| Forside | | Indhold | | Forrige | | Næste |

Rensning af MTBE-forurenet grundvand vha. propanoxiderende mikroorganismer

4 Del III: Potentiale for on-site rensning

• 4.1 Opskaleringsberegninger
  • 4.1.1 Forudsætninger.
  • 4.1.2 Beregninger.
• 4.2 Økonomiske beregninger
  • 4.2.1 Forudsætninger.
    • 4.2.1.1 Anlægskomponenter.
    • 4.2.1.2 Driftsposter.
    • 4.2.1.3 Prisfastsættelse.
  • 4.2.2 Beregninger.
• 4.3 Sammenfatning og vurdering.

4.1 Opskaleringsberegninger

Vurderingsgrundlag

I det følgende er der, på baggrund af de opnåede resultater fra batch- og reaktorforsøgene, foretaget nogle opskaleringsberegninger for en sekventiel batch reaktor til rensning af MTBE-forurenet grundvand. Disse beregninger vil danne udgangspunkt for en vurdering af metodens potentiale til praktisk on-site rensning af MTBE-forurenet grundvand; herunder for økonomiske overslagsberegninger for fuld-skala anlæg.

I det følgende skitseres de generelle beregningsforudsætninger, hvorefter opskaleringsberegningerne er gennemgået.

4.1.1 Forudsætninger

De tekniske beregninger er foretaget med den udarbejdede numeriske model, som er beskrevet i bilag D. I det følgende er der foretaget en gennemgang af de forudsætninger, som er fælles for alle beregningerne.

BTEX

Det er antaget, at der ikke er BTEX’er til stede i indløbsvandet til MTBE-reaktoren. Det forudsættes således, at der oppumpes grundvand, der kun er forurenet med MTBE, eller at der er foretaget en forudgående rensning af vandet med henblik på BTEX-fjernelse. En sådan BTEX-fjernelse kan evt. foretages i et aktiv kulfilter, eller udføres som et aerobt biologisk filter, indbygget som en integreret del af den påkrævede opholdstank, jf. figur 3.3. Umiddelbart vurderes en sådan udbygning ikke at ville være særligt omkostningstung, set i forhold til metodens samlede omkostninger.

Jern og mangan

Det antages ligeledes, at der er foretaget en forfældning af jern og mangan, såfremt grundvandstypen måtte kræve dette. Det vurderes umiddelbart, at en sådan ville kunne indbygges i (en del af) opholdstanken; evt. et forkammer til et eventuelt aerobt BTEX-filter, som skitseret ovenfor.

Næringssalte

I alle beregninger er det antaget, at der ikke er næringssaltbegrænsning i forhold til at nedbrydningsprocesserne kan forløbe optimalt. I bilag E er der foretaget en konservativ overslagsberegning over den nødvendige tilsætning af næringssalte, hvoraf det fremgår, at for hver 100 gram propan, der overføres til reaktorens væskefase, skal der tilsættes ca. 3 gram kvælstof og 0,3 gram fosfor i biotilgængelig form. Tilsætning af næringssalte i disse mængder (overskud) vil muligvis medføre et krav om biostabilisering for at mindske eftervækst eller eutrofiering, afhængigt af hvor det rensede grundvand ud- eller afledes. Det er dog muligt, at den tilsatte mængde af næringsstoffer, efter indkøring af anlægget, kan afpasses således, at tilsætningen modsvares af det faktiske mikrobielle optag.

Ilt

Med hensyn til de beregnede iltbehov, forudsættes det, at det specifikke iltforbrug, forbundet med nedbrydningen af propan og MTBE, på hhv. 3,4 og 2,7 g ilt/g substrat, svarende til lav vækst på propan og fuldstændig mineralisering af MTBE. Dette vil alt andet lige give et konservativt estimat på det biologiske iltbehov. Iltkoncentrationen er i alle beregninger forudsat konstant lig 4 mg O₂/L, svarende til at ca. 93% af den maksimale MTBE-nedbrydningsrate er bibeholdt.

