TVM Vann og miljøteknikk

Presentasjon om: "TVM Vann og miljøteknikk"— Utskrift av presentasjonen:

1 TVM4101 - Vann og miljøteknikk
Vannforsyning og avløp Fysiske + fysiokjemiske vannrensemetoder (uke 15: 2008) Foreleser: Prof. TorOve Leiknes TorOve Leiknes

2 VANNFORSYNING OG AVLØP
Vannkilde Vannrense - anlegg Pumpe- stasjon Vann reservoar Vann distribusjon, innsamling av avløpsvann Rensing av Resipient Overflatevann, overløp, urban hydrologi Vannkilde - Vannkvalitet Beskyttelse Regulering Vannbehandling Endring av vannkvalitet Prosessteknikk Transport- system Materialvalg Energibruk Forbruksmønster Utjevningsvolum Styring/kontroll Overvåking Distribusjons- og oppsamlingsnett Trykkforhold Urban avrenning Overløpskontroll Diffus forurensning Overløpsrensing Avløpsrensing Slamdisponering Gjenbruk Forurensning Rekreasjon

3 Kilde / kvalitet / behov → rensemetode
Vannrensemetoder Vi renser vann for: Drikkevannsbehandling Avløpsrensing Tre hovedgrupper av metoder Fysiske vannrensemetoder Kjemiske vannrensemetoder Biologiske vannrensemetoder Kilde / kvalitet / behov → rensemetode

4 Vannkildekarakteristika
KARAKTERISTIKK OVERFLATEVANN Partikler Humus Hygiene O2 Fe/Mn Annet * Store, dype innsjøer ++ +/ /- + Kaldt vann * Små tjern og vann + --/ /- Alger, L/S * Eutrofe innsjøer / Alger, L/S * Elver / /- Lukt,smak * Bekker / /- Lukt, smak GRUNNVANN * Grunnvann i løsmasser Ca/Mg, NO3 * Grunnvann i fjell / /- Radon, fluor * Kunstig infiltrert vann /+ -/+ Overfl.vann karaktér Store dype sjøer (max dybde>20m og avg. >10m)er ofte veldig bra kilder og det vi ser etter først (Ransfjorden, tyrifjorden, mjøsa, holsfjorden) men det av henger også av nedslagsfeltet som man burde ha bra kontroll på (urbanisering, jordbruk etc etc Gjærsjø og vannsjø i Østfold er dette et stort problem) Grunnvann i løsmasser er kanskje det vannet som er ’renest’ hvis det er økonomisk å hente opp i forhold til andre vannkilder, og ved bruk av grunnvann er det også viktig at beskyttelse av kilden blir om enda viktigere. Kunstig infiltrert grunnvann kan være en ’billig’ måte å forbehandle overfalte vann på (tegne oppsett med inntak fra elvebredden)

5 Drikkevannsbehandling
Typisk drikkevannsbehandling for elvevann Enklere systemer kan brukes hvis råvannskilden er bra kvalitet

6 Hva inneholder avløpsvann?
Partikulært stoff/Løst stoff (>1µm/< 1µm) Partikler - suspendert stoff % 0 % Organisk stoff - BOF/KOF % % Næringsstoffer - fosfor/nitrogen % % Patogene mikroorg.–bakt./virus/parsitter % % Tungmetaller - Cd, Pb, Hg etc % % Organiske miljøgifter - PAH, PCB etc % % Det er hensiktsmessig å skille mellom partikulære stoffer og løste stoffer – spesielt med tanke på valg av renseprosess

7 Hvorfor må vi renseavløpsvann ?
Forurensnings- effekt Årsak – overbelastning av Rensetiltak Nedslamming Partikulært stoff Primærrensing Sapprobiering Organisk stoff Sekundærensing Eutrofiering Ferskvann Saltvann Næringsstoffer Fosfor Nitrogen Tertiærrensing Fosforfjerning Nitrogenfjerning Hygienisk Kontaminering Patogene mikroorg. Bakterier Virus Parasitter Partikkelfjerning Desinfisering Rensing av kommunalt avløpsvann i Norge er primært rettet mot å hindre nedslamming, sapprobiering og eutrofiering

