Dimensioneren civiele constructieonderdelen Bijlage II in het kader project "Uitbreiding rwzi Numansdorp" voor course 15/16 Begeleiders namens: Hogeschool van Arnhem & Nijmegen Dhr. A.C. de Wit Waterschap Hollandse Delta Dhr. R.A. Leurs Student: Wijnand Rijnders Studienummer: 487450 Rotterdam, november 2011
Inhoudsopgave 1 Inleiding 2 2 Dimensioneren civieltechnische proces onderdelen 3 2.1 Massabalansen 3 2.2 Beluchtingstank 3 2.3 Retourslibcapaciteit 4 2.4 Selector 5 2.5 Anaerobe tank 5 2.6 Nabezinktank 6 3 Beluchtingstank 8 3.1 Berekenen nitrificatieruimte 8 3.2 Berekenen nitrificatieruimte 8 3.3 Totale volume beluchtingstank 9 4 Retourslibcapaciteit 10 4.1 Retourslib capaciteit bij 4 kg/m 3 10 4.2 Retourslib capaciteit bij 5 kg/m 3 10 5 Selector en anaerobetank 12 5.1 Selector 12 5.2 Anaerobe tank 12 6 Berekening nabezinkoppervlakte 13 6.1 Iteratief proces 13 6.2 Oppervlakte bij 4 kg/m 3 en simultane nitrificatie denitrificatie 13 6.3 Oppervlakte bij 4 kg/m 3 en voordenitrificatie 13 6.4 Afmeting nabezinktank bij 4 kg/m 3 13 6.5 Oppervlakte bij 5 kg/m 3 en simultane nitrificatie denitrificatie 13 6.6 Oppervlakte bij 5 kg/m 3 en voordenitrificatie 14 6.7 Afmeting nabezinktank bij 5 kg/m 3 14 6.8 Afwijking met Excel berekening 14 7 Excel berekening APvE Processen 15 Colofon 18 1
1 Inleiding In deze bijlage zullen de volumes van de benodigde civiele constructieonderdelen worden uitgerekend. In de literatuurstudie is in hoofdstuk 8 aangegeven hoe de formules en berekeningen worden uitgevoerd. De berekeningen zijn handmatig uitgevoerd. Tevens is een Excel-berekening uit het technologisch Algemeen Programma van Eisen van het Waterschap Hollandse Delta opgenomen met een slibconcentratie van 5 kg/m en voordenitrificatie. In de Excel-berekening heb ik mij beperkt tot de volumen van de civiele constructieonderdelen. Berekeningen over luchthoeveelheden en slibverwerking heb ik buiten beschouwing gelaten. 2
2 Dimensioneren civieltechnische proces onderdelen 2.1 Massabalansen Een hulpmiddel bij het dimensioneren van zuiveringsprocessen is het opstellen van massabalansen. Het principe van massabalansen is: massa in = massa uit + verbruik - productie Massabalansen kunnen onder meer worden gebruikt voor het dimensioneren van de volgende deelprocessen: nitrificatie, denitrificatie, beluchtingscapaciteit fosfaatverwijdering en retourslib capaciteit. 2.2 Beluchtingstank 2.2.1 Slibleeftijd en nitrificatieruimte De slibleeftijd is een belangrijke parameter bij de nitrificatie. Afhankelijk van de temperatuur moet een bepaalde slibleeftijd worden aangehouden om de nitrificerende bacteriën in het slib te houden. Het is daarbij belangrijk dat tijdens deze slibleeftijd moet worden belucht. Indien een actiefslibsysteem bijvoorbeeld bestaat uit een beluchte tank en een onbeluchte tank, dan is alleen de leeftijd relevant die het slib in de beluchte tank doorbrengt. De totale slibleeftijd (belucht + onbelucht) zal dan groter zijn. Verband tussen temperatuur en slibleeftijd bij nitrificatie 3
