Onderzoek naar vergaande zuiveringstechnieken

Transcriptie

1 Hoogheemraadschap van Rijnland Archimedesweg 1 postbus AD Leiden telefoon (071) fax (071) post@rijnland.net Meer weten Kijk op: of Onderzoek naar vergaande zuiveringstechnieken September 2009 Water van de toekomst 16

2 Achtergrond Ontwikkelingen in de afvalwaterzuivering In het begin van de 20e eeuw werd er voor het eerst aandacht besteed aan het zuiveren van afvalwater. Door afvalwater op te slaan in een speciale tank, waarin de zwaardere delen naar de bodem zakten en het relatief schone water over de rand stroomde, werd er gezuiverd water geloosd op het oppervlaktewater. Echter, bij dit proces kwam veel stank vrij en was dit water nog steeds erg vervuild. Tegenwoordig wordt afvalwater gezuiverd met moderne zuiveringsinstallaties. Het afvalwater gaat eerst door een grove zeef, die het grote vuil eruit haalt. Hierna wordt het afvalwater door bacteriegroei (biologische reiniging) en soms door toevoeging van chemicaliën gezuiverd. Op deze manier worden veel afvalstoffen uit het water verwijderd. Maar het water dat al voldoet aan strenge normen kan nog schoner. Nieuwe uitdagingen Sinds het jaar 2000 geldt nieuwe Europese regelgeving voor oppervlaktewater, de zogenaamde Kader-richtlijn Water (KRW). Deze richtlijn eist dat het oppervlaktewater in een goede toestand moet zijn. Rioolwaterzuiveringsinstallaties lozen het gezuiverde water op oppervlaktewater, waardoor de richtlijn indirect ook strengere eisen stelt aan de kwaliteit van het gezuiverde afvalwater. De nutriënten stikstof en fosfor zijn onmisbaar voor de plantengroei. Echter in te hoge concentraties in oppervlaktewater kunnen deze stoffen leiden tot extreme algenbloei, met mogelijk ernstig zuurstoftekort en vissterfte tot gevolg. Om de doelen van de KRW te bereiken kan het nodig zijn om de nutriënten stikstof(n) en fosfor (P) verdergaand te verwijderen uit het afvalwater. Streefwaarden voor oppervlaktewater zijn minder dan 2,2 mg/l stikstof en minder dan 0,15 mg/l fosfor. 2 15

3 Voor het bereiken van de KRW doelen kan het ook nodig zijn om overige vervuilende stoffen verdergaand te verwijderen uit het afvalwater zoals zware metalen, bestrijdingsmiddelen, medicijnresten en hormoonverstorende stoffen. Met de huidige zuiveringsmethoden gebeurt dit namelijk niet volledig. Belang van onderzoek Het verdergaand verwijderen van nutriënten en overige vervuilende stoffen uit afvalwater is mogelijk door extra zuiveringsstappen aan de bestaande zuiveringsinstallatie toe te voegen. Tot op heden is er echter weinig tot geen praktijkervaring met de verdergaande verwijdering van deze stoffen. Om duidelijkheid te krijgen over de wijze waarop deze stoffen het beste uit het afvalwater verwijderd kunnen worden is praktijkonderzoek noodzakelijk. Het hoogheemraadschap van Rijnland heeft de afgelopen twee jaar verschillende toepasbare technieken in de praktijk onderzocht door middel van een demonstratieproject. Het doel was de best beschikbare techniek te selecteren om aan de gewenste waterkwaliteit te kunnen voldoen. De uitkomsten van het onderzoek zijn direct toepasbaar voor andere rioolwaterzuiveringen in Nederland en Europa. Samenwerking De STOWA (Stichting Toegepast Onderzoek Waterbeheer) nam deel aan het demonstratieproject. Het project sloot aan bij de doelstelling van de STOWA om onderzoek te doen naar het verbeteren van het waterbeheer en de kennis met andere waterbeheerders te delen. Het onderzoek werd ook gevolgd en ondersteund door een begeleidingscommissie. In die commissie zaten professionals van andere waterschappen. Het onderzoek werd financieel ondersteund door de Europese Unie met een LIFE subsidie, is uitgevoerd in samenwerking tussen het hoogheemraadschap van Rijnland en de STOWA en begeleid door ingenieursbureau Witteveen+Bos. LIFE ( financiert proef- en demonstratieprojecten die zijn gericht op innovatieve oplossingen voor relevante Europese milieuproblemen. 14 3

