Fysiske vannrensemetoder Vannkvalitetsproblemer i naturen

Fysiske vannrensemetoder Vannkvalitetsproblemer i naturen
Fredag 13.april 2007 Tone M. Muthanna (PhD) Institutt for vann- og miljøteknikk NTNU Vannkvalitetsproblemer i naturen

Vannkvalitetsproblemer i naturen
Vannrensemetoder Vi renser vann for: Drikkevannsbehandling Avløpsrensing Tre hovedgrupper av metoder Fysiske vannrensemetoder Kjemiske vannrensemetoder Biologiske vannrensemetoder Vannkvalitetsproblemer i naturen

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) Vannkvalitetsproblemer i naturen

Drikkevannsbehandling
Typisk drikkevannsbehandling for elvevann Enklere systemer kan brukes hvis råvannskilden er bra kvalitet Vannkvalitetsproblemer i naturen

HVA INNEHOLDER AVLØPSVANN ? Partikulært stoff/Løst stoff (>1µm/< 1µm) Partikler - suspendert stoff % 0 % Organisk stoff - BOF/KOF % % Næringstoffer - 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 Vannkvalitetsproblemer i naturen

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 Vannkvalitetsproblemer i naturen

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 Vannkvalitetsproblemer i naturen

Avløpsrensing Renseanlegg for kommunalt avløpsvann Grad og valg av rense metode avhenger av vannets sammensetning og resipienten Vannkvalitetsproblemer i naturen

AVLØPSPOLITIKK Aktuelle ideologier 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 Vannkvalitetsproblemer i naturen

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) Vannkvalitetsproblemer i naturen

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 Vannkvalitetsproblemer i naturen

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 Vannkvalitetsproblemer i naturen

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 % % Vannkvalitetsproblemer i naturen

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. Vannkvalitetsproblemer i naturen

Avløpsrenseanlegg i Norge, 2002 Vannkvalitetsproblemer i naturen

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 Vannkvalitetsproblemer i naturen

Spesifikke mengder 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 Vannkvalitetsproblemer i naturen

Fysiske vannrensemetoder
Silanlegg Vannbehandling avløpsbehandling Sedimentering Filtering igjennom granaulært media Membranfiltering Vannkvalitetsproblemer i naturen

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. Vannkvalitetsproblemer i naturen

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 Vannkvalitetsproblemer i naturen

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 Vannkvalitetsproblemer i naturen

EKSEMPEL PÅ 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. Vannkvalitetsproblemer i naturen

Silanlegg avløpsvann Definisjoner: Grovrister – lysåpning > 10 mm Finrister – lypåpning 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. Vannkvalitetsproblemer i naturen

FORBEHANDLING RISTER Step-screen Vannkvalitetsproblemer i naturen

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. Vannkvalitetsproblemer i naturen

Eksempler på stasjonære siler
Eksempler på roterende siler Vannkvalitetsproblemer i naturen

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

Sedimentering Vannkvalitetsproblemer i naturen

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). Vannkvalitetsproblemer i naturen

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 Vannkvalitetsproblemer i naturen

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 Vannkvalitetsproblemer i naturen

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 Vannkvalitetsproblemer i naturen

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 Vannkvalitetsproblemer i naturen

Mekanismene for partikle fjerning i et filter
Carmen-Kozney ligning for å beregne falltapet igjennom et filter Siling Oppfanging Sedimentering Fastkiling Bronwskebevegelser 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) Vannkvalitetsproblemer i naturen

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 Vannkvalitetsproblemer i naturen

EKSEMPEL PÅ OPPBYGGING AV TO-MEDIAFILTER Filter 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. Vannkvalitetsproblemer i naturen

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) Vannkvalitetsproblemer i naturen

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 Vannkvalitetsproblemer i naturen

Membran prosesser Renseprosess som presser vannet ved hjelp av trykk gjennom en semi-permeable membran Membraner kan være statiske (dead-end flow) eller med dynamiske (cross-flow) Dynamiske er mest vanlig for vannbehandling – tilløpsvannet strømmer parallelt med filterflaten (membrane) og membranen skiller vannet i to strømmer, en konsentratstrøm som forblir på innløpssiden og en permeatstrøm som passere gjennom membranen som det rensede vannet Vannkvalitetsproblemer i naturen

MEMBRAN FILTRERING Typisk flyteskjema Vannet presses gjennom en semi- permeabel membran mens humusen holdes igjen Forbehandling : 50 µm mikrosil Modul : spiral modul Membraner : celluloseacetat Poreåpning : 1 - 5 nm Vannkvalitetsproblemer i naturen

ULIKE MODULER FOR MEMBRANANLEGG Spiralmoduler dominerer i norske humusfjerningsanlegg Hulfibermodul Spiralmodul Vannkvalitetsproblemer i naturen

VALG AV MEMBRANER OG PORE STØRRELSE CA membraner: Hydrofile Tendens til belegg lav Belegg vaskes relativt lett av Porestørrelse: 1-5 nm: Fjerner farge godt Fjerner ikke mye Ca Design flux : Lav – l/m2h Levetid på membraner: 5-10 år Tilbakeholdelse av ulike stoffer som funksjon av membranmens poreåpning Vannkvalitetsproblemer i naturen

RENSEEFFEKT MOT GJENVINNINGSGRAD Driftsbetingelser: Gjenvinningsgrad: 70-80 % Renseeffekt: : Farge: 80-90% TOC: % Membranvask: Daglig – primært desinf. To ganger i året – mer omfattende for å hindre permanent belegg Vannkvalitetsproblemer i naturen

EKSEMPEL PÅ LITE MEMBRANANLEGG FOR HUMUSFJERNING m/UV-DESINFEKSJON Vannkvalitetsproblemer i naturen

Omvendt osmose Mest brukt til avsalting av sjøvann og brakkvann for å produsere drikkevann Membranen som benyttes er som et tynt skinn (0.1-1 μm tykt) som holdes oppe av en gjennomtrengelig støttestruktur ( μm tykt) Vannkvalitetsproblemer i naturen

Omvendt osmose Funksjonen på membranen måles også i hvor mye salt som blir tatt ut av vannet: Dette er en relativt dyr måte å rense vann på og brukes bare i tilfeller der ferskvann ikke finnes tilgjengelig Vannkvalitetsproblemer i naturen

Karakterisering av membranfiltrering
Det er først og fremst membranens poreåpning som bestemmer hva man kan fjerne. Jo tettere membranen jo mindre enheter kan fjernes, men jo høyere trykk kreves Vannkvalitetsproblemer i naturen

Fysiske vannrensemetoder Vannkvalitetsproblemer i naturen

Liknende presentasjoner

Presentasjon om: "Fysiske vannrensemetoder Vannkvalitetsproblemer i naturen"— Utskrift av presentasjonen:

Liknende presentasjoner

Om prosjektet

Tilbakemelding

Logg inn

Logg deg på via sosiale nettverk:

Fysiske vannrensemetoder Vannkvalitetsproblemer i naturen

Liknende presentasjoner

Presentasjon om: "Fysiske vannrensemetoder Vannkvalitetsproblemer i naturen"— Utskrift av presentasjonen:

Liknende presentasjoner

Om prosjektet

Tilbakemelding