De volgende stap is het berekenen van de slibproductie. Om de slibproductie te kunnen berekenen is de belasting nodig in kg BZV/dag. Een eenvoudige ervaringsregel bij zuivering van niet-voorbezonken huishoudelijk afvalwater is een slibgroei van 1 gram drogestof per gram omgezette BZV. Indien wordt uitgegaan van voorbezonken afvalwater is dit doorgaans iets lager, 0,8 tot 0,9 g ds/g BZV. Bij industrieel afvalwater is BZV vaak geen goede maat voor het berekenen van de slibproductie. Nadat de slibproductie is berekend en de minimum temperatuur bekend is, kan worden berekend hoeveel slib in de beluchtingstank minimaal aanwezig moet zijn om de nitrificatie in stand te houden: slibmassa (kg) = slibproductie (kg/dag) x slibleeftijd (dag) Het betreft hier alleen het beluchte gedeelte van de slibmassa betreft. Indien tevens denitrificatie vereist is, moet een grotere slibmassa worden aangehouden. Het denitrificatie deel wordt apart berekend. Het volume van de beluchtingstank tenslotte volgt eenvoudig uit de slibmassa, en de gewenste slibconcentratie. 2.2.2 Berekenen denitrificatieruimte Voor het berekenen van de denitrificatieruimte is het nodig om te berekenen hoeveel nitraat er moet worden gedenitrificeerd. Hiervoor kunt u uitgegaan van de nitraatproductie en de effluenteisen, maar beter kunt u een massabalans van de totale stikstofvracht over een rwzi maken: Te denitrificeren = stikstofvracht in - totale stikstofvracht in het effluent - stikstof in spuislib Indien vervolgens bekend is met welke slibconcentratie er wordt gewerkt, en met welke denitrificatiesnelheid u rekening kunt houden, kunt u vervolgens het volume van de denitrificatieruimte berekenen. 2.2.3 Berekenen nitrificatieruimte 2.2.3.1 Simultane nitrificatie denitrificatie Dit is een proces die wordt toegepast in een compleet gemengd systeem met één beluchtingtank. In het proces wordt gemaakt van het buitenste, zuurstofrijke deel van de vlok vindt de nitrificatie plaats; in de zuurstofloze delen van de vlok de denitrificatie. Het proces heeft het nadeel dat bij een te hoog zuurstofgehalte de denitrificatie onvolledig is. Voor dit proces wordt een gemiddelde denitrificatiesnelheid van 20 g N/kg ds/dag aangehouden. 2.2.3.2 Met voordenitrificatie Bij voordenitrificatie zijn de nitrificatie en de denitrificatie van elkaar fysiek gescheiden. De denitrificatie vind plaats in een anoxische tank. Dit systeem kent het nadeel van een te hoog zuurstofgehalte niet. Voor dit proces wordt een gemiddelde denitrificatiesnelheid van 26 g N/kg ds/dag aangehouden. 2.2.4 Totale volume beluchtingstank De nitrificatieruimte vormt samen met de denitrificatieruimte de actiefslibtank. 2.3 Retourslibcapaciteit De vereiste retourslibcapaciteit is afhankelijk van de bezinkbaarheid van het slib en van de drogestofbalans over de nabezinktank. De bezinkbaarheid van het slib, uitgedrukt in de verdunde slibindex (SVI), bepaalt tot hoever het retourslib kan indikken in de nabezinktank, zonder dat het gehele nabezinkproces geschaad wordt. 4
