Veiledning for drift av koaguleringsanlegg. Prosjektinfo. Koaguleringsanlegg for Drikkevann. Hvorfor fokus på drift og driftsoptimalisering?

Transkript

1 Fagtreff VANN, Radisson Blu Airport Hotel, Gardermoen, 7. Feb 2012 Veiledning for drift av koaguleringsanlegg Rapport 188/2012 fra Norsk Vann Bjørnar Eikebrokk, SINTEF Foto: B. Eikebrokk 1987 Prosjektinfo Prosjektleder: SINTEF (B. Eikebrokk) Medarbeidere: Asplan Viak (F. Ording & J. Brandt) Overordnet prosjektstyring og finansiering: Norsk Vann Ferdigstillelse: Koaguleringsanlegg for Drikkevann Hvorfor fokus på drift og driftsoptimalisering? Drøyt 1700 godkjenningspliktige vannverk i Norge, hvorav koaguleringsanlegg forsyner ca 1.7 mill. personer De fleste vannbehandlingsanlegg er allerede bygget - og vil være i drift i lang tid! Svikt i vannbehandlingen: Årsak til % av kjente vannbårne sykdomsutbrudd Kjemikalier Sed/Flot Filtrering 1M/2M/3M Flokkulering Desinfeksjon Rentvann Nett Vannforsyningen er basert på at det finnes minst to hygieniske (sikkerhets) barrierer i systemet. Men barrierene må ikke bare finnes, de må også være effektive og stabile noe som forutsetter optimal drift Råvann Klimaforandringer gir negative effekter på råvannskvalitet og større kvalitetsvariasjoner større utfordringer mht prosesstyring og drift Returstrøm Sikkerhet, bærekraft og ressurseffektivitet (kjemikalier/energi/finanielle ressurser, samt redusert GHG/CO 2 -utslipp Stadig mer sentrale krav for driften Optimalisering er viktig også for kompetanseutvikling og beredskap i eier/driverorganisasjonen: Man lærer sitt anlegg bedre å kjenne - på godt og vondt! Avvanning Slamfortykking

2 Hvorfor trenger vi en slik veiledning? Koagulering er en dynamisk barriere. Barriereeffekten er god såfremt koaguleringen drives nær optimalt Koaguleringen påvirker graden av slamakkumulering, utfelling, korrosjon og biofilmdannelse på ledningsnettet ("soft deposits") Prosessen er følsom for råvannskvalitet/klimaendringer, den forbruker ressurser - og skaper avfall Det er store potensialer for økt sikkerhet og økt bærekraft Driften av koaguleringsanleggene påvirker sikkerhet, barriereeffektivitet og barrierestabilitet, ressursbruk/kostnader, avfallsgenerering, og forholdene på ledningsnettet Det finnes mange gode - og noen dårlige - erfaringer som bør formidles fra de koaguleringsanlegg (> 100) som er i drift Hovedtema på dagens FAGTREFF Hvordan bør koaguleringsanlegg drives? Av hensyn til sikkerhet & barrierer Av hensyn til ressursbruk & bærekraft For å begrense uønskede prosesser i ledningsnettet Viktige driftserfaringer VEILEDNING for drift av koaguleringsanlegg Innholdsfortegnelse (1) Veiledning for drift av koaguleringsanlegg Innholdsfortegnelse (2) 1. BAKGRUNN OG BEHOV FOR EN DRIFTSVEILEDNING 2. OM KOAGULERING og FILTRERING Metodens utbredelse Ulike prosessutforminger og -betegnelser Koagulanter og filtermaterialer Koagulerings- og filtreringsmekanismer Typiske filtersykluser og filtreringsforhold Trykktapsforløp Vannkvalitetsforløp Tilbakespyling av filtre Slam, slambehandling og returstrømmer 3. KOAGULERING SOM HYGIENISK BARRIERE Barriere - Indikatorer Barriereeffektivitet og barrierestabilitet Filtermodning, belastningsvariasjoner og gjennombrudd Returstrømmer i en hygienisk sammenheng Avhengighet mellom koagulerings- og desinfeksjonsbarrierer 7 8