4 De overdekte testruimte Het onderzoek Overzicht van de testruimte Kosten Algemeen Na de bouw van de testlocatie in 2006 is het onderzoek begin 2007 gestart. Gedurende ruim twee jaar is er praktijkonderzoek uitgevoerd in een overdekte testruimte op de rioolwaterzuiveringsinstallatie Leiden Zuid-West. In de testruimte werd een deel van het al gezuiverde water van de bestaande rioolwaterzuivering nog verder nagezuiverd met de te onderzoeken technieken. De technieken zijn op zo n schaal uitgevoerd dat de technische en economische haalbaarheid goed kon worden beoordeeld. Techniek keuze De techniek keuze is op basis van een aantal punten bepaald. In de eerste plaats is gekeken welke stoffen uit het water moesten worden verwijderd om de gewenste waterkwaliteit te bereiken. Hieruit bleek dat het belangrijk is dat de techniek een grote variëteit aan stoffen kan verwijderen. Daarnaast moest de gekozen techniek in staat zijn om grote hoeveelheden water te kunnen behandelen. Natuurlijk is ook rekening gehouden met de directe toepasbaarheid op praktijkschaal. Op grond van deze overwegingen is gekozen voor zandfiltratie in combinatie met nageschakelde technieken. Fasering onderzoek Het onderzoek is opgebouwd uit twee fasen. In fase 1 is gekeken naar de mogelijkheden voor vergaande verwijdering van stikstof (onder de 2,2 mg N/l) en fosfaat (onder de 0,15 mg P/l) met behulp van verschillende typen zandfiltratiesystemen,. Bij deze concentraties voldoet het gezuiverde afvalwater aan de strenge eisen van het oppervlaktewater. Fase 2 is gericht op het verwijderen van de overige relevante vervuilende stoffen, zoals zware metalen, bestrijdingsmiddelen, medicijnresten en hormoonverstorende stoffen. Hiervoor zijn actieve koolfiltratie en verschillende oxidatietechnieken onderzocht. In onderstaande tabel zijn zowel de investeringskosten als exploitatiekosten van de verschillende technieken voor een praktijkinstallatie van inwoners weergegeven. De investeringskosten en exploitatiekosten voor een ozoninstallatie zijn financieel het meest aantrekkelijk. Kostenindicatie voor de nabehandeling op een installatie voor inwoner equivalenten Ozon [ ] H 2 O 2 /UV [ ] Actief koolfiltratie [ ] Investeringskosten Totale exploitatiekosten per jaar Kostprijs per m 3 behandeld water 0,06 0,32 0,12 Kostprijs per inwoner 4,2 21,9 8,4 Overdraagbaarheid van onderzoeksresultaten Het onderzoek heeft vele nieuwe inzichten en ervaringen opgeleverd ten aanzien van vergaande verwijdering van stikstof, fosfaat en de overige relevante vervuilende stoffen met behulp van nageschakelde zuiveringstechnieken. De onderzoeksresultaten zijn grotendeels direct vertaalbaar naar andere rioolwaterzuiveringsinstallaties in Nederland en Europa. Dit komt mede doordat het onderzoek onder praktijkomstandigheden is uitgevoerd en vanwege de gekozen schaalgrootte van de verschillende onderzoeksinstallaties. Binnen het hoogheemraadschap van Rijnland is de opgedane ervaringen met zandfiltratie direct ingezet op de rioolwaterzuiveringsinstallaties Leiden Noord en Alphen Noord. Ook bij diverse andere waterschappen is gekozen voor de toepassing van nageschakelde zandfiltratiesystemen. De kennis en ervaring die is opgedaan kan nuttig gebruikt worden bij het ontwerp van deze nieuwe zandfiltratiesystemen. Het uitgebreide onderzoeksprogramma heeft diverse optimalisatiemogelijkheden opgeleverd, die bij toekomstige ontwerpen kunnen worden benut. Betekenis voor het milieu Met behulp van de onderzoeksresultaten kunnen de juiste technieken worden gekozen om de waterkwaliteit uit rioolwaterzuiveringsinstallaties en hiermee ook de oppervlaktewaterkwaliteit te verbeteren. Het onderzoek heeft efficiënte manieren uitgewezen om nutriënten en de overige relevante vervuilende stoffen verdergaand uit het water te verwijderen. 4 13

