Videnskupon:
11-121398
Periode:
16. januar 2012 – 16. januar 2013
Deltagere:
DHI og Aalborg Universitet
Rapport:
Morten Lykkegaard Christensen Institut for Kemi og Bioteknologi Aalborg Universitet Sohngaardsholmvej 57 9000 Aalborg
Test og dokumentation af pulver-teknologi til behandling af svømmehalsvand Baggrund Vand i svømmehaller behandles i dag primært ved brug af standard vandbehandlingsteknologier adapteret fra drikkevandsbehandling (sandfiltre, aktiv kul og klorering). Disse teknologier er ikke tilpasset de belastninger, der forekommer i svømmebassiner og driften er ressourcekrævende i form af et højt energi- og vandforbrug især i forbindelse med rensning af filtre. Derudover er metoderne pladskrævende. Der findes alternative teknologier, men der findes ikke meget dokumentation for renseeffekten af disse nyere teknologier. Formålet med projektet har været at teste og dokumentere den tekniske performance af en ny pulverfilterteknologi. De opnåede data er sammenlignet med lignende data for et konventionelt sandfilter. Undersøgelserne er foretaget af Aalborg Universitet og DHI, og støttet af Styrelsen for Forskning og Innovation. Pulverfilteret er fra firmaet Technol. Der er foretaget pilot-skala forsøg i Haraldslund Svømmehal i Aalborg og fuldskala forsøg i Varde Svømmehal. Tak til begge svømmehaller for at stille lokaler og ekspertise til rådighed.
Figur 1: Pulverfilter fra Technol
Teknologi Pulverfilteret består af en tank på 3,1 m3 indeholdende 121 stave (Fig 1). Hver stav er 96,5 cm høj og beklædt med en 0,26 m2 polyester filterdug. Før filtrering lægges der et jævnt tyndt lag af pulver på filterdugen. Pulveret opblandes i vand, som herefter filtreres gennem filterdugen, hvorved pulveret aflejres på dugen. Apparatet er nu klar til filtrering af svømmehalsvand. Under filtreringen fanges partiklerne i pulverlaget. Trykdifferencen henover pulver og dug vil derfor stige og på et tidspunkt skal pulveret udskiftes. Det sker ved at stoppe for vandtilførelsen, hvorved pulveret falder af dugen. Pulveret skylles ud og et nyt pulverlag kan lægges på.
Pulvertyper Tre forskellige pulvertyper er analyseret: Harbolit® 900, Perlite® og Arbocel®. Den hydrauliske modstand er bestemt for alle tre pulvertyper ved at filtrere 1-5 g pulver opblandet i 700 mL postevand. Under forsøgene var filterarealet 0,00656 m2 og trykdifference 50 mbar. Den hydrauliske modstand er angivet som specifik kagemodstand, således at gennemstrømningenshastigheden kan beregnes ved brug af nedenstående formel J=
P µαω
hvor J er gennemstrømningshastigheden (m3/m2s), P er trykdifferencen over pulver og filterdug (Pa), µ er viskositeten af vandet (Pa·s), α er den specifikke kagemodstand (m/kg) og ω er mængden af aflejret pulver per areal filterdug (kg/m2). Data for forsøgene er vist i tabel 1 og figur 1 Tabel 1: Data for pulverne Harbolit 1,2 ± 0,1·1010 m/kg Perlite 4 ± 2·1010 m/kg Arbocel 5,1± 0,8·109 m/kg Modstanden for alle tre pulvere er lille (Tabel 1 og figur 1). Det betyder, at tryktabet i systemet ikke kan tilskrives pulveret, men derimod friktionen i den øvrige del af systemet og, efter længere tids rensning af svømmevand, tilstopning af pulverlaget. Den specifikke kagemodstand er højest for Perlite pulveret og mindst for Arbocel pulveret. Det tyder på, at partiklerne i Perlite pulveret er mindre og/eller størrelsesfordelingen af partiklerne er større end partiklerne i de øvrige pulvertyper. Effect of eq. time on lava stones (Harbolite) 2.2
1.0000
2.15 2.1 ]c /cg2.05 [ yt is n 2 e D 1.95
0.1000
% p v. e td S
1.9 1.85
0.0100 0
50
100
150
200
250
300
350
No. of measurement
Figur 2: Måling specifik modstand og densitet Tørdensiteten for Harbolit er bestemt til 2,137 g/mL ved brug af et Ultrapycnometer 1200 e T fra Quantachrome Instruments (USA). Der blev anvendt helium under forsøgene. Det tager lang tid inden ligevægtstrykket opnås (Fig. 2), hvilket skyldes den høje porøsitet af partiklerne. Densiteten underestimeres en smule når overfladearealet er meget stort, hvilket er tilfældet her pga. den høje porøsitet. Man kan teoretisk korrigere for denne fejl, hvis man kender det samlet overfladeareal, men fejlen vil ikke overstige 0,3%.
Side 2 af 18
Yderligere analyser af overfladeareal og porøsitet kan være interessante, især hvis disse data sammenlignes med pulverets evne til at rense svømmehalsvandet. Denne type målinger vil give et større indblik i, hvilke partikelegenskaber, der er vigtige for rensningen, og være relevant i identifikationen eller eventuelt udviklingen af nye pulvere. Pulveret på pulverfilteret er nemt at udskifte, så hvis der kommer et nyt forbedret pulver, vil det hurtigt kunne implementeres på eksisterende anlæg.
Laboratorieskala test af pulver For at kunne udføre de nødvendige eksperimentelle studier af forskellige pulvertyper og mængder, er nedenstående filtreringscelle udviklet (Fig. 3).