Masseoverførsel

Beregningerne tager ikke hensyn til et eventuelt tab af ilt og propan som følge af en ikke-fuldstændig masseoverførsel fra gas- til væskefasen. De opgivne mængder af ilt og propan svarer således til det biologiske behov. Ved omregning fra det biologiske behov, til de gasmængder, der rent faktisk skal indkøbes og injiceres i reaktoren skal der således multipliceres med en overførselsfaktor (>1).

Biomassekoncentration

Beregningerne er udført med en biomassekoncentration på 2 g biomasse/L, svarende til 1 g protein/L, og omkring en faktor 1,5 – 2,5 lavere end biomassekoncentrationen i et typisk aktiv-slam anlæg.

Temperatur

Temperaturen er i beregningerne forudsat lig 15°C, svarende til oppumpning af vand med en temperatur på ca. 12°C, der er blevet lettere opvarmet i pumper samt under opholdet i reaktorerne. Mht. temperaturafhængigheden af nedbrydningsraterne er der i beregningerne dels antaget en Q₁₀ på 2,5 og dels en på 8,8, svarende til yderpunkterne i de estimater, der blev opnået for MTBE i batchforsøgene. Det antages, at propannedbrydningens temperaturfølsomhed kan beskrives ved samme Q₁₀-værdier.

Propantilsætning

Jævnfør reaktorforsøgene, er der i beregningerne antaget en initialkoncentration af propan på 0,3 mg/L. Det er ydermere antaget, at der foretages en ny propantilsætning når koncentrationen når ned på 0,06 mg/L.

Ikke-ideel adgang til forbrugsstoffer

I henhold til reaktorresultaterne fra SBR2 er der regnet med, at MTBE-raten nedsættes med 15% i forhold til de rater der kan opnås i batch under ideel adgang til diverse forbrugsstoffer. Hvorvidt dette er en konservativ antagelse kan ikke afgøres. Antagelsen bygger på en formodning om at det vil være vanskeligt at få hele biomassen til at fungere optimalt i et fuldskalaanlæg med en biomassekoncentration på 2 g/L, men at der samtidig vil kunne opnås en bedre omrøring, opblanding og overførsel af gas til væskefasen i en industrielt designet reaktor, end i pilotforsøget. Af samme årsag regnes der, konservativt, ikke med en tilsvarende nedsættelse af propan-raten.

Reaktorkonfiguration

Det antages, at SBR-anlægget har en opbygning som skitseret i figur 3.2 og, at reaktoren er udført med en overhøjde svarende til 20% af væskevoluminet til opsamling af evt. overskydende gas. Biomasseseparationen antages at blive foretaget ved flotation, og det samlede tidsforbrug forbundet med flotation, tømning og fyldning antages at udgøre 12 minutter.

Afværgepumpning

Der tages udgangspunkt i, at behovet for rensning af grundvand forurenet med MTBE er opstået i forbindelse med en afværgepumpning af længere varighed. Det forudsættes, at der er kontinuert drift af anlægget, dvs. 24 driftstimer pr. døgn.

Hydraulisk belastning

Det antages, at den hydrauliske belastning af anlægget er 1 m³/time; resultaterne er direkte skalérbare mht. den hydrauliske belastning. Dette skyldes, at indløbskoncentrationen af MTBE i alle tilfælde ligger betydeligt under K_m-værdien på 40 mg/L.

4.1.2 Beregninger

Seks scenarier

Der er opstillet i alt seks opskaleringsscenarier, som fremgår af tabel 4.1.

Tabel 4.1: Inddata til opskaleringsscenarier.

For scenarium 5 og 6 er det antaget, at udløbskoncentrationen er lig grundvandskvalitetskriteriet på 5 μg/L, og at nedbrydningskinetikken for MTBE ikke ændrer sig væsentligt ved koncentrationer under 0,2 mg/L, svarende til den detektionsgrænse der er anvendt i kapitel 2 og 3.

