Klimaendringer og dårligere råvannskvalitet kan kreve oppgradert vannbehandling

Transkript

1 Norsk Vanns Årskonferanse, Bergen, 2-3 sep, 2013 Eikebrokk 1985 Klimaendringer og dårligere råvannskvalitet kan kreve oppgradert vannbehandling Ny7ge verktøy fra Norsk Vann og pågående prosjekter innen området Bjørnar Eikebrokk, SINTEF Teknologi for et bedre samfunn 1

2 Vannforsyning og klimahlpasning (Meld. St. 33 Klima.lpasning i Norge, ) ü Kommunenes beredskapsplaner kan utvides Bl å omfade forstyrrelser i drikkevannsforsyningen som skyldes ekstremvær eller andre virkninger av klimaendringer ü Kommunen kan også sørge for bedret beredskap i vannforsyningen for å hindre eller begrense akude endringer i vannkvalitet: Flomsikring av tekniske anlegg og styrking av eksisterende barrierer, for eksempel ved å øke UV- kapasiteten ü Vannverkseier kan foreta en vurdering av hvilke virkninger ekstremvær som krakig nedbør og flom vil ha, og idenbfisere muligheter for å redusere forurensing av vannkildene eller bedre vannbehandlingen HVORDAN kan/bør man utvide beredskapen, styrke barrierene og bedre vannbehandlingen for å møte klimatruslene? Teknologi for et bedre samfunn 2

3 Aktuelle endringer i råvannskvalitet ü Høyere temperaturer og nye økologisk nisjer for fugler og dyr à nye typer patogener, økt sykdomsrisiko, nye zoonoser ü Økt nedbørmengde og mer ekstreme nedbørintensiteter à mer flom, ras, erosjon; økt avrenning og mer mikroorganismer, organisk stoff, næringsstoffer og kjemiske forurensninger ü Overbelastede avløpssystemer à økt inntregning av kloakk, mer humanpatogener, smide- og næringsstoff fra ledningsned/overløp ü Økt temperatur, nedbør, vekstsesong, primærproduksjon, skog, løvtrær; mindre sur nedbør à Økt NOM ü Endrede bebngelser for algeblvekst à økt risiko for lukt/smak, algetoksiner, NOM ü Hvis økning av både NOM og algeinnhold à store uyordringer for anlegg&drik Dårligere råvannskvalitet og større årshdsvarriasjoner à mer uiordrende vannbehandling, økte behov for ophmalisering og oppgradering Teknologi for et bedre samfunn 3

4 70 60 NOM- konsentrasjonene øker Eksempel: Oslos 4 vannkilder Oset - Maridalsvannet Elvåga - Skullerud Råvannsfarge (mg Pt/L) Max 10 Middel Min Langlia Råvannsfarge (mg Pt/L) Holsfjorden Max Middel Min Råvannsfarge (mg Pt/L) Max Middel 10 Min Råvannsfarge (mg Pt/L) Hva om vi får "skotske Hlstander" med fargetall på ? Max Middel Teknologi for et bedre samfunn 4

5 Eikebrokk gode grunner til at NOM bør fjernes P. Wang Gir farge, lukt og smak på vannet 2. Øker dosebehovet for koagulant og desinfeksjonsmiddel (klor, O 3, UV) 3. Påvirker desinfeksjonseffektivitet og barrierer - og danner DBP 4. Påvirker fjerningen av uorganiske partikler og mikroorganismer 5. Øker mobilitet og tilgjengelighet/inntak av mikroforurensninger 6. Danner belegg (fouling) på membraner og belegg/biofilm i ledninger også innomhus 7. Blokkerer porer i AC-filtre og utkonkurrerer lukt/smak/mikroforurensninger 8. Øker mengden slam/avfall 9. Påvirker så vel vannbehandling som distribusjon 10. Økende innhold og større sesongmessige variasjoner i NOM-mengde og sammensetning gir utfordringer for drift av vannbehandlingsanlegg, for driftskontrollsystemer, og for prosessvalg og dimensjonering Teknologi for et bedre samfunn

6 Også alger kan gi problemer i vannforsyningen Lukt/smak, toksiner, vanskelig Ternbar NOM, trykktap i filtre à "Kokende" filtersenger pga lokalt undertrykk AWWARF 2004; Hall et al 2005 Teknologi for et bedre samfunn 6