Figur 3: Test filtreringscelle I forsøgscellen er filterdugen er placeret horisontalt for at sikre en ensartet fordeling af pulver også ved lave gennemstrømningshastigheder. Filtreringscellens dimensioner er angivet i tabel 2 Tabel 2: Filtreringsforsøgene udføres på en filtreringscelle med følgende karakteristika Volumen 3,7 L Højde 208 mm Cylinder diameter 150 mm Filterareal 0,0176 m2 Flow 30 L/h Der blev udført forsøg i Haraldslund Svømmehal (Aalborg) onsdag den 11. december 2012 og torsdag den 12. december 2012. Der blev filtreret på svømmevand fra varmvandsbassinet, som blev pumpet op direkte fra overløbsrenden til bassinet
Figur 4: Størrelsesfordeling af partikler i svømmevand fra varmvandsbassinet (tv) og efter passage gennem pulverfilteret (th). Partikelanalysen i figuren tv er udført to gange. Den grønne fuldtoptrukne linje angiver gennemsnittet af de to målinger. Side 3 af 18
Figur 4 viser størrelsesfordelingen målt i indløbsvandet. Koncentrationen af partikler varierer afhængigt af belastningen i bassinerne, men fælles for målingerne er to toppe omkring 5 µm og 15 µm. Efter passage gennem pulverfilteret fjernes de store partikler og en stor del af de små (Figur 4 th). Der er i det viste tilfælde anvendt 7,6 g Perliteh pulver. Der er gået 30 min fra opstart inden prøveudtag og analyse. Den 11. december blev der i alt udført fire forsøg. I alle forsøg blev der anvendt 7,6 g pulver svarende til 0,43 kg pulver per m2 filter areal. Forsøg 1: Harbolit, Forsøg 2: Arbocel Forsøg 3: Perlite Forsøg 4: Harbolit med recirkulering af pulver i 30 min før filtrering. Partiklerne er i figuren inddelt i tre fraktioner: I) små partikler (2 – 8 µm) svarende til den første top figur 4 tv, 2) mellemstore partikler (8 – 25 µm) svarende til den anden top figur 4 tv, og 3) store partikler (25 – 400 µm).
Figur 5: Partikelmålinger udført i Haraldslund Svømmehal (Aalborg) den 11. december. Bemærk logaritmisk y-akse og størrelsesfraktionerne, der er angivet på y-aksen. Den 12. december blev der også udført fire forsøg. Der blev anvendt varierende mængder af pulver for at undersøge om lagtykkelsen har betydning for renseevnen. Forsøg 1: Harbolit 11,6 g. Forsøg 2: Harbolit 15,2 g med recirkulering af pulver i 30 min før filtrering. Forsøg 3: Harbolit 5 g. Forsøg 4: Aquacel 5 g. Side 4 af 18
Figur 6: Partikelmålinger udført i Haraldslund Svømmehal (Aalborg) den 12. december. Bemærk logaritmisk y-akse og størrelsesfraktionerne, der er angivet på y-aksen Data fra begge dage viser, at der under opstarten af pulverfilteret er en høj koncentration af partikler i det behandlede vand. Det skyldes, at de mindste pulverpartikler trænger gennem pulverlag og dug. Efter 10-20 minutters filtrering er koncentrationen lavere end i indløbet og pulverlagets filtreringsevne forbedres løbende under de første 30 minutters filtrering. Forklaringen er formentlig konsolidering af pulverlaget, hvilket øger lagets evne til at fange små partikler. Der er lavet forsøg, hvor udløbsvandet recirkuleres under pålægningen af pulverlaget. Disse forsøg viser at de små partikler fanges i pulverlaget under recirkuleringen. Det ser dog ikke ud til at have nogen væsentlig betydning for renseevnen, hvorvidt de små pulverpartikler bliver recirkuleret og optaget i pulverfilteret eller ej. Det stop, der er nødvendig på den anvendte forsøgsopstilling for at ændre fra recirkulering til filtrering øger partikelantallet i det behandlede vand kortvarigt. Det skyldes formentlig at der skabes turbulens under stop/opstart, hvorved der hvirvles partikler op fra filteret. Det er svært med de nuværende målinger at vise nogen forskel på renseevne for de forskellige pulvertyper. Desuden har tykkelsen af pulverlaget heller ikke nogen tydelig effekt på renseeffekten. Koncentrationer af partikler større end 25 µm i svømmehalsvandet er målt til 2 ± 1 stk/mL - efter filtrering (pulver konsolideret i mindst 30 min) reduceres mængden med ca. 70%. Koncentrationer af partikler mellem 8 - 25 µm i svømmehalsvandet er målt til 40 ± 10 stk/mL - efter filtrering (pulver konsolideret i mindst 30 min) reduceres mængden med ca. 75%. Koncentrationer af partikler større end 2-8 µm i svømmehalsvandet er målt til 120 ± 30 stk/mL efter filtrering (pulver konsolideret i mindst 30 min) reduceres mængden med ca. 75%. Side 5 af 18
Størrelsesfordeling for pulveret er undersøgt før filtrering (Harbolit) og efter filtrering (alle pulvertyper). For Harboliten er der yderligere målt på pulverlaget, dels for et forsøg med recirkulering af pulveret de første 30 min og dels for et forsøg uden recirkulering af pulverfilteret.
Figur 7: Størrelsesmåling på pulver før og efter filtrering. Rest betyder at målingen er udført efter filtrering på forsøgsapparatet. H = Harbolit, AR= Arbocel, Pe = Perlite. Der er udført målinger på Harbolit både før og efter filtrering. For målingerne på pulveret inden filtrering ses en forholdsvis bred størrelsesfordeling med en antalvægtet middel på 8 µm og en volumen-vægtet middel på 50 µm. Dog blev der observeret at markant større partikler var til stede i pulveret, men da der ikke var suspenderbare (de flød oven på) kunne de ikke medtages i målingen. Det vurderes at disse partikler var adskillige hundrede µm. Hvis partiklerne recirkuleres i 30 min inden filtrering af svømmevandet – svarer partikelstørrelsesfordeling af partiklerne i pulverlaget til størrelsesfordeling af pulveret inden filtreringen. Det er altså muligt at fange partiklerne i laget, hvis det får tid til at konsolidere. Hvis ikke partiklerne recirkuleres mistes der nogle af de mindste partikler. Disse data stemmer fint overens med de målte data på udløbsvandet fra filtreringscellen (Figure 5-6). Sammenlignes størrelsesfordelingerne for de tre forskellige pulvertyper ses en tydelig forskel. Perlite pulveret har den mindste diameter. Det var også den der giver den største specifikke kagemodstand. Data hænger altså fint sammen. Arbocel partiklerne er de største og det er også her, den mindste specifikke kagemodstand observeres.
