Oude wijn in nieuwe zakken bij filtratie op rwzi’s Auteur: Nico Wortel, Ruud van Dalen, Lukas Schoenmakers Bedrijfsnaam: Grontmij, Waterschap Veluwe, Volker Wessels Water Automatic backwash filtratie voor polishing van de afloop van de nabezinktanks, oftewel:
Oude wijn in nieuwe zakken bij filtratie op rwzi’s InleIdIng De introductie van de Europese Kaderrichtlijn Water is mede een drijvende kracht geweest achter de inspanningen die vele Nederlandse Waterschappen zich momenteel getroosten om studies te doen naar en installaties te bouwen voor het verder verbeteren van de kwaliteit van de afloop van de nabezinkers. Veelal wordt hier gekeken naar diverse filtratiesystemen geschikt voor het verlagen van de fosfaat- zowel als de nitraatbelasting van het oppervlaktewater.
Uit diverse bronnen blijkt dat het filtratiesysteem automatic backwash filtratie hier een rol zou kunnen spelen. De geschiedenis van dit in Nederland niet bekende filtersysteem staat beschreven in STOWA rapport 21-2006 ‘Filtratietechnieken rwzi’s’. Belangrijke drijfveer om meer over deze techniek te weten, is de claim op aanzienlijk lagere investeringskosten, laag energieverbruik en uitstekende filtraatkwaliteit. Waterschap Veluwe heeft deze techniek naast discontinue en continue filtratie in een zeven maanden durend proefonderzoek beproefd. (Zie Neerslag 2007, Nr 1, pp. 47-57) op rwzi Harderwijk (Zie figuur 1). Tijdens dit onderzoek is een proeffilter gebruikt dat de bekende nadelen van het oorspronkelijke ontwerp (patent verlopen in de 60er jaren van de vorige eeuw) reeds onderving. Zo werd gebruik gemaakt van een doppenbodem (Zie figuur 2), dubbellaags filtervulling met middelfijn filtermateriaal en – volgens ons de belangrijkste feature – een luchtspoeling na een vooraf in te stellen aantal waterspoelingen (Zie figuur 3). De genoemde voordelen bleven overeind omdat het filter bleek te kunnen werken op de voor dit type hoge filtratiesnelheid van 6,7 m/h bij vier spoelingen per 24 uur. De gemiddelde filtraatkwaliteit (Totaal-P 0,12 mg/l) stak gunstig af bij die van de andere beproefde filtertypen (Totaal-P 0,14 mg/l). Ook de stabiliteit van het filtratieproces bleek groot. Tijdens de 7 maanden durende proeven bleek dit filter (op basis van 24 uurs bemonstering) tweemaal een onverklaarbare verstoring in het proces te hebben gehad. Voor normale dubbellaagsfiltratie was dit driemaal en voor het moving bedfilter 11 maal. Technologisch gesproken had het filter succesvol zijn proeve van bekwaamheid afgelegd in een proefinstallatie gevoed met de afloop van de nabezinktank op een Nederlandse rwzi. Het werd dus eens tijd om bij full scale installaties te gaan kijken hoe de vlag er technisch bij hangt en in hoeverre de operationele praktijk te vertalen is naar de Nederlandse situatie. De dichtstbijzijnde installaties zijn gesitueerd in de buurt van Londen. Indachtig de wijze van Brits onderhoud (liever niet en roest bevat ook een hoop metaal) is een kleine Dutch delegation naar Thames Water gevlogen om te kijken of de daar aanwezige filterinstallaties geschikt waren om bezichtiging door een breder Nederlands publiek te kunnen doorstaan. Dit bleek het geval. Onze beminnelijke Britse gastheren legden alles haarfijn uit en operators konden naar hartelust commentaar leveren op hun installaties, juist daar leer je het meest van. ThAmes WATer Thames Water is een waterbedrijf gesitueerd rond Londen en Zuidoost Engeland dat zowel afvalwaterzuivering als drinkwaterbereiding voor zijn rekening neemt. Met zijn 13 miljoen afvalwater- en wat minder drinkwaterklanten en 4000 medewerkers is het de grootste in Groot Brittanië. Men beheert 351 Sewage Treatment Works (STW’s) en 100 drinkwaterproductiebedrijven. Binnen het gebied ligt 31.000 km drinkwaterhoofdleiding en 66.000 km riool. Figuur 4 geeft de geografische positionering van Thames Water. De rode lijn omgeeft het totale riolering- en afvalwatergebied. De grijze gebieden zijn de drinkwaterleveringsgebieden.