3 Veiledning for drift av koaguleringsanlegg Innholdsfortegnelse (3) 4. VIKTIGE FORHOLD VED DRIFT AV KOAGULERINGANLEGG Koagulantdose og koagulerings-ph Kjemikalieinnblanding og flokkulering Filtrering Produksjonskapasitet, vannkvalitets- og trykktapsforhold Bruk og behandling av trykkdata Undersøkelse av filtertilstand Forbehandling og etterbehandling Sedimentering/flotasjon Desinfeksjon Prosesstyring og overvåkning, inkl. Kritiske kontrollpunkter Veiledning for drift av koaguleringsanlegg Innholdsfortegnelse (4) 5. GOD DRIFT: VURDERINGSKRITERIER OG ANBEFALINGER Kvalitetskrav: Drikkevannsforskrift & Veiledning Barriereindikatorer for koaguleringsanlegg og krav til slike Benchmarking og optimalisering Nye verktøy for diagnose av vannkvalitet og driftsforhold: NOM-fraksjonering; BDOC; SUVA, zetapotensial; varighetskurver On-line versus manuell prosesskontroll Kapasitetsberegninger og -vurderinger Bruk av erfaringsdata/modeller Klimaforandringer og effekter av slike: Økt NOM/farge; alger 9 10 Veiledning for drift av koaguleringsanlegg 5. GOD DRIFT: VURDERINGSKRITERIER OG ANBEFALINGER (forts) Barrierer og barrieresvikt: Samtidig svikt i koagulerings- og desinfeksjonsbarrierer Koblinger mellom vannbehandling og hygieniske forhold på ledningsnettet; Turbiditet og partikler/nedslamming; Utfellinger; Korrosjon; Biostabilitet Flokkulering og flokkuleringsforhold; Polymerbruk Filtermaterialer og filterbunn; Kartlegging av filtertilstand; Mudball-dannelse og tiltak mot slike; Filtermodning og belastningsvariasjoner, Tap/påfyll av filtermaterialer Returstrømmer Styring og kontroll Innholdsfortegnelse (5) Kapittelstruktur Eksempel: Koagulering som hygienisk barriere Hvert kapittel/delkapittel innledes med noen sentrale spørsmålstillinger: 1. Hva kreves for at koagulering skal utgjøre en barriere? 2. Veiledningen krever turbiditet < 0.2 NTU: Bør vi tilstrebe 0.1? 3. Hvordan styre/tilpasse koaguleringen til råvannskvaliteten? 4. Hvilke verdier for farge, UV-T og TOC bør vi kunne oppnå? 5. Hvordan kan koagulering bidra til bedre forhold på nettet? 6. Hvordan kan koaguleringen påvirke desinfeksjonsbarrieren? 7. Når kan koaguleringsbarrieren svikte og hvordan kan vi hindre slik barrieresvikt? 11 12

4 Kapittelstruktur Eksempel: Koagulering som hygienisk barriere Kapitlet avsluttes med en liste over viktige Sjekkpunkter 1. Kartlegg optimal dose og ph (for det aktuelle spenn i råvannskvalitet) Jfr. Optimaliseringshåndbokas prosedyrer 2. Bruk erfaringsmodeller som et hjelpemiddel Sjekk og kalibrer evt modellen! 3. On-line turbidimetere på utløpet fra hvert filter - Et "must" for god drift! 4. Unngå belastningsvariasjoner: Pumpestyring; Buffervolumer! 5. Ta kontroll på filtermodningen: Øk dosen eller filterbelastningen i en kort periode for å korte ned tiden modningsvannet må sendes til avløp 6. Kjør aldri så lange filtersykluser at det oppstår gjennombrudd i filteret Erfaring! 7. Ha kontroll på filtertilstand og trykktap Effektiv filterspyling er et must! 8. Unngå spyling med råvann hvis mulig 9. Utløpsvannkvaliteten må også være gunstig for nettet (partikler, biostabilitet) Trusler Sikkerhetsbarrierer i vannforsyningen De tre tradisjonelle barrierene: 1. Beskyttet kilde/nedslagsfelt 2. Adekvat vannbehandling 3. Effektiv desinfeksjon Kilde/Nedslagsfelt Desinfeksjon Vannbehandling Koagulering Tilsyn, kontroll Mulig skade Skader oppstår ved manglende eller svake sikkerhetsbarrierer ( hull ) Multiple barrierer er et gammelt konsept Control of Waterborne Diseases,Typhoid cases , Philadelphia, USA Filtration started 1906 In the multiple-barrier concept, filtration is the great barrier to particles, parasites and organics (Amirtharajah 2002) Chlorination started 1913 Drikkevannsforskriftens Veileder Den enkelte vannbehandlingsmetode bør inaktivere bakterier og virus med minimum 99.9% (3-log) eventuelle parasitter med 99% (2-log) for å bli betraktet som hygienisk barriere Dersom man ønsker å benytte kjemiske eller fysiske indikatorer på at anlegget fungerer som en hygienisk barriere, kan parametere og indikatorverdier angitt i veiledningens Tabell C anvendes som driftsparametere Vanskelig å dokumentere krav som angitt over: log-3 (bakterier og virus) eller log-2 (parasitter) Indikatorer må brukes From McGhee, 6 th Ed.,

