Konditionering af sandfilter Technology Outlook Udarbejdet af: Morten Møller Klausen, Projektleder, DHI Peter Vittrup Christensen, Kvalitetsansvarlig, DHI 1. oktober 1
Denne rapport er udarbejdet under DHI s ledelsessystem, som er certificeret af DNV for overensstemmelse med ISO 91 for kvalitetsledelse KONDITIONERING AF SANDFILTER 1.1.1 @ INNOVATIONSNETVÆRK FOR MILJØTEKNOLOGI /17
INDHOLD 1 INDLEDNING... OPSAMLING AF RESULTATER FRA AAU... 3 FULDSKALAFORSØG... 5 3.1 Beskrivelse af lokalitet... 5 3. Metodebeskrivelse... 6 3..1 Målepunkter... 6 3.. Partikelmåling... 7 3.3 Resultater... 7 3.3.1 Indløb til sandfiltre... 7 3.3. Udløb fra sandfiltre... 9 3.3.3 Chok-dosering... 11 3.3. Dosering under skyl... 1 KONKLUSION... 17 KONDITIONERING AF SANDFILTER 1.1.1 @ INNOVATIONSNETVÆRK FOR MILJØTEKNOLOGI 3/17
1 INDLEDNING Denne rapport er udarbejdet som slutrapportering for bobleprojektet Accelereret Filterkonditionering. Rapporten er opdelt i to afsnit der henholdsvis beskriver aktiviteterne foretaget på AAU og af DHI. På AAU har man i samarbejde med DHI, Jysk Svømmebads-Teknik og UltraAqua - foretaget indledende studier samt laboratorie- og pilotskalaforsøg og efterfølgende har DHI på baggrund af resultaterne fra AAU udført fuldskalaforsøg. I forbindelse med tilbageskyl af sandfiltre i svømmehaller oplever man en reduceret filtereffektivitet umiddelbart efter skyllet idet partikelkoncentrationen i udløbet i en periode er væsentlig højere end under normal drift. Projektet har haft til formål at undersøge årsagen til denne reduktion i filtereffektivitet samt udvikle doseringsmetoder til at afhjælpe problemet gennem filterkonditionering med aluminiumskoagulant. OPSAMLING AF RESULTATER FRA AAU Dette kapitel opsummerer de resultater der er opnået på AAU i projektperioden. I forbindelse projektet er der udarbejdet et afgangsprojekt (Civilingeniør i Kemi) af Sandie Lang Olsen med titlen Optimization of the flocking agent dosing method in sand filters at Danish swimming bath facilities for the purpose of diminishing the effect of reduced filtration efficiency immediately following backwash. I nærværende rapport fremhæves kun de væsentligste konklusioner fra afgangsprojektet. Ønskes der en mere fyldestgørende forklaring af metoder og resultater henvises til afrapporteringen af afgangsprojektet. I projektet blev der arbejdet med konditionering af sand med aluminiumskoagulanter og det blev påvist at aluminium kan adsorberes til sandkornene. Processen beskrives bedst ved en BET isoterm med en monolagstykkelse på.1 g PAC/m. Under omrørte forhold ved en shear rate på 3 s -1 skete adsorptionen inden for minutter hvilket gør processen tilstrækkelig hurtig til at kunne have effekt under et filterskyl. Det blev påvist at konditionering af sand med aluminiumskoagulant påvirkede sandets overfladeegenskaber idet ladningsinvertering kunne opstå ved tilstrækkelig høje doser. Forsøg i pilotskala indikerede at årsagen til den reducerede filtereffektivitet efter filterskyl er en høj koncentration af løsrevne partikler imellem filtersandet efter skylleproceduren. Under skyllet udsættes sandkornene for en shear-påvirkningen der forårsager en løsrivning af adsorberet materiale. En væsentlig del af de løsrevne partikler transporteres ovenud af filteret under