8 Ulike metoder for rensing av avløpsvann
Forbehandling (fjerning av avløpssøppel) Siling av avløpssøppel (> 1 mm lysåpning) Primærrensing (fjerning av suspenderte partikler > m ) Mekanisk rensing (Sedimentering av slampartikler evt siling med < ca 0.3 mm lysåpning) Sekundærrensing (fjerning av kolloidale og løste organiske stoffer) Kjemisk rensing (utfelling + slamavskilling) Biologisk rensing (mikrobiell omsetn.+slamavsk) Tertiærrensing (fjerning av kolloidale og løste næringsstoffer, P og N) Biologisk/kjemisk u/N-fjerning Biologisk/kjemsik m/N-fjerning Biologisk m/P- og N-fjerning

9 Avløpsrensing Renseanlegg for kommunalt avløpsvann
Grad og valg av rense metode avhenger av vannets sammensetning og resipienten

10 Avløpspolitikk Aktuelle ideologier Gjelder for EU og Norge
1. SELVRENSNINGS-ideologien The solution to pollution is dilution” “Low technology solution” 2. RESIPIENTTILPASSNINGS- ideologien. Minstekrav til rensing “Cost-benefit solution” 3. FØRE VAR - ideologien Tvil skal komme resipienten til gode “Best available technology solution” Gjelder for EU og Norge Resipientorientert politikk “Tiltak og ambisjonsnivå skal velges ut fra resipientens tilstand og en avveining mellom tiltakenes kostnad og de bruker- og verne-interessene som er knyttet til resipienten” (Offisiell, norsk politikk) Minstekrav til rensing Det settes minstekrav til rensing ut fra en karakterisering av resipientens tilstand

11 Forvaltning av utslippsaker
Miljøverndepartemenet (ankeinstans saker under SFT og FM SFT Fylkesmannen (Miljøvernavd) Kommunen Industriutslipp Normer og retn. linjer også for kommunale utslipp Kommunale utslipp > 2000 personer (utslipp til ferskvann) > personer) (utslipp til sjø) Kommunale utslipp < 2000 personer (utslipp til ferskvann) < personer (utslipp til sjø)

12 Områdeinndeling og normale krav
Følsomt område (>2000 pe): Ferskvann og elvemunning Sekundærrensing P-fjerning Evt. N-fjerning (Oslofjord) Normalt område Mindre følsomt område (>10000 pe) Mulighet for unntak (krav redusert til primærrensing) <2000 pe: Mekanisk rensing

13 Definisjoner på standardkrav til rensing
Disse kravene tar utgangspunkt i EU’s avløpsdirektiv som gjelder tettbebyggelser > til ferskvann og > til sjø) Renseprosess Maks. konsentrasjon Minste %-reduksjon Primærrensing1) BOF5: 40 mg/l SS : 60 mg/l 20 % 50 % Sekundærrensing1),3),4) BOF5: 25 mg/l KOF : 125 mg/l 70 % 75 % Tertiærrensing2),4) Tot P : - Tot N : - 90 % 1)Maks 3(2) av 24(12) prøver kan være dårligere enn kravet (87,5 (83,3) % innenfor) 2) Kravene er basert på årlig middelverdi 4) Kons.- eller %-kravet for både BOF og KOF må oppfylles (evt % v/BOF og kons. v/KOF) 5) Ingen enkeltprøver tillates å overstige 100% av kravverdien mht BOF eller KOF

14 Hva kommunalt avløpsvann inneholder
Fordelt på partikkelstørrelse Sedimentér- Suspendert Løst bart stoff stoff stoff (> 100 m) (> 1.0 m) (< 0.1 m) Partikler % % % Organisk stoff - BOF/KOF 25 % 75 % % Næringstoffer – P/N 25/15 % 40/30 % /70 % Bakterier/virus % 99 % % Tungmetaller % 75 % % Organiske miljøgifter 20 % 80 % %

15 Oversikt over rensemetoder
og renseeffekter Renseeffekt,% SS BOF P N <20 <15 <10 10 Primærrensing Siling(1,5mm) Sediment. Sekundærensing Kjemisk Biologisk Tertiærrensing Grå – mekanisk Rød – sedimentering Gul – kjemisk (fin partikulært kolloidal) Grønt – biologisk Piler – kjemikalie dosering Biol/kjem u/N-fjern. Kjem/biol. m/N-fjern.