5 Vannbehandlingsanlegg med KOAGULERING Veiledningens tabell C Veiledningens Indikatorer tabell C angir for hygienisk barriere-indikatorer og krav Når kan koaguleringsbarrieren svikte? 4 typiske situasjoner Turbiditet/partikler & Mikroorganismer 1. Sub-optimal koagulering: Feil dose/feil ph 2. Spissbelastninger: Spyling, returstrømmer Tid (hr) 3. Filtermodning Stabil driftsfase 4. Gjennombrudd 17 BRUK OPTIMAL KOAGULANTDOSE OG ph Jfr. Håndbokens prosedyrer 0.15 mg Al/L Bruk en dose som er høy nok til å gi et tilstekkelig bredt ph-vindu Valgt dose må BALANSERE krav til Sikkerhet/robusthet og Ressursbruk 19 MODELLER FOR NØDVENDIG KOAGULANTDOSE Minimum koagulantdose (mg Me/L) D AbsMin, Al = Farge D PrakMin, Al = Farge D AbsMin, Fe = Farge D PrakMin, Fe = Farge JKL ALG Råvannsfarge (mg Pt/L) Praktisk minimumsdose Absolutt minimumsdose 20

6 EFFEKT AV ØKT RÅVANNFARGE PÅ DRIFTSFORHOLD Råvannskvalitet og koagulantdose (mg/l) 7,0 6,0 5,0 4,0 3,0 2,0 HVORDAN TILPASSE KOAGULERINGEN TIL RÅVANNSKVALITETEN Mye å hente på bedre styring? Råvannsfarge/10 On-line Dose Al On-line Dose Fe Worst case Dose Al Worst case Dose Fe Mnd Mer on-line basert styring? 21 Koagulering gir normalt god hygienisk sikkerhet som reduseres under filtermodning, spyling og gjennombrudd Log-reduksjoner av Crypto i perioder med stabil drift, hastighetsøkning, og sub-optimal koagulering (Emelko et al 2004) 1,2 0,8 Spyling: 25 % hastighetsøkning Kimtall pr ml/10 Suboptimal koagulering 0,6 0,4 0,2 Turbiditet - NTU Filtreringstid (hrs) Stabil drift Hastighetsøkning 25% 23 24

7 Ottawa WTP: Log-reduksjoner i ulike faser av filtersyklusen og under ulike driftsforhold (Emelko et al 2004) Turbiditet som barriereindikator Xagoraraki et al 2004) Store partikler (Crypto) gir raskere gjennombrudd enn små (turb), men modningen er også raskere legg inn sikkerhetsmargin for sykluslengde/spyletidspunkt 0.05 NTU 4-10h før BW Økt turb (-40% Al) < 0.1NTU økende NTU > 0.3NTU Mye å vinne ved å gå fra 0.2 til 0.1 NTU? 25 BARRIESVIKT I ÉN FILTERENHET ER NOK. Effekt av barrieresvikt i 1 av 6 filterenheter Optimal koagulering: Et must for sikkerheten En svikt i koaguleringen vil ha store negative konsekvenser for barriereffektivitet og vannkvalitet, og for etterfølgende behandlings- og desinfeksjonsprosesser Råvann Samlestokk Al/Fe X ph-ktr Dårlig fjerning av turbiditet/partikler/restkoagulant Dårlig fjerning av NOM/DOC/Farge/UV-abs Dårlig fjerning av patogener (Giardia/Crypto) Fouling av membraner (UF, NF, RO) Økt klorbehov, ozonbehov og økt DBP-dannelse Dårlig effekt av UV-desinfeksjon (redusert UV-T/UV-I) Dårlig fjerning av lukt/smak AK-poreblokkering & konk. Økt slamdannelse og vekst/biofilmdannelse på nettet 27

8 On-line Turbiditet (NTU) Varighetskurver gir en dokumentasjon av barrierestabilitet/grad av barrieresvikt Turbiditet (NTU) Turbiditetstopper under filtermodning 0,3 0,2 0,1 Unngå turbiditets-topper fra Filtermodning Belastningsvariasjoner Gjennombrudd F1-1 F NTU % av tid eller av årsproduksjon Time from Aug 1 (hrs) Optimal koagulering gir økt sikkerhet på nettet (Vreeburg et al 2007) Suspended solids (BDOC and dissolved solids) Take out the Biofilm particles from the formation water & sloughing Regular deposition & resuspension J.H.G. Vreeburg Corrosion Prevent Precipitation particles & from accumulation flocculation incidental resuspension Remove the soft sediments regularly Suspended solids (BDOC and dissolved solids) Må ha kontroll på partikler/turbiditetstopper, rest-metall, biostabilitet & vekstpotensial Naturlig Organisk Materiale (NOM) påvirker både vannbehandling og distribusjon Affect colour, taste and odour Increase coagulant and disinfectant demands, affect disinfection efficiency and form DBPs Affect stability and removal of inorganic particles and pathogens and increase mobility of micro pollutants Affect corrosion processes and biological stability, incl. biofilm formation and regrowth Foul membranes, block AC pores and compete for adsorption sites Control coagulation processes, and affects overall treatment performance, incl. barrier efficiency Challenge process control systems (seasonal variability) We need to know NOM properties and seasonal variability 31 32