tilbageskyllet, men en mindre del forbliver i sandmatricen og forefindes således som frie partikler i filteret efter fuldendt skyl. Når filteret sættes i drift vil disse langsomt vaskes ud og der observeres derfor en forøget koncentration i udløbet. Da flowet gennem filteret ikke kan betragtes som plug-flow kan udvaskningstiden være væsentlig større en den gennemsnitlige hydrauliske opholdstid. I projektet blev det påvist at der i udløbet fandtes væsentlig større partikelkoncentrationer end i indløbet hvilket udelukker muligheden for at den forringede filtereffektivitet er forårsaget af manglende filterkompaktering efter skyllet. Der blev foretaget pilotskala forsøg med konditionering af sandfilteret med aluminiumskoagulant ud fra 3 doseringsstrategier: 1) dosering til skyllevandet, ) pre-coatning af sandkornene og 3) chok-dosering ved genoptag af drift. Det bedste resultat blev opnået med dosering til skyllevandet hvor en væsentlig forbedring af partikelretentionen (størrelse 1-1.5 µm) umiddelbart efter skyl blev observeret. Der blev ikke fundet en forbedret retention af større partikler (1.5- µm) da denne i normalsituationen var næsten 1% kort tid efter skyllet. Grundet eksperimentelle vanskeligheder med chok-doserings metodikken kan det dog ikke udelukkes at denne metode ligeledes vil have en effekt. KONDITIONERING AF SANDFILTER 1.1.1 @ INNOVATIONSNETVÆRK FOR MILJØTEKNOLOGI /17
3 FULDSKALAFORSØG På baggrund af resultaterne opnået på AAU er der udført fuldskalaforsøg med dosering til skyllevandet samt chok-dosering. I fastsættelsen af doseringen er der taget udgangspunkt i de doser der blev anvendt i AAU s arbejde, men med fokus på at undersøge muligheden for at opnå resultater med en reduceret/optimeret dosering. 3.1 BESKRIVELSE AF LOKALITET Fuldskalaforsøg er udført på sandfiltre i Filborna Arena i Helsingborg. Denne lokalitet er valgt da UltraAqua for nyligt har opført et nyt og fleksibelt anlæg der imødekommer afprøvningen af filterkonditioneringen. FIGUR 1 CAPTURA SANDFILTRE I FILBORNA ARENA. Anlægget består af et tromlefilter (1 µm dug) der filtrer hele den cirkulerende vandmængde hvorefter en delstrøm på 5% af vandmængden ledes til tre parallelle Captura sandfiltre. Captura sandfiltrene kan grundlæggende karakteriseres som åbne sandfilter drevet af det hydrostatiske tryk over filteret samt en cirkulationspumpe til at returnere det filtrerede vand til bassinet. Den resterende del af vandet fra tromlefiltrene retureneres via UV behandling direkte tilbage til bassinet. Endvidere forefindes der et membrananlæg til behandling og genanvendelse af skyllevandet som i perioder ligeledes anvendes til at behandle bassinvandet. Inden sandfiltrene er der en kontinuert dosering af DinoFloc aluminiumskoagulant for at fremme flokdannelsen og dermed fjernelse i filtrene. Bassinet er et 5 m indendørsbassin der primært anvendes til svømmetræning af elitesvømmere. KONDITIONERING AF SANDFILTER 1.1.1 @ INNOVATIONSNETVÆRK FOR MILJØTEKNOLOGI 5/17
3. METODEBESKRIVELSE 3..1 MÅLEPUNKTER Der er foretaget målinger steder på anlægget. 1-3. Udløb fra de tre sandfiltre. Udtaget er placeret på røret i bunden af de tre filtre (Figur ). FIGUR PRØVETAGNINGSPOSITION VED UDLØB AF SANDFILTRE.. Indløb til sandfiltrene. Her er anvendt et eksisterende prøveudtag i UV sidestrømmen (se Figur 3). Da dette er en delstrøm fra tromlefilteret ligesom er tilfældet for indløbet til sandfiltrene vurderes denne at være repræsentativ. KONDITIONERING AF SANDFILTER 1.1.1 @ INNOVATIONSNETVÆRK FOR MILJØTEKNOLOGI 6/17
