FREMGANGSMÅDEN VED LØSNING AF ARSENPROBLEMET VESTERMARK, FENSMARK OG AARUP VANDVÆRKER

Transkript

1 FREMGANGSMÅDEN VED LØSNING AF ARSENPROBLEMET VESTERMARK, FENSMARK OG AARUP VANDVÆRKER Ingeniør Stefan Schmidt Watertech A/S ATV MØDE ARSEN I GRUNDVAND OG DRIKKEVAND HELNAN, MARSELIS HOTEL 3. oktober 2007

2

3 RESUMÉ Grundlaget for etablering af arsenfjernelse kan være vidt forskelligt fra vandværk til vandværk, da man i Danmark har, og har haft, tradition for mange forskellige procesdesign. Derfor kan den mest effektive implementering af arsenfjernelse være en vanskelig størrelse at fastlægge. Skal der peges på en standard måde at gøre tingene på, må der i højere grad tages fat på den analysemetode der anvendes til at vælge den rigtige løsning, frem for at forsøge sig med en beskrivelse af alle typer af procesdesign. I dette indlæg er der angivet nogle analyseværktøjer som kan være behjælpelige med valg af løsning samt driftsoptimering. Der er dog mange parametre som disse værktøjer ikke tager højde for. Disse parametre bør derfor indgå ved valg af løsning, i form af vurdering af de analyser der udføres på det aktuelle vandværk. Der er givet tre eksempler på denne vurdering af de udførte analyser. BAGGRUND I Danmark blev der i december 2003 indført en ny grænseværdi for arsen. Grænseværdien er 10 µg/l ved forbrugeren, mens den er 5 µg/l ved afgang fra vandværk. Mange af de vandværker der indvinder grundvand med en arsenkoncentration højere end grænseværdien, har et vandbehandlings anlæg der allerede, afhængigt af råvandets jernindhold, reducerer indholdet af arsen /1/. Der er en række af disse vandværker hvor den naturlige fjernelse af arsen ikke er tilstrækkelig til at bringe arsenkoncentrationen under grænseværdien, hvorfor der må iværksættes yderligere vandbehandling De vandværker der har arsenproblemer er ofte, i andre henseender velfungerende vandværker, hvor der ikke ellers er behov for en ombygning af vandbehandlingen. Derfor er der i mange tilfælde, når der skal etableres arsenfjernelse, tale om tiltag, hvis eneste formål er at sænke indholdet af arsen i rentvandet. Mange nuværende vandværker er bygget i perioder hvor forbrugsprognoserne var stærkt opadgående og forbruget i forvejen var højt. Disse forbrugsmønstre har ændret sig, og forbrugerne er nu blevet væsentligt mere bevidste om vandforbruget, hvilket medfører at mange vandværker har en stor overkapacitet til rådighed i deres vandbehandlingsanlæg. Denne overkapacitet i vand-behandlingsanlægget kan ofte udnyttes i arbejdet med etablering af en forbedret arsenfjernelse. FORMÅL Formålet med dette indlæg er at give illustrative eksempler på den anvendte fremgangsmåde ved etablering af arsenfjernelse på tre udvalgte vandværker. Fælles for de vandværker der omtales er, at der er foretaget en relativ simpel ombygning af vandværkernes vandbehandlingsanlæg, hvor overskydende kapacitet og procestrin er udnyttet til at etablere en effektiv arsenfjernelse. METODE Metoderne i dette indlæg bygger dels på en række danske undersøgelser /1, 2, 3, 4/, samt pilot-skalaforsøg udført på bl.a. de vandværker der fokuseres på i dette indlæg. Fælles for