Case study: Varde Svømmehal Der er udført en række forsøg i Varde svømmehal, hvor der både er et sandfilter og et pulverfilter. Målinger på anlægget giver derfor gode muligheder for at sammenligne de to forskellige teknologier. Svømmehallen har en udligningstank, et sandfilter og et pulverfilter koblet parallelt samt to kulfiltre der ligeledes er parallelkoblet. Det samlede flow er ca. 80 m3/h og der er mulighed for at variere fordelingen af denne vandmængde over sandfilteret og pulverfilteret. Pulverfilteret består af 88 stave (ud af 121 mulige) placeret i en tank på ca. 3 m3. Sandfilterets volumen er ca. 11 m3. Mængden af pulver varierede lidt mellem de forskellige forsøg men typisk blev tilsat mellem 10 - 12 kg svarende til 0,43 - 0,52 kg pulver per m2 filterdug. Der blev udført forsøg af partikelfjernelsen på følgende datoer: 12. september 2012, 2. oktober 2012 og 19. december 2012. De tre forsøgsserier er beskrevet i tre rapporter, der her er samlet i de følgende afsnit. Side 6 af 18
Indledende undersøgelser af vandrensningen i Varde svømmehal den 12. september 2012 Der blev den 12 september udført en forundersøgelse, hvor følgende parametre blev målt på 5 prøver: partikelsstørrelsesfordeling og -koncentration, turbiditet og ledningsevne. De 5 prøver bestod af 1) indløb til sand- og pulverfiltre fra udligningstank, 2) udløb fra sandfilter under ligelig fordeling af belastningen mellem de to filtre (herefter kaldet 50/50), 3) udløb fra pulverfilter under 50/50 drift, 4) udløb fra sandfilter med fuld belastning hvor pulverfilteret var koblet fra (0/100), og 5) udløb fra pulverfilter med fuld belastning hvor sandfilteret var koblet fra (100/0). Størrelsesfordelinger målt på prøve 1-5 ses af figur 8 - 11. Figur 8 og 9 viser data for indløbet sammenlignet med udløbet fra filtrene under 50/50 drift, mens Figur 10 og 11 viser data for indløbet sammenlignet med udløbet fra filtrene under 100/0 og 0/100 drift. I figur 8 og 10 ses størrelsesfordelinger baseret på antal partikler (hvilket vægter små partikler højest), mens figur 9 og 11 viser størrelsesfordelinger baseret på partikelvolumen (hvilket vægter store partikler højest). Begge datapræsentationer er medtaget da de begge indeholder vigtig information. 10 9 Indløb
8
#/mL
7
Udløb pulver 50/50
6 5
Udløb sand 50/50
4 3 2 1 0 2
20 Størrelse [µm]
200
Figur 8. Størrelsesfordeling baseret på antal partikler for indløb til filtre og udløb fra sand- og pulverfiltre under drift med 50/50 belastning af de to filtre. Af figur 8 ses at indløbsvandet overordnet set indeholder to typer partikler repræsenteret ved de to peaks ved henholdsvis 3 µm og 15 µm. Oprindelsen af disse partikler er ukendt, men det virker sandsynligt at de største partikler (10-20µm) er hudceller hvorimod de mindre (<10µm) er en blanding af materiale fra lyserede celler og bakterier. Partikelfordelingen og koncentrationsniveauerne er sammenlignelige med hvad man ofte finder i svømmehalsvand. Efter passage af sand eller pulverfilter ses det at partikelniveauet generelt reduceres samt at fjernelsen af de største partikler er mere effektiv end fjernelsen af de mindste – ganske som forventet. Der ses umiddelbart ingen markant forskel mellem effektiviteten af de to filtertyper, dog er der en svag antydning af at pulverfilteret er mere effektivt til at fjerne de mindste partikler. Kigges der på den volumenbaserede størrelsesfordeling i figur 9 ser fordelingen ganske anderledes ud idet den største del af partikelvolumen findes i de store partikler. Den tydelige partikelstørrelsesfordeling fra figur 8 er forsvundet, men til gengæld er det mere tydeligt hvordan partikelmassen er fordelt. Reduktionen af partikelniveauet henover filtrene ses ganske tydeligt, specielt for de største partikler. Endvidere tydeliggør figuren den lille forskel mellem de to filtertyper, idet punkterne for pulverfilteret generelt ligger lavere end sandfilteret.
Side 7 af 18
1E‐07 2
20
200
mL/mL
1E‐08 1E‐09 1E‐10
Indløb Udløb pulver 50/50
1E‐11
Udløb sand 50/50 1E‐12
Størrelse [µm]
Figur 9. Størrelsesfordeling baseret på volumen af partikler for indløb til filtre og udløb fra sand- og pulverfiltre under drift med 50/50 belastning af de to filtre. Bemærk logaritmisk y-akse. I figur 10 ses størrelsesfordelingen i indløbet til filtrene sammenlignet med udløbet fra de to filtre når de belastes med hele vandmængden. Der observeres en markant reduktion i filtrenes effektivitet i forhold til 50/50 driften hvor filtrene hver især kun modtog den halve vandmængde. Partikelniveauet for de mindste partikler ses at være næsten uændret efter passagen gennem filtrene. For pulverfilteret er antallet af de små partikler øget i forhold til koncentrationerne i indløbet. Der kan være to mulige forklaringer herpå. Enten medfører det øgede flow en afrivning af aflejrede partikler i pulverfilteret, der dermed i en periode frigiver flere partikler end den fjerner i dette størrelsesinterval. Alternativt kan belastningen af vandet i basinnet være ændret i forhold til tidspunktet hvor målingen på indløbet blev foretaget, hvormed sammenligningsgrundlaget med indløbsprøven er forsvundet. Uafhængigt af hvad forklaringen er, tyder målingerne på at sandfilteret er bedre i stand til at bevare sin filtreringsevne overfor små partikler under stor belastning sammenlignet med pulverfilteret. Begge filtertyper bevarer dog mere eller mindre deres filtreringsegenskaber overfor de større partikler, og fjernelsen heraf er således sammenlignelig omend en smule ringere end under 50/50 drift. For de store partikler ses det at pulverfiltret er mere effektivt end sandfilteret. Figur 11 understøtter ovenstående og tydeliggør at det kun er for de store partikler der sker en egentlig fjernelse af masse. 12 10 Indløb
#/mL
8 Udløb pulver 100/0 6
Udløb sand 0/100
4 2 0 2
20 Størrelse [µm]
200
Figur 10. Størrelsesfordeling baseret på antal partikler for indløb til filtre og udløb fra sand- og pulverfiltre under drift med 100/0 eller 0/100 belastning af de to filtre.