til UV fra tromlefilter til sandfiltre FIGUR 3 PRØVETAGNINGSPOSITION VED INDLØB TIL SANDFILTRE. 3.. PARTIKELMÅLING Partikelstørrelsesfordelingen i vandprøverne måles med en PSS NICOMP Accusizer 78. Der er anvendt en LE- 5 sensor og partikelkoncentrationen er målt i størrelsesintervallet fra.6 µm til µm. Apparatets sensorcelle er koblet direkte på de ovenfor beskrevne målepunkter hvorved unødig håndtering af prøven er undgået. 3.3 RESULTATER 3.3.1 INDLØB TIL SANDFILTRE Partikelkoncentrationen i indløbet til sandfiltrene varierer med belastningen af bassinet og dermed med tidspunktet på dagen. Figur viser den samlede partikelkoncentration som funktion af tidspunkt for to forskellige dage. Det fremgår at koncentrationen varierer markant både i løbet af dagen og fra dag til dag. Der er en svagt faldende koncentration frem til kl 16 hvor belastningen forøges. Stigningen forsætter hele eftermiddagen/aftenen hvor belastningen er høj og aftager igen i løbet af natten. Denne tendens går igen for begge måleperioder. KONDITIONERING AF SANDFILTER 1.1.1 @ INNOVATIONSNETVÆRK FOR MILJØTEKNOLOGI 7/17
Partikelkoncentration [#/ml] 35 3 5 15 5-6/8 8-9/9 1 5 9:36 1: 19:1 : :8 9:36 1: Tid FIGUR SAMLET PARTIKELKONCENTRATION I INDLØB TIL SANDFILTER SOM FUNKTION AF TID. DATA FOR TO MÅLEPERIODER ER VIST. Partikelstørrelsesfordelingen til forskellige tidspunkter på dagen ses i Figur 5. Overordnet øges forekomsten af partikler omvendt proportionalt med størrelsen få store og mange små. Det observeres at forøgelsen af koncentrationen kommer til udtryk som en generel stigning i forekomsten af alle de i forvejen tilstedeværende partikelstørrelser. Størrelsessammensætningen forandres således ikke markant. Dog er der en tendens til at peaken omkring 1 µm (se zoom) forøges mere end proportionalt med den samlede partikelkoncentration. Partikler af denne størrelse er således mere dominerende i belastningssammensætningen end de er i bassinvandet. Da målingerne er foretaget efter tromlefilteret hvor en væsentlig del af denne partikelstørrelse forventes fjernet vil effekten reelt være endnu større end hvad der observeres i Figur 5. KONDITIONERING AF SANDFILTER 1.1.1 @ INNOVATIONSNETVÆRK FOR MILJØTEKNOLOGI 8/17
Partikelkoncentration [#/ml] Partikelkoncentration [#/ml] 35 3 1.8 5 15 1 5.6.. 15: 17:35 15: 18:39 17:35 1:3 18:39 1:3 3 3.5 5 5 FIGUR 5 PARTIKELSTØRRELSESFORDELING I INDLØB TIL SANDFILTRE. DATA TIL FIRE TIDSPUNKTER PÅ DAGEN ER VIST. ØVERST I HØJRE HJØRNE SES ET ZOOM PÅ PEAKEN OMKRING 1 µm. 3.3. UDLØB FRA SANDFILTRE Størrelsessammensætningen og koncentrationen i udløbet fra sandfiltrene er væsentlig forandret i forhold til indløbet grundet tilbageholdelsen. Af Figur 6 fremgår det at koncentrationen er markant reduceret (ca. en faktor 1) samt peaken omkring 1 µm er fuldstændig forsvundet. Det observerede udsving i indløbet til sandfiltrene er ikke genfundet i udløbet. KONDITIONERING AF SANDFILTER 1.1.1 @ INNOVATIONSNETVÆRK FOR MILJØTEKNOLOGI 9/17
