voor een continu proces. Deze methode is ook het meest toegepast in de drinkwatersector. De kool bezit door verhitting poriën, wat het actieve adsorptieoppervlak vergroot. De affiniteit van elk specifieke verontreiniging voor adsorptie kan vastgesteld worden, waaruit een benodigde contacttijd voor voldoende verwijdering bepaald kan worden. Dit is echter een erg arbeidsintensief proces; vaak wordt binnen een drinkwaterbedrijf een minimum contacttijd bepaald: in geval van Oasen is dat 15-20 minuten. Na een bepaalde tijd is de kool verzadigd en moet ververst worden. Binnen Oasen wordt de kool na 37.500 bedvolumina ververst. UV desinfectie UV desinfectie heeft als doel om micro-organismen uit te roeien en is gebaseerd op het opzettelijk veranderen van DNA en RNA structuren daarvan. Hierdoor blijven ze wel leven, maar zijn niet in staat te reproduceren. De gevoeligheid van de micro-organismen voor UV straling varieert per soort, en sommigen hebben een DNA herstel mechanisme. Een contacttijd van 3-5 seconden is vaak voldoende om vrijwel alle micro-organismen uit te schakelen. De UV lampen zijn erg gevoelig voor zgn. fouling: er slaan stoffen neer op de lamp wat de efficiency sterk doet dalen. Hetzelfde geldt voor troebel water. Om bovengenoemde redenen wordt UV vaak als een van de laatste stappen van het zuiveringproces ingezet.

25


2012

Bijlage D. Waterkwaliteitsverloop per zuiveringsstap Alle concentraties zijn weergegeven in mg/l Scenario 1 parameter Modelleer software NH4+ K+ Na+ Mg2+ Ca2+ HCO3Fe2+ Mn2+ NO3ClCO2 SO42pH O2 SI

PURO ruw water 2.45 22.0 480 79 340 153 4.9 0.40 0.05 1530 10.5 25.0 7.26 <1 0.11

Scenario 2a en 3a parameter PURO permeaat

NH4+ K+ Na+ Mg2+ Ca2+ HCO3Fe2+ Mn2+ NO3ClCO2 SO42pH O2 SI

Modelleer software

PURO permeaat

Torenbeluchting

Zandfiltratie

ROSA 0.13 0.54 11.77 1.06 4.48 2.64 <0.2 <0.05 0.02 28.33 10.53 0.16 5.67 <1 -4.76

Stimela & Aquacalc 0.13 0.54 11.77 1.06 4.48 2.51 <0.2 <0.05 0.02 28.33 0.63 0.16 6.88 10.5 -3.57

< 0.02 0.54 11.77 1.06 4.48 2.51 <0.2 <0.05 0.02 28.33 0.63 0.16 6.88 10.0 -3.57

CO2 dosering (6.49 mg/l)

Dolomietsteen filtratie

Cascade beluchting

ROSA

Aquacalc

PHREEQC

0.13 0.54 11.77 1.06 4.48 2.64 <0.2 <0.05 0.02 28.33 10.53 0.16 5.67 <1 -4.76

0.13 0.54 11.77 1.06 4.48 2.71 <0.2 <0.05 0.02 28.33 17.21 0.16 5.48 <1 -4.93

0.13 0.54 11.77 11.09 23.52 59 <0.2 <0.05 0.02 28.33 0.43 0.16 8.42 <1 0.0

Stimela & Aquacalc <0.10 0.54 11.77 11.09 23.52 58 <0.2 <0.05 0.02 28.33 0.22 0.16 8.4 10.2 0.1

26


2012

Scenario 2b en 3b

Conventioneel gezuiverd water parameter


Modelleer software

Ruwwater (Hazerswoude)

Toren beluchting

Droogfiltratie

Ontharding en CO filter

- Aquacalc

Stimela & Aquacalc 5.2 16.5 100 32.9 175 491.3 5.5 1.1 <1 155 4.9 218 8.24 10.5 1.40

-

Stimela & Aquacalc <0.1 16.5 229 32.9 20 146.0 <0.2 <0.05 17.3 155 0.95 218 8.43 8 0.19

5.2 16.5 100 32.9 175 500 5.5 1.1 <1 155 85.6 218 7 <1 0.18

<0.1 16.5 100 32.9 175 491.3 <0.2 <0.05 17.3 155 4.9 218 8.27 8 1.40

PURO permeaat behandeling en menging met conventioneel gezuiverd water parameter

Modelleer software


PURO ruw water

PURO permeaat

Toren beluchting

Loog dosering (1.5 mg/l)