16 Avløpsrenseanlegg i Norge, 2002

17 Avløpsmengder og variasjonen i disse
En av de største utfordringene ved prosjektering og drift av avløps- renseanlegg er det faktum at vannmengden og sammensetningen av vannet varierer – over døgnet, over uken, over årstiden og over året Typiske variasjoner i midlere vannmengde over døgnet

18 Spesifikke mengder (avløpsvann):
Spesifikk avløpsmengde fra husholdninger: Dimensjoneringsretningslinjene Vanlig målt 200 l/p.d – 180 l/p.d Spesifikke forurensningsmengder fra husholdninger Dimensjoneringsretningslinjene Vanlig målt BOF5 : 60 g/p. d (ca 70 g BOF7/pe.d) g BOF7/pe.d Total P: 2,5 g/p. d 1,5-2,0 g P/p. d Total nitrogen : 12 g/p. d g/p. d Suspendert stoff : 80 g/p. d 60 – 80 g/p. d Avløpsvannet fra tettsteder består i tillegg til avløpsvann fra industri og institusjoner samt fra innlekking og infiltrasjon

19 Fysiske vannrensemetoder
Silanlegg vannbehandling avløpsbehandling Sedimentering / flotasjon Filtrering – hurtig / dybde igjennom granulært media Membranfiltrering

20 Vannbehandling - SILANLEGG
Siling brukes primært som forbehandling for å hindre partikler å skape problemer i etterfølgende behandlingstrinn. Kan imidlertid i enkelte tilfeller også være eneste behandlingstrinn Ulike typer av siler benyttes Grovsil (stavsil: 2-4 mm lysåpn) - for å fraseparere større gjenstander Stasjonær Finsil (duksil: mm) - for å separere relativt store partikler Roterende Mikrosil (duksil: m) – for å separere alger og andre små partikler Stasjonær – trykksil Roterende – trykklinja brytes Siling er det første steget i vannrensing og gjøres ved alle anlegg. Dette er primært forbehandling men i noen få tilfeller der vannverket er lite og kilden veldig ren, kan silen montres rett på trykk linjen og være eneste form for behandling. Det finnes 3 hovedgrupper siler; Grovsil som er en stavsil med 2-4mm lysåpning – den er stasjonær og laget for å fjerne større gjenstander i vannet (fisk, kvist, etc), typisk gjennomstrømmingshastighet er mm/s og på små vannverk er den gjerne montert direkte på inntakslinjen, mens den på større anlegg er utformet som vertikale staver i eget silkammer ved inntaket. Finsiler som har mm åpning er gjerne å finne på alle vannverk som bruker overflatevann som kilde. Dette er en duk som er oppstrammet på en ramme, enten metall, kunstfiber eller en kombinasjon i duken og tre eller metall i rammen. Ved metall mot metall er det viktig å være oppmerksom på galvanisk korrosjon. Her burde det alltid være 2 silkammer slik at det ene kan spyles og vannverket fortsatt være operativt. Mikrosiler er duksiler som har en åpning på 10-70um og brukes for å separere alger og andre små partikler og de kan være stasjonære tykksiler eller roterende siler (hvor trykk linjen brytes) som vi skal se i detalj snart.

21 STASJONÆRE SILER (0,4 – 0,8 mm)
Silduk i metall (kobber) eller kunststoff (polyester) vanligst Materiale i duk må tilpasses metall i silramme – obs galvanisk korrosjon Gjennomstrømningshastighet : mm/sek Minst 2 parallelle kammer for lettere rengjøring og reparasjoner To typiske silkammer for større anlegg med eget silkammer. Da er gjerne hvertfall 2 silkammer montert i parallell slik at det ene kan rengjøres mens det andre driftes. Det kan være vertikale eller horisontale filter som vannet siles igjennom i en hastighet på mm/s. Det enkleste byggetekniske arrangementet Gunstig ved store vannstands variasjoner i silkammer