7 UIordringene er globale. ü "The influence of NOM and the poten4al changes in its character due to impacts from climate change and ozone deple4on cannot be ignored" (Environmentalist, Springer Sci., DOT /s , 2007, Australia) ü "Be=er monitoring needed - Higher likelihood of microorganisms in drinking waters, cannot wait for outbreaks to occur. Early detec4on tools in real 4me is needed" (Jour. AWWA Sep 2003, USA) ü "Betydningen av drikkevann som årsak 4l næringsmiddelbårne infeksjoner er sannsynligvis større i Norge enn i andre industriland, blant annet på grunn av utbredt bruk av overflatevann" ü "I frem4den kan det forventes en redusert råvannskvalitet i drikkevannskilder og hyppigere hendelser på fordelingsne=et" (Meld. St. 33 Klima.lpasning i Norge, ) à Kjenn diy råvann og diy anlegg og vær beredt! Teknologi for et bedre samfunn 7

8 Treatment technologies used in Norway NOM- - > DOC, Colour, UV- abs Eikebrokk 1985 affects affects treatment, disinfechon, deposihon, adsorphon, corrosion, regrowth Enhanced coagulabon 120 WTPs OzonaBon - GAC - biofiltrabon 30 WTPs NanofiltraBon 110 WTPs Teknologi for et bedre samfunn 8

9 OBF med eller uten alkalisk forfiltrering Significant DOC adsorphon to metal (Fe) precipitates in the alkaline filter bed Net O 3 NaOCl CO 2 Økt NOM à økt ozonbehov à økt BOM à? Lake Norsjø O 3 contact - CaCO 3 filter - Biofilter CW tank - UV - NaOCl Norsk Vann- rapport (2013/2014): Erfaringer med OBF- anlegg i Norge Teknologi for et bedre samfunn 9

10 NanofiltraHon - NF (115 plants) Økt NOM à mer belegg/fouling à mer klor/vask à økt dannelse av klorforbindelser/klorfenoler à mer lukt/smak?? Pre- treatment : 50 µm sieve Design flux: l/m 2 h Module: Spiral wound Pore size: 3 nm (1-5) Membranes: CA Recovery: 70-80% Cleaning: Frequent (every night) Challenges: Fouling, regrowth, taste&odour? ÅTord og Hitra ( ): OmfaYende analyse av lukt/smakproblemer Teknologi for et bedre samfunn 10

11 Enhanced CoagulaHon treatment Ca(OH) 2 Modified (modern) treatment schemes Lime/CO 2 replaced by micronized marble slurry/co 2 Lime/CO 2 replaced by alkaline filter/filter layer Anthracite replaced by Filtralite Chlorine replaced by UV Raw water CO 2 Coagulant (Al or Fe) Flocculant (Polymer) Sand, 1-2mm Gravel, 2-5mm Gravel, 5-10mm Anthracite, d 60 =1.5mm Sand, d 60 =0.6mm 50cm 30cm 3x10cm support Chlorine Treated water Teknologi for et bedre samfunn 11

12 Driftsmessige effekter av økt NOM: Koagulering Betydning av økende råvannsfarge fra 20 (ref) opp til 50 mgpt/l (Basert på kontaktsfiltreringsforsøk i pilotskala m/alg, 2M anthrasitt-sand) Value (relative to 1 for raw water color of 20). 3,5 Relative to a value of 1 for RW20 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 1,00 # BW/day, Q-BW and Q-Rip (m3/m2) at 7.5m/h Alum dose (mgal/l) and Sludge production (mgss/l) Treatment Capacity (m3/h pr m2 filter at 7.5m/h) Filter Run time (hrs) (BT termination) Residual TOC # BW/day, Q BW and Q R (m 3 /m 2 ) at 7.5 m/h Al-dosage and Sludge Production (mg/l) Treatment Capacity (m 3 /m 2 hr at 7.5 m/h Filter run time (BT termination) # BW, 2,90 sykluser/døgn 1,27 1,21 1,09 0,97 0,78 2,20 1,87 1,88 1,54 1,64 1,41 1,35 1,18 1,26 0,94 0,90 0,87 0,64 0,53 0,44 Source Water Color ( mg Pt/L) 2,35 1,53 0,79 0, Raw water color (mg Pt/L) Koag-dose & slamprod Rest-TOC Kapasitet Filtergangtid Teknologi for et bedre samfunn 12

