Vandrensning ved hjælp af aktiv kulfiltre

5 Design og omkostninger ved aktiv kulfiltrering

5.1 Procestyper
5.2 Kriterier for valg af teknologi
5.3 Designforudsætninger
5.4 Design
5.5 Anlægsomkostninger
5.6 Driftsomkostninger

5.1 Procestyper

Ikke filtre, men adsorbere

Aktiv kulfiltre bør ikke nødvendigvis opfattes som filtre i traditionel forstand, men som adsorbere. Det vil sige, at man fokuserer på anlæggets evne til at adsorbere en opløst komponent og er i og for sig ikke interesseret i, at absorberen fjerner suspenderet stof. Dette vil nemlig medføre et behov for returskylning, som er medvirkende til omlejringer i kullaget, så adsorptionsfronten udviskes. Den praktiske konsekvens heraf er en kortere gangtid før gennembrud eller med andre ord en ringere udnyttelse af kullet.

Returskylning af nedstrømsfiltre kan ikke undgås, men med et lavt indhold af suspenderet stof kan frekvensen minimeres.

Upflow filtrering Expanded bed Pulsed bed

En lang række udformninger af adsorbere er fremkommet. Der er tale om såvel nedstrøms- som opstrømsfiltre med kullene fast lejret, om opstrømsfiltre med ekspanderet filterleje og om egentlige fluidiserede filtre. Visse anlægsudformninger er designet for kontinuerlig drift med udtagning og påfyldning af kul under drift, og meget sofistikerede anlægsudformninger er præsenteret, hvor vandets udtag fra filtret foregår fra filterbeholderens periferi i successivt større og større dybde, hvorved vandet under hele kulfyldningens levetid til allersidst passerer kul, som ikke er belastet med naturligt organisk stof (NOM).

Opstrømsfiltre er først og fremmest anvendt, hvor man på grund af suspenderet stof ville være udsat for store tryktabsstigninger ved normal nedstrømsfiltrering. Dette vil ikke være tilfældet ved efterbehandling af grundvand. Da der ikke synes at være andre indlysende fordele ved opstrømsfiltrering, men en række ulemper (først og fremmest et behov for en efterfølgende udskillelse af fine kulpartikler) vil kun nedstrømsteknologier blive yderligere behandlet i nærværende rapport.

Engangsfiltre

Kulleverandører har designet specialfiltre til anvendelser med kort levetid og/eller lavt forbrug, hvor filtermaterialet leveres i en lukket beholder, som kasseres i forbindelse med kulskifte. Denne sidste form er meget anvendt i forbindelse med rensning af forurenet grundvand fra afværgeanlæg.

Downflow filtrering Gravitationsfiltre Trykfiltre

Størrelsen, antallet, faconen og konfigurationen af beholdere, der skal fungere som adsorbere, vælges på basis af adsorptionskapaciteten, hydraulisk belastning, hydraulisk opholdstid, det tilledte vands sammensætning, den ønskede kvalitet af afløbet, anlæggets totale udformning og driftsforhold samt ikke mindst økonomiske hensyn.

Nedstrømsfiltre udformes generelt enten som åbne filtre, hvor drivtrykket udelukkende fremkommer som følge af gravitationen, eller som lukkede filtre, hvor der ved hjælp af en pumpe kan opnås større tryk og dermed potentielt større filtreringshastigheder. Tryktabet over et efterpoleringsfilter er dog ikke større end, at valget af trykfiltre er en smagssag. Trykfiltre kan nemlig ikke gøres mindre end åbne filtre, da dimensioneringsparameteren først og fremmest er den nødvendige kontakttid og dermed den totale mængde kul, der er nødvendig i drift.

5.2 Kriterier for valg af teknologi

Den danske vandforsyningsstruktur er kendetegnet ved mange små private vandværker ledet og drevet på fritidsbasis og relativt få private eller kommunale anlæg med stor kapacitet og professionelt driftspersonale. Dette medfører, at der ikke kan peges på én løsning som den ideelle.

På de mindste værker må man forvente, at en alvorlig forurening vil medføre overvejelser om betimeligheden af fortsat drift af anlægget eller de boringer, som er forurenet. En kulfilterløsning på disse anlæg vil være aktuel, hvis der ikke uden store anlægsomkostninger kan etableres en alternativ forsyning.