Nøgletal

For hvert scenarium er følgende nøgletal opsamlet til beskrivelse af reaktorfunktionen:

• Nødvendig hydraulisk opholdstid, incl. tømning og fyldning (T_h).
• Nødvendigt reaktorvolumen (V); heraf er 80% væskevolumen.
• Specifik massefjernelse af MTBE (M).
• Specifikt propanforbrug.
• Nødvendig specifik masseoverførsel af propan og ilt.

Eksempel

Figur 4.1 giver en grafisk repræsentation af modelberegningen for scenarium 2. Den tid, der kan aflæses imellem MTBE-tilsætningerne er den påkrævede biologiske opholdstid for anlægget. Dertil lægges tiden til fyldning, tømning og flotation, for at opnå den samlede opholdstid.

Figur 4.1: Opskaleringsberegning for scenarium 2.

Resultater

De samlede resultater af beregningerne fremgår af tabel 4.2.

Tabel 4.2: Resultater af opskaleringsberegninger for en hydraulisk belastning på 1 m³/time, ved en temperatur på 15°C og en biomassekoncentration på 1 g protein/L.

Som det fremgår af tabel 4.2, kan der for scenarium 1-5 og en hydraulisk belastning på 1 m³/time forventes hydrauliske opholdstider på mindre end 3 timer og reaktorvoluminer på mindre end 3,5 m³. For scenarium 6 estimeres en større opholdstid (6 timer) og et større nødvendigt reaktorvolumen (7,2 m³).

Specifikt propanforbrug

Da det er antaget, at MTBE- og propannedbrydningens temperaturfølsomhed følger MTBE’s (samme Q₁₀-værdier), så påvirkes det specifikke propanforbrug (g propan/g MTBE) ikke af antagelsen om en ændret Q₁₀.

Større hydraulisk belastning

Da der er tale om en lineær skalering af det nødvendige reaktorvolumen i forhold til den hydrauliske belastning, kan der, såfremt der ønskes en beregning for en hydraulisk belastning på f.eks. 5 m³/time, estimeres et nødvendigt volumen på fem gange det, der er angivet i tabel 4.2. Alle de øvrige størrelser er specifikke, hvorfor de ikke ændres ved større hydraulisk belastning.

4.2 Økonomiske beregninger

I det følgende er der udført en række overslagsberegninger over prisen for rensning af MTBE-forurenet grundvand. Beregningerne tager udgangspunkt i de anlægsmæssige forudsætninger og beregningsscenarier, der er præsenteret i afsnit 4.1.

Eksempler på prisoverslag

Det er ikke hensigten, at give en udtømmende og detaljeret økonomisk analyse af alle de faktorer, der kan tænkes at indgå i en on-site biofilterløsning, men udelukkende at give en overslagspris på rensning af MTBE-forurenet grundvand i et SBR-anlæg under givne forudsætninger.

4.2.1 Forudsætninger

Ikke standardløsninger

Da der ikke findes deciderede standardløsninger at tage udgangspunkt i, vil de beregnede priser naturligvis være behæftet med store usikkerheder, som er direkte forbundet med de forudsætninger, der er foretaget i forbindelse med beregningerne.

4.2.1.1 Anlægskomponenter

Forudsætninger, anlægskomponenter

Det forudsættes, at den valgte pumpeløsning til oppumpning af grundvandet også har hydraulisk kapacitet til at pumpe vandet ind i opholdstanken samt, at filterløsningen kan opstilles hensigtsmæssigt i forhold til pumpebrønde og af-/udledningspunkter, således at tilkoblingen af filteret kan ske til manifold og rør/slanger der ”alligevel” skulle være benyttet. De beregnede omkostninger kan således betragtes som meromkostninger forbundet med biofilter-behandling  af vand, der ellers kunne være ud- eller afledt.

Anlægskomponenter

I henhold til figur 3.2 forudsættes det, at anlægsomkostningerne i forbindelse med biofilteret er tilknyttet følgende komponenter:

• Reaktor og opholdstank (samme størrelse).
• Pumpe til overførsel imellem opholdstank og bioreaktor.
• Omrøring (”piskeris” og drivende motor).
• Diffusorer eller lign. til overførsel af ilt og propan til reaktorvandet.
• Kompressor til flotation (atmosfærisk trykluft).
• Rørsystem, flanger, slanger, ventiler m.v.
• Afskærmning, indhegning eller lign.