4 Fensmark Vandværk, Vestermark Vandværk og Aarup Vandværk er, at der er fokuseret på arsenfjernelse ved jerndoseringsmetoden. Vi ved i dag at arsen fjernes i vandværkernes filtre sammen med jern og at effektiviteten af arsenfjernelsen er stærkt forbundet med vandets samtidige indhold af jern /1,7/. I figur 1 er vist en grafisk afbildning af den foreslåede /1, 5, 6, 7/ sammenhæng mellem effektiviteten af arsenfjernelsen og vandets indhold af jern. Jerndoseringskurve /1/ 100 Arsenfjernelsesprocent (%) ,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 Jerndoseringskurve Aarup aktuel Aarup forfilter Aarup efterfilter Elmevej tidligere Elmevej forfilter Elmevej efterfilter Vestertemark tidligere Vestermark aktuel Jern i vandet (mg/l) Figur 1. Sammenhæng mellem arsenfjernelse og jernindholdet i vandet. Ud fra sammenhængen i figur 1 kan der udarbejdes en arbejdskurve, figur 2, som groft angiver sammenhængen mellem arsenkoncentrationen i råvandet og det jernindhold der er nødvendigt for at bringe arsenkoncentrationen under grænseværdien ved hjælp af et enkelt behandlingstrin.

5 Arbejdskurven Arsen, råvandskonc. µg/l Nødvendig Fe konc. Vestermark aktuel 5 0 0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 3,00 3,50 4,00 4,50 5,00 5,50 6,00 6,50 7,00 7,50 Nødvendigt Fe indhold mg/l Figur 2 Sammenhæng mellem arsen koncentration i råvandet og nødvendigt jernindhold for at opnå et arsen koncentration på ca. 4,5 µg/l i rentvandet. Forholdet mellem effektiviteten af arsenfjernelsen og vandets indhold af jern er anvendt som guideline ved etablering af arsenfjernelse på de tre omtalte vandværker. Figur 1 og 2 kan ikke anvendes enkeltstående, men som et udmærket analyseværktøj ved bestemmelse af arsenfjernelsens placering i processen og den nødvendige jerndoseringsmængde. Som nævnt i /1, 7/ er der flere andre forhold som skal tages i betragtning ved anvendelse af jerndoseringskurven, herunder om jern er opløst eller partikulært, eller om arsen er reduceret eller oxideret. Analyse trin 1 Første skridt i analysen er at effektiviteten af den naturlige arsenfjernelse på det eksisterende vandbehandlingsanlæg undersøges. Dette gøres dels ved at sammenholde råvands og rentvands analyser udtaget med samme boringskombination i drift, og dels ved en række analyser efter hvert behandlingstrin, hen gennem vandværkets behandlingsanlæg. Disse analyser bør indeholde en fastlæggelse af hvor i processen arsen bliver oxideret og hvor i processen jern bliver omdannet til partikulær form. Med hensyn til råvandskvalitet og rentvandskvalitet har det naturligvis stor betydning for løsningsforslaget hvor meget vandværket overskrider grænseværdien for arsen (5 µg/l), samt hvor høj arsenkoncentrationen og jernkoncentrationen er i råvandet. Resultatet af ovenstående analyse giver en god indikation om hvor på jerndoseringskurven man kan forvente at vandværket befinder sig med den givne råvandskvalitet, iltningsmetode, ophold i reaktionsbassin, filteropbygning m.m. Giver analysen et resultat der afviger væsentligt negativt fra jerndoseringskurven i figur 1, kan dette være tegn på at der er uhensigtsmæssigheder i vand-behandlingsprocesserne. Kurverne anvendes derfor som et godt impirisk analyseværktøj der kan give en antydning om, i hvilken retning optimeringen af arsenfjernelsen skal gå.

