Oppdragsgiver: Suldal kommune Oppdrag: 531846 Mosvatnet Renseanlegg Del: Utgave 2 Dato: 2015-07-02 Skrevet av: Kristian Ohr, Elisabeth Elgsæther Kvalitetskontroll: Thomas Frydenberg, Kai Preben Fosse DIMENSJONERING VANNBEHANDLINGSANLEGG INNHOLD 1 Innledning... 2 2 Forutsetninger... 2 2.1 Dimensjonerende vannmengder og etappevis utbygging... 2 2.2 Råvannskilde og vannkvalitet... 2 2.3 Prosessløsning... 4 2.4 Filterspyling... 4 2.5 Grunnvannspumpe... 4 3 Dimensjonering av marmorfilter... 5 3.1 Dimensjoneringsdata... 5 3.2 Kontakttid... 5 3.3 Filterstørrelse... 7 3.4 Spylevann... 8 3.5 Modningsvann... 8 4 UV anlegg og nødklor... 8 5 Trykkøkningspumper... 8 6 Rørdimensjoner i anlegget... 9 Vedlegg 1... 10 Asplan Viak AS - - asplanviak.no
1 INNLEDNING Notatet beskriver forutsetninger, grunnlagsdata og beregninger som ligger til grunn for dimensjonering av de viktigste elementene i anlegget. 2 FORUTSETNINGER 2.1 Dimensjonerende vannmengder og etappevis utbygging Anlegget skal bygges ut i to etapper. Skisseprosjektet legger til grunn at man aksepterer ufullstendig alkalisering i perioder med toppbelastning (påsken), dvs. at marmorfiltrene kan dimensjoneres noe ned. Øvrige deler av anlegget dimensjoneres for beregnet vannmengde i maksimaldøgnet. Dimensjonerende vannmengder er beregnet i skisseprosjekt datert 28.3.12: Etappe 1 Etappe 2 Totalt Q dim (= Q maksdøgn), l/s 7,5 4 11,5 Q dim alkalisering, l/s 5,5 1,5 7 Råvann til første etappe tas fra borebrønn i løsmasser etablert ved Mosvatnet, mens råvann til andre etappe tas fra gravd infiltrasjonsbrønn i løsmasser ved Nyastøl. Vannbehandlingsanlegget produserer mot et høydebasseng (sidebasseng). For å ha kontroll på oppholdstiden (vannalderen) i høydebassenget, bør produksjonen foregå diskontinuerlig og styres mot nivå. 2.2 Råvannskilde og vannkvalitet Nye vannkilder basert på grunnvann er under uttesting. Det er etablert en infiltrasjonsbrønn på Nyastøl og boret en løsmassebrønn ved Mosvatnet. Vannkvalitetsparametre er angitt i tabell nedenfor. 2.2.1 Mosvatnetbrønnen Løsmassebrønnen ved Mosvatnet er prøvepumpet med 3 l/s, men med antatt kapasitet på minst 6-7 l/s. I januar 2012 ble det installert ny pumpe med kapasitet 7,5 l/s mot 35 mvs i brønnen ved Mosvatnet samt råvannsledning fram til eksisterende vannbehandlingsanlegg. Mattilsynet har gitt oppstartløyve (28.11.2011) for denne brønnensom nå er tatt i bruk. Dimensjonering vannbehandlingsanlegg 2
Tabell 1: Vannkvalitet Mosvatnet og brønner Grenseverdi Mosvatnet Brønn Mosvatnet Brønn Nyastøl Temperatur 8.5 4.7 4.6 UV-transmisjon %/cm 79.4 99.6 99.7 Alkalitet mmol/l 0.06 0.07 0.07 CO2-fritt mg/l 5.0 20.7 8.8 O2 9.2 7.8 8.5 Kimtall per ml 100 206 11 9 Koliforme bakterier 0 14.50-0.63 E Coli 0 19.00-0.67 Clostridium perfringens 0 0.33 - - Intestinale enterokokker 0 0.50 - - Farge 20 20.0 5.0 4.1 ph 6.5-9.5 6.2 5.7 5.7 Konduktivitet ms/m 250 3.0 3.1 2.7 Turbiditet 1 0.67 0.15 0.36 Jern µg/l 200 58 22 28 Mangan µg/l 50 18 28 46 Kalsium mg/l 