Side 8 af 18
1E‐07 2
20
200
mL/mL
1E‐08
1E‐09 Indløb 1E‐10 Udløb pulver 100/0 1E‐11
Udløb sand 0/100 Størrelse [µm]
Figur 11. Størrelsesfordeling baseret på volumen af partikler for indløb til filtre og udløb fra sandog pulverfiltre under drift med 100/0 eller 0/100 belastning af de to filtre. Bemærk logaritmisk yakse. Ud over partikelstørrelsesmålingerne blev også turbiditet og ledningsevne målt. Disse data ses af tabel 3. Tabel 3. Oversigt over målte værdier af turbiditet og ledningsevne. Prøve ID Turbiditet Ledningsevne [NTU] [mS/cm] (30°C) Indløb til filtre 0,36 2 Udløb sandfilter 50/50 0,28 2 Udløb pulverfilter 50/50 0,25 2 Udløb sandfilter 0/100 0,26 2 Udløb pulverfilter 0/100 0,30 2 Turbiditeten er et udtryk for lysspredning forårsaget af partikler i prøven, og er derfor afhængig af partikelkoncentrationerne. På trods heraf er turbiditet og partikelstørrelsesfordelingerne ikke umiddelbart sammenlignelige da lysspredningen er afhængig af partikel antal, størrelse og form og dermed er sammenhængen langt fra triviel. Dog findes den største turbiditet i det ufiltrerede vand, men en egentlig vurdering af de øvrige målinger vurderes at være meningsløs. På baggrund heraf vil der ikke foretages yderligere turbiditetsmålinger i det kommende analysearbejde. Ledningsevne er et udtryk for vandets indhold af ioner og udgøres primært af NaCl. Der blev ikke observeret ændringer i ledningsevnen hvilket også var forventeligt, da de anvendte filtreringsmetoders påvirkning af ioner er forsvindende. Prøver udtaget til måling af TOC og DOC kunne desværre ikke analyseres grundet tekniske problemer med apparater i DHI’s laboratorium. Det er planen at disse analyser udføres fremadrettet – dog betinget af at de tekniske problemer kan afhjælpes i tide. Sammenfatning af resultater fra tirsdag 2.okt 2012 Dette notat beskriver kort partikelstørrelsesfordelinger målt i Varde svømmehal den 2. oktober 2012. Der er målt med en Accusizer partikelmåler (prøver udtages, samme apparatur som blev anvendt den 12. september 2012) samt en PAMAS partikelmåler (måler kontinuerligt med stor tidsopløselighed, men ringere opløselighed på partikelstørrelsen). PAMAS apparatet blev anvendt til at overvåge partikelfordelingen i indløbet. Tirsdag blev udvalgt da der denne ugedag veksles mellem få gæster om formiddagen (lav belastning) og mange gæster om eftermiddagen (høj belastning). Endvidere blev pulveret skiftet på pulverfilteret og målinger blev fortaget før og efter dette skift. Sandfilteret var netop blevet tilbageskyllet inden måledagen (hvilket også betød at sandet ikke havde haft mulighed for at kompaktere). I Figur 12 ses variationen af partikelkoncentrationen i indløbet til filtrene gennem dagen. Data er målt med PAMAS apparatet. Både den samlede koncentration samt koncentrationen af 2 µm og Side 9 af 18
15 µm partikler fremgår. Hullerne i tidsserien er forårsaget af stop pga. funktionsfejl eller skift af pulver. Der observeres store variationer i den samlede koncentration – særligt en markant stigning i periode kl. 12-13. I denne periode blev sandfiltre sat i drift hvor der forinden kan have været kørt på pulverfilteret. Om den øgede koncentration er relateret hertil eller er et udtryk for øget belastning af bassinet er uvist, men sammenlignet med perioden senere på eftermiddagen var belastningen væsentlig mindre i perioden mellem kl. 12-13 og det vurderes derfor at dette ikke kan forklare stigningen. Eftermiddagstimerne viser en oscillerende men overordnet set stigende tendens i den samlede partikelkoncentration. Perioden for oscillationerne virker umiddelbart sammenlignelig med periodedriften af bølgebassinet (der blev kun periodevist genereret bølger). Den øgede turbulens i bassinet under bølgedannelsen vil sandsynligvis betyde en øget transport af partikler ud af bassinet og derved en højere belastning af filtreringsanlægget. I perioden 15-15.30 forlod de sidste gæster bassinet og koncentrationen ses således også at falde herefter. Kigges der på koncentrationen af 2 µm og 15 µm partikler ses det at stigningen i den samlede koncentration i perioden kl. 12-13 er forårsaget af små partikler hvorimod der om eftermiddagen under den høje belastning af bassinet dannes mange større partikler. Dette taler ligeledes i mod at den store stigning mellem kl. 12-13 er forårsaget af lavere belastning af bassinet da en sådan belastning synes at resultere i dannelsen af mange store partikler set i relation til små partikler. De oscillerende variationer om eftermiddagen observeret i den samlede koncentration genfindes for 2 µm partikler, men ikke for 15 µm. Dette stemmer umiddelbart ikke overens med hypotesen om at oscillationerne stammer fra hydrauliske ændringer i bassinet forårsaget af bølger, da dette også skulle påvirke de store partikler (måske endda i højere grad end de små). PAMAS online partikelmåler 45