Menging met conv. gezuiverd water

-

ROSA

Aquacalc

Aquacalc

2.45 22.0 480 79 340 153 4.9 0.40 0.05 1530 10.5 25.0 7.26 <1 0.11

0.13 0.54 11.77 1.06 4.48 2.64 <0.2 <0.05 0.02 28.33 10.53 0.16 5.67 <1 -4.76

Stimela & Aquacalc 0.13 0.54 11.77 1.06 4.48 2.51 <0.2 <0.05 0.02 28.33 0.63 0.16 6.88 10.5 -3.57

0.13 0.54 12.63 1.06 4.48 2.93 <0.2 <0.05 0.02 28.33 0.00 0.16 9.61 10.5 -0.78

<0.1 11.2 148.9 19.3 14.3 93.1 <0.2 <0.05 11.4 108.1 0.47 137.4 8.55 8.8 0.01

27


2012

Bijlage E. Werkelijke debieten en filtratiesnelheden per zuiveringsstap en scenario In Tabel 20 is een overzicht gepresenteerd van de werkelijke debieten per processtap, waarbij de spoelwaterverliezen zijn meegerekend. Tabel 20. Overzicht debieten per processtap en per scenario.

PURO put conv put

Verlies per procestap [%] 0 0

1 [m3/h] 400

torenbeluchter natfilter

1 1

396 396

Dolomietfilter cascades natfilter

0 0 1

torenbeluchter droogfilter pelletreactor carry-over filter AKF Totaal

3 3 0 3 0 --

2a [m3/h] 350

2b [m3/h] 125 240

3a [m3/h] 170

124

49

350 350 347

396.0

3b [m3/h] 50 134

170 170 168 233 226 226 219 219 343

347

168.3

130 126 126 122 122 171.8

Gebaseerd op de gegevens in voorgaande tabel zijn in Tabel 21 de filtratiesnelheden weergegeven per processtap. De snelheden zijn weergegeven voor normale condities en voor het geval 1 filter/reactor buiten werking is. Deze tabel dient gelezen te worden samen met Tabel 6. Tabel 21. Overzicht filtratiesnelheden per zuiveringsstap onder normale proces omstandigheden en gedurende de tijd als 1 filter terugspoelt [m/h]. Scenario: 1 2 3 4 5 [m/h] [m/h] [m/h] [m/h] [m/h]

Zuiveringsstap: torenbeluchter Natfilter Dolomietfilter Natfilter

std 69.2 13.2

-1 92.2 19.8

std

-1

8.74 11.5

11.7 17.3

std 50.4

Torenbeluchter Droogfilter Pelletreactor Carry-over filter Aktiefkoolfilter Ad bij table 1: std= standaard omstandigheden,

-1 100.8

std

-1

8.5 8.4

17.0 16.8

std 40.3

-1 nvt

39.2 2.8 56.2 7.3

49.0 3.2 112.9 10.9

36.5 2.5 66.3 6.1

54.7 3.1 132.7 12.2

4.4

5.5

4.1

6.1

-1= filtratiesnelheden als 1 filter terugspoelt.

28


2012

Bijlage F. Schetsen implementatie op zuiveringstations Scenario 1 In onderstaande figuur is een kaart weergegeven van SPS Zoeterwoude, met daarbij aangegeven het stuk grasland wat een erg geschikte locatie zou zijn voor de industriewaterwinning. Hiervoor dient wel grond aangekocht te worden.

Scenario 2a Scenario’s 2a en 2b zijn alleen geschetst voor Hazerswoude; op Alphen a/d Rijn is niet genoeg grondoppervlak beschikbaar. Voor scenario 2a zijn eigenlijk 18 PURO putten gepland, al ‘passen’ er maar 15. Dat is wel voldoende voor 3 M m3/a, alleen zonder reserveputten.

Scenario 2b

29


2012

Scenario 3a In onderstaande afbeeldingen is een schets weergegeven van scenario 3a waarbij op beide winlocaties 1.5 M m3/a wordt geproduceerd met behulp van alleen PURO winputten. Op Alphen a/d Rijn is dit echter niet geheel mogelijk. Er is slechts plaats voor 8 putten, terwijl er 10 nodig zijn. Echter: hiervan zijn er 3 reserve, waardoor de 1.5 M m 3/a productie wel mogelijk is, maar vatbaarder voor storingen.

Scenario 3b In onderstaande figuren is geschetst hoe conventionele zuivering en PURO winning gecombineerd kunnen worden om 1.5 M m3/a drinkwater te produceren op Alpen a/d Rijn en Hazerswoude.

30

Delft University of Technology Faculty of Civil Engineering and Geosciences Department of Water Management Section of Sanitary Engineering Stevinweg 1 2628 CN Delft www.sanitaryengineering.tudelft.nl

Nieuwe kansen voor het PURO-concept

Recommend Documents