0.8 2.6 1.3 Tot N µg/l 230 230 137 Nitrat µg/l 10000 270 727 500 Nitritt µg/l 50 5.0 4.1 4.3 Ammonium µg/l 500-30 30 Fluorid mg/l 1.5 0.02 0.02 0.03 Klorid mg/l 200 2.1 3.0 2.8 KOF mn mgo/l 5 2.6 0.5 0.5 Sulfat mg/l 100 1.0 5.0 2.3 Aluminium µg/l 200 78 222 148 Radon Bq/l 100 1.3 67 0.4 Brønnen ved Mosvatnet gir meget god bakteriologisk kvalitet, er klart og har et akseptabelt innhold av jern og mangan. Radon er målt fire ganger og varierer mellom 62 og 77 Bq/l og regnes å være under tiltaksgrensa. Innholdet av aluminium er så vidt over grenseverdien i drikkevannsforskriften. Normalt vil noe aluminium fjernes i marmorfilteret (opp til 40 %). Vannet er aggressivt, med lav ph, lav alkalitet, lavt kalsiuminnhold og moderat innhold av fritt karbondioksid. Prøvepumping på full kapasitet ble gjort våren 2012 og gir grunnlag for vurderinger av infiltrasjonsområde, oppholdstid og beskyttelsessoner for å sikre at kildebeskyttelse kan utgjøre den ene av de to påkrevde hygieniske barrierene. Dimensjonering vannbehandlingsanlegg 3
Aktuell vannbehandling vil være ph-justering/alkalisering og UV-behandling som den andre hygieniske barrieren. Det antas at Mosvatnetbrønnen vil kunne dekke første fase av utbygginga (område 2-7). 2.2.2 Nyastølbrønnen Nyastølbrønnen har en kapasitet på 1,5 l/s, som antas å kunne utvides til 4-5 l/s ved å forlenge infiltrasjonsrørene som samler vann. Råvannet har mer usikker bakteriologisk kvalitet. Det er funnet koliforme bakterier og E. Coli i noen prøver. Innholdet av mangan er også tidvis over grenseverdien i drikkevannsforskriften. For øvrig er vannet nokså likt vannet fra brønnen ved Mosvatnet. Vannet er klart, men aggressivt, med lav ph, lav alkalitet, lavt kalsiuminnhold og lavt til moderat innhold av fritt CO 2. Vannbehandling vil være ph-justering/alkalisering og UV-behandling. Brønnen skal utgjøre en hygienisk barriere. Ved utbygging av VA-ledninger opp mot Nyastøl, vil det parallelt bli lagt råvannsledning som vil knytte Nyastølbrønnen til vannbehandlingsanlegget. 2.3 Prosessløsning Alternative prosessløsninger ble diskutert i forprosjektet. I samråd med byggherre er det valgt en alkaliseringsløsning basert på marmorfilter + UV for hygienisering. 2.4 Filterspyling Med klart grunnvann fra løsmasser, med lav turbiditet og farge, i kombinasjon med lange perioder med svært lavt forbruk, antas behovet for tilbakespyling å være lavt. Dette innebærer at det kan gå lang tid (mange uker) mellom hver spyling. For å slippe å etablere eget spylevannsmagasin og egen spylevannspumpe på vannbehandlingsanlegget, foreslår vi å tilbakespyle med vann fra høydebassenget. Ved tilbakespyling stanses vannproduksjonen fra anlegget, og høydebassenget forsyner både forbruk og spylevann gjennom samme ledning. Siden spylevannet beslaglegger en stor del av kapasiteten, legger vi til grunn at spyling kan gjøres i perioder med lavt forbruk (nattestid og utenom høysesong). 2.5 Grunnvannspumpe Brønnen er boret i løsmasser nær Mosvatnet. Pumpa er montert med underkant ca kote 513. Stigerøret er ca 10 m langt 63 mm PE 100. Pumpeledningen fram til vannbehandlingsanlegget er 90 mm PE 100 SDR 11 i en lengde på ca 300 m. Beregnet trykktap i stigerør og pumpeledning er ca 21 m. Dimensjonering vannbehandlingsanlegg 4