Partikelkoncentration [#/ml] Partikelkoncentration [#/ml] 3.5 3.5 1.5 1.5.5 5 5 FIGUR 6 PARTIKELSTØRRELSESFORDELING I UDLØB FRA SANDFILTER LIGE INDEN SKYL. Efter filterskyl ændres størrelsesfordeling i udløbet som det fremgår af Figur 7. Den samlede partikelkoncentration stiger ca. med en faktor 1 og der forefindes nu partikler (1.5-1 µm) i større koncentrationer end i indløbet. Denne observation bekræfter AAU s indikationer af at det primært er udvaskning fra filteret der betinger den forringede filtereffekt efter skyl. 5 5 Udløb efter skyl 35 Indløb 3 5 15 1 5.5 5 5 FIGUR 7 PARTIKELSTØRRELSESFORDELING I UDLØB FRA SANDFILTER LIGE EFTER SKYL SAMT TILSVARENDE FORDELING I INDLØB. BEMÆRK AT Y-AKSEN ER AFSKÅRET FOR AT KUNNE VISUALISERE FORSKELLEN MELLEM DE TO DATASERIER. KONDITIONERING AF SANDFILTER 1.1.1 @ INNOVATIONSNETVÆRK FOR MILJØTEKNOLOGI 1/17
Partikelkoncentration [#/ml] 3.3.3 CHOK-DOSERING Figur 8 viser partikelkoncentrationen i udløbet fra sandfilteret som funktion af tid (t= svarer til afslutning af filterskyl). De tre dataserier repræsenterer en reference situation hvor skyllet er foretaget under normale forhold samt med chok-dosering med doser. 7 6 5 Ingen dose 5 ml 75 ml 3 1-6 8 1 1 Tid ift skyl [min] FIGUR 8 PARTIKELKONCENTRATION I UDLØB FRA SANDFILTER SOM FUNKTION AF TID EFTER FILTERSKYL. DER FREMGÅR RESULTATER FOR REFERENCESITUATIONEN HVOR DER IKKE ER DOSERET IFM SKYLLET SAMT TO FORSKELLIGE CHOK-DOSER. ØVERST I HØJRE HJØRNE SES ET ZOOM PÅ DATA UMIDDELBART EFTER SKYLLET. Generelt for alle tre dataserier sker der en markant stigning i partikelkoncentrationen lige efter skyllet. Denne aftager hurtigt i starten og efter ca. 1 min begynder den at stige igen. Dagen efter er partikelkoncentrationen næsten normaliseret sammenlignet med målingerne inden skyllet. Sammenlignes med normalsituationen fremgår det at chok-doseringen (begge doser) reducerer partikelkoncentrationen i udløbet i de første ca. timer. Herefter er der ingen tydelige forskelle. Ses på den samlede partikelvolumenfraktion i udløbet (Figur 9) er forskellen mindre tydelig da volumenberegningen vægter store partikler tungt og da forskellen på fjernelsen af disse er lille forsvinder de forskelle der var tydlige i Figur 8. Der er dog en svag tendens til at chok-doseringen med høj dose generelt giver en forbedret fjernelse på volumenbasis. KONDITIONERING AF SANDFILTER 1.1.1 @ INNOVATIONSNETVÆRK FOR MILJØTEKNOLOGI 11/17
FIGUR 9 PARTIKELVOLUMENFRAKTION I UDLØB FRA SANDFILTER SOM FUNKTION AF TID EFTER FILTERSKYL. DER FREMGÅR RESULTATER FOR REFERENCESITUATIONEN HVOR DER IKKE ER DOSERET IFM SKYLLET SAMT TO FORSKELLIGE CHOK-DOSER. VOLUMENFRAKTION ER PLOTTET PÅ EN LOGARITMISK AKSE. KONDITIONERING AF SANDFILTER 1.1.1 @ INNOVATIONSNETVÆRK FOR MILJØTEKNOLOGI 1/17
Partikelkoncentration [#/ml] Partikelkoncentration [#/ml] Partikelkoncentration [#/ml] Betragtes størrelsesfordelingen i udløb løbende efter filterskyl (se Figur 1) fremgår det at den forøgede koncentration af partikler mellem 1.5 og 1 µm der forefindes lige efter skyllet i normal situationen stort set er forsvundet efter min. Sammenlignes med chok-doseringen ses to markante forskelle. 1) Der er initielt flere store partikler i udløbet og disse forsvinder langsommere og ) Koncentrationen af de små partikler nærmer sig hurtigere niveauet inden skyllet. Begge af disse effekter forøges med øget dosering. 