Figuur 4. Geografische ligging van de drinkwater en afvalwaterzones van Thames Water.
De geschiedenis van de Londense drinkwatervoorziening begint rond 1600 waarbij door middel van een gegraven 40 km lang kanaal bronwater vanuit Herfordshire wordt aangevoerd. Tweehonderd jaar later is de watervoorziening door de ernstige vervuiling van de Thames met afvalwater in gevaar. Diverse uitbraken van cholera en het inzicht dat dit een ‘waterborne disease’ was resulteerden in het aanleggen van hoofdriolen die het afvalwater naar opslagbekkens met een verblijftijd van 9 uur voerden. In 1874 was dit systeem operationeel. In de loop van de volgende 100 jaar ontstaan zo een 180 organisaties, die zich met drink- en afvalwater bezig houden, meestal privaat bezit. Door de Waterwet van 1973 gingen deze kleinere organisaties op in 10 ‘Water Authorities’, publieke organisaties.
Door de Waterwet van 1989 konden deze organisaties worden geprivatiseerd. Thames Water kon door deze privatisering grote investeringen doen in drink- en afvalwatervoorzieningen in Engeland en wereldwijd expanderen in onder meer Thailand, China, Australië, Turkije, Indonesië, Chili, Polen, Duitsland, Spanje en Noord-Amerika. Momenteel levert Thames Water drink- en afvalwaterdiensten aan 70 miljoen consumenten in 60 landen. Even terug naar Engeland, waar men, ondanks de enorme investeringen waar men graag over spreekt, nog wel wat heeft te doen. Van de 351 STW’s is globaal de helft uitgerust met oxidatiebedden en de andere helft met actief slibsystemen. Van alle STW’s is circa 10% voorzien van nabehandeling in de vorm van filtratie. Fosfaatverwijdering in de actief slibsystemen gebeurt meestal chemisch door dosering van het (goedkope) ijzer(2)sulfaat in de beluchting. De slibbelasting en oppervlaktebelasting van de nabezinkers kiest men hoger dan in Nederland gebruikelijk is en men heeft regelmatig last van slibverlies uit de nabezinktanks. Voor de nafilters worden geen vlokmiddelen gedoseerd, hetgeen ook niet nodig is, gezien de redelijk milde eisen voor lozing op de Thames. De filtratiesnelheden in nageschakelde filters kiest men zeer laag, omdat de energiekosten voor het oppompen van water moeten worden geminimaliseerd. Dat daardoor een 5-10 maal zo grote filterplant nodig is, neemt men voor lief. Een vergelijking tussen de Nederlandse en Britse situatie wat betreft het bedrijven van de actief slib- en nageschakelde filterinstallaties is opgenomen in tabel 1. Tabel 1 Vergelijking tussen Thames Water en Nederland; actief slib en filtratie. Topic
GB Thames Water
Nederland
Slibbelasting (kg BOD/kg slib.dag)
0,10-0,12
0,05 - 0,07
Oppervlaktebelasting nabezinktank (m/h) 1,0 - 1,2
0,7 - 1,0
Fosfaat in ruw afvalwater (mgP/l)
10 - 12
5-6
Fosfaatverwijderingmechanisme
Chemisch
Biologisch / chemisch
Fosfaat uit nabezinker (mgP/l)
1-2
0,2 - 1,5
Filtratie (% hoofdstroom)
40
80 - 100
Vlokmiddel en coagulatie voor filtratie
Nee
Ja
Oppervlaktebelasting filters (m/h)
1,5 - 2
6 - 20
Bovenwaterstand filters (m)
0,15
1,2 - 1,5
Verwijdering fosfaat in filters (%)
0
80 - 90
Verwijdering zwevende stof in filters (%) 40 - 50
80 - 95
Filterspoelen voorzien van
luchtspoeling
chloorbleekloog
Bezoeken AAn de fIlTerplAnTs Op twee dagen is een viertal installaties bezocht. Drie ervan waren uitgevoerd met automatic backwash filters en één met een schijvenfilter. Een verwijderingsrendement van 40-50% van de zwevende stof en 0% van de fosfaat was het beoogde doel van deze filters om aan de eisen voor lozing op de Thames te voldoen. Daarom gebruikt men ook geen vlokmiddelen vlak voor de filtratie. In volgorde werden bezocht de installaties Maple Lodge, Hogsmill (Kingston Upon Thames), Maidenhead en Slough. Van het verwachte Engelse gebrekkige onder-