Grunnvannshøyden må minimum være på kote 513. Med vannspeil i filtre på kote 524,3, blir geodetisk løftehøyde 12,5 m og total løftehøyde 32,3 m. Pumpa har kapasitet på 7,5 l/s mot 35 mvs. 3 DIMENSJONERING AV MARMORFILTER 3.1 Dimensjoneringsdata Filterhastighet: Maks 13,5 m/h Spylehastighet: 65 m/h Spyletid: 9 min Modningstid: 30 min Modningshastighet: 13,5 m/h Driftsnivå (vannspeil): ca kote +524,3 3.2 Kontakttid Vannet må ha en viss kontakttid med marmor for å løse ut kalsium og nøytralisere syren i vannet. Kontakttid angis alltid som den teoretiske oppholdstiden i et filter uten filtermasse (EBCT=Empty Bed Contact Time). Nødvendig kontakttid for å nå en ønsket ph på 8,0 kan avleses fra kurver fra DVGW dersom vannets bufferevne betegnet ved syrekapasitet (K S 4,3 = mengde syretilsetning for å nå ph 4,3) og basekapasitet (K B 8,2 = mengde basetilsetning for å nå ph 8,2) er kjent. Syrekapasitet er i praksis lik mengde bikarbonat (=alkalitet), dvs. 0,06 mol/m³. Basekapasitet tilsvarer innholdet av CO 2 i vannet (målt til 15 mg/l = 0,34 mol/m³). Alternativt kan denne beregnes ut fra kjent ph = 5,7 og kjent bikarbonatinnhold (0,06 mmol/l) og karbonatlikevekten som har en likevektskonstant ved 5 C pka 1 =6,52. KB 8,2 blir da 0,39. Dimensjonering vannbehandlingsanlegg 5
Figur 1: Kurver for kontakttid Nødvendig oppholdstid for den aktuelle vannkvaliteten er avlest til ca 12 min. Kurvene er gitt for en vanntemperatur på 10 C og må korrigeres til antatt minimumstemperatur rundt 5 C med en faktor på 1,5 iht. kurven nedenfor. Figur 2: Temperaturkorrigering Nødvendig kontakttid (EBCT) blir da 18 min og brukes for å beregne nødvendig filtervolum. I tillegg bør det være et buffervolum på toppen som tilsvarer mengden filtermasse som Dimensjonering vannbehandlingsanlegg 6
forbrukes mellom hver tømming. Vi legger inn et volum tilsvarende 1 mnd forbruk ved dimensjonerende vannmengde. Tabell 2: Beregning av filtervolum Utbyggingstrinn 1 Utbyggingstrinn 2 Q dim marmorfilter 5,5 l/s 1,5 l/s Kontakttid (EBCT) 18 min 18 min Kontaktvolum [m 3 ] 6 1,6 Buffervolum [m 3 ] 0,8 0,2 Sum filtervolum [m 3 ] 6,8 1,8 Nødvendig filtervolum (EBCT) totalt blir 8,6 m³. 3.3 Filterstørrelse Overflatebelastning (filterhastighet) bør ikke overstige 14 m/h på Q maks (12 l/s) og 10 m/h ved Q dim. (7 l/s). Nødvendig samlet filterareal blir da 3,1 m². Vann til returspyling av filtre kan hentes fra høydebassenget ved gravitasjon. Maksimal tilgjengelig volumstrøm er kun ca 19 l/s. Dersom vi reserverer 4 l/s til forsyning, vil maksimal mengde til spyling være 15 l/s. Spylehastigheten bør være minst 60 m/h for å ekspandere filteret. Maksimalt areal per filter kan i så fall være 0,9 m². Vi foreslår