13 Utfordringer i driften Etter Opflow, No. 6, June 1997, American Water Works Association, 290 anlegg Top 10 Driftsutfordringer 1. Mangelfulle strategier for styring av koagulantdosering 2. Dårlig kjemikalieinnblanding og/eller flokkulering 3. Manglende vannkvalitetskontroll fra enkeltfiltre 4. Mangelfull håndtering av modningsvann 5. Mangelfull service, kalibrering/vedlikehold av turbidimetere 6. Feilaktige koagulantdoser og feil koagulerings-ph 7. Manglende kunnskap om drift og vedlikehold 8. Re-start av "skitne" filtre som ikke er tilbakespylt 9. Utilstrekkelig prosessovervåking og prosesstyring 10.Mangelfulle kriterier for filterspyling I tillegg kan nevnes: dårlig filtertilstand, utilstrekkelig filterspyling, blanding av filterlag, tap av filtermasse gjennom filterbunn/dyser, tap av filter-masse under spyling, dannelse av slamklumper (mudballs) i filtersengen, hydrauliske problemer, fnokkerosjon, problemer med oppløsning og/eller dosering av polymerløsninger, dårlig eller varierende kvalitet på leverte koagulanter, kjemikalier og filtermasser, etc Teknologi for et bedre samfunn 13 13

14 Teknologi for et bedre samfunn 14

15 Veiledning for Koaguleringsanlegg Rapportens Hovedkapitler Forord Sammendrag (norsk og engelsk) 1. Bakgrunn og begreper 2. Generelt om koagulering og filtrering 3. Krav til koaguleringsanlegg 4. Koagulering som barriere 5. Håndtering av spylevann og slam 6. Erfaringer og anbefalinger for god drift 7. Filtermaterialer og filterbunner 8. Inspeksjon/vurdering av filtertilstand 9. Koaguleringsanlegg og klimaendringer 10. Troubleshooting 11. Forhold vi bør vite mer om 12. Referanser Teknologi for et bedre samfunn 15 15

16 FILTERTILSTAND Sentrale spørsmålstillinger: 1. Hvilke driftsmessige ulemper kan en dårlig filterstilstand medføre? 2. Hvilke forhold/symptomer (earlig warnings) er typiske? 3. Hva er mudballs og hvordan kan de oppstå og fjernes? 4. Hva bør jeg se etter ved en visuell inspeksjon av filteret? 5. Hvordan bør en visuell filterinspeksjon utføres? 6. Hvilke fysiske og beregningsmessige verktøy kan brukes? 7. Hvilke korrektive tiltak kan iverksettes? Teknologi for et bedre samfunn 16 16

17 Troubleshooting - filter Dårlig filtertilstand (overflatekratere, slamklumper (mudballs), dårlig fordeling av spylevann, dødsoner, tap av filter-korn, underkorn, sammen-blanding av filterlag, høye trykktap, etc) i) Gjennomfør analyser og filterinspeksjoner (se kapittel 7, 8) ii) Sjekk at filterlag passer sammen (ulik kornstørrelse OG ulik synkehastighet, jfr. kap 4) iii) Sjekk at nedre filterlag holdes på plass av støttelaget uten å trenge ned i - og fortette dette iv) Sjekk at det ikke forkommer fortettinger/utfellinger i filterbunn/ filterdyser Teknologi for et bedre samfunn 17

18 Troubleshooting - koagulering Driftsproblem 1. Utløpsvannet fra filteret inneholder for mye rest-koagulant (>0.15 mg Me/L) og/eller for høy turbiditet (>0.2 NTU) 2. Utløpsvannet fra filteret har for høy farge (>5 mg Pt/L), UV-absorbans (> 3-4 m -1 ), og/eller TOC (> 3 mg/l) Aktuelle tiltak/løsninger i) Sjekk koagulantdoseringspumpene og doseleveransen ii) Sjekk koagulerings-ph meter iii) Øk koagulantdosen iv) Juster koagulerings-ph v) Reduser filtreringshastigheten vi) Reduser minimumsstørrelsen på filterkornene (normalt i sandlaget) vii) Sjekk funksjonen på eventuelle forseparasjonstrinn (flokkulering, sedimentering, flotasjon) i) Øk koagulantdosen ii) Juster koagulerings-ph iii) Reduser filtreringshastigheten iv) Sjekk evt forseparasjonstrinn v) Sjekk råvann og filterutløpsvann mht NOM-fraksjoner (mye NEU?) vi) Vurder supplerende rensetrinn (GAC; MIEX, etc) Teknologi for et bedre samfunn 18