Kapacitetsovervejelser

Det er ofte karakteristisk for de små værker, at der er en meget dårlig tilpasning mellem produktionskapacitet og forbrug. Mange af disse anlæg forsynes fra én boring, hvis ydelse muliggør produktion af døgnforbruget på få timer. Resten af tiden er filteranlægget stoppet. Dette betyder, at et kulfilter for at opnå den nødvendige kontakttid vil være uforholdsmæssigt stort, samt at vandet opholder sig uforholdsmæssigt længe i filtret under stilstand. Dette giver dels en dyr installation dels et højt kulforbrug, da vandets indhold af naturligt organisk materiale, der adsorberes langsomt, også vil adsorberes i kullets porevolumen i stilstandsperioderne, hvor den hydrauliske opholdstid er meget lang.

Den optimale løsning i disse tilfælde kan indebære en ændring af anlæggets drift, så kulfiltreringen udstrækkes til alle døgnets timer enten ved at nedsætte indvindingskapaciteten eller ved at indskyde en udligningstank mellem det traditionelle vandværk og kulfilteranlægget. En alternativ løsning er at anbringe kulfiltret direkte på udpumpningsledningen efter rentvandspumpen. Dette har den ulempe, at forsyningstrykket varierer med tryktabet over filtret.

Kompleksitetsovervejelser

På de større anlæg er der et andet forhold, som kan komplicere løsningsmodellen. Store anlæg forsynes ofte fra flere kildefelter. Undertiden er råvandsledningerne forbundet i et net, så vandet er blandet ved ankomst til værket. I andre situationer vil det være muligt på værket at adskille de enkelte kildefelters tilløb. Det må antages, at det i de fleste tilfælde vil være enkelte boringer eller et enkelt kildefelt, der er ramt af forurening. Hvor dette kildefelt ikke kan undværes i forsyningen, er det derfor et spørgsmål, om hele vandmængden skal behandles eller, om det vil være bedst og billigst at behandle den forurenede vandmængde separat. Dette kan medføre omlægninger af ledninger, opdeling af det traditionelle vandværks behandlingssektioner, forøget styring med henblik på blanding af vandtyper mv. Løsningen vil derfor ofte indebære betydelige omkostninger ud over installation af kulfilter. Alternativt kan den samlede vandmængde behandles; men da vokser kulfilternes størrelse betragteligt ved en ønsket minimal opholdstid.

Indbygning og sammenkøring med eksisterende anlæg

Gennem de senere år er vandforbruget stagneret og i mange forsyningsområder endog faldet. Det betyder, at mange vandværker har overskydende kapacitet. Yderligere har mange vandforsyninger i tidligere tider udbygget vandværkerne i henhold til prognoser om fortsat vækst, så det er almindeligt, at der i værker er sektioner, hvor filtre aldrig er taget i brug, eller sektioner der er taget ud af drift. Dette betyder, at overvejelserne i forbindelse med etablering af kulfiltre til fjernelse af mikroforureninger må omfatte udnyttelse af den kapacitet, der findes på eksisterende anlæg. Det skal i denne forbindelse yderligere nævnes, at anlæg forsynet med dobbelt sandfiltrering i visse tilfælde vil kunne ombygges til aktiv kulfiltrering i efterfiltrene. Det gælder f.eks., hvor efterfiltrene hovedsageligt tjener til omsætning af ammonium, eller hvor den faldende kapacitet har bevirket, at forfiltrene er i stand til – eventuelt ved ilægning af nyt filtermateriale – at bringe vandets indhold af jern og mangan ned på et for kulfiltreringen acceptabelt niveau.

Levetidsforventninger

I appendiks 4 er der opstillet et antal scenarier, for hvilke der foreslås løsningsmodeller. Som det fremgik af ovenstående betragtninger, vil langt fra alle løsningsmodeller kunne dækkes, da individuelle løsninger i mange tilfælde vil være økonomisk fordelagtige.

Forureningstyper

5.4.1 Designparametre

I forbindelse med at fastlægge en ny proces til at afhjælpe et erkendt problem med forurening af grundvand fra en kildeplads bør de mulige alternative behandlingsmetoder gennemgås. En sådan analyse må først og fremmest se på forureningstypen, men også vandets generelle type har betydning.

Forureningstype

For eksempel vil flygtige komponenter (TCE o.lign.) kunne fjernes ved afblæsning, men hårde vandtyper vil herved blive stærkt kalkfældende og kræve efterbehandling. Kulfiltrering vil derfor være en mulighed, selv om afblæsning isoleret set ville være billigere. Visse klorede opløsningsmidler fjernes dårligt med aktiv kul, jf. tabel 2.2.7, og alternativer må findes.