å fordele filtervolumet på fire rektangulære filter bygget av rustfrie stålplater med filterflate á 0,8 m², dvs. totalt 3,2 m². Filtret bygges som en kasse i rustfritt stål som deles i 4 filtre. Hele kassen bygges i første byggetrinn, men det 4. filteret tas ikke i bruk i første trinn. I bunnen av filteret installeres et slisset filterrør. Vi foreslår her et slisset filterrør DN 125, som ligger i et 300 mm tykt støtte-/fordelingslag av elvegrus. Høyden på filtermassen (marmor) (marmor) ved maks fyllingsnivå vil bli 2,7 m, totalt inkludert støttelag blir høyden på filtermassen 3 meter ved maks fyllingsnivå Høyde fra topp filtermasse opp til underkant spylerenne bør tillate 20% ekspansjon av filtermassen (marmor), dvs. 0,54 m. Det bør legges opp til driftsvannstand minimum 1 m over topp filtermasse. Avstanden til bunn spylerenne settes derfor til 1,10 m over maks nivå filtermasse (totalt). Spylerenna foreslås i dimensjon 200 x 200 mm. Over spylevannsrenna er det et fribord på 0,25 m til topp filter. Totalt byggemål per filter blir (L x B x H) = 3200 mm x 1000 mm x 4550 mm. Ved toppbelastning i byggetrinn 1 (7,5 l/s) i fullt filter vil oppholdstiden bli 14 minutter. ph stiger raskest de første minuttene og erfaringsmessig vil vi oppnå en ph over 7 på denne tiden. Dimensjonering vannbehandlingsanlegg 7
3.4 Spylevann Hvert filter har et areal på 0,8 m 2. Med en spylehastighet på 65 m/h gir det en spylevannsmengde på 14,4 l/s. Brukt spylevann føres til utslippsledning felles med avløpsrenseanlegget som går ut i Mosvatnet. Total spylevannsmengde ved 9 min spyling blir 7,8 m³. Filtrene returspyles motstrøms og det skitne spylevannet trekkes av via spylevannsrenna i toppen av filteret. Oppstuving over rennekant er beregnet til ca 25 mm og oppstuving i renna er beregnet til 157 mm. Det skal kun spyles ett filter av gangen. Mens filter spyles eller modnes, kan anlegget ikke produsere vann. 3.5 Modningsvann Etter spyling starter filtrering av råvannet kun gjennom det nyspylte filteret. Den første perioden (modningstiden) leveres det filtrerte vannet (modningsvannet) til avløp. Dersom vi legger til grunn en modningshastighet på 13,5 m/h, blir vannføringen 3 l/s. Med 30 min modning blir totalt volum 5,4 m³. 4 UV ANLEGG OG NØDKLOR I første etappe foreslår vi å etablere to parallelle UV aggregater, som hvert dimensjoneres for full kapasitet i etappe 1, dvs. 7,5 l/s. Vannet fra begge de aktuelle kildene er meget klart og har en UV transmisjon over 99 % (5cm). Vi foreslår å sette dimensjonerende UV-transmisjon til 80 % som gir en god margin, og en viss overkapasitet ved normal kvalitet. I etappe 2 vil begge UV aggregatene til sammen ha mer enn tilstrekkelig kapasitet, mens ett aggregat alene vil dekke 70-80% av dimensjonerende vannmengde. Dette innebærer i praksis at ett aggregat vil dekke alle situasjoner unntatt maksimalsituasjonen i påskeuka. Vi foreslår at det tilrettelegges for et enkelt reservekloranlegg som kan settes i drift dersom det er svikt i begge UV aggregat samtidig, eller det er svikt i ett aggregat under dimensjonerende forbruk i etappe 2. 