Inleiding
De aanscherping van de lozingsvoorschriften als gevolg van de kwaliteit van het rivierwater vereist verdere investeringen voor een betere verwijdering van stikstof en fosfor uit afvalwaterzuiveringsinstallaties (AWZI's). Als gevolg hiervan zijn tertiaire zuiveringsprocessen steeds belangrijker geworden. Dit heeft geleid tot een behoefte om een beter inzicht te krijgen in het proces en de mechanica van tertiaire verwijderingssystemen om zowel nu als in de toekomst aan de grenswaarden voor effluentlozing te blijven voldoen. Er zijn met succes pogingen ondernomen om bestaande tertiaire continue zandfilters te verbeteren en te renoveren met behulp van de nieuwe Sand-Cycle technologie. Dit heeft geleid tot een beter inzicht in de relatie tussen zandcirculatie en filtratie-efficiëntie. Real-time informatie fungeert als een vroegtijdig waarschuwingssysteem om consequent betere effluentkwaliteiten te bereiken door snellere reactieve maatregelen, alsmede proactieve analyse van gegevens.
Verwijdering van fosfor in bestaande zuiveringsinstallaties
Om te voldoen aan jaarlijks voortschrijdend gemiddelde totaal-P-gehalten van 0,25 - 0,50 mg/l kan een primaire, secundaire en/of tertiaire dosering van coagulant nodig zijn. Tertiaire zandfiltratie met inline debietgestuurde coagulantdosering is effectief gebleken om de coagulantdosering te minimaliseren en te voldoen aan de grenswaarden voor de residuele Fe-concentratie (Wouters, 2018).
80% van de DCWW-locaties zijn kleine AWZI's: capaciteiten van minder dan 2.000 inwonerequivalenten. Het is een uitdaging om deze installaties in een groot en gevarieerd geografisch gebied te beheren. Bovendien worden deze bestaande installaties uitgedaagd om te voldoen aan de strengere doelstellingen voor effluenten. Met minder operationeel personeel en meer complexiteit in het behandelingsproces vereist dit paradigma een aanzienlijke verschuiving in bewakings- en controlestrategieën. Teledetectie, het oordeel van deskundigen en big data-analyses zijn essentieel om de optimalisering van de activa te ondersteunen. Dit wordt geïllustreerd aan de hand van twee recent opgewaardeerde tertiaire continufilterinstallaties van DCWW.
Bewaking en regeling van continue zandfilters
Continue zandfiltratie, met ononderbroken filtratie en continue mediawassing, wordt op grote schaal toegepast in water- en afvalwaterbehandeling. Diverse types en merken continue filters worden gebruikt voor tertiaire behandeling van stedelijk afvalwater. De belangrijkste kenmerken zijn de homogene zandcirculatie over het volledige filtergebied en de gelijktijdige continue zandwassing.
De werkelijke snelheid van de zandcirculatie beïnvloedt de filtratie efficiëntie voor zowel vaste stof verwijdering als biologische omzetting. Realtime bewaking en regeling van de zandcirculatie is daarom van cruciaal belang om de prestaties van de installatie te optimaliseren en de uitvaltijd te beperken.
Figuur 1: Weergegeven RFID-tag
Om de beweging van de zandkorrels te volgen worden passieve RFID-tags aangebracht (figuur 1). RFID-tagging is een identificatiesysteem dat gebruik maakt van kleine radiofrequentie-identificatieapparatuur voor identificatie- en opsporingsdoeleinden. Het omvat de tag zelf (transponder), een lezer en een hostsysteemtoepassing voor het verzamelen, loggen, verwerken en verzenden van gegevens. De RFID-tag wordt kort geactiveerd door de radiofrequentiescan van de lezer.
Elke transponder heeft een unieke code, die niet kan worden gedupliceerd. Hoewel RFID-tags in tal van toepassingen worden gebruikt, zoals het traceren van wilde dieren en vee, is het gebruik in de waterindustrie nieuw, waardoor krachtige mogelijkheden ontstaan in een fluïdumomgeving.