Figuur 5. Mosbegroeing op STW Maidenhead. Figuur 6. Slijtage en ‘reparatie’ betonnen rand nabezinktank. houd was niet veel te merken. Een paar plaatjes konden deze kritische Hollanders gelukkig wel maken (Zie figuren 5, 6, 7), hoewel het niet afbreken van de oude verlaten zuiveringswerken op Hogsmill nu niet echt achterstallig onderhoud kunnen worden genoemd. Bij alle bezochte installaties functioneerde de filtratie naar behoren. Men vond alleen dat het onderhoud van de automatic backwash filters relatief duur was. Daarom was men gelukkiger met de nieuwe schijvenfilters op STW Slough. Een nadere analyse leerde dat de jaarlijkse onderhoudskosten worden geschat op minimaal € 180.000,-. Deze kosten hebben echter betrekking op 8 filters met een oppervlak van 1200 m², waaruit kan worden gecalculeerd dat het onderhoud zo een 1,5% van de investering is, hetgeen op zich normaal is. Het doel van het bezoek was uiteraard om te leren van wat de bedrijfsvoerders ons over het onderhoud vertelden, dit te relateren aan het proefonderzoek in Harderwijk en zo een beter, onderhoudsarmer ontwerp te kunnen maken. De acht filters op STW Maple Lodge (Zie figuur 8) hadden ten opzichte van het oorspronkelijke ontwerp de volgende modificaties: De bekabeling liep door
Figuur 9. Kabelgeleiding stroom- schakeldra-Figuur 10. Zijspoelpomp STW’s Maple den rijdende brug STW Maple Lodge. Lodge en Hogsmill. een goot langs de rails en het spoelen door de afzuigpomp werd ondersteund door een filtraatpomp die elke individuele cel opwaarts doorstroomde. De cellen werden zo zijdelings onder enige overdruk van spoelwater voorzien. Beide modificaties waren niet zo succesvol en zijn in latere ontwerpen niet gehandhaafd. Back to basics dus. De kabels over de grond voor de stroomvoorziening naar de rijdende brug (travelling bridge) kunnen gemakkelijk beschadigen, met name bij vorst (Zie figuur 9). De zijdelingse spoelpomp (gepatenteerd, zie figuur 10) zorgt voor een niet gemakkelijk spoelen, het hydraulisch profiel in de filtercel is slecht, hetgeen tot zandverlies kan leiden. Deze toevoerpomp van filtraat naar de individuele filtraatruimte onder elke cel is niet afgestemd op de capaciteit van de afzuigpomp. Hierdoor wordt slib uit de cel deels weer terug het filter ingeblazen. Blad en twijgen van vele omringende bomen geven storingen in pompen. In de zomer drijven algen op de filters. De later gebouwde filterplant van Maidenhead kende weer de normale kabelgeleiding, namelijk een spanlijn geleiding in de lucht en geen zijpomp voor het filterspoelen (Zie figuur 11). Zowel continue bedrijfsvoering van de brug als discontinue bedrijfsvoering is mogelijk. Een continue bedrijfsvoering lijkt nogal wat spoelwater te produceren. De drijvende kracht voor de filtratie is slechts 15 cm bovenwaterstand. De filters zijn op alle bezochte plants gevuld met een middelfijn zand van 0,8-1,5 cm. De cellen zijn 450 mm breed.
Figuur 12a en b. Poreuze bodemplaat alle automatic backwash filters Thames Water. De filterbodem bestaat uit poreuze plastic plaat geperst uit afvalplastic. Deze bodem is verstopping- en breukgevoelig. Het gevolg is zand in de filtraatruimte en de noodzaak om regelmatig chloorbleekloog te doseren. (Zie figuur 12 en 13). Een belangrijk aandachtspunt is het genoemde scheeftrekken van de rijdende bruggen in de winter. Dit treedt op vanwege de gladde railsgeleiding. Een tandradbaan met tandwielen kent dit probleem niet. Ook het wat verder laten uitsteken van de geleiderollen en/of overkapping van de filters voorkomt scheeftrekken.