3500 samlet antal
Partikelantal [#/mL]
3000
40
2 µm
35
15 µm
2500
30
2000
25
1500
20 15
1000
10 500
5
0 10:33
11:45
12:57
14:09
15:21
0 16:33
Tid
Figur 12. Variation i samlet antal partikler, partikler på 2µm og partikler på 15µm over dagen. Bemærk at koncentrationen af 15 µm partikler er afbilledet på den sekundære y-akse. Sammenligning PAMAS og Accusizer
Sammenligning PAMAS og Accusizer 1E‐06
3500
Samlet volumen PAMAS
Volumenfraktion [mL/mL]
Partikelantal [#/mL]
3000 samlet antal PAMAS
2500
samlet antal Accusizer
2000 1500 1000
8E‐07 Samlet volumen Accusizer 6E‐07
4E‐07
2E‐07
500 0 10:33
11:45
12:57
14:09
15:21
16:33
0E+00 10:33
11:45
12:57
14:09
15:21
16:33
Tid
Tid
Figur 13. Sammenligning af målinger foretaget med PAMAS og Accusizer partikelmålere. Tv: Partikelkoncentration. Th: Partikelvolumenfraktion. Figur 13 viser målinger af den samlede partikelkoncentration i indløbet henover dagen målt med henholdsvis PAMAS og Accusizer apparatet. PAMAS målinger er de samme som findes i figur 12. Hvert punkt for Accusizeren repræsenterer en udtaget prøve. Det ses at der er fin Side 10 af 18
overensstemmelse på tendenserne, men at der er en mindre afvigelse på partikelantallet hvor PAMAS måler lidt højere og på volumen hvor Accusizeren måler højere. Disse mindre afvigelser skyldes med stor sandsynlighed forskellen i antallet af størrelseskanaler samt at PAMAS’en måler lidt for højt på de mindste partikler (grundet den nedre detektionsgrænse på 2 µm). Initielt var pulverfilteret i drift (100/0) med pulver der havde været anvendt i 14 dage og dermed snart skulle skiftes. Herefter ændredes driften til sandfilteret (0/100) der forinden var blevet tilbageskyllet og derfor forventeligt var rent men ikke konsolideret. Efter målingen på sandfilteret blev der skiftet pulver på pulverfilteret og dette sat i drift igen (100/0). De tre målinger (gl. pulver, sand, nyt pulver) på ind- og udløb fremgår af figur 14 både som partikelantal og partikelvolumenfraktion. Det observeres at pulverfilteret i begge tilfælde fjerner væsentlig flere partikler end sandfilteret både på basis antal og volumen. Dog var indløbskoncentrationen også væsentlig højere for målingen på sandfilteret og det er derfor ikke muligt endeligt at konkludere noget på baggrund heraf. Endvidere havde sandfilteret kun været i drift i en kortere tidsperiode (max 1 time) inden målingen blev foretaget og konsolideringen af sandet var derfor næppe tilendebragt. Ligeledes er sammenligningen af det gamle og nye pulver besværliggjort af væsentlig forskellige indløbskoncentrationer, og det kan derfor ikke konkluderes på forskellen mellem filteregenskaberne af de to pulvertyper. Indikationen er dog at pulverfilteret effektivt fjerner de små partikler. 35
1E‐07
Partikelantal [#/mL]
Indløb pulver 1045 Udløb pulver 1055 Indløb sand 1220 Udløb sand 1215 Indløb pulver 1325 Udløb pulver (nyt) 1335
25 20 15 10 5 0
Volumenfraktion [mL/mL]
2
30
20 Størrelse [µm]
200
1E‐08
1E‐09
1E‐10
1E‐11 2
20
200
Indløb pulver 1045 Udløb pulver 1055 Indløb sand 1220 Udløb sand 1215 Indløb pulver 1325 Udløb pulver (nyt) 1335 Størrelse [µm]
Figur 14. Størrelsesfordeling af ind- og udløb fra pulverfilter og sandfilter ifm 100/0 og 0/100 drift. Herefter blev både pulverfilter og sandfilter sat i drift parallelt (50/50 drift), og ind- og udløbskoncentrationer blev målt til 4 tidspunkter (se figur 15). I alle tilfælde ses de to karakteristiske toppe ved ca. 3 µm og ca. 15 µm i indløbet - dog tydeligst i de sidste målinger. Dette skyldes at antallet af de store partikler vokser forholdsvis mere end de små og at denne top derfor bliver mere og mere tydelig. Endvidere ses det at sandfilteret initielt næsten ikke renser vandet, idet kun de største partikler fjernes. Dog forbedres dette markant med tiden. Der ses stadig ændringer i udløbskoncentrationen fra sandfilteret efter 1 times drift, men det kan lige så vel skyldes ændringer i indløbskoncentrationen som en effekt af kompaktering af sandmatricen. Dog er udløbskoncentrationen stort set ens kl. 14.30 og kl. 15.05 hvor indløbskoncentrationer (af de små partikler) er næsten ens, hvilket indikerer at effekten af kompaktering er aftaget på dette tidspunkt. Til alle tidspunkter er udløbskoncentrationen fra pulverfilteret markant lavere end for sandfilteret og stort set upåvirket af indløbskoncentrationen. Det kan således konstateres at store partikler fjernes effektivt af begge filtertyper, men at pulverfilteret mere effektivt fjerner de små partikler. Dog skal det bemærkes at det grundet den begrænsede driftstid af sandfilteret ikke kan udelukkes at dettes performance ville kunne forbedres med tiden, og at sammenligningen mellem de to filtertyper er sket på et uhensigtsmæssigt grundlag. I forbindelse med den næste måledag skal det således sikres at sandfilteret på forhånd har været drevet kontinuert i en længere periode.