19 HVORDAN finne anleggets optimale koaguleringsforhold? Anbefalinger om etablering av optimaliseringsteam, systematiske optimaliseringsforsøk med prøvetakingspunkter og analyseparametere, "diagnose" av råvann og anlegg/driftsforhold En intern benchmarking ü Hvordan finne ut om mitt anlegg drives nær optimalt mht vannkvalitet/sikkerhet og ressursbruk? ü Hvor godt bør anlegget kunne drives - og hvordan kan jeg finne de optimale driftsforhold for mitt råvann og mitt anlegg? ü Hvordan verifisere og visualisere optimaliseringsgevinster? Teknologi for et bedre samfunn 19 19

20 Hvordan optimalisere? Teknologi for et bedre samfunn 20

21 OpHmalisering: Hvordan finne den reye balansen mellom vannkvalitet/sikkerhet og ressursbruk/bærekrar? Koagulantdose Ressurser på avveie Svikt i koagulerings- og/eller desinfeksjonsbarrierer Råvannsfarge Teknologi for et bedre samfunn 21

22 Utdrag av matrise for optimaliseringsforsøk Fase 1. Optimalisering av koaguleringsforhold (koagulantdose og koagulerings-ph) Forsøk Innstillinger & Registreringer på anlegget nr. Koag dose Koag-pH Turbiditet ut filter Vannføring Q Temp (g Al eller Fe/m 3 ) (NTU) (m 3 /t) ( C) 0A D V D R R R Serie 0: Etabler referansebasis med dagens driftsforhold: Dose (D) og ph-verdi (V D ) 0B D V D R R R Kjør 2 etterfølgende forsøk og Registrer (R) utløpsturb, vannføring og vanntemp 1) 1A D V D R R R Serie 1: Finn effekten av varierende koag-ph med bruk av dagens dose (D) 1B D V D +0.1 R R R Koag-dosen holdes konstant innen hver Serie. For Serie 1 anvendes en dose lik dagens (D) 1C D V D +0.2 R R R Start med et forsøk (1A) med dagens verdi for koag-ph (VD) 1D D V D +0.3 R R R Kjør deretter flere forsøk med økende koag-ph (trinn på 0.1 ph-enhet) og konstant osv hvis ok utløpsvannkvalitet dose (D) inntil utløpsvannkvaliteten ikke lenger oppfyller kravene (1B-1D) 1 H D V D -0.1 R R R Kjør så forsøk med avtagende koag-ph (fra V D ) på samme måte (1H-1K) 1 I D V D -0.2 R R R 1 J D V D -0.3 R R R Man har nå etablert en kurve som viser hvordan koag-ph påvirker vannkvaliteteten osv hvis ok utløpsvannkvalitet ved bruk av dagens koag-dose (D) 2A D-10% V D R R R Serie 2: Finn effekten av en endring i koag-ph ved et annet nivå for koagulantdose 2B D-10% V D +0.1 R R R Kjør Serie 2 med en dosereduksjon hvis vannkvalitetskravene oppfylles med god margin 2C D-10% V D +0.2 R R R (basert på historiske data og/eller på resultatene fra Serie 1) 2) 2D D-10% V D +0.3 R R R Dette eksempelet forutsetter at Serie 2 kan kjøres med en dosereduksjon (- 10 %) osv hvis ok utløpsvannkvalitet Kjør så enkeltforsøkene i Serie 2 med ulike verdier for koag-ph slik som i Serie 1: Høyere 2H D-10% V D -0.1 R R R (2A-2D) og lavere (2H-2J) ph-nivå enn dagens anvendte verdi for koag-ph (V D ) 2I D-10% V D -0.2 R R R 2J D-10% V D -0.3 R R R osv hvis ok utløpsvannkvalitet Kommentarer Man har nå etablert en kurve som viser hvordan utløpsvannkvaliteteten påvirkes av koag-ph ved bruk av en koag-dose som er 10 % lavere enn dagens dose (D- 10%) 3A D-20 % V D R R R Serie 3: Finn effekten av en endring i koag-ph ved et tredje nivå for koagulantdose 3B D-20 % V D +0.1 R R R Kjør Serie 3 med en ytterligere dosereduksjon dersom vannkvalitetskravene ble oppfylt 3C D-20 % V D +0.2 R R R ved en eller flere verdier for koag-ph i Serie 2. Dette eksempelet forutsetter at dette er tilfellet 3D D-20 % V D +0.3 R R R Serie 3 kjøres derfor med en ytterlige dosereduksjon (- 20 %). Teknologi for et bedre samfunn 22