6 Analyse trin 2 Ved andet skridt i analysen af vandværkerne fokuseres der på hvorvidt vandværkets eksisterende vandbehandlingsanlæg har overskydende behandlingskapacitet. Dette gøres ved at fastlægge behovet for behandlingskapacitet ud fra den givne råvandskvalitet og flow, samt beholder-størrelse for derefter at sammenligne dette med den aktuelle behandlingskapacitet. Bliver der fastslået en overkapacitet, analyseres det, hvordan denne overkapacitet kan udnyttes til at fjerne arsen. Analyse trin 3 Er der behov for uddybende resultater for at kunne fastlægge den bedste arsenfjernelse kan der relativt simpelt køres pilotskalaforsøg for at dokumentere effekten. Analyse trin 4 Som nævnt tidligere er der andre forhold som også menes at have indflydelse på effektiviteten af arsenfjernelsen. Det er indikeret at effektiviteten af arsenfjernelsen bliver forbedret hvis der er tale om arsen på den oxiderede form As(V) /1, 7/. Ligeledes er det indikeret at effektiviteten af arsenfjernelsen bliver bedst hvis der er tale om opløst jern frem for partikulært jern på det sted i vandbehandlingsprocessen man ønsker arsenfjernelsen /1, 7/. Derfor kan arsenfjernelsens placering i forhold til disse parametre have stor betydning for resultatet. Med disse delanalyser er det muligt at give et forslag til først og fremmest en optimering af driften, dernæst design og placering af arsenfjernelsen i vandbehandlingsprocessen. Analyse trin 5 I fremgangsmåden hører også til, at der foretages en sammenligning i forhold til andre kendte teknologier som f.eks. arsenadsorberende filtermaterialer. Der skal foretages en sammenligning både med hensyn til driftsbyrden (typisk mindre ved adsorberende filtermateriale) og med hensyn til anlægs- og driftsøkonomien (typisk højere ved adsorberende filtermaterialer). Denne analyse vil være meget afhængig af den mængde arsen der skal fjernes for at komme under grænse-værdien, og derfor også meget afhængig af vandværkets målsætning for arsenkoncentrationen. Analyse trin 6 Der vælges en arsenfjernelses metode som opfylder de ønsker og krav vandværket har for arsenfjernelsen. Herunder driftsbyrde, og anlægsøkonomi, samt driftsøkonomi. Analyse trin 7 Når metoden er valgt, skal anlægget etableres. Her er det som ved alle andre arbejder på vandværker, vigtigt at fokusere på hygiejnen under udførelsen og undgå kontaminering af vandet. Der skal også være særligt fokus på materialevalg, da jerndoseringsvæsken i koncentreret form er meget stærkt korrosiv. Analyse trin 8 Indkøringen af anlægget er oftest et spørgsmål om indkøring af jernfjernelsen på det sted i processen hvor der tilsættes ekstra jern. Indkøring af jernfjernelsen er en velkendt proces og

7 typisk en hurtigt forløbende proces uden større komplikationer. Når anlægget er indkørt, vil der ofte fra myndighedernes side være stillet krav om dokumentation af at grænseværdien for arsen nu overholdes, at urenheder i jerndoseringsproduktet ikke har en negativ effekt samt at der ikke er sket kontaminering af vandet. Denne dokumentation løber ofte over tilladelsens løbetid, med årlige vandprøver. Kort opsummeret bør den generelle fremgangsmåde ved etablering af arsenfjernelse på et eksisterende anlæg derfor indeholde følgende punkter for at fast slå den mest optimale fjernelse af arsen: 1. Trin Analyse af råvandskvalitet og rentvandskvalitet Analyse af den eksisterende vandbehandling, trin for trin. 2. Trin Analyse af kapacitetsmæssige forhold ved vandværket som helhed, herunder sikring af den ønskede fleksibilitet Evt. optimering af eksisterende drift og vandbehandling. 3. Trin Evt. pilotskalaforsøg, hvis flere alternativer. 4. Trin Vurdering af, samt forslag til den mest optimale placering af arsenfjernelsen i vandbehandlingsprocessen. 5. Trin Sammenligning med andre kendte metoder, her fokuseres specielt på driftsforhold samt økonomi ved etablering og drift. 6. Trin Valg af metode og design. 7. Trin Etablering af anlæg. 8. Trin Indkøring og dokumentation. Afhængigt af vandværkets størrelse og kompleksitet kan fremgangsmåden tilpasses og trin medtages/udelades. I næste afsnit er gennemgået tre eksempler hvor ovenstående analyse har medført forskellige løsninger for tre vandværker. Et vandværk i en situation hvor det skal totalrenoveres eller bygges helt nyt, forenkler processen en del, da der dermed bare kan tages hensyn til den ekstra mængde jern der skal tilsættes ved design af hele vandbehandlingsanlægget.