Side 11 af 18
14:30
14:00 25
25
20 Indløb Udløb pulver 50/50 Udløb sand 50/50
15
#/mL
#/mL
20
10
Indløb Udløb pulver 50/50 Udløb sand 50/50
15 10 5
5
0
0 2
20 Størrelse [µm]
2
200
200
15:05
14:45 25
25
20
20 Indløb Udløb pulver 50/50 Udløb sand 50/50
15
#/mL
#/mL
20 Størrelse [µm]
Indløb Udløb pulver 50/50 Udløb sand 50/50
15
10
10
5
5 0
0 2
20 Størrelse [µm]
2
200
20 Størrelse [µm]
200
Figur 15. Størrelsesfordelinger for ind- og udløb for pulver- og sandfilter i 50/50 drift til 4 tidspunkter. 1E‐07 Indløb pulver 1520 Udløb pulver 1520 Indløb sand 1530 Udløb sand 1530 Indløb sand 1550 Udløb sand 1550 Indløb sand 1615 Udløb sand 1615
20 15 10 5
2
Volumenfraktion [mL/mL]
Partikelantal [#/mL]
25
2
20 Størrelse [µm]
200
1E‐08 Indløb pulver 1520 Udløb pulver 1520 Indløb sand 1530 Udløb sand 1530 Indløb sand 1550 Udløb sand 1550 Indløb sand 1615 Udløb sand 1615
1E‐09
1E‐10
1E‐11
0
20
200
Størrelse [µm]
Figur 16. Størrelsesfordelinger for ind- og udløb af pulver- og sandfilter under 100/0 og 0/100 drift. Tv: Partikelkoncentration. Th: Partikelvolumenfraktion. Afslutningsvist blev driften skiftet fra 50/50 til først udelukkende pulverfilter (100/0) og derefter udelukkende sandfilter (0/100). Her blev der målt en gang på pulverfilteret og tre gange på sandfilteret (for at kunne vurdere om driften var stabilt). Resultaterne fremgår af figur 16. Det ses at alle indløbsmålingerne overordnet set er ens – dog med en tendens til et fald i koncentration over tid. Dette betyder at der var størst koncentrationer i indløbet i forbindelse med målingen på pulverfilteret. Endvidere ses det at sandfilteret – som tidligere set - fjerner de store partikler men kun i mindre omfang er i stand til at fjerne de små. Der ses også her en klar forbedring af fjernelsen af de små partikler over tid, og der er ingen indikation af at en steady-state er opnået da koncentrationen stadig ændres væsentligt fra kl. 15.50 til kl. 16.15. Selvom indløbskoncentrationen til pulverfilteret var høj ses det at partikelfjernelsen er væsentlig bedre end for sandfilteret. Forsøgene viser desuden at sandfilterets renseeffekt er ringe den første time efter returskylningen og forbedres gradvis i løbet af dagen. Der er foretaget yderligere forsøg den 19. december, hvor Side 12 af 18
sandfilteret har opereret i længere tid efter returskylning for at teste om pulveret også under disse betingelser har en bedre renseeffekt end sandfilteret.
Sammenfatning af resultater fra onsdag 19.dec 2012 Dette notat beskriver de analyser der blev foretaget i Varde svømmehal den 19/12-12. Der er målt partikelstørrelsesfordelinger med Accusizer partikelmåler, TOC værdier på stedet med en mobil TOC analyser samt udtaget prøver til o-P bestemmelse. Disse prøver blev konserveret med 4M H2SO4 (0.25 mL ad 25 mL prøve) og lagt på køl (og efterfølgende opbevaret på frys) indtil analyse på AAU kunne udføres. Den pågældende dag var belastningen af bassinet forholdsvis stort da adskillige skoleklasser gæstede svømmehalen. Belastningen blev vurderet til at være jævn og middel høj, med undtagelse af et tomt bassin af ca. 1 times varighed i perioden 12.30-13.30. Sandfilteret var blevet tilbageskyllet 5 dage forinden, og pulveret på pulverfilteret ligeledes skiftet 5 dage forinden. Både sand- og pulverfilter havde været i 50/50 drift i de 5 dage, og kompaktering af sandfilteret må derfor anses for værende tilendebragt. Der blev anvendt 12 kg pulver til pulverfilteret. Indledningsvis blev der målt på anlægget i 50/50 drift. Herefter blev der skiftet til 90/10 (pulver/sand) og endeligt 10/90 drift. Under 10/90 driften hvor sandfilteret udgjorde den primære filtrering blev der initielt målt uden anvendelse af flokningsmiddel, herefter med flokningsmiddel og afslutningsvis en enkelt måling efter doseringen af flokningsmidlet var ophørt. Formålet med at anvende flokningsmidlet (der normalt ellers kun anvendes yderst sjældent i Varde svømmehal) var at teste sandfilterets evne til at tilbageholde fosfor med og uden tilsætningen af flokningsmidlet (et aluminiumsbaseret produkt). Doseringen svarede til 0.1 L/dag tilsat et samlet vandflow på 85 m3/h, hvilket resulterer i en dosering på ca. 0.05 mL/m3. Tilsætningen af flokningsmidlet blev påbegyndt 1 time inden målingen af effekten blev udført. Målingen efter endt tilsætning blev foretaget 20 min efter doseringsstop. Figur 17 viser resultaterne af partikelmålingerne i indløbet henover dagen. Som tidligere ses indløbsvandet at indeholde nogle større partikler centreret omkring 15 µm samt nogle mindre partikler omkring 3 µm. På volumenbasis fremgår det at langt størstedelen udgøres af de store partikler og at de små næsten ikke bidrager. Der ses en mindre variation henover dagen, hvor det mest bemærkelsesværdige er faldet i partikelkoncentration kl 13:20 og 13:37 hvor bassinet har været tomt i ca 1 time. Endvidere er der i denne periode doseret flokningsmiddel der gennem en øget filtreringseffektivitet vil kunne sænke det generelle niveau. Denne effekt vil dog være væsentlig forsinket grundet den hydrauliske opholdstid i systemet. Faldet vurderes derfor primært at skyldes den reducerede belastning. Endvidere observeres en markant stigning ved målingen kl 14:00 hvor effekten af det nye hold gæster i bassinet træder i kraft. Igen kan den ophørte dosering af flokningsmiddel have indflydelse på resultatet, men vil ikke kunne forklare at partikelkoncentrationen stiger til et niveau der er højere end tidligere og den primære årsag tilskrives derfor igen belastningen i bassinet. I perioden 10:15 – 12:15 ses en forholdsvis stabil indløbskoncentration og da det er i denne periode målingerne i 50/50, 90/10 og 10/90 drift er foretaget, vurderes det at disse resultater er opnået under sammenlignelige belastninger.