Voor het verband tussen het bereikbare drogestofgehalte van het retourslib en de slibindex wordt bij DWA situatie de volgende formule gehanteerd: G r,max = 1200/ SVI (kg/m 3 ) Bij RWA neemt de G r,max met 2 kg/m 3 extra toe. De drogestofbalans over de nabezinktank bij evenwicht luidt: Slib- en waterbalans beluchtingstank en nabezinktank (Q + Q rs ) x G a = Q rs x G rs Waarin: Q = afvalwaterdebiet (m 3 /h) Q rs = retourslibdebiet (m 3 /h) G a = slibgehalte beluchtingstank (kg ds/m 3 ) G rs = retourslibgehalte (kg ds/m 3 ) Deze drogestofbalans geldt zowel bij DWA- als bij RWA-evenwicht. 2.4 Selector 2.4.1 Doel selector Een selector heeft als doel het beheersen van de slibbezinkbaarheid, te bereiken door het tot stand brengen van een contact tussen retourslib en afvalwater. Daarbij vind adsorptie plaats van organische stof (uitgedrukt als BZV) aan het slib. Door deze adsorptie krijgen vlokvormende bacteriën (beter bezinkbaar) in de opvolgende procesfasen een voordeel boven draadvormende bacteriën (slecht bezinkbaar). 2.4.2 Volume selector Een anaërobe tank moet gedimensioneerd worden op de: Maximale hydraulische belasting tijdens DWA; Daarbij passende DWA retourslibdebiet; Contacttijd van 15 minuten. 2.5 Anaerobe tank 2.5.1 Doel anaerobe tank Een anaërobe tank heeft als doel het tot stand brengen van procescondities waarbij afgifte van fosfaat kan plaatsvinden. 2.5.2 Volume anaerobetank Een anaerobetank moet gedimensioneerd worden op de: Maximale hydraulische belasting tijdens DWA; Daarbij passende DWA retourslib-debiet; Contacttijd van 75 minuten. 5
2.6 Nabezinktank 2.6.1 Inleiding Vanwege de gunstige hydraulische eigenschappen, de efficiënte slibruiming en geringe storings- en onderhoudsgevoeligheid wordt altijd uitgegaan van ronde, ondiepe bezinktanks. De kantdiepte varieert 1,5 tot 2,5 meter. De diameter van de nabezinktanks is aan een maximum gebonden, maximum diameters van 50 tot ruim 55 meter aangehouden. Belangrijke keuzes in de nabezinking zijn het slibgehalte in de beluchtingstank, de slibvolume index en de maximale diameter van de nabezinktank. 2.6.2 De benodigde oppervlakte Voor het vaststellen van de maatgevende belasting, wordt de slibvolumebelasting (VS a ) gebruikt. Deze is het product van de oppervlaktebelasting (qa) en het slibvolume (VS v ). Dit laatste is op zijn beurt het product van de drogestofconcentratie van de aanvoer naar de nabezinktank (G a ) en de verdunde slibvolume-index (SVI). Fignr. Toelaatbare oppervlaktebelastiong tov slibvolume Maatgevend is de situatie bij het maximale debiet waarbij de nabezinktank goed moet functioneren. De toelaatbare slibvolumebelasting is afhankelijk van het slibvolume, zoals in onderstaande tabel is weergegeven. Slibvolume VS v ml/l < 300 300-600 < 600 Toelaatbare slibvolumebelasting VS a l/(m2.h) 300 200 + 1/3 VS r 400 Toelaatbare slibvolumebelasting 6
Voor het slibvolume (VS v ) moet die waarde gekozen worden welke in de evenwichtssituatie tijdens RWA optreedt. Tijdens deze situatie is een deel van de totale slibhoeveelheid in de nabezinktank gebufferd. Hierdoor is de aanvoer naar de nabezinktank minder geconcentreerd en dus het slibvolume (VS v ) kleiner dan bij DWA. Een schatting van de afname van G tijdens RWA is gebaseerd op de volgende aannamen: Bij DWA is de hoeveelheid slib in de nabezinktank te verwaarlozen. De gemiddelde concentraties