Transcript OO Ct - Wageningen UR E

€k
im
PLATFORM
O OCt
Herkomstengedragvan
deeltjesindrinkwaterleidingnetten
JAN VREEBURG, KIWA WATER RESEARCH /TU DELFT
C H R I S T I A N KIVIT, KIWA WATER RESEARCH
H A N S VAN DIJK, TU D E L F T / KIWA WATER RESEARCH
JASPER VERBERK, TU D E L F T
Iniederdrinkwaterleidingnetwaarook terwereldtreedtvan tijd tottijd bruinwaterop Deeltjesspelenhierbijeenbelangrijkerol,omdathetbruinewaterwordtveroorzaaktdooropwervelendedeeltjes
m hetleidingnet.Traditioneelwordthetoptredenvan brumwatermrelatie^ebrachtmetdeaanweziflHeidvanonbeklede^ietijzeren leidigen.Erzijnechtermeerbronnenvandeeltjes,wantbrum
waterkomtook voorinleidmanettenzondermetijzer.Metimjenvan troebelheid mcombinatiemet
deeltjestellmaen (atenziendathetwaterafpompstation een belangrijkebronvormtvooraalges
Eenleidingnetisechtereen complexsysteem,waannmeerdereprocessenoptredendieinvloedHebben
op deaanwezigheidenmobiliteitvan deeltjes. Omditsystematischinbeeldtebreien iseenmassabalansmodelontwikkeldenzijnmetingenverrichtom meerinzichttekrijgenmde herkomsten
8tdra3 vandeeltjesmhetleidingnet.Metbehulpvan dedeeltjestellm3enmhetdistributieswan
«etprocesvanbe^,nkin5enopwervelinfl aangetoondmetalsnettormltaateenaccumulan^an^
bitjes inhetIcdm^net.H « M a n * vaneen3oedeenconstantpresterendezuiver,^isdaarmeeevident.
Ineenleidingnetspelenmeerdereprocesseneenroldieinvloedhebbenoplvraantalen
demobiliteitvandeeltjes.Omditsystematisch
mbeeldtebrengen,wordtgebruikgemaakt
v
aneenmassabalansmodel (zie afbeelding 1).
Debergingvanmassaofdeeltjes inhetleidingnetwordtbepaalddoorhetverschilvande
'ngaandeenuitgaandemassaplusdenetto
Productievanmassa.De bergingenhettransPortvandeeltjes doorhetleidingnet zijn
»fliankelijk vandeaardenhetgewichtvande
deeltjes incombinatiemetdehydraulische
omstandighedeninhetleidingnet.Doorwisselendesnelhedenzalinrustigeperiodes
oezinkingplaatsvinden,terwijl inrijdenvan
hogerverbruikendushogeresnelheid deeltjes
w
eerkunnenwordenopgewerveldenafge- __
voerd.
Deingaandemassainhetleidingnet
raatuitgesuspendeerdedeeltjes inhet
Watcr
afpompstation, terwijldeuitgaande
massabestaatuitgesuspendeerdedeeltjes in
e t Wat
erdatdeleidingverlaatsamenmet
ev
entueeloverdebodemrollendmateriaal.De
&r°eivanbiomassaineenbiofilm inhetlei-
dingnetkaneenbijdrageleverenaandetotale
hoeveelheidmassaindeleiding.Ookhetcorrosieprocesvanonbekleedgietijzeren leidingenvormteen bijdrageaandetotalehoeveel-
heidmassa.Dezeprocessenzullengesuspendeerdedeeltjes directaanhetwaterafkunnen
geven,maarookzaleengedeeltebezinkenin
hetleidingnetenals lossedimentindeleiding
accumuleren.
Eenbelangrijkedoelstellingvandit BTOproject isomdebijdragen aandemassabalans
vandeverschillende , ^cessentekwantificeren,omdaarmeetebepalenwelkemaatregelen
hetmeestefficiënt zijnombruin wateren
eventueleanderekwaliteitsproblcmen inhet
leidingnet tevoorkomen.
Troebelheid en deeltjes
Omhetgedragvandedeeltjes inkaartte
brengen,zijnopverschillendepompstations
metingenvande troebelheidendceltjcstellingenuitgevoerd incombinatiemetmetingenin
hetleidingnet.Detroebelheid iseenverzamelwaardevoordehoeveelheid vertroebelende
deeltjes inhetwater,terwijl metdeeltjestellers
eenmeercompleetbeeldvanheraantalende
afmeting vandedeeltjes wordtgegeven.De
relatietussendetroebelheidendccltjestellingenisspecifiek voorelkewatersoorter deeltjesverdeling.Ditbetekentdatdetrocoelhcid
vantweewatersoorten kanovereenkomen,
maardathetaantalendegroottevandedeel
tjeskunnenverschillen.
Deeltjestcllingen wordengepresenteerdin
aantallen perdecltjesgroottcklassni.Pet
metingwordtduseenaantalgegevensgeproduceerd,namelijk perklassehetaantal deeltjes
enhettotaalaantaldeeltjes.Inprincipezulkn
tijdens hettransportdoorhetleidingneteeist
degrotereenzwaarderedeeltjes bezinken,terwijldelichtereenkleineredeeltjes langerin
suspensiezullenblijven.Tijdens het transport
doorhetleidingnetzaldusdesamenstelling
vandedeeltjes veranderen;defractiegroteen
zwaredeeltjeszalrelatiefsnelleiafnemen dan
defractie kleinereenlichteredeeltjes.