22 ROTERENDE MIKROSILER (5 – 65 m)
Brukes primært for å fjerne finpartikulært stoff – spesielt alger Silduk av syrefast ståltråd spunnet i nett eller kunststoff Vannet ledes inn i trommel (5) fra råvannskammer (1), siles gjennom duken (4) til rent- vannskammer (2) Slammet spyles til trau ved spyle anordning på toppen (6) av trommel Spyling er kontinuerlig eller settes i gang når falltap over sil overskrider en fastsatt grense Roterende mikrosiler er konstruert for a skille finpartikulært materiala, spesielt alger. Dette er gjerne laget for innsjøer som i seg selv ikke trenger noen form for behandling men som ved høye algeforekomster eller oppblomstringer trenger algesil. Roterende kammer, hvor en silduk er omspent. Vannet kommer inn på innsiden av silduken og presses ved rotasjon igjennom duken og ut i renvannskameret

23 STASJONÆRE TRYKKSIL (> 50 m)
Brukes som eneste behandling ved gode kilder eller som forbehandling, for eksempel før membranfiltrering eller ionebytting En stasjonær trykksil brukes ofte på små anlegg med minimal behandling og monteres rett på trykkledningen og trykklinjen brytes ikke. Dette brukes da gjerne som eneste forbehandling til ionebytting eller membranfiltrereing (for farge og humus rensing) Denne typer siler er selvrensende når trykkfallet over silen overskrider en satt grense.

24 Avløpsvann - SILANLEGG
Definisjoner: Grovrister lysåpning > 10 mm Finrister lysåpning 10 mm - 2 mm Grovsiler lysåpning 2 mm - 0,5 mm Finsiler lysåpning 0,5 mm - 0,1 mm Mikrosiler lysåpning < 0,1 mm Det skilles mellom: Stasjonære spaltesiler Stasjonære rørsiler Roterende trommelsiler Roterende skivesiler Roterende båndsiler.

25 Forbehandling: → rister Step-screen

26 Forbehandling - sandfang og fettfang
Hensikten med et sandfang ved renseanlegget er å fjerne sand, grus, kaffegrus og lignende slik at man reduserer slitasjen på pumper og utstyr i anlegget. Hensikten med fettfang er å fjerne fettstoffer som ellers vil danne mye flyteslam rundt om i renseanlegget. I praksis bygges sand- og fettfang ofte som et felles basseng.

27 Eksempler på stasjonære siler
Eksempler på roterende siler

28 EKSEMPEL OBSERVERTE RENSEEFFEKT
Midl. renseeffekter: SS: 59%, COD: 45 %, BOD: 36 % men mer enn 20 % av prøvene i perioden klarer ikke kravet

29 Sedimentering

30 Overflatebelastningsteorien
Dersom tiden det tar før partikkelen når bunnen settes lik T, er: Partikkelens synkehastighet = vs = H/T (1) Partikkelens horisontalhastighet = vh = L/T = Q/B.D (2) Tiden er den samme for å nå henholdsvis enden av bassenget og bunnen, og løser vi (2) mht T og setter inn i (1), får vi at : Synkehastigheten = vs = D/(L.B.D/Q) = Q/Af (3) (hvor Af er bassengets overflateareal) For at partikkelen skal kunne fjernes i et slikt basseng må synkehastigheten på partikkelen være mindre enn Q/Af =vf Overflatebelastningen, vf = Q/Af (m3/m2. h = m/h).

31 Dimensjonering av sedimenteringsbassenger
Dimensjoneres på grunnlag av en vannføring (m3/s) Større overflate areal (Af) gir lavere hastighet i bassenget og mer tid til sedimentering

32 ULIKE UTFORMINGER AV SEDIMENTERINGSBASSENGER
Øverst : drikkevanns sedimentering – horisontale strømmningsbasseng Nederst: avløpsvann sedimentering – vertikale strømmings basseng Begge disse formene tar mye plass, så særlig drikkevann har gått bort fra dette, ingen slike basseng i norge (london har dem og mye brukt i USA) Nå brukes mer kompakte løsninger, dette er lav teknologi men krever plass