5 Resultaten fase 2 Verwijderingsprestaties In onderstaande tabel zijn de verwijderingsprestaties voor de relevante vervuilende stoffen zoals zware metalen, bestrijdingsmiddelen, medicijnresten en hormoonverstorende stoffen per onderzochte techniek weergegeven. Verwijderingsprestaties van de verschillende technieken Verwijdering Techniek Actieve koolfiltratie Ozonisatie Waterstofperoxide/ UV Zware metalen Bestrijdingsmiddelen Medicijnen Hormoonverstorende stoffen Desinfectie Zware metalen Voor de verwijdering van zware metalen heeft actieve koolfiltratie de voorkeur boven de oxidatietechnieken. Met de oxidatietechnieken kunnen namelijk geen zware metalen worden verwijderd uit het afvalwater. De verwachting is dat actieve kool dit wel moet kunnen. In dit onderzoek waren de verwijderingsprestaties van zware metalen echter beperkt, vermoedelijk door de lage ingaande concentraties. Bestrijdingsmiddelen, medicijnen en hormoonverstorende werking De verwijdering van bestrijdingsmiddelen, medicijnen en hormoonverstorende stoffen uit het afvalwater is vrijwel altijd volledig bij toepassing van de oxidatietechnieken. De toepassing van ozon heeft echter een duidelijk voorkeur ten opzichte van waterstofperoxide /UV. Bij de toepassing van waterstofperoxide/uv zijn zeer grote hoeveelheden waterstofperoxide en energie nodig voor het verkrijgen van goede verwijderingsprestaties. Bij actieve koolfiltratie is de verwijdering niet altijd gegarandeerd. De verwijderingsprestaties nemen af in de tijd doordat het actieve kool verzadigd raakt met de vervuilende stoffen. Proefopstelling In de testruimte zijn twee onderzoekstraten gebouwd (straat A en straat B). Beide onderzoekstraten zijn nageschakeld aan de bestaande hoofdzuivering. In straat A worden in één zandfilter (het één-filterconcept) stikstof en fosfor verwijderd. Het zandfilter is uitgevoerd als een continu zand-filter. Voor de vergaande verwijdering van deze stoffen worden hulpstoffen aan het water toegevoegd: een koolstofbron voor biologische stikstofverwijdering en een vlokmiddel voor de chemische verwijdering van fosfor. In straat B wordt stikstof en fosfor in twee na elkaar geschakelde zandfiltratie stappen verwijderd (het twee-filterconcept). In de eerste stap wordt stikstof verwijderd met een continu zandfilter. In de tweede stap wordt fosfaat verwijderd met een zogenoemd dubbellaags vastbed zandfilter. Voor de vergaande verwijdering van deze stoffen worden in straat B dezelfde hulpstoffen aan het water toegevoegd als in straat A. Fase 2 van het onderzoek is gericht op de verwijdering van de overige vervuilende stoffen. Hiervoor zijn drie verschillende technieken onderzocht. Na behandeling in de zandfilters is het water opgesplitst in twee stromen. Deze twee stromen werden verder behandeld met een actieve koolfilter of een oxidatietechniek. Als oxidatietechnieken zijn ozonisatie en het gebruik van waterstofperoxide/uv onderzocht. Op pagina 8 en 9 is de proefopstelling schematisch weergegeven. Desinfectie Een bijkomend voordeel bij de oxidatietechnieken is de vergaande verwijdering van micro-organismen, waardoor deze technieken tevens voor desinfectie kunnen worden ingezet. 12 5

6 fosfaat.indd 1 11/04/ :45:44 Verwijderingsprincipe stikstof en fosfor Stikstof Stikstof (N) wordt in de zandfilters in de vorm van nitraat (NO3) verwijderd. Dit gebeurt met behulp van een biologisch proces. Na toevoeging van een extra voedselbron (bijvoorbeeld methanol) zetten bacteriën in het zandbed nitraat om in stikstofgas en koolzuurgas. Fosfaathoudend water Vlokmiddel Vlokken onstaan Zandlaag houdt vlokken tegen. Verwijderingsprincipe stikstof Fosfor Om fosfor te verwijderen wordt aan het water een zogenoemd vlokmiddel toegevoegd. Dit middel vormt samen met het fosfor vlokken die tussen de korrels van het filterbed blijven hangen. Het filterbed moet vervolgens weer schoon worden gespoeld. Resultaten van het onderzoek Algemeen Het onderzoek is op 29 januari 2007 gestart met een feestelijke handeling door de Dijkgraaf van het hoogheemraadschap van Rijnland, de heer G. Doornbos, en de voorzitter van de STOWA, mevrouw M. de Vries. Gedurende de twee jaar van het praktijkonderzoek is er zowel nationaal als internationaal grote be-langstelling getoond voor het onderzoek. Het onderzoek heeft vele nieuwe inzichten en ervaringen opgeleverd ten aanzien van vergaande verwijdering van stikstof, fosfaat en de overige relevante vervuilende stoffen. De belangrijkste resultaten zijn gepresenteerd op nationale en internationale symposia en gepubliceerd in verschillende vakbladen. De resultaten, aandachtspunten en praktijkervaringen van beide onderzoeksfasen zijn beschreven in twee STOWA-rapportages. Ook via de website van Rijnland ( zijn de onderzoeksresultaten en de STOWArapportages te bekijken. Resultaten fase 1 Vergaande verwijdering van stikstof (tot onder de 2,2 mg N/l) en fosfor (tot onder de 0,15 mg P/l) blijkt structureel haalbaar, ook bij hogere filtratiesnelheden (tot 20 m/h). Van belang is hierbij dat de hoofdzuivering (voorafgaand aan zandfiltratie) ook goed functioneert. Er kon geen duidelijk onderscheid worden aangetoond in de verwijderingsprestaties van het één-filterconcept en het twee-filterconcept. Zandlaag houdt vlokken tegen. Verwijderinsgprincipe fosfor Het onderzoek heeft hiermee aangetoond dat het combineren van de twee processen in één filtratiestap zeer goed mogelijk is. Het één-filterconcept kan zowel worden toegepast in een continu zandfilter als in een dubbellaags vastbedfilter. De mogelijkheid tot het combineren van de twee processen in één filtratiestap levert logischerwijs aanzienlijke kostenbesparingen (circa 50%) op ten opzichte van het twee-filterconcept. 6 11