Side 13 af 18
14 12
Partikelantal [#/mL]
Partikel volumenfraktion [mL/mL]
1E‐07 1015 1050
10
1125
8
1140 1200
6
1215
4
1320 1337
2
1400
0
2
20
1E‐08
1015 1050 1125 1140 1200 1215 1320 1337 1400
1E‐09
1E‐10
1E‐11 2
20 Størrelse [µm]
200
Størrelse [µm]
200
Figur 17. Størrelsesfordeling af indløbsprøver til forskellige tidspunkter den 19/12-12. Tv baseret på partikelantal. Th baseret på partikelvolumen. Resultaterne af partikelmålingerne på ind- og udløb under 50/50 drift foretaget til to forskellige tidspunkter fremgår af figur 18-19. Det ses at begge filtertyper reducerer partikelkoncentrationen væsentligt og at særligt partikelfraktion bestående af de største partikler fjernes effektivt. Reduktionen i koncentrationen af de mindre partikler er mere beskeden og her observeres pulverfilteret at være mere effektivt end sandfilteret. Også for den store fraktion er pulverfilteret mere effektivt – forskellen er dog mindre synlig. Ses der på volumenfraktionen bemærkes det at kurven for pulverfilteret generelt ligger under kurven for sandfilteret hvilket tydeliggør den forbedrede filtrering opnået med pulverfilteret. 10:15
10:15 1E‐07
Partikelantal [#/mL]
10 8
Indløb Udløb pulver 50/50 Udløb sand 50/50
6 4 2 0 2
20 Størrelse [µm]
Partikel volumenfraktion [mL/mL]
12
200
2
20
200
1E‐08 1E‐09 1E‐10 Indløb Udløb pulver 50/50 Udløb sand 50/50
1E‐11 1E‐12
Størrelse [µm]
Figur 18. Partikelstørrelsesfordelinger for 50/50 drift kl. 10:15. Tv på basis af antal. Th på basis af volumen. 10:50
10:50 1E‐07
Partikelantal [#/mL]
10 8
Indløb Udløb pulver 50/50 Udløb sand 50/50
6 4 2 0 2
20 Størrelse [µm]
200
Partikel volumenfraktion [mL/mL]
12
2
20
200
1E‐08 1E‐09 1E‐10 1E‐11
Indløb Udløb pulver 50/50 Udløb sand 50/50
1E‐12 Størrelse [µm]
Figur 19. Partikelstørrelsesfordelinger for 50/50 drift kl. 10:50. Tv på basis af antal. Th på basis af volumen.
Side 14 af 18
Figur 19 viser udløbskoncentrationer af partikler for pulverfilteret under 90/10 drift og for sandfilteret under 10/90 drift. Sammenlignes med 50/50 drift (figur 17 og 18) observeres en markant forringelse af begge filtres evne til at tilbageholde særligt de mindste partikler. Fjernelse af de større forværres ligeledes men i langt mindre grad end for de mindre partikler. Endvidere bemærkes det at sandfilteret er mest følsomt overfor den øgede belastning, da den reducerede tilbageholdelse her er mest markant. Endeligt fremgår en tidsafhængighed af figur 19, idet der for begge filtertyper gælder at tabet af filtreringsevne efter forøget belastning er størst umiddelbart efter forøgelsen og at en del af det tabte reetableres ved den anden måling. For pulverfilteret ser dette ud til at gælde både for fjernelsen af de store og de små partikler, hvorimod det kun er tilfældet for de store partikler. For pulverfilteret kan dette fænomen skyldes en ophvirvling af en del af pulverlaget der derved delvist blotter filterdugen resulterende i et tab i filtreringsevne, hvorimod det for sandfilteret vurderes at være en form for first flush der initielt transporterer tidligere aflejrede partikler gennem filteret. 7
Partikelantal [#/mL]
6 Udløb pulver 90/10 11:25
5
Udløb pulver 90/10 11:40
4
Udløb sand 10/90 12:00 3
Udløb sand 10/90 12:15
2 1 0
Partikel volumenfraktion [mL/mL]
1E‐08 2
20 Størrelse [µm]
200
1E‐09
1E‐10
1E‐11
1E‐12 2
20
200
Udløb pulver 90/10 11:25 Udløb pulver 90/10 11:40 Udløb sand 10/90 12:00 Udløb sand 10/90 12:15 Størrelse [µm]
Figur 20. Partikelstørrelsesfordelinger for 90/10 og 10/90 drift. Tv på basis af antal. Th på basis af volumen. Effekten af tilsætningen af flokningsmiddel på partikelkoncentrationen i udløbet fra sandfilteret fremgår af figur 20. Der observeres en væsentlig reduktion af partikelkoncentrationen under og efter tilsætningen af flokningsmidlet. Denne reduktion tilskrives dels flokningsmidlets evne til at aggregere partiklerne til større flokke der derved nemmere tilbageholdes, og dels at belastningen på bassinet i denne periode var væsentlig reduceret (bassinet var tomt). Da faldet i koncentrationen i udløbet er relativt større end faldet i indløbet vurderes det dog at flokningsmidlet er den væsentligste faktor i denne sammenhæng. Efter endt dosering af flokningsmidlet observeres stadig et forholdsvis lavt partikelniveau i udløbet, der dog er lidt højere end under doseringen. Under denne måling er indløbskoncentration igen steget markant grundet et nye gæster i bassinet. Den fortsatte forbedrede fjernelse i sandfilteret vurderes at skyldes dannelsen af en tæt partikelkage i toppen af sandfilteret der virker som effektivt filtermedie. Dannelse heraf er forårsaget af flokningsmidlets indflydelse i form af en øget partikelaflejring samt en forbedret interaktion partiklerne imellem der foranlediger yderligere aflejring i kagen. Kagedannelsen underbygges af en observeret forøgelse af effektforbruget til pumpen (en øget modstand i sandfilteret) efter doseringen af flokningsmidlet. Det bemærkes at der under anvendelse af flokningsmiddel kan opnås en udløbskvalitet med sandfilteret der er sammenlignelig med udløbet fra pulverfilteret.
Side 15 af 18
7
Partikelantal [#/mL]
Udløb sand 10/90
5
Udløb sand 10/90
4
Udløb sand 10/90 flok 3
Udløb sand 10/90 flok
2
Udløb sand 10/90 efter flok
1 0
Partikel volumenfraktion [mL/mL]
1E‐08
6
2
20 Størrelse [µm]
200
1E‐09
1E‐10 Udløb sand 10/90 Udløb sand 10/90 Udløb sand 10/90 flok Udløb sand 10/90 flok Udløb sand 10/90 efter flok
1E‐11
1E‐12 2
20
200
Størrelse [µm]
Figur 21. Partikelstørrelsesfordelinger for udløb af sandfilter under 10/90 drift før, under og efter dosering af flokningsmiddel. Tv på basis af antal. Th på basis af volumen.