De installatie van STW Slough is in 2006 voor 18 miljoen euro uitgebreid en gemoderniseerd. Naast een nieuw verdeelwerk, aëratiebassins met diffusorbeluchting nabezinktanks wordt de afloop van de nabezinktanks door schijvenfilters geleid. De nabehandeling is uitsluitend bedoeld voor verwijdering van zwevende stof en geschiedt met schijvenfilters in 3 eenheden, totale capaciteit 2100 m³/h (Zie figuur 14 en 15). Elke eenheid bevat 20 schijven met gaatjes van 10 ?m. Er is geen flocculatie vooraf, alleen een ss-reductie van ca. 50% (14 mg/l naar 7 mg/l, valt tegen). Het gehalte aan zwevendestof in het filtraat bedraagt 7-10 mg/l.
Samenvattend worden de ontwerpen van de bezochte filterinstallaties in tabel 2 opgenomen. Tabel 2. Ontwerpaspecten automatic backwash filter / schijvenfilters Thames water. Sewage Treatment Works
Popu lation equiva lents
Gemid deld Filtratie uurdebiet debiet (m³/h) (m³/h)
Aantal filters
Opper vlakte filters (m²)
Filtratie snel heid (m/h)
Maple Lodge
550.000
5000
2500
8
1200
2,1
Hogsmill
350.000
3200
1600
6
900
1,8
Maidenhead
67.000
1080
430
2
300
1,5
Slough
226.000
2500
2100
3
120*
18
*schijvenfilters doekoppervlak
De geconstateerde bedrijfsvoeringsaspecten van de filters worden in tabel 3 opgenomen. Tevens wordt aangegeven hoe we onder Nederlandse condities hier mee om zouden gaan. De geconstateerde niet optimale bedrijfsvoeringsaspecten kunnen o.i. met een goed ontwerp allen gemakkelijk worden voorkomen. De drie bezochte automatic backwash filter plants zouden onder Nederlandse condities tot 7000 m³/h kunnen filtreren. De kleinste installatie bij STW Maidenhead (2 filters)nog altijd zo een 1800 m³/h. Het gemelde onderhoud komt op circa 1,5% van de investering. (Conform STOWA 21-2006 zijn de investeringkosten voor een slechts 200 m² filtersysteem circa € 7 miljoen.) Hierbij wordt aangetekend dat het meeste onderhoud in een optimaal ontworpen installatie achterwege kan blijven. Met name valt te denken aan scheeftrekken van de rijdende brug, de regelmatige reparatie van defecte filterbodems, zandvervanging en pompverstopping (Zie figuur 16).
De bezochte installaties worden voornamelijk ingezet om de onvoldoende werking van de nabezinktanks te compenseren. Vlokkings- of vlokkenfiltratie wordt nergens toegepast. Tabel 3. Vergelijking tussen Thames Water en Nederland; bedrijfsvoeringsaspecten. Topic
GB Thames Water
Nederland
Rendement zwevend stof Laag en P-verwijdering
Vlokmiddeldosering en goede menging voor filtratie
Breukgevoeligheid kabels Over de grond in de winter
Door de lucht
Filterspoelen
Soms met zijpomp
Zonder zijpomp conform oorspronkelijk ontwerp
Filterbodems
Poreus, zwak
Scheeftrekken brug bij ijsvorming
Gladde rails
Rails met geleiding
Pompverstopping door blad en twijgen
Open filters
Overdekken / roosters
Onderhoud kabelgeleiders
Nauwelijks
Onderhoudskosten (per Lage filtersnelheid = m³ gefiltreerd water) zijn zeer groot relatief hoog filteroppervlak
Stevig met doppen of spleten
Onderhoudsbordes in ontwerp 4-5 maal hogere filtratiesnelheid toepassen, betere filterbodems
Alg en drijfvuil in aanvoerkanaal
Handmatig verwijderen Voorkomen en/of verwijderen met overstortconstructie/vuilwaterpomp
Filterspoelen
D.m.v. afzuiging vanaf Spoelprogramma met lucht en de brug, soms zijinvoer water aanbrengen filtraat
De conclusie van het bezoek kan zijn dat automatic backwash filtratie zowel technisch, kwalitatief als economisch een bruikbare methode is om onder Nederlandse omstandigheden de afloop van nabezinkers te filtreren. Nico Wortel (Grontmij), Ruud van Dalen (Waterschap Veluwe), Lukas Schoenmakers (Volker Wessels Water). Neerslag III-2007
Bureau KVWN/NVA T.a.v. Redactie Neerslag
Sir Winston Churchilllaan 273 2288 EA Rijswijk Postbus 70 2280 AB Rijswijk Tel. 070 414 47 78 Fax 070 414 44 20 E-mail:
[email protected]