7 Actieve koolfiltratie Een actiefkoolfilter heeft een filterbed van actieve kool. Hier wordt het water doorheen geperst en komt er gezuiverd weer uit. Actieve kool heeft een zeer poreus oppervlak. Stoffen die in contact komen met actieve kool blijven vaak in deze poriën hangen. Verwijderingsprincipe overige relevante vervuilende stoffen Ozonisatie Een ozongenerator zet met behulp van elektrische ontlading zuurstofmoleculen (O 2 ) om in ozonmoleculen (O 3 ). Het ozongas wordt onder in de kolommen geleid zodat de gasbelletjes door het water naar boven kunnen stromen. De ozonmoleculen maken hierbij contact met de stoffen in het water en kunnen deze oxideren, oftewel grotere moleculen in kleinere stukken knippen. Ozoninstallatie Geavanceerde oxidatie met waterstofperoxide en UV-licht De werkwijze van de waterstofperoxide/uv-installatie is als volgt: waterstofperoxide (H 2 O 2 ) wordt aan het water toegevoegd. Vervolgens stroomt het water langs twee UV-lampen. Het UV-licht activeert de waterstofperoxide dat vervolgens radicalen vormt (H 2 O 2 2OH). Deze zijn in staat om stoffen te oxideren, dat betekent grotere moleculen in kleinere stukken te knippen. Actief koolfiltratie Waterstofperoxide/UV-installatie 10 7

8 Proefopstelling afvalwaterzuivering Leiden-Zuidwest Op de afvalwaterzuiveringsinstallatie van Leiden-Zuidwest is een testruimte ingericht. Het doel van de praktijkproeven die daar worden uitgevoerd, is om de kwaliteit van het al gezuiverde afvalwater nog verder te verbeteren. In de testruimte worden twee verschillende methoden uitgeprobeerd: Continue zandfilter Het continue zandfilter verwijdert in eerste instantie vooral stikstof, maar in straat A vangt het ook fosfor. Doordat het afvalwater van beneden naar boven door het zand loopt verstopt het filter niet. Vastbed filter In het vastbed filter blijft fosfor in de vorm van vlokken achter. Het filter wordt regelmatig teruggespoeld en het water dat hiervoor gebruikt wordt gaat de gewone afvalwaterzuivering weer in. Straat A (groen) verwijdert in één stap stikstof en fosfor, straat B (blauw) doet dat in twee stappen. Methanol. Samen met het nitraat vormt dit een voedselbron voor de bacteriën Fosforhoudend water Vlokmiddel Stikstofgas en koolzuurgas Vlokken onstaan Bacteriën vangt fosfor af Continue zandfilter Zandlaag houdt vlokken tegen. Schoon water Zand Vastbed filter Zandlaag houdt vlokken tegen. Coagulatieruimte Coagulatieruimte Hier vlokt, door toevoeging van een vlokmiddel, het fosfor uit het water zodat het in het zandfilter kan worden afgevangen. C-bron Micro-organismen in het zandfilter zetten nitraat (NO3) 3 met behulp van koolstof (C) om in onschadelijk koolzuurgas (CO2) 2 en stikstofgas (N2). 2 Als koolstofbron wordt in de proefopstelling methanol toegevoegd. Tanken met vlokmiddel Persluchttank Doordat afvalwater van boven naar beneden door het vastbed filter loopt, moet het zand regelmatig worden losgespoeld om verstoppingen te voorkomen. Actief koolfilter Actieve kool zuivert het water van de laatste restjes. 8 9