van het gebufferde slib in de nabezinktank is afhankelijk van de slibindex. Deze concentratie wordt berekend met de volgende formule: G c = 480/SVI (kg/m3) De oppervlaktebelasting mag maximaal 0,8 m 3 /(m 2.h) bedragen. Is de openvlakte belasting hoger, dan is de nabezinktank overbelast en zal na enige tijd slib verliezen. Wanneer G a groter is dan G c wordt gebufferd met de concentratie Ga. De slibspiegel is tijdens de RWA-evenwichtssituatie hoogstens 0,3 m boven de kantdiepte gestegen. De hoeveelheid slib die tijdens RWA gebufferd kan worden, wordt berekend door de inhoud van de tank onder de slibspiegel te vermenigvuldigen met de gemiddelde drogestofconcentratie. Deze toelaatbare slibhoeveelheid bedraagt: TD s, max = 1/4 x π x D 2 (1/6 x D x α + 0,3) x G c (kg) Waarin: D = diameter nabezinktank α = bodemhelling (in het algemene 1/12) Hierbij gelden twee randvoorwaarden: De drogestof concentratie in de beluchtingstank mag niet kleiner dan 2 kg/m 3 worden. Er mag niet meer dan 30% van de totale hoeveelheid drogestof in de nabezinktank(s) worden gebufferd. De gebufferde hoeveelheid voldoet aan de formule: TD s = V at * (G a,dwa - G a,rwa ) (kg) Hierbij gelden twee randvoorwaarden: De drogestofconcentratie in de beluchtingstank mag niet kleiner dan 2 kg/m 3 worden. Er mag niet meer dan 30% van de totale hoeveelheid drogestof in de nabezinktank worden gebufferd. 7
3 Beluchtingstank 3.1 Berekenen nitrificatieruimte 3.1.1 Gevenvens Capaciteit : 30.000 i.e.; BZV vracht : 1.500 kg/dag; N vracht : 360 kg/dag; gemiddeld debiet : 7.500 m 3 /dag; Min. temperatuur : 7 C; Slibleeftijd : 13,4 dag (zie grafiek); Slibproductie opbrengst : 1,0 gr droge stof/gr BZV; 3.1.2 Slibconcentratie 4 kg/m 3 Totale vereiste slibmassa : 1.500 x 13,4 = 20.100 kg Bij slibconcentratie van 4 kg/m 3 : 20.100/4 = 5.025 m 3 3.1.3 Slibconcentratie 5 kg/m 3 Totale vereiste slibmassa : 1.500 x 13,4 = 20.100 kg Bij slibconcentratie van 5 kg/m 3 : 20.100/5 = 4.020 m 3 3.2 Berekenen nitrificatieruimte Capaciteit : 30.000 ie; BZV vracht : 1.500 kg/dag; N vracht : 360 kg/dag; Gemiddeld debiet : 7.500 m 3 /dag; Effluenteis : 10 mg/l totaal stikstof Slibproductie opbrengst : 1,0 gr droge stof/gr BZV; N gehalte spuislib : 5% op basis van drogestof. 3.2.1 Te denitificeren stikstof Stikstof in effluent: 7.500 x 10/1000 = 75 kg Stikstof in spuislib: 1.500 x 0,05 = 75 kg 360-75 - 75 = 210 kg/dag 3.2.2 Simultane nitrificatie denitrificatie Dit is een proces die wordt toegepast in een compleet gemengd systeem met één beluchtingtank. In het proces wordt gemaakt van het buitenste, zuurstofrijke deel van de vlok vindt de nitrificatie plaats; in de zuurstofloze delen van de vlok de denitrificatie. Het proces heeft het nadeel dat bij een te hoog zuurstofgehalte de denitrificatie onvolledig is. Voor dit proces wordt een gemiddelde denitrificatiesnelheid van 20 g N/kg ds/dag aangehouden. Bij slibconcentratie van 4 kg/m : 210/20/4 x 1000 = 2.625 m Bij slibconcentratie van 5 kg/m : 210/20/5 x 1000 = 2.100 m 8