1 1 8 6 A Tid ift filterskyl [min] -33.5 5 5 1 1 8 6 B Tid ift filterskyl [min] -9 1 1 8 6 C Tid ift filterskyl [min] -3.5 5 5.5 5 5 FIGUR 1 PARTIKELSTØRRELSESFORDELING I UDLØB SOM FUNKTION AF TID EFTER FILTERSKYL. A) NORMAL SITUATIONEN, B) CHOK-DOSERING LAV DOSE, C) CHOK-DOSERING HØJ DOSE. Effekten af chok-dosering vurderes på baggrund heraf at være udfældning af aluminiumshydroxid i vandsøjlen over filteret ved dosering. Dette bevirker en sweep flokkulering der indfanger mange af partiklerne i større aggregater. Meget af dette vil fjernes gennem filteret men en del af det udfældede aluminiumhydroxid vil kunne passere og dette kommer til udtryk ved en forøget partikelkoncentration (1.5-1µm) lige efter skyllet. Øget dosering medfører øget udfældning og dermed større koncentration i udløbet. Sweep flokkuleringen fjerner effektivt de små partikler og koncentrationen af disse reduceres derfor hurtigere til niveauet inden skyllet. KONDITIONERING AF SANDFILTER 1.1.1 @ INNOVATIONSNETVÆRK FOR MILJØTEKNOLOGI 13/17
Partikelkoncentration [#/ml] 3.3. DOSERING UNDER SKYL Figur 11 viser effekten af dosering under skyl på den samlede partikelkoncentration i udløbet. Sammenlignes med normal-situationen (og med chok-doseringen - Figur 8) ses det at koncentrationen hurtigt returnerer til samme niveau som før skyllet. Dette er tilfældet for alle tre doser. 7 6 5 Filter 1,.1 L/m3 Filter,. L/m3 Filter 3,. L/m3 Inge dose 3 1-6 8 1 1 Tid ift skyl [min] FIGUR 11 PARTIKELKONCENTRATION I UDLØB FRA SANDFILTER SOM FUNKTION AF TID EFTER FILTERSKYL. DER FREMGÅR RESULTATER FOR REFERENCESITUATIONEN HVOR DER IKKE ER DOSERET IFM SKYLLET SAMT TRE FORSKELLIGE DOSER TIL TILBAGESKYLSVANDET. ØVERST I HØJRE HJØRNE SES ET ZOOM PÅ DATA UMIDDELBART EFTER SKYLLET. Betragtes volumenfraktionen i udløbet (Figur 1) fremgår det, at der for den mindste dosering overordnet sker en reduktion af partikelvolumen i udløbet hvorimod der for den største dosering sker en forøgelse. Den høje dose forårsager en markant udfældning af aluminiumshydroxid der ved genetablering af driften kommer til udtryk som en forøgelse af partikelvoluminet i udløbsvandet. For den mindste dose er dette mindre udtalt og den gavnlige effekt på tilbageholdelsen af partikler fra filteret overskygger effekten af udfældet aluminiumhydroxid. KONDITIONERING AF SANDFILTER 1.1.1 @ INNOVATIONSNETVÆRK FOR MILJØTEKNOLOGI 1/17
FIGUR 1 PARTIKELVOLUMENFRAKTION I UDLØB FRA SANDFILTER SOM FUNKTION AF TID EFTER FILTERSKYL. DER FREMGÅR RESULTATER FOR REFERENCESITUATIONEN HVOR DER IKKE ER DOSERET IFM SKYLLET SAMT TRE FORSKELLIGE DOSER TIL TILBAGESKYLSVANDET. VOLUMENFRAKTION ER PLOTTET PÅ EN LOGARITMISK AKSE. Størrelsesfordelingen i udløbet som funktion af tid efter skyllet (Figur 13) viser sammenlignet med chokdoseringen (Figur 1) en markant forøgelse af partikelkoncentrationen lige efter skyllet (ca. gange højere). Koncentrationen stiger med øget dose samt flytter fordelingen mod større partikler. Effekten aftager hurtigt og efter min er koncentrationen på samme niveau som normal situationen dog med den forskel at der er væsentlig færre af de helt små partikler (<1 µm) men flere partikler mellem 1 og 5 µm. Herefter er partikelkoncentration generelt mindre for filtre behandlet med dosering