5 TRYKKØKNINGSPUMPER Trykkøkningspumpene skal løfte vannet fra marmorfiltrene (vannspeil ca kote 524,3) til høydebassenget på kote 605 (antatt vannspeil fullt nivå: 609) via eksisterende 110 mm PVC ledning (ca 950 m lang). Geodetisk løftehøyde er dermed ca 80,7 m ved tomt basseng, mens trykktapet i ledningen er beregnet til ca 27 mvs ved 11,5 l/s (Q dim etappe 2) (antatt hydraulisk ruhet 0,15). Dimensjonering vannbehandlingsanlegg 8
Dersom vanntrykket skal økes i ett trinn, innebærer dette at trykket i ledningen ut fra anlegget blir ca 107,7 mvs, dvs. over dimensjonerende trykklasse for ledningen (PN10). Ved utbygging av etappe 2 bør derfor trykkøkningen deles i to trinn der pumpetrinn 2 plasseres som en trykkøkningsstasjon på selve ledningen mot høydebassenget og driftes på tider av døgnet med lavt forbruk på nettet der nettforbruket kan dekkes med pumping direkte fra vannbehandlingsanlegget (pumpetrinn 1). Trykktapsberegninger for pumpetrinn 1 (7,5 l/s) er oppsummert i etterfølgende tabell. Geodetisk løftehøyde (ved tomt høydebasseng): 80,7 Friksjonstap og singulærtap (ved nyspylte filtre): 13,2 Tap UV: 0,5 Total nødvendig løftehøyde: 94,4 Dimensjonerende løftehøyde: 100 Pumpetrinn 1 installeres i vannbehandlingsanlegget som to pumper i parallell, der hver av pumpene dimensjoneres for å kunne forsyne 7,5 l/s mot 100 mvs. 6 RØRDIMENSJONER I ANLEGGET Produksjonslinja gjennom anlegget legges som rustfritt stålrør DN 100. Dette gir en maksimal vannhastighet på < 1,5 m/s ved Q dim etappe 2 (11,5 l/s). Med tanke på at dette foregår ved spisslaster med relativt kort varighet, vurderes dette som en fornuftig dimensjon. For spylevannslinja velges DN 125. Ved spylevannsmengde på 14,4 l/s gir dette en maksimal vannhastighet på <1,2 m/s. Det legges opp til å kjøre råvann i omløp rundt filtrene til UV. På spyleavløpsrøret (DN200) etableres det et nødoverløp (DN200). Dimensjonering vannbehandlingsanlegg 9
VEDLEGG 1 Dimensjonering vannbehandlingsanlegg 10
VEDLEGG 1 - TRYKKSTØTSBEREGNING Oppdragsgiver: Suldal kommune Oppdrag: 531846 Mosvatnet Renseanlegg Dato: 2015-02-11 Skrevet av: Jon Bergersen Zeigler Kvalitetskontroll: DIMENSJONERING VANNBEHANDLINGSANLEGG INNHOLD 1 Innledning... 11 2 Forutsetninger for beregning... 12 2.1 Pumpeledning... 12 2.2 Pumpe/høydebasseng... 12 3 Simulerte situasjoner... 12 4 Resultater... 13 5 Oppsummering/anbefaling... 16 1 INNLEDNING I forbindelse med anbudsgrunnlag for Mosevatnet VBA er det foretatt trykkstøtberegning mellom pumpe og høydebasseng med programmet Bentley Hammer. Nøkkeldata pumpe Pumpetype: MovitecVCF025/07-B1U23CS15025DW Merkeeffekt: 15 kw (11,24 absorbert) Løftehøyde: 100 mvs i driftspunkt Pumpet mengde: 7,5 l/s i driftspunkt Treghetsmoment (beregnet): 0,048 Kun en pumpe i drift Nøkkeldata pumpeledning: Dim/material: Ø110 PVC Lengde: 1076 m, PVC hele veien Kotehøyde pumpe: 522,15 Kotehøyde utløp (høydebasseng): 600,86 Terrengprofil for ledningstrasé er vist i figuren under Asplan Viak AS - - asplanviak.no