Reaktorstørrelse

Umiddelbart vurderes anlægsstørrelser på to gange 10 m³ (opholdstank og reaktor) at være et absolut maksimum for størrelsen på et realistisk on-site anlæg. Der er benyttet ”standard”-reaktorstørrelser på 5 og 10 m³. Tankene udføres i rustfri stål.

Eksplosionsfare

Det antages, at pumper og motorer er gnistfri og placeret fuldt ventileret, således, at der ikke er direkte eksplosionsfare forbundet med pumpernes og motorernes kontakt med benzinforurenet vand og/eller propan og ilt. Risikoen for eksplosionsfare bør naturligvis overvejes nøje i forbindelse med konkret opsætning af et on-site anlæg.

Flotation

Det er antaget, at der til biomasseseparationen via flotation, kan benyttes samme diffusorsystem, som anvendes til tilsætningen af ilt og propan.

SRO-komponenter

Ud over ovennævnte komponenter er der i forbindelse med SBR-anlægget behov for et anlæg til styring, regulering og overvågning (SRO), bestående af følgende komponenter:

• Temperatur- og pH-måler.
• Ilt-elektrode til måling i væskefasen.
• Propan-måling i væskefasen.
• MTBE-måling i væskefasen.
• Kontrolenhed (PC) og SRO-software til løbende opsamling af data samt styring af div. ventiler, tilsætninger m.v.

MIMS

På baggrund af en hurtig rundspørge har det ikke været muligt, at lokalisere en propan-elektrode. I beregningerne er det derfor forudsat, at propan-målingen finder sted på et Membrane Inlet Mass Spektrometer (MIMS), ligesom det vurderes, at den p.t. mest cost-effektive måling af MTBE, ved den påkrævede hyppighed, foretages med en MIMS.

Kontrolenhed

Det er forudsat, at den PC, der anvendes som kontrolenhed til SRO-softwaren ligeledes benyttes som dataopsamlingsenhed til MIMS’en.

Afskrivning

Det forudsættes, at anlægsomkostninger afskrives jævnt over den valgte driftsperiode.

Opsætning og indkøring

Det er forudsat, at opsætning og indkøring af anlægget udgør 10% af anlægsomkostningerne.

4.2.1.2 Driftsposter

Det forudsættes, at omkostningerne i forbindelse med driften af SBR-reaktoren er tilknyttet følgende:

• Forbrug af propan og ilt.
• Forbrug af næringssalte.
• Strøm til pumper, motorer, SRO-anlæg m.v.
• Drift og vedligeholdelse.

Propan og ilt

Forbrug af propan beregnes ud fra den specifikke massefjernelse af MTBE og det specifikke propanforbrug, jf. tabel 4.2, mens forbruget af ilt beregnes som anført i afsnit 4.1.1.

Næringssalte

Forbrug af næringssalte beregnes på baggrund af det biologisk propanforbrug, som 30 g N og 3 g P pr. 100 g propan, jf. bilag E.

Strøm

Det er forudsat, at strømforbruget forbundet med SRO-anlægget er 1 kW, med kontinuert drift (8.760 timer/år).

Strømforbruget ved omrøring er beregnet som 0,5 kW/m³ reaktorvolumen, med en gennemsnitlig driftstid på 90% (7.885 timer/år), svarende til forholdet imellem tiden til fyldning, tømning og flotation (12 minutter) og den gennemsnitlige totale hydrauliske opholdstid for scenarium 1-5 i tabel 4.2 (= 1,85 timer).

Strømforbruget til pumpen imellem opholdstanken og reaktoren, og  kompressoren til flotationsanlægget, antages at udgøre 4,5 kW over 5% af tiden (438 timer/år), svarende til, at hver del er i drift i halvdelen af tiden til fyldning, tømning og flotation).