Elke transponder wordt gedetecteerd bij het passeren van de lezer, die geïntegreerd is in de luchtinlaat van het zandfilter. De codes, data en tijdstippen van de passerende transponders worden via een decoder doorgegeven aan de datalogger, die de gegevens doorzendt naar de back-end van de online dataserver. Deze server zet de ruwe veldgegevens om in relevante outputgegevens, met behulp van speciale algoritmen. De output is voor de exploitanten 24 uur per dag en 7 dagen per week beschikbaar via de frontoffice van de dataserver, gepresenteerd in dashboards.
Waarde volle schaal
In 2020 zijn twee tertiaire filterinstallaties van DCWW uitgerust met Sand-Cycle. In Whitchurch zijn vier continue filters (merk Colloide, figuur 2) met Sand-Cycle geïnstalleerd na een succesvolle innovatieproef op één filter in 2018, waarna een gerichte opknapbeurt heeft plaatsgevonden. Vanaf september 2020 werken alle units consistent en voldoen ze zonder ingrepen aan de effluentdoelstellingen.
Figuur 2: Tertiaire filterinstallatie bij Whitchurch WwTP
In Llanddewi Brefi WwTP is medio 2020 één continu filter in gebruik genomen om te voldoen aan de effluentcriteria voor ijzer, vaste stoffen en fosfor. De dashboards laten een stabiele werking zien onder variërende procesomstandigheden. Eventuele afwijkingen, bv. een onderbroken luchttoevoer waardoor de zandcirculatie daalt, worden onmiddellijk opgepikt en aan de exploitant gemeld (figuur 3). Op die manier kunnen de nodige maatregelen worden genomen.
Figuur 3: Zand-cyclus dashboard (Llanddewi Brefi WwTP)
Verbetering van de filtratieprestaties
Continu zandfilters worden vaak in niet-optimale omstandigheden gebruikt, waardoor het potentieel ervan niet volledig wordt benut. De belangrijkste factor is de toegepaste zandcirculatiesnelheid. Als de snelheid te hoog is, is het filterbed in een "schone" toestand, vergelijkbaar met het starten van een conventionele snelle zwaartekracht zandfilter direct na een terugspoeling. Om het volledige potentieel te benutten, moeten de poriën gedeeltelijk gevuld zijn met vaste stoffen om het filtratiemechanisme te verbeteren. In een continu filter wordt dit geregeld door de luchtstroom naar de airlift te regelen, die de werkelijke zandcirculatiesnelheid bepaalt.
Dit wordt geïllustreerd in figuur 4. Het linkerdiagram toont een hoge zandcyclus, die overeenkomt met een bedverloop van gemiddeld 6 uur, waardoor het filterbed constant te schoon is. In deze bedrijfsmodus wordt geen opbouw van vaste stoffen in het filterbed bereikt. Het rechter diagram toont een lagere zandcyclus (met een hogere bedomlooptijd van gemiddeld 10 uur), aangepast om een optimaal filterefficiëntie te bereiken. De opbouw van vaste stoffen in het filterbed draagt nu bij tot de verwijdering van vaste stoffen. Daardoor worden hogere filtratie-efficiënties en/of lagere toestandsniveaus bereikt.
Figuur 4: Invloed van de zandcirculatietijd op de filterprestaties
De combinatie van het in real time bewaken van de zandcirculatie en het regelen van de luchtstroom om de best mogelijke filterprestaties te verkrijgen, is een krachtig instrument gebleken om het werkingsvenster van continue zandfilters te vergroten en de hoogst mogelijke verwijderingsrendementen te bereiken.
Referenties
1 Wouters, J.W &. Agema. K.J, 2018. RFID-technologie als kosteneffectief real-time procesmonitoring- en controletool in continue zandfilters: twee casestudies, Nederland: 'RFID-technologie als kosteneffectief real-time procesmonitoring- en controle-instrument in continue zandfilters: twee casestudies' HIC 2018 - Palermo
2 Rathnaweera, S.S.; Rusten, B.; Manamperuma, L.D.; Gjevre, J.; Tranum, I., Evaluation of moving bed sand filter for denitrification, suspended solids removal and very low effluent total phosphorus concentrations, Water Science & Technology, 2019, p 232-242