under skyllet. Der sker således en markant partikeludvaskning fra filteret umiddelbart efter skyllet, men samtidig en markant forbedring af partikelfjernelsen herefter. Den initielle forøgelse af koncentration er afhængig af doseringen hvorimod den efterfølgende retentionsforbedring ikke synes forringet ved lavere doser. Det er således sandsynligt at en forbedret effekt af konditionering ved dosering under skyl kan opnås ved at reducere doseringen yderligere da dette potentielt vil fjerne en del af den initielle udvaskning. KONDITIONERING AF SANDFILTER 1.1.1 @ INNOVATIONSNETVÆRK FOR MILJØTEKNOLOGI 15/17
Partikelkoncentration [#/ml] Partikelkoncentration [#/ml] Partikelkoncentration [#/ml] Partikelkoncentration [#/ml] Partikelkoncentration [#/ml] 5 15 1 A Tid ift filterskyl [min] -17 3 5.5 5 5 5 15 1 B Tid ift filterskyl [min] -89 7 5 15 1 C Tid ift filterskyl [min] - 7 5 5.5 5 5.5 5 5 1 1 8 6 D Tid ift filterskyl [min] -17 3 1 1 8 6 E Tid ift filterskyl [min] -33.5 5 5.5 5 5 FIGUR 13 PARTIKELSTØRRELSESFORDELING I UDLØB SOM FUNKTION AF TID EFTER FILTERSKYL. A) LAV DOSERING UNDER SKYL, B) MELLEM DOSERING UNDER SKYL, C) HØJ DOSERING UNDER SKYL, D) ZOOM AF A, E) NORMALT FILTERSKYL KONDITIONERING AF SANDFILTER 1.1.1 @ INNOVATIONSNETVÆRK FOR MILJØTEKNOLOGI 16/17
KONKLUSION Partikelindholdet i udløbet fra sandfiltre er blevet undersøgt før og efter filterskyl og der er fundet en væsentlig forøgelse af koncentrationen umiddelbart efter driften er genoptaget. Den meget markante forøgelse er forsvundet efter få minutter men efter timer er koncentrationen stadig ca. en faktor forøget. Efter timer er koncentration i samme størrelsesorden som før skyllet om end stadig større. Set i forhold til koncentration før skyl observeres der en forøgelse for alle partikelstørrelser, mens en sammenligning med indløbskoncentrationen viser at der netto fjernes små partikler (<1.5 µm) mens der generes større partikler (1.5-1 µm). Det vurderes således at den tilsyneladende forringede retention efter skyllet er forårsaget af udvaskning af partikler der er løsrevet under skyllet. Det er undersøgt hvorvidt konditionering af filteret med aluminiumskoagulant under skyl kan afhjælpe problemet med forøget partikelindhold i udløbsvandet efter filterskyl. Både chok-dosering og dosering under skyllet gav anledning til en forøget partikelkoncentration umiddelbart efter skyllet sammenlignet med et normalt skyl. Dette var særligt gældende for høje doseringer under skyllet. Det vurderes at den forøgede partikelkoncentration skyldes passage af udfældet aluminiumshydroxid. Dog gav begge konditioneringsmetoder anledning til en forbedret partikelretention efter ca. min sammenholdt med et normalt skyl. I særdeleshed dosering under skyl resulterede i en hurtig genetablering af koncentrationsniveauet fra før skyllet. På baggrund heraf konkluderes det at det er muligt at forbedre partikelretentionen ved filterkonditionering og at dosering under skyllet giver de bedste resultater. Dog bør muligheden for at anvende mindre doseringer end anvendt i dette studie undersøges yderligere med henblik på at reducere den initielle forøgelse af partikelkoncentration forårsaget af udfældet aluminiumshydroxid. KONDITIONERING AF SANDFILTER 1.1.1 @ INNOVATIONSNETVÆRK FOR MILJØTEKNOLOGI 17/17