8 RESULTATER Vestermark Vandværk Vestermark vandværk er et lille vandværk med en indvindingsboring. Arsenkoncentrationen i boringen svinger i intervallet µg/l, mens jernindholdet svinger i intervallet 0,5-1,8 mg/l Eksisterende procesdesign består af en enkeltfiltrering udformet som en trykfilterløsning med integreret iltning. På Vestermark er der udført en analyse i tråd med de punkter der er nævnt i foregående afsnit. Analysen er udført med en målsætning om at kunne reducere arsenkoncentrationen i rentvandet tilstrækkeligt til at vandværket kan overholde grænseværdien. Trin 1 i analysen af det eksisterende anlæg viste følgende forhold, som har indflydelse på design af løsningen: Arsenkoncentrationen i råvandet er målt til 17 µg/l. Samtidig er der målt en rentvandskoncentration på 11 µg/l, svarende til en arsenfjernelse på 35 %. Se fig.1. Jernindholdet er målt til 0,5 mg/l (samtidig måling) Der er ikke problemer med øvrige parametre. Filtermassens volumen indeholder en overkapacitet i forhold til den givne råvandskvalitet. Trin 2 i analysen af det eksisterende anlæg viste følgende forhold, som har indflydelse på design af løsningen: Ydelsen på anlægget gør at der er få driftstimer i døgnet. Trin 3 i analysen Der blev opstillet pilotsakal anlæg som efterfilter, hvortil der blev tilsat jern. Resultatet (trin 4-8) af ovenstående analyse for Vestermark Vandværk er, at: Ydelsen på filteranlægget halveres, så der produceres over flere timer i døgnet Der etableres en jerndosering, der udnytter overkapaciteten i filtervoluminet. Jerndoseringen giver en tilfredsstillende arsenfjernelse ved et samlet jernindhold på 2,5 mg/l altså en tilsætning af 2,0 mg/l. Se fig.1 og 2. Optimeringen af arsenfjernelsen på Vestermark Vandværk har, på trods af at være relativt enkel resulteret i en rentvandskoncentration for arsen på ca. 4 µg/l, svarende til en arsenfjernelse på ca. 76 %. Se fig.1. Den forbedrede rentvandskoncentration er opnået ved hjælp af udjævning af driften samt tilsætning af supplerende jern før filtret.

9 Aarup Vandværk Aarup Vandværk er et vandværk med to kildepladser. Arsenkoncentrationen i boringerne på begge kildepladser svinger i intervallet µg arsen/l, samtidig svinger jernindholdet i boringerne i intervallet 0,4-1,8 mg jern/l. Eksisterende procesdesign består af iltning i bassin med aromater, ophold i reaktionsbassin og efterfølgende filtrering på to parallelle 2-medie filtre. På Aarup Vandværk er der udført en analyse i tråd med de punkter der er nævnt i foregående afsnit, analysen er udført med en målsætning om at kunne reducere arsenkoncentrationen i rentvandet til 3,5 µg/l. Trin 1 i analysen af det eksisterende anlæg viste følgende forhold, som har indflydelse på design af løsningen: God omsætning af ammonium på det eksisterende filteranlæg. Filtrerede og ufiltrerede prøver af jern viste at: o Jern i råvandet forekommer på opløst form. o En stor andel af jernindholdet efter ophold i iltning og reaktionsbassin forekommer på partikulær form. o Grænseværdien for jern kun lige netop er overholdt og det tilbageværende jern i rentvandet er på partikulær form. Den dårlige jernfjernelse tilskrives kombinationen af den lange opholdstid i reaktionsbassinet og 2-medie filterdesign. Der er målt en jernkoncentration ved tilgangen til filtrene på 1,2 mg/l og en jernkoncentration ved afgangen fra filtrene på 0,094 mg/l. Arsenmålingerne viste at: o Arsen er på den reducerede form As(III) i råvandet. o Arsen er på den reducerede form As(III) efter iltning og ophold i reaktionsbassinet. o Arsen er på den oxiderede form As(V) efter filtreringen. o Der er målt en arsenkoncentration ved tilgangen til filtrene på 22 µg/l og en samtidig arsenkoncentration ved afgangen fra filtrene på 11 µg/l. o Effektiviteten af den aktuelle arsenfjernelse er mindre end forventet(50 %) ud fra jerndoseringskurven se fig. 1. Det vurderes at reaktionsbassinet har negativ indflydelse på processen. Trin 2 i analysen af det eksisterende anlæg viste følgende forhold, som har indflydelse på design af løsningen: Gennemsnitlig opholdstid i beluftningsbassinet på 17 minutter. Gennemsnitlig opholdstid i reaktionsbassinet på 35 minutter. Filterhastighed 2,8 m/t. Ydelsen varierer typisk fra m³/t.