3.2.3 Met voordenitrificatie Bij voordenitrificatie zijn de nitrificatie en de denitrificatie van elkaar fysiek gescheiden. De denitrificatie vind plaats in een voordenitrificatie (anoxische) tank. Dit systeem kent het nadeel van een te hoog zuurstofgehalte niet. Voor dit proces wordt een gemiddelde denitrificatiesnelheid van 26 g N/kg ds/dag aangehouden. Bij slibconcentratie van 4 kg/m : 210/26/4 x 1000 = 2.020 m Bij slibconcentratie van 5 kg/m : 210/26/5 x 1000 = 1.615 m 3.3 Totale volume beluchtingstank De nitrificatieruimte vormt samen met de denitrificatieruimte de actiefslibtank. Het totale volume van de dus bij een: slibconcentratie 4 kg/m 3 en simultane nitrificatie denitrificatie: 5.025 m + 2.625 m = 7.650 m Slibconcentratie 5 kg/m 3 en simultane nitrificatie denitrificatie: 4.020 m + 2.100 m = 6.120 m Slibconcentratie 4 kg/m en voordenitrificatie 5.025 m + 2.020 m = 7.045 m Slibconcentratie 5 kg/m en voordenitrificatie 4.020 m + 1.615 m = 5.635 m 3.3.1 Verdeling beluchtingstank met voordenitrificatie Bij de verdeling van de beluchtingsruimte met voordenitrificatie wordt de volgende vuistregel toegepast: Voordenitrificatieruimte : 17,5 % Voornitrificatieruimte : 35 % Nageschakelde beluchtingstank : 47,5 % 3.3.2 Verdeling bij 4 kg/m 3 met voordenitrificatie Voordenitrificatieruimte : 1.233 m3 Voornitrificatieruimte : 2.466 m3 Nageschakelde beluchtingstank : 3.346 m3 3.3.3 Verdeling bij 5 kg/m 3 met voordenitrificatie Voordenitrificatieruimte : 986 m3 Voornitrificatieruimte : 1.972 m3 Nageschakelde beluchtingstank : 2.677 m3 9
4 Retourslibcapaciteit 4.1 Retourslib capaciteit bij 4 kg/m 3 4.1.1 DWA- omstandigheid DWA = 1/3 X RWA = 1/3 x 1.100 = 367 m3 G a = 4 kg/m3 SVI = 125 G r = 1200/125 = 9,6 kg/m3 (Q + Q r ) x G a = Q r x G r 1.468 + 4Q r = 9,6 Q r 5,6 Q r = 1.468 Q r = 262 m 3 4.1.2 RWA- omstandigheid RWA = 1.100 m 3 G a = 4 kg/m 3 SVI = 125 G r = 1200/125 = 9,6 + 2,0 = 11,6 kg/m 3 (Q + Q r ) x G a = Q r x G r 4.400 + 4Q r = 11,6 Q r 7,6 Q r = 4.400 Q r = 579 m 3 4.1.3 Capaciteit retourslibgemaal De capaciteit van het retourslibgemaal bij moet bij 4 kg/m 3 minimaal 579 m 3 bedragen. 4.2 Retourslib capaciteit bij 5 kg/m 3 4.2.1 DWA- omstandigheid DWA = 1/3 X RWA = 1/3 x 1.100 = 367 m 3 G a = 5 kg/m3 SVI = 125 G r = 1200/125 = 9,6 kg/m 3 (Q + Q r ) x G a = Q r x G r 1.835 + 5Q r = 9,6 Q r 4,6 Q r = 1.835 Q r = 399 m 3 4.2.2 RWA- omstandigheid RWA = 1.100 m 3 G a = 5 kg/m 3 SVI = 125 10
G r = 1200/125 = 9,6 + 2,0 = 11,6 kg/m 3 (Q + Q r ) x G a = Q r x G r 5.500 + 5 Q r = 11,6 Q r 6,6 Q r = 5.500 Q r = 833 m 3 4.2.3 Capaciteit retourslibgemaal De capaciteit van het retourslibgemaal bij moet bij 5 kg/m 3 minimaal 833 m 3 bedragen. 11
5 Selector en anaerobetank 5.1 Selector 5.1.1 Volume selector bij 4 kg/m 3 DWA = 1/3 X RWA = 1/3 x 1.100 = 367 m 3 p/u; Q r = 262 m 3 p/u; Verblijftijd = 15 minuten. (367 + 262) : 4 = 157 m 3 5.1.2 Volume selector bij 5 kg/m 3 DWA = 1/3 X RWA = 1/3 x 1.100 = 367 m 3 p/u; Q r = 399 m 3 p/u; Verblijftijd = 15 minuten. (367 + 399) : 4 = 192 m 3 5.2 Anaerobe tank 5.2.1 Volume anaerobe tank bij 4 kg/m 3 DWA = 1/3 X RWA = 1/3 x 1.100 = 367 m 3 p/u; Q r = 262 m 3 p/u; Verblijftijd = 75 minuten (= 5 x 15 minuten) (367 + 262) : 4 x 5 = 786 m 3 5.2.2 Volume anaerobe tank bij 5 kg/m 3 DWA = 1/3 X RWA = 1/3 x 1.100 = 367 m 3 p/u; Q r = 399 m 3 p/u; Verblijftijd =75 minuten (= 5 x 15 minuten) (367 + 399) : 4 x 5 = 956 m 3 12