9 NOM (DOC)-fraksjonering og biologisk vekstpotensial (BDOC) som verktøy for prosessvurderinger og optimaliseringstiltak NOM (DOC)-fraksjonering og biologisk vekstpotensial (BDOC) som verktøy for prosessvurderinger og optimaliseringstiltak 4,0 NOM fraction conc BDOC profiles mg DOC/L 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 0,5 VHA SHA CHA NEU Tot DOC Raw 2,50 0,44 0,21 0,35 3,51 Out-Filter 0,43 0,17 3 0,34 0,97 UV-disinf 0,46 0,14-5 0,36 0,91 Net 0,41 0,17-1 0,34 0,90 mg BDOC/L 0,8 Raw Out-Filter 0,6 UV Net 0,4 0,2-0, EBCT (hrs) Biologisk vekstpotensial (BDOC) er godt korrelert til hydrofile NOM-fraksjoner Data fra 10 norske vannverk Kapittelstruktur Eksempel 2: Vurdering av filtertilstand 2,0 2,0 1,5 y = 0,6221x R² = 0,8565 1,5 y = 0,5145x - 0,2437 R² = 0,8623 Hvert kapittel/delkapittel innledes med sentrale spørsmålstillinger: BDOC (mg/l) 0,5 0,5 1,5 2,0 CHA (mg/l) BDOC (mg/l) 0,5 0,5 1,5 2,0 2,5 3,0 CHA+NEU (mg/l) 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? NOM-fraksjoneringsdata Info om forventet renseeffekt & biostabilitet (NEU fjernes dårlig) 35 36

10 TRYKKTAPSDATA MÅ UTNYTTES BEDRE KAN GI BESKJED OM FILTERTILSTAND Visuell Inspeksjon av filtertilstand Hva du bør se etter Se etter trender til: Økende H 0? Eksponensiell utvikling Utflatning? Hauger: Tegn på forstyrrelser i støttelaget redusert lagtykkelse og økt spylevannstilførsel Kratere: Tegn på forstyrrelser i støttelaget økt lagtykkelse og redusert spylevannstilførsel, evt svikt i filterbunn og/eller filterdyser Slamklumper ("mudballs"): Tegn på at filterspylingen ikke er god nok og at det finnes større mudballs lenger nede i filtersengen, noe som påvirker filtreringen og filtersengen negativt Revner/sprekker ("Krakeleringer"): Tegn på mudballs/sammenkittede filterkorn og utilstrekkelig filterspyling - svært uheldig for vannkvalitet og barrierefunksjon Redusert filterdybde langs bassengveggen: Tegn på forekomst av slamklumper nede i filtersengen, sandinntrengning/gjentetting av støttelaget, med redusert tilførsel av spylevann til dette området Alger: Bør fjernes fra filteroverflate, rør/renner eller bassengvegger for å unngå gjentetting Strukturelle defekter: Defekter i belegg/puss/betongvegger, korrosjon i armering, rørføringer, og renner vil forverres med tiden - bør repareres jo før jo heller Visuell Inspeksjon av filtertilstand (2) Hva du bør se etter Takk for oppmerksomheten! Filterkorn i spylevannsrenner: Tegn på at den anvendte spyleintensitet er for høy og/eller at fribordet er for lavt. I anlegg med flermediafiltre er det viktig å merke seg hvilken type filtermedium man finner Filterdybde og lagtykkelser: Sjekk filterdybden ved å anvende en tilstrekkelig lang stang påmontert en endeplate som forsiktig manøvreres ned i filtersengen inntil endeplaten stopper ved toppen av støttelaget. Mål avstanden fra endeplaten til toppen av filtersengen - og derved filterdybden - flere steder i filteret. Om mulig bør man også forsøke å få endeplaten ned gjennom støttelaget slik at man også kan måle tykkelsen på dette Nivå på spylevannsrenner: Bruk et water for å sjekke om spylerennene er horisontale og at de ligger på samme nivå. Sjekk at nivåene er korrekte ved å la vannet stige sakte over rennekanten Fribord: Mål avstanden mellom topp filtersengen og overløpskanten i spylerennene. Et avtagende fribord over tid kan indikere at det dannes organiske eller uorganiske belegg på filterkornene eller at slam akkumuleres i filtersengen som følge av utilstrekkelig filterspyling. Et økende fribord indikerer tap av filtermateriale gjennom defekter i filterbunn og/eller filterdyser eller ved filterspyling 39