10 Resultatet (trin 4-6) af ovenstående analyse for Aarup Vandværk er at: Reaktionsbassinet bør tages ud af drift, da det har negativ indflydelse på både jernfjernelse og arsenfjernelse. Ydelsen for vandbehandlingsanlægget udjævnes og fastholdes omkring m³/t så der opnås en jævn drift. Der skal foretages en dosering af jern for at nedbringe arsenkoncentrationen med ca. 86 %. Dette vil kræve et jernindhold på over 4 mg/l. Det eksisterende filter kan ikke fjerne et jernindhold på over 4 mg/l. Samtidigt er jernindhold på over 3,0 mg/l ikke effektivt jf. jerndoseringskurven. Se fig. 1. Det eksisterende reaktionsbassin ombygges til forfilter og jerndoseringen deles i to, så der doseres på både det nye forfilter og de eksisterende filtre som nu bliver til efterfiltre. Optimeringen af arsenfjernelsen sker jf. ovenstående ved bidrag fra flere ændringer. Første ændring sker ved at tage det nuværende reaktionsbassin ud af processen. Dette giver en optimeret jernfjernelse på filtrene og vil formentlig give en svagt forbedret arsenfjernelse. Anden ændring er at ombygge reaktionsbassinet til et forfilter, hvortil der tilledes iltet råvand med et jernindhold på ca. 2,7 mg/l (1,2 mg/l i råvandet og 1,3 mg/l tilsat), herved opnås en arsenfjernelse på ca. 75 %, hvilket vil nedbringe arsenkoncentrationen i rentvandet til 6,5 µg/l. Tredje ændring sker ved at tilsætte ca. 1,2 mg/l jern til de eksisterende filtre som så fungerer som efterfiltre. Dette vil give en arsenfjernelse på ca. 55 %, hvilket vil forventes at medføre en arsenkoncentration i rentvandet på ca. 3,5 µg/l. Sammenlagt doseres der altså ca. 2,5 mg jern/l ved dobbeltdosering i stedet for over 4 mg/l ved enkeltdosering. Se figur 1. Fensmark Vandværk, Elmevej Elmevej Vandværk er det ene af to vandværker, som tilsammen udgør Fensmark Vandværk. Vandværket producere årligt ca m³, som hovedsageligt indvindes fra to boringer. Vandværket adskiller sig fra de to andre vandværker fordi værket bl.a. har dannet grundlag for udarbejdelsen af MST arbejdsrapport nr. 7 /4/. Der er i forbindelse med udarbejdelsen af rapporten udført grundige analyser af alle forhold på vandværket. Eksisterende procesdesign består af en beluftning med efterfølgende enkeltfiltrering på 3 parallelle filtre. På Fensmark Vandværk er der udført en analyse i tråd med de punkter der er nævnt i foregående afsnit, dog med input fra MST arbejdsrapport nr. 7 /4/. Trin 1 i analysen af det eksisterende anlæg viste følgende vandbehandlingstekniske forhold, som har indflydelse på design af løsningen: Arsenkoncentration i råvandet på µg/l. Arsenkoncentration i rentvandet på 13,5 µg/l, svarende til en fjernelse på maksimum 47 %. Dette resultat er væsentligt bedre, end jerndoseringskurven. Se fig. 1. Jernindholdet i råvandet blev målt til 0,2 mg/l.