Ved analysen fastlægges forureningskomponentens adsorberbarhed ud fra litteraturværdier og erfaringer under hensyntagen til konkurrenceeffekter fra naturligt organisk materiale, temperatur og grænseværdien for det rensede vand.

Kultyper

Det vil i denne forbindelse være nødvendigt at se på flere kultyper, da det har vist sig, at kul fremstillet ud fra forskelligt råmateriale og ved forskellige aktiveringsmetoder har afvigende egenskaber, se herom i afsnit 2.1. Det er ikke et designkriterium at finde det bedste kul til løsningen af opgaven, men at finde den teknisk og økonomisk bedste løsning. En lidt hyppigere udskiftning af kul kan forsvares, hvis det samlede resultat er billigere.

Hydraulisk opholdstid

Ud over kultypen fastlægges kontakttiden, dvs. den totale mængde kul, som er i drift ved designbelastningen. Kontakttiden defineres normalt ved den hydrauliske opholdstid, T_h, i reaktorens kulfyldte del uden kul (også betegnet EBCT = Empty Bed Contact Time).

T_h defineres hensigtsmæssigt som filterlagets dybde, L_Bed, divideret med filtreringshastigheden v:

T_h = L_Bed/ v = L_Bed / (Q/A) timer = 60 · (L_Bed · A) / Q minutter

hvor:
L_Bed er kullagets dybde i m.
v = Q/A er filterhastigheden i m/time.
Q er den dimensionerende vandmængde i m³/time.
A er filteranlæggets tværsnitsareal i m².

Det ses, at den hydrauliske opholdstid, T_h, er omvendt proportional med timekapaciteten. Det vil derfor som ovenfor nævnt være en fordel at udjævne værkets produktion over flest mulig timer pr. døgn. T_h påvirkes derimod ikke af filtreringshastigheden så længe det samlede kulvolumen (L_Bed · A) holdes konstant. Det er derfor muligt at konfigurere sit filteranlæg på mange måder under hensyntagen til energiforbrug, pladsforhold, returskylningsmuligheder mv., herunder opdeling af kullet i flere parallelle og/eller serieforbundne enheder.

Proceskonfigurering og -styring

Normalt ville man sige, at et stort tværsnitsareal vil give en kort og skarp filtreringsfront og dermed det bedste afløb og den bedste kuløkonomi. Men da filtreringsfronten omlejres under returskylning, kan betragtningen kun holde i begrænset omfang. Modsat vil et slankt design og flere kolonner i serie give et stort tryktab og en lang filtreringsfront. Men muligheden for at ændre rækkefølgen af kolonnerne efterhånden, som kolonnernes kapacitet opbruges (»merry-go-round«-princip) således, at sidste kolonne i en serie altid er ny, og første kolonne tillades at blive helt opbrugt, giver både et godt afløb og en god kuløkonomi. Anlægsomkostningerne og pumpeomkostningerne øges ved denne løsning.

Det viser sig som regel økonomisk optimalt, at filterlagets dybde, LBed, vælges nær kolonnediameteren, hvilket er noget dybere end traditionelle sandfiltre.

Den indre højde af de enkelte adsorbere skal give mulighed for filtermaterialets ekspansion under returskylning. Det er normalt at returskylle med en hastighed, som giver 25-30% ekspansion, men det er god praksis at tillade op til 50% for at sikre en fuldstændig udskylning af suspenderet materiale.

Herudover kan beholderen være forsynet med en dysebund og bærelag af sorterede kvartsmaterialer, som beskytter dyserne mod tilkitning med små partikler. Dyser og bærelag medvirker til en god fordeling af skyllevandet, hvis adsorberen i praksis også skal fungere som filter. En billigere løsning med slidserør uden bærelag er ofte anvendt. Herved spares plads i højden, og kuludskiftningen lettes.

Returskylning

Returskylning af aktiv kul er mere ømtålelig end returskylning af sandfiltre på grund af kullenes lave vægtfylde i vand. Der er derfor risiko for udskylning af kulpartikler ved de vandhastigheder, som er nødvendige for at løfte de uønskede partikler ud af filtret.