TOC TOC står for Total Organic Carbon og er et mål for mængden af organisk stof. Metoden bygger på en fotokemisk oxidation som ikke nødvendigvis er fuldstændig for større partikler. Endvidere måler TOC også på opløste molekyler samt kolloider som partikelmåleren ikke kan registrere. Der kan således ikke drages direkte paralleller mellem de to målinger, da de er udtryk for fundamentalt forskellige parametre. TOC er målt med henblik på at undersøge om de to filterteknikker udviser forskellig tilbageholdelse af de opløste og kolloide organiske fraktioner. Resultaterne af TOC målingerne fremgår af figur 22. Der observeres ingen særlig effekt af hverken pulver- eller sandfilter på TOC koncentration, der tilnærmelsesvis er konstant i ind- og udløb i hele den første periode af dagen. Da belastningen af bassinet mindskes omkring 10/90 driften ser TOC værdien i indløbet ud til at falde. Den laveste TOC værdi blev observeret under tilsætning af flokningsmiddel. Det vurderes at flokningsmidlet i nogen grad kan koagulere den opløste og kolloide organiske fraktion og dermed sænke niveauet. 1000
TOC [ppm]
800 600 Indløb
400
Udløb pulverfilter 200
Udløb sandfilter
0 50/50 50/50 90/10 10/90 10/90 10:15 10:50 flok Drift
Figur 22. TOC i ind- og udløb for filtrene i forskellige driftssituationer.
Side 16 af 18
Phosphatfjernelse Der er foretaget målinger af orthophosfat i indløb og efter henholdsvis pulver- og sandfilter. Målingerne er foretaget ved brug af den orthophosphat-phosfor fotometriske metode beskrevet i Dansk Standard 291. I et af forsøgene blev der tilsat et flokkuleringsmiddel inden sandfiltreringen. Resultatet vises i figur 23
Figur 23: Målinger af orthophosphat.
Hverken sandfilteret eller pulverfilteret fjerner orthophosphat fra indløbsvandet. Der er udført et enkelt forsøg med tilsætning af flokkuleringsmiddel, men det giver også kun begrænset reduktion. Bemærk der er kun udført et forsøg med tilsætning af flokkuleringsmiddel.
Energi og vandforbrug
Figur 24: Energiforbrug til at levere 82 m3/h svømmehalvand til pulverfilteret som funktion af driftstiden siden sidste skift af pulver.
Side 17 af 18
I løbet af juni, oktober og november måned 2012 er der i Varde svømmehal registreret data for energiforbruget til pumpning. Pumpen leverer 82 m3/h svømmevand til enten sandfilteret, pulverfilteret eller begge (afhængigt af ønske). I løbet af oktober og november måned blev alt vand leveret til pulverfilteret. Energiforbrug for pumpen ligger omkring 2,25 kW, når pulverfilteret opstartes. Energiforbruget stiger ca. 35 % i løbet af 14 dage, hvilket svarer til en gennemsnitlig stigning på 0,06 ± 0,01 kW/dag. Det skal noteres at der ikke har været natstyring (reduktion af vandgennemstrømningen om natten). Energiforbruget stiger jævnt med driftstid. Det øgede energiforbrug tilskrives tilstopningen af pulverlaget. For sandfilteret ligger energiforbruget mellem 2,39 – 3,66 kW i de seks dage hvor energiforbruget er registreret. Sandfilteret blev i Varde Svømmehal returskyllet ca. 1 gang om ugen med et vandforbrug på 13 m3. Pulveret på pulverfilteret skiftes efter tre ugers brug (88 stave og ikke 121 stave). Der bruges mellem 4,7 m3 vand for hver gang pulveret skiftes. Det svarer til et vandforbrug på 1,9 m3/dag for sandfilteret og på 0,22 m3/dag for pulverfilteret. For hver gang der skal bruges 1000 m3 vand for sandfilteret til returskyld kan der spares mindst 880 m3 vand ved at skifte til pulverfilteret (88 % besparelse). Der vil desuden være en besparelse på opvarmning af vandet fra 8°C til 31,8°C.
Konklusion I denne rapport er den tekniske performance af en ny pulverfilterteknologi blevet undersøgt. Tre forskellige pulvertyper er blevet undersøgt Harbolit, Perlite og Arbocel. Formålet med pulverfilteret er at fjerne partikler fra svømmebadsvand. Der er udført forsøg på et forsøgsanlæg i Haraldslund Svømmehal (Aalborg) med alle tre pulvertyper og i fuld-skala i Varde Svømmehal med Harbolit pulveret. Data for pulverfilteret blev sammenlignet med data for et sandfilter Svømmehalsvandet er analyseret inden filteringen. Analyseres partikelstørrelsesfordelingen i indløbsvandet ses generelt to toppunkter: en ved ca. 3-4 µm og en ved ca. 15 µm. Desuden blev der fundet markante variationer over tid i partikelkoncentrationen, hvilke i store træk kan relateres til hændelser i bassinet. Både sandfilter og pulverfilteret er i stand til at reducere partikelkoncentrationen i udløbet væsentligt. Der blev dog generelt observeret en bedre partikelfjernelse i pulverfilteret end i sandfilteret – særligt for de mindste partikler. Fjernelsen af TOC gennem de to filtertyper er minimal og der blev ikke observeret forskelle mellem de to filtre. Der er udført målinger af orthophosphat før og efter henholdsvis sandfiltreret og pulverfilteret. Der fjernes ikke orthophosphat i hverken sandfiltrer og pulverfilter. Tilsætning af flokkuleringsmiddel har kun vist en begrænset reduktion af orthophosphaten efter filtreringen. En øget hydraulisk belastning af begge filtertyper resulterer i en forringet filtreringsevne – dog mest markant for sandfilteret. Der er lavet forsøg på tre forskellige pulvertyper. Det er ikke umiddelbart muligt at skelne mellem pulvernes evne til at rense svømmevandet. Data viser at pulverlaget skal konsolideres for at opnå den optimale renseeffekt, hvilket kan tage 30-40 min. I løbet af denne periode vil små partikler fra pulveret komme gennem dugen. Energiforbruget for sandfilteret og pulverfilteret er under drift sammenlignelige. Energiforbruget for pulverfilteret stiger med ca. 35% over en periode på 14 dage. Energiforbruget kan reduceres ved at udskifte pulveret på filterdugen. Der er ikke noget, der tyder på at pulverfilterets evne til at rense svømmehalsvandet ændrer sig under forløbet. I den analyserede opstilling i Varde Svømmehal foretages der returskyl på sandfilteret en gang om ugen, mens pulveret på pulverfilteret udskiftes hver anden uge. Herved kan der spares op til 90% af vandet til rensningen ved at skifte til pulverfilteret. Desuden vil der kunne spares energi på opvarmning af vandet. Side 18 af 18