6 Berekening nabezinkoppervlakte 6.1 Iteratief proces Berekening van een oppervlakte van een nabezinktank is iteratief proces, het herhaald uitvoeren van een reeks bewerkingen. 6.2 Oppervlakte bij 4 kg/m 3 en simultane nitrificatie denitrificatie Beluchtingstank : 7.650 m 3 SVI : 125 VS v G a, rwa VS a qa A tot D TD s,max TD s ml/l kg/m 3 l/(m 2.h) m 3 /(m 2.h) m 2 m 1 kg kg 500 4,0 367 0,73 1.507 43,8 5.263 0 425 3,4 341 0,80 1.375 41,9 4.657 4.539 350 2,8 316 0,90 1.222 39,5 3.672 9.180 6.3 Oppervlakte bij 4 kg/m 3 en voordenitrificatie Beluchtingstank : 7.125 m 3 SVI : 125 VS v G a,rwa VS a qa A tot D TD s,max TD s ml/l kg/m 3 l/(m 2.h) m 3 /(m 2.h) m 2 m 1 kg kg 500 4,0 367 0,73 1.507 43,8 5.263 0 425 3,4 341 0,80 1.375 41,9 4.657 4.275 350 2,8 316 0,90 1.222 39,5 3.672 8.550 6.4 Afmeting nabezinktank bij 4 kg/m 3 Bij een G a,rwa van 2,8 kg/m 3 wordt de maximale oppervlaktebelasting van 0,8 m 3 /(m 2.h) overschreden. Hier zou slibuitspoeling plaatsvinden. Bij een diameter van 41,9 m1 is de oppervlaktebelasting van 0,8 m 3 /(m 2.h) en blijft bij simultane nitrificatie denitrificatie als voordenitrificatie de TD s < TD s, max. Vanwege de praktische afmeting 41,9 m 1 42,0 m 1 => wordt de diameter van de nabezinktank 42,0 m 1. 6.5 Oppervlakte bij 5 kg/m 3 en simultane nitrificatie denitrificatie Beluchtingstank : 6.040 m 3 SVI : 125 VS v G a,rwa VS a qa A tot D TD s,max TD s ml/l kg/m 3 l/(m 2.h) m 3 /(m 2.h) m 2 m 1 kg kg 625 5,0 400 0,64 1.719 46,9 6.300 0 575 4,7 394 0,68 1.618 45,4 5.778 1.812 515 4,1 372 0,71 1.549 44,4 5.468 5.436 13
500 4,0 367 0,73 1.507 43,8 5.263 6.040 438 3,5 346 0,79 1.392 42,1 4.700 9.060 6.6 Oppervlakte bij 5 kg/m 3 en voordenitrificatie Beluchtingstank : 5.635 m 3 SVI : 125 VS v G a,rwa VS a qa A tot D TD s,max TD s ml/l kg/m 3 l/(m 2.h) m 3 /(m 2.h) m 2 m 1 kg kg 625 5,0 400 0,64 1.719 46,9 6.300 0 575 4,7 394 0,68 1.618 45,4 5.778 1690 515 4.1 372 0,71 1.549 44,4 5.468 5071 500 4,0 367 0,73 1.507 43,8 5.263 5635 438 3,5 346 0,79 1.392 42,1 4.700 8452 6.7 Afmeting nabezinktank bij 5 kg/m 3 De maximale buffering (30%) blijkt maatgevend te zijn, bij een diameter van 44,4 m 1 blijft bij simultane nitrificatie denitrificatie als voordenitrificatie de TD s < TD s, max. Vanwege de praktische afmeting 44,4 m 1 45,0 m 1 => wordt de diameter van de nabezinktank 45,0 m 1. 6.8 Afwijking met Excel berekening De excel berekening wijkt de diameter van de nabezinktank 46,8 m 1 af van de handmatige berekening 44,4 m 1. De excel berekening is conservatiever in het berekenen. Hierbij wordt uitgegaan dat de nabezinktank zo groot moet zijn dat er geen berging van slib plaats vindt bij RWA. In de handmatige berekening is voor de zelfde situatie een diameter van 46,9 m 1 nodig. 14
7 Excel berekening APvE Processen 15
16
17
Colofon Document Dimensioneren civiele constructieonderdelen Versie 1.0 Datum november 2011 Status Definitief Projectnaam Uitbreiding rwzi Numansdorp in het kader van course 15/16 Auteur(s) W.Rijnders 18