VEDLEGG 1 - TRYKKSTØTSBEREGNING Figur 3. Lengdeprofil av pumpeledning 2 FORUTSETNINGER FOR BEREGNING 2.1 Pumpeledning Det benyttes standardverdier for bølgehastighet, veggtykkelse og ruhet. Det er antatt at pumpeledningen følger terrenget (lik dybde på hele strekket)). For ledning inn til trykktank benyttes det samlet tapskoeffisient på 1,5 2.2 Pumpe/høydebasseng Det antas kun en pumpe i drift under dimensjonerende situasjon (pumpeutfall). Treghetsmoment er av programmet beregnet til 0,048 kgm2 3 SIMULERTE SITUASJONER Beregning 1: Utfall av pumper ved vannføring på 7,5 l/s og løftehøyde på 79 m Beregning 2: Samme situasjon men med vindkjel på 200 L Dimensjonering vannbehandlingsanlegg 12
VEDLEGG 1 - TRYKKSTØTSBEREGNING Figur 4. Pumpeledningen i plan. Pumpe i nordvestre hjørne, basseng nederst 4 RESULTATER 4.1 Beregning 1 Beregning 1 gir undertrykk og separasjon av væskestrengen i øvre halvdel av traseen (ca. fra kote 576 og oppover). Maks trykk i pumpa blir 130 mvs (~13 Bar) Figur 3. Noder som får undertrykk i beregning 1 Figur 4. Noder som får separasjon i beregning 1 Dimensjonering vannbehandlingsanlegg 13
VEDLEGG 1 - TRYKKSTØTSBEREGNING Figur 5. Profil fra beregning 1 Forklaring til kurvene: Grønn kurve viser: Terrengnivå. Svart kurve viser: Statisk trykk før pumpestopp Blå kurve: Omhyllingskurve for undertrykk Rød kurve: Omhyllingskurve for overtrykk Variasjonen i trykk i løpet av trykkstøtforløpet ligger mellom rød og blå kurve. 4.2 Beregning 2 Med vindkjel på 200 L elimineres separasjon, og undertrykket blir ikke mindre (kraftigere) enn -4,79 mvs. Makstrykk i pumpa når 96 mvs. Startvolum væske/gass bør være 100 L hver. Anslutningsdiameter for trykktank bør være minimum 65 mm og innvendig dimensjon for ledning inn til trykktank bør være 100 mm eller større. Ved mindre diameter blir undertrykket kraftigere (-6,8 MVS ved DN80) og motsatt ved større diameter (-3,1 ved DN150). Det ser i hovedsak ut til å være dimensjon på innløpsrør og anslutning til trykktank som avgjør hvor god dempeeffekt som oppnås. Dimensjonering vannbehandlingsanlegg 14
VEDLEGG 1 - TRYKKSTØTSBEREGNING Figur 6. Profil for trykkstøt med trykktank på 200 L Figur 7. Trykk på trykksiden av pumpa, med og uten trykktank (øverste kurve). Blå kurve med trykktank, rosa kurve uten Dimensjonering vannbehandlingsanlegg 15
VEDLEGG 1 - TRYKKSTØTSBEREGNING 5 OPPSUMMERING/ANBEFALING Uten tiltak vil denne stasjonen være utsatt for potensielt skadelige trykkstøt ved brå pumpestopp. Ved trykk under -5 mvs kan en risikere at pakninger i PVC-ledningen kan suges ut av posisjon. Vindkjel/trykktank vil trolig være et bra avbøtende tiltak. Volum på trykktanken bør være minst 200 L, med startvolum på 100 L luft og 100 L væske. Anslutning må være minimum DN65, og innløpsrøret bør ha indre diameter på minst 100 mm Dimensjonering vannbehandlingsanlegg 16