Drift og vedligehold

Det er antaget, at drift og vedligeholdelse udgør 180 timer/år, svarende til ca. én dag pr. 14 driftsdage.

4.2.1.3 Prisfastsættelse

Følgende prisoverslag er indhentet på diverse anlægskomponenter.

Anlægsomkostninger

Tabel 4.3: Enhedspriser på anlægsposter (kr. eks moms).

Som det fremgår af tabel 4.3 udgør de anlægsuafhængige omkostninger til SRO-anlæg og MIMS mellem 65 og 75 % af de samlede anlægsomkostninger; heraf udgør omkostningerne til løbende måling af MTBE ¾ af disse omkostninger (MIMS). På den baggrund vurderes det umiddelbart, at en omkostningseffektiv metode til løbende måling af MTBE formentlig vil være fremmende for en implementering af teknologien.

Driftsomkostninger

Der er antaget følgende enhedspriser på driftsposterne, jf. tabel 4.4.

Tabel 4.4: Enhedspriser på driftsposter (kr. eks moms).

Enhedspriser

Alle priser omregnes til enhedspriser (eks. moms), dvs. kr./m³ renset vand.

4.2.2 Beregninger

I det følgende opridses rammerne for de scenarier, der ligger til grund for de økonomiske beregninger mht. hydraulisk belastning og driftsperiode.

Hydraulisk belastning

For hvert af de overordnede scenarier opstillet i tabel 4.1 er der opstillet tre mulige scenarier med hensyn til den hydrauliske belastning: 2, 5 og 10 m³/time, svarende til mellem 17.520 og 87.600 m³/år.

Driftsperioder

I forhold til driftsperioden opstilles to mulige scenarier i forbindelse med afværgepumpning:

• Et korterevarende permanent anlæg (5 år).
• Et længerevarende permanent anlæg (10 år).

Der er således opstillet i alt 36 beregningsmæssige scenarier. I bilag F er der givet et eksempel på beregning af enhedsprisen, mens de samlede resultater fremgår af tabel 4.5.

Tabel 4.5: Beregnede enhedspriser (kr./m³) for rensning af MTBE-forurenet grundvand i SBR-reaktor ved 15°C og en biomassekoncentration på 1 g protein/L (priser eks moms).

a = 5 m³ reaktor og opholdstank.

b = 10 m³ reaktor og opholdstank.

i.b. = ikke beregnet; påkrævet reaktorvolumen og opholdstank > 10 m³/stk.

Enhedspriser

Som det fremgår af tabel 4.5 er der beregnet enhedspriser på mellem 3,4 og 18,7 kr./m³ for de opstillede scenarier. Som det ligeledes fremgår af tabellen, er enhedspriserne lavest ved krav om lav rensningsgrad (1 mg/L til 0,2 mg/L = 80%), lange afskrivningsperioder og høj hydraulisk belastning. Alt andet lige vurderes teknologien således at egne sig bedst til massefjernelse, hvilket understreges af, at der er påkrævet store nødvendige reaktorvoluminer (> to gange 10 m³) for scenarierne med rensning ned til niveauer, svarende til grundvandskvalitetskriteriet for MTBE (1 mg/L til 0,005 mg/L = 99,5% rensningsgrad).

Af tabel 4.5 ses de beregnede enhedspriser for en hydraulisk belastning på 2 m³/time at variere imellem 11,4 og 18,7 kr./m³. De høje enhedspriser skyldes primært store anlægs- og tilsynsomkostninger, der afskrives over en forholdsvis lav vandmængde. Sammenlignes med typiske afledningsafgifter på mellem 12 og 18 kr./m³ vurderes det ikke umiddelbart, at der teknisk-økonomisk potentiale i at anvende teknologien ved hydrauliske belastninger på omkring 2 m³/time.