Når kulfiltre anvendes som efterbehandling af filtreret grundvand, er det et åbent spørgsmål, om luftskylning er hensigtsmæssig. Luftskylning af filtre foretages før vandskylningen for at frigøre smuds fra filtermediet. Ved vandskylning er hver enkelt partikel omgivet af et strømmende vandlag, og kollisioner mellem filtrets korn forekommer ikke. Den eneste rensende effekt er derfor forskydningskræfterne mellem vand og partikel. Ved luftskylning bringes det øverste af filterlaget i bevægelse, hvorved de enkelte kom bringes til at gnubbe mod hinanden, og smudset løsnes. Den efterfølgende vandskylning transporterer det løsnede smuds ud af filtermediet og over skyllevandsrenden til afløb.

Luftskylning er derfor gavnlig, hvis det er påkrævet at løsne smuds, men er medvirkende til nedbrydning af kulkorn og dannelse af fine kulpartikler, som kan øge modtrykket i filtret. Efter en luftskylning er der altid en vis luftmængde i filtermediet, og der er risiko for betydeligt tab af kul i starten af vandskylningen, mens luften fortrænges. Det er i mange installationer derfor valgt at undlade luftskylning af kulfiltre ved efterbehandling af grundvand.

Den optimale skyllevandshastighed afhænger meget af vandets temperatur, hvilket dog for grundvand ikke giver de store problemer.

Skyllevandsforbrug og -behandling

Den forholdsvis lave returskylningshastighed kompenseres derfor ved forlænget skylletid, ofte op til 15 minutter, hvilket giver et betydeligt vandtab.

Eksempelvis vil en skyllevandshastighed på 24 m/h i løbet af 15 minutter forbruge 6 m³ pr. m² filterareal. Med 2 filtre i serie giver det 12 m³ pr. m² i sammenligning med 3-4 m³ pr. m² for skylning af traditionelle sandfiltre. På overfladevands behandlingsanlæg returneres denne vandmængde til tilløbet, men genvinding af skyllevand er endnu ikke almindeligt på danske grundvandsanlæg. Til gengæld kan skyllefrekvensen på et grundvandsbaseret kulfilter holdes lav, jf. afsnit 4.5, tabel 4.6.

Forbehandlingens effektivitet spiller i denne forbindelse en stor rolle. På kalkfældende vand må returskylning foretages hyppigere, da der er risiko for sammenkitning af filterkorn. Dette kan sidenhen give store vanskeligheder ved kulskifte.

Udskiftning af kul

På danske anlæg må det antages, at regenerering ikke vil finde sted på vandværket, men centralt hos leverandøren, hvis ikke kullene kasseres. Det vil derfor i det mindste på mindre kulfiltre være naturligt at benytte sig af leverandørernes udstyr og ekspertise i udskiftning af kul ved indgåelse af aftaler om kulleverancen.

Tømning af åbne filtre for opbrugte kul foregår med mediet under vand. Dette sikrer, at kullene kan transporteres i suspension i form af kulopslemning. Kullene transporteres hydraulisk fra filtrene til en dræntank, hvor kulopslemningen opnår en tørstofkoncentration på ca. 50% ved henstand i ca. en time. Det overskydende vand er meget farvet af fine kulpartikler og kan give problemer ved bortskaffelse medmindre, der er adgang til nonnal kloak. Spildevandsmængden er dog begrænset, idet man kan anslå et forbrug på ca. 4 l/kg kul, hvortil kommer den afsluttende spuling af filterbeholderen.

Levetiden for kul

Kapaciteten for f.eks. TCE er meget større og kan sættes til 1 g/kg ved en forurening på 10 µg/l (svarende til 100 m³/kg). Med en hydraulisk opholdstid, T_h, på 30 minutter og 16 timers driftstid pr. døgn fås en forventet kullevetid på 8 til 9 år. Indflydelsen af NOM ved så lang en driftstid må dog mane til forsigtighed ved vurderingen. Det skal i denne forbindelse erindres om, at flere af TCE's nedbrydningsprodukter har væsentligt ringere adsorptionskapacitet end TCE.

Der regnes derfor i scenarierne med T_h på henholdsvis 10 og 30 minutter og kullevetider på henholdsvis 1 og 8 år.

5.5 Anlægsomkostninger

Scenarier

Tabel 5.1
Oversigt over anlægspriser for valgte scenarier.

Alle priser er ekskl. moms og i 1997 niveau.
Den hydrauliske opholdstid T_h er:
– 10 minutter for A10, B1O, C1O,
– 30 minutter for A30, B30, C30.