23 Resultater fra optimaliseringsforsøk Serie 4: Minimum dose Serie 5 Serie 3 Serie 2 Serie 1 Barriereindikatorkrav: Turb 0.2; Rest- Me 0.15 osv 2- D 1- E 2- A 1- A 2- B 1- B 2- C 1- C 1- D Slike forsøk utgjør et vikhg element i det å lære eget anlegg å kjenne Teknologi for et bedre samfunn 23

24 Nye verktøy for diagnose av råvann og vannbehandling - og optimaliseringstiltak NOM-fraksjonering og biologisk vekstpotensial (BDOC) Teknologi for et bedre samfunn 24 24

25 HurHgfraksjonering av NOM DOC = VHA + SHA + CHA + NEU VHA SHA CHA NEU er ikke koagulerbar NEU Teknologi for et bedre samfunn 25

26 Hurtigfraksjonering av NOM (DOC) DOC "spaltes" i 4 fraksjoner: 1. VHA - Very Hydrophobic Acid 2. SHA - Slightly Hydrophobic Acid 3. CHA - Charged hydrophilics 4. NEU - Neutral hydrophilics à VHA og SHA: Typiske humusforbindelser, godt koagulerbar DOC à CHA og NEU: Mer algerelatert, lavmolekylær og bionedbrytbar DOC Teknologi for et bedre samfunn 26

27 BDOC- kolonner i serie EBCT = 1.5 t Out 7 stk DOC- analyser gir mye info: DOC Sample in ü Mengde BDOC Tot = DOC in - DOC out ü Nedbrytningsforløp/kineBkk (kurve over DOC mot Bd, 0-9 Bmer) ü Er BDOC- verdien endelig/nedbrytningen fullstendig (har kurven flatet ut?) Teknologi for et bedre samfunn 27

28 BDOC-analyser 6-kolonner-i-serie, med DOCmåling på innløpet, og på utløpet fra hver kolonne Teknologi for et bedre samfunn 28

29 NOM (DOC)- fraksjonering og biologisk vekstpotensial (BDOC) som verktøy for prosessvurderinger og ophmaliseringshltak 4,0 NOM fraction conc - Coag 1,0 BDOC profiles - OBF mg DOC/L 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 VHA SHA CHA NEU Tot DOC Raw 2,50 0,44 0,21 0,35 3,51 Out-Filter 0,43 0,17 0,03 0,34 0,97 UV-disinf 0,46 0,14-0,05 0,36 0,91 Net 0,41 0,17-0,01 0,34 0,90 mg BDOC/L 0,8 Raw Out-Filter 0,6 UV Net 0,4 0,2 0,0-0, EBCT (hrs) à Gir info om hvilke NOM- fraksjoner som nernes/ikke nernes - og om vekstpotensialet Teknologi for et bedre samfunn

30 Enkle og praktisk relevante verktøy Det finnes svært avanserte metoder (HPSEC, EEM, ) ü Kan øke forståelsen for NOM og NOMs egenskaper ü Mangler oke prakbsk forankring/relevans (".so what?") Vi har prioritert enkle og prakhsk anvendbare metoder 1. HurHgfraksjonering av NOM 2. BDOC kolonner- i- serie som kan tjene en rekke formål, bl.a. Ø Vurdering av ulike råvanns behandlbarhet og egnethet av ulike behandlingsteknologier Ø Vurdering av driksforhold og oppnådde resultater (mot predikterte/forventede) Ø Benchmarking og opbmaliseringsbltak Ø Vurdering av biostabilitet /biologisk vekstpotensial Ø EsBmering av koagulantbehov og desinfeksjonsdoser (klor, ozon, UV) à NOMiNOR : Et spleiselag mellom 10 nordiske vannverk Teknologi for et bedre samfunn 30

31 Klimaendringer og økende NOM kan kreve supplerende vannbehandlingstrinn (AC, UF, MIEX, etc) En driftsoptimalisering vil ikke alltid være tilstrekkelig Teknologi for et bedre samfunn 31

32 Görvälnverket, NorrvaYen, SE Blokkeres av NOM à NyY NF- trinn? x Teknologi for et bedre samfunn 32

33 Sørg for å kjenne ditt råvann, ditt anlegg og risikobildet! Optimaliser anlegget så langt som mulig - og oppgrader når det er nødvendig Sist, men ikke minst: La ikke operatørene være alene om driftsutfordringene Teknologi for et bedre samfunn