Besparelse på SBR og aktiv kul i forening

Sammenlignes de beregnede enhedspriser med tilsvarende priser, beregnet for rensning af MTBE-forurenet grundvand vha. aktiv-kul i (Miljøstyrelsen, 2003), ses det f.eks., at  der i (Miljøstyrelsen, 2003) er angivet en rensningspris på 8,2 kr./m³ for rensning af MTBE forurenet grundvand fra en indløbskoncentration på 1 mg/L, til 0,005 mg/L i udløbet, ved en hydraulisk belastning på 10 m³/time og en afskrivningsperiode på 10 år. Tilsvarende er prisen for rensning fra 0,2 til 0,005 mg/L angivet til 4,4 kr./m³.

For et SBR-anlæg er prisen for rensning fra 1 til 0,2 mg/L beregnet ned til 3,4 kr./m³ (ved lav temperaturfølsomhed) for samme hydrauliske belastning og afskrivningsperiode.

Hvis der således benyttes et SBR-anlæg til rensning fra 1 til 0,2 mg/L og et aktiv-kul filter til at rense fra 0,2 til 0,005 mg/L, vil der muligvis kunne opnås en samlet besparelse på 0,6 kr./m³ frem for at  benytte aktiv-kul rensning alene. Denne besparelse vil med det opstillede scenarium svare til en beregningsmæssig besparelse på ca. 53.000 kr./år.

Usikre beregninger

Det skal dog understreges, at der ligger en lang række forudsætninger til grund for begge prisberegninger, og i forhold til SBR-beregningen, primært den aktuelle grundvandstemperatur og kulturens temperaturfølsomhed under de aktuelle betingelser. Validiteten af hver enkelt forudsætning må nødvendigvis kontrolleres i det aktuelle tilfælde. Beregningen understreger dog, at der kan være et potentiale for anvendelse af teknologien.

4.3 Sammenfatning og vurdering

Opskalering

Ved hjælp af en udarbejdet numerisk model, er der udført seks opskaleringsberegninger for en SBR-reaktor indeholdende den propanoxiderende blandingskultur, for forskellige antagelser vedr. indløbskoncentration, udløbskrav og temperaturfølsomhed for de biologiske processer. Der er således udført beregninger med en indløbskoncentration på 10 og 1 mg MTBE/L, og udløbskrav på hhv. 1, 0,2 og 0,005 mg MTBE/L. Temperaturfølsomheden er undersøgt via Q₁₀, der er sat til værdier på hhv. 2,5 og  8,8; svarende til det interval, der er bestemt for den mikrobielle kultur i batch-forsøgene.

36 økonomiske scenarier

På baggrund af de seks opskaleringsberegninger og en række økonomiske forudsætninger, er der opstillet i alt 36 beregningsmæssige scenarier mht. bestemmelse af enhedsprisen (kr./m³ renset vand) for on-site rensning af MTBE-forurenet grundvand. I disse scenarier er den hydrauliske belastning sat til hhv. 2, 5 og 10 m³/time, ligesom afskrivningsperioden er sat til 5 og 10 år. Det er forudsat, at den maksimale anlægsstørrelse er opstilling af to gange 10 m³ reaktorer (opholdstank og biologiske reaktor).

Enhedspriser

For de 36 opstillede scenarier er der beregnet enhedspriser på mellem 3,4 og 18,7 kr./m³, mens halvdelen af scenarierne giver reaktorstørrelser på mere end 10 m³. Det er konstateret, at kombinationen af høje indløbskoncentrationer (og udløbskoncentrationer), lange afskrivningsperioder og høj hydraulisk belastning giver de mest favorable enhedspriser, hvorfor det er vurderet, at teknologien, anvendt i en SBR-reaktor, har størst potentiale som massefjernelsesenhed.

Teknologien har potentiale

Det vurderes at være sandsynliggjort, at teknologien kan have teknisk og økonomisk potentiale; evt. i kombination med et aktiv-kul filter til efterpolering. Det vurderes ligeledes, at teknologien kunne opnå et større potentiale end umiddelbart sandsynliggjort, hvis der kan findes omkostningseffektive metoder til hyppig automatisk måling af MTBE-koncentrationen i væskefasen.

| Forside | | Indhold | | Forrige | | Næste | | Top |

Version 1.0 Juli 2007, © Miljøstyrelsen.