5.6 Driftsomkostninger

Udskiftning af kul

Udskiftning af kul er en betydende del af driftsudgifterne. Ud over kulprisen må der især på åbne filteranlæg påregnes væsentlige lønomkostninger i denne forbindelse.

På mindre anlæg vil man typisk vælge at udbyde kuludskiftningen som en pakke og derved overføre omkostningerne til udtagning, afvanding, transport osv. til en samlet kulpris. På større anlæg, især med åbne filtre, vil udskiftningen naturligt ligge i vandværkets regi.

Selv om der ved modelberegninger og ud fra Freundlich isotermer kan anslås kullevetider på op til 15 år eller mere, vil det her blive antaget, at kuludskiftning foretages højst hvert år og mindst hvert 8. år.

Et anlæg til 3 mio. m³/år med 30 minutters T_h vil have et kulvolumen på ca. 240 m³ svarende til 80-100 tons kul. Denne kulmængde vil koste ca. 1.700.000 kr. ekskl. indlægning. Udtag, bortkørsel og indlægning af kul vil koste ca. 300.000 kr. Fordelt på 3 mio. m³ vand (ét år) bliver prisen ca. 65 øre pr. m³ behandlet vand. Fordelt på 24 mio. m³ vand (otte år) bliver prisen ca. 8 øre pr. m³ vand. En kortere T_h og/eller længere kullevetid vil naturligvis reducere prisen tilsvarende. Kuludskiftningsprisen betyder derved ikke så meget for forbrugeren, som man umiddelbart ville tro, da kullevetiden for mange relevante stoffer vil være mindst 3 år. Der bliver først tale om betydelige udgifter, hvis kullevetiden falder herunder.

Regenerering

Der er i ovenstående regnet med udskiftning til nye kul. Ved regenerering opnås en ikke ubetydelig besparelse, men der kræves en ret stor leverance for at gå i gang hermed. Ved tilbudsindhentning vil værdien af de opbrugte kul kunne indgå, idet leverandøren vil kunne regenerere dem til andet formål. Hvis forbruget af aktiv kul i Danmark med tiden bliver betragteligt, er det muligvis interessant med en dansk regenereringscentral.

Elforbrug

Den anden større udgiftspost er elforbruget især til pumpning. Dette er naturligvis stærkt afhængig af, hvorledes anlægget er opbygget, og hvor stort tryktab der skal overvindes. Antages vandet at skulle løftes 8 m, bliver energiforbruget ca. 0,04 kWh/m³ eller ca. 4 øre pr. m³ vand. Hertil kommer elforbrug til returskylning, samt ekstra lys i bygningen. Disse poster er mindre for store anlæg, men kan for små anlæg blive ca. 1 øre pr. m³.

UV-desinfektion er ikke medregnet i overslaget.

Pasning og vedligeholdelse

Ud over kuludskiftningen, hvor lønudgifterne er medregnet i kulpriserne, er der ikke store arbejdsopgaver ved supplering af et normalt vandværk med kulfiltrering. Returskylningen er automatisk og tilsynet minimalt.

Der vil naturligvis være en vis pasning og vedligeholdelse af pumper og ventiler mv. Omkostningerne sættes til ca. 1% af anlægsprisen for midlertidige anlæg og ca. 2% for permanente anlæg svarende til 5-10 øre pr. m³ behandlet vand.

Skyllevand

Skyllevandsmængden udgør 0-3% af årsproduktionen. Skyllevandsforbruget er naturligvis ikke pålagt statsafgifter, men kan være pålagt afledningsafgift til renseanlæg. Sættes denne til 13 kr./m³, bliver skyllevandsprisen op til 40 øre pr. m³ leveret vand. Der kan derfor være god økonomi i genbrug af skyllevand.

Det forventes, at forbruget vil ligge i den lave ende, hvorfor beløbet ikke medregnes i sammentællingen.

Monitering

Analyseomfanget vil formentlig afhænge af forureningens art, af tilsynsmyndighedernes erfaring med kulfiltrering, af anlæggets størrelse mv. Antages én analyse for hver 100.000 m³ behandlet vand at koste omkring 10.000 kr., bliver analyse omkostningen ca. 10 øre pr. m³ vand.

Samlet overslag over driftsudgifter

Et samlet overslag over driftsudgifterne er summeret i tabel 5.2. Sammentællingen omfatter ikke skyllevandsforbruget, som er angivet særskilt til slut.

Tabel 5.2
Oversigt over driftsomkostninger ved aktiv kulfiltrering.

Alle priser er ekskl. moms og i 1997 niveau.