11 Vandværket vil udmærket være i stand til at fastholde samme vandkvalitet med to filtre, med hensyn til det naturlige jernindhold, mangan og ammonium. Trin 2 i analysen af det eksisterende anlæg viste følgende forhold, som har indflydelse på design af løsningen: Der er konstateret en overkapacitet pga. faldende vandforbrug, således at vandværket kun behøver 2 ud af 3 filterkamre. Driften udjævnes over døgnet og ydelsen på anlægget nedsættes. Den mindre ydelse på anlægget giver større opholdstid i reaktionsbassinet. Resultatet (trin 4-8) af ovenstående analyse for Fensmark Vandværk, Elmevej er, at: Filtrene ombygges til to forfiltre og et efterfilter. Fjernelsen af mangan, ammonium og det naturlige jernindhold vil foregå på de to eksisterende filtre (forfilter). Efter forfiltrene er arsen blevet oxideret til As(V). Der tilsættes supplerende jern til efterfiltret, som udelukkende skal fjerne det jern der tilsættes. Der tilsættes supplerende jern til forfiltret, for at udnytte restkapaciteten på dette. Reaktionsbassinet sløjfes af to årsager. Dels at når ydelsen på værket nedsættes bliver opholdstiden i reaktionsbassinet længere, dette kan give en dårligere arsenfjernelse. Dels at der ikke umiddelbart er et behov for reaktionsbassinet og derfor kan pladsen udnyttes bedre til f.eks. opbevaring af palletanke med jerndoseringsvæske. Optimeringen af arsenfjernelsen på Fensmark Vandværk, Elmevej har resulteret i en rentvands koncentration for arsen på 2,5 µg/l. Dette er sket ved ca. 57 % arsenfjernelse på forfiltret og ca. 82 % arsenfjernelse på efterfiltret. Se fig. 1. Rentvandskoncentrationen er opnået ved hjælp af, sløjfning af reaktionsbassin, ombygning til for og efterfilter, samt etablering af en dobbeltdosering. KONKLUSION OG PERSPEKTIVERING Der er i dag enkelte vandværker som har etableret arsenfjernelse både på eksisterende anlæg og ved nybygning/totalrenovering. Disse anlæg er i procesdesign og fysisk udformning forskellige, men ikke desto mindre har det været muligt at nedbringe arsenkoncentrationen i rentvandet, så meget at grænseværdien overholdes. Flere steder er der endog så tilstrækkelig meget kapacitet, at arsenkoncentrationen i rentvandet holdes væsentligt under grænseværdien, fordi muligheden er tilstede. Der kan trækkes følgende punkter frem som egentlige konklusioner på ovenstående: Det er på stort set alle velfungerende vandværker muligt at fjerne arsen tilstrækkeligt til at overholde grænseværdien. På enkelte værker vil der være behov for tilbygning/ombygning af vandbehandlingen.

12 På ikke velfungerende vandværker kan arsenfjernelsen etableres samtidig med en nybygning/totalrenovering. Det er teknisk muligt og dokumenteret, at arsen kan fjernes til væsentligt under grænseværdien, selv fra meget høje start koncentrationer. REFERENCER /1/ Ramsay, L., Arsenfjernelse på danske vandværker. Arbejdsrapport nr. 8. Udarbejdet for Miljøstyrelsen. /2/ Ramsay, L., Vandbehandling for arsen: Vurdering af tungmetaller Udarbejdet for Miljøstyrelsen. /3/ Ramsay, L., Udvidet vandbehandling for arsen. Udarbejdet for Storstrøms Amt. /4/ Jessen, S., Rensning af arsen i en traditionel vandbehandling på vandværker. Muligheder for at forbedre fjernelsen af arsen. Arbejdsrapport nr. 7. Udarbejdet for Miljøstyrelsen. /5/ McNeill, Laurie S & Edwards Marc, Predicting As removal during metal hydroxide precipitation 1997, American Water Works Association, s /6/ Aktor, H. & J. Andreasen, Fjernelse af arsen fra drikkevand. 71(7),. danskvand, s /7/ Ramsay, L Arsenfjernelse på sandfiltre. En status over nuværende viden. ATV Møde om Arsen i grundvand og drikkevand.