33 Filtrering I vannrensing er ofte filtrering brukt etter sedimentering for å ’polish’ vannkvaliteten og fjerne finpartikulært stoff (>10μm) Må fjerne alle partikler ned til ca 1μm for at det ikke skal finnes synlige partikler i vannet Sandfilter deles i 2 hovedkategorier Raske sandfilter Langsomme sandfilter Sandfilter kan bestå av flere media og flere lag

34 SANDFILTER To faser : Partikler avsettes i filteret
Partikler vaskes ut av filteret Sand filter er en annen måte å filtrere ut partikler på. Vannet filtreres igjennom fra topp til bunn og filteret tilbakespyles for å vaskes

35 Mekanismene for partikle fjerning i et filter
Siling Oppfanging Sedimentering Fastkiling Bronwskebevegelser Carmen-Kozney ligning for å beregne falltapet igjennom et filter μ = dynamisk viskositet (kg/m·s) ρ = tettheten til væsken (kg/m3) κ=Kozney konstanten L= lengden på filteret i strømningsretningen (m) h= falltapet (m) φ= porøsitet til filtermedia S= spesifikk overflate på filtermedia (m2) Q = gjennomstrømning (m3/s) As= horisontale overflaten av filteret (m2)

36 LENGDE PÅ FILTERSYKLUS
Bestemmes enten av falltapsbegrensning – tid t1 eller turbiditetsbegrensning – tid t2 Maks dH ut Maks. turb. ut t1 t2 Modningsperiode Falltap, dH Turbiditet ut Hvor lenge filteret kan kjøres før det må spyles beregnes ut i fra to ting, falltap (når friksjonstapet blir for stort igjennom filteret får man ikke ut den vann mengden som man trenger Eller det styres av turbiditet, når rensegraden av filteret synker under en gitt verdi Turbiditeten er ofte høy rett etter sypling før filtermedia legger seg på plass igjen og rester av ’fri spylte’ partikler vaskes ut

37 EKSEMPEL PÅ OPPBYGGING AV TO-MEDIAFILTER
dybde (cm) Filter media kan lages av veldig mange typer sand, stoffer, kunstig, naturlige, stein (fin knust) alt etter hvilke egenskaper vi leter etter i medie. A/S filteret her er et anthracite filter med sand på bunnen, anthracite er et aktivt carbon media som lages av anthracite stein, som den hardeste av kull steinene og formet igjnnom metamorfose av andre bergarter og ekstrem varme. I dette filteret er en grovkornet anthracite den active og fin kornet sanden på bunnen dette øker porevolumet. Dette er nok det med vanlige filteret De to andre fillerene er begge filtralite filter som er et leca type filter, samme materiale hele veien men forskjellig tetthet lagdeler filteret. De ser ut som de samme kulene man putter i bunnen av blomsterpotter. De har store pore volumer med store overflater.

38 DIMENSJONERING AV FILTRE
Filtertype Filtermedium Tetthet g/cm3 Kornstørrelse d60 , mm Filterdybde cm Filterhastighet m/h Nedstrøms En-media Sand 2,60 0,4 – 0,8 50-80 4 – 8 To-media Antrasitt 1,80 1,0 – 2,0 45 – 50 20 – 30 8 – 12 Tre-media Granatsand 4,20 0,6 – 0,8 0,4 – 0,6 65 25 10 10 – 15 To-lags Leca-granulat (Filtralite) 1,20 1,6 – 2,5 0,8 – 1,6 Oppstrøms Sand/grus 2,65 0,8 – 2,0 0,8 – 3,0 5 – 10 0,8 – 2,5 Når man skal dimensjonere filter kommer det ann på hvordan filter man skal lage, hva det skal være laget av, hvordan det skal være bygd opp (hvor mange lag?) dybde, hastighet etc etc Et sand filter er billig, men har en relativt lav hastighet i forhold til et multilag filter eller filtralite Nedstrømsfilter har høyere hastighet en oppstrømsfilter (med unntak av sand filter)

39 ULIKE FILTERTYPER Lukket trykkfilter Åpent filter
Filter kan enten være åpne – typisk nedstrøms gravitasjons filter Eller opp eller nedstrøms trykkfilter hvor vannet presses igjennom Mye mindre areal Kostandseffektivt hvor land er dyrt

40 Rengjøres ved tilbakespyling:
production draining backwashing up flow aeration