Massabalamleidingnet.
es
Bedload
transport
U
HzO
72005
65
PLATFORM
Opwervelingvansedimentzalhetomgekeerdeeffect hebbenop desamenstellingvan
dedeeltjes:degrotereenzwaarderedeeltjes die
zijn bezonken,zullenwordenopgewerveld,
waardoorhetaandeelgrotereenzwaardere
deeltjes zaltoenemen.Hetbeoordelenvande
verhoudingtussendehoeveelheidkleineende
hoeveelheidgrotedeeltjes zaldusinzicht
gevenindematevanbezinkingenopwerveling.OmdittekunnendoenwordtdedimensielozeExtremeRangesFactor(ERF) geïntroduceerdals deverhoudingtussenhetaantal
kleineengrotedeeltjes:
ERF =
0,20
— PSUF
0,15
Pompstation m e t ultrafiltratie
Detroebelheidsmetingen zijn uitgevoerd
opdrielocaties:hetuitgaandewatervanhet
pompstation directachterdereinwaterpompen,opeentransportleidingenkelekilometers
vanhetpompstation verwijderd eneendistributieleidingweerenkelehonderden meters
verder.Afbeelding 2geeft detroebelheidopde
locatiesweer.
Duidelijk isdatdetroebelheid op allelocatieslaagis, maardattochverschilbestaattussendewaardenafpompstation endeonderzochtelocatiesinhetleidingnet.Metnamein
detransportleiding isdetroebelheidlageren
minderconstantdanop hetpompstation, hetgeenmogelijkduidtopbezinkingenincidenteleopwervelingvandeeltjes.Opmerkelijk is
datdeverstoringop dinsdagindetroebelheid
ophetpompstationgoedterugtevindenisin
hetleidingnet.Uitditpatroon isde verblijftijd
tussendeverschillendelocatiesexactvastte
stellen.De verstoringop hetpompstation,
gemeteninhetuitgaandewater,heeft waarschijnlijk niettemakenmet disfunctioneren
vandeultrafiltratie.Als dedoorbraakhet
gevolgzouzijnvanrietjesbreuk, danzoude
verhogingnietverdwijnen zoalswaargenoH 2 0 # 72005
—Transport
Verblijftijden
exact te bepalen
— Distributie
I*IHMUMI.L n . l1
kleinedeeltjes (2-3 pm/ml)
grotedeeltjes (> 15um/ml)
Intermenvandemassabalansinafbeelding 1
wordtgekekennaardegesuspendeerdedeeltjesdiedeleidinginkomenendedeeltjes die
deleidingweerverlaten.Deinvloedvande
regulierebezinkingenopwervelingwordt
bekekenmetdeERF. Het bodemtransport
heeft voornamelijkeffect op detotalehoeveelheiddeeltjes dieindeleidingzal accumuleren.
De hoeveelheidaanwezigsedimentwordtin
ditonderzoekechternietbepaald.
Demetingenzijn uitgevoerdopeenaantal
verschillendelocatiesinNederland, waarbij
eenselectieverrichtis inproductieprocesende
daarbij verwachteconcentratieaangesuspendeerdedeeltjes.Deproductieprocessen worden
gekarakteriseerd metdelaatstestapindezuivering:eenultrafiltratie, eenlangzamezandfiltratieeneensnellezandfiltratie.
66
Troebelheid pompstation UF en leidingnet
•» •
il*hl>hnH
I
0,00
di
Aft).2:
do
wo
vr
za
Troebelheidophetpompstation metultrafiltratie enmhetleidingnet.
Totaalaantaldeeltjes PSUF en
transportleiding
200
-—PSUF
—Transport leiding
E
•i: 150
E
<N
A 100
v>
o
±T
o 50
o
•o
di
do
wo
Afb.3:
Totaal aantal deeltjes inhetpompstation metultrafiIrrarie eninhetleidingnet.
A/b.4;
De'ExtremeRan^eFactor'enhettotaal aantal deeltjes indetransportleiding.
vr
ERFentotaal aantal deeltjes transportleiding
di
wo
do
vr
za
zo
ma
di
PLATFORM
in hettotale aantal deeltjes istezien. Uitde
troebelheid blijkt datde toename ongeveer33
procent bedraagt tijdens deeerste piek:van
o.oópFTU naar 1,06 FTU. Indeeltjcsaantallen is
de toename veel groter. Bovendien iste zien
dat nogmeer verhogingen optreden dieinhet
troebelbxMsbeeld nauwelijks zijn opte merken. Uitdedceltjesu ^gen blijkt datde toename vanhetaantal deeltjes veel groter isdan
de toename vandetroebelheid doet vermoeden
en detoename vandetotale massa dusook.De
gemiddelde meetwaarden tijdens het eerste
kwartier vanhetincident staan in tabel 1. Met
deze gegevens isteberekenen datde toename
van hetvolume vandeeltjes tijdens depiekvan
het incident ruim eenfactor 40 bedraagt.Een
analyse vandedrie perioden van verhoogd
aantal deeltjes leidt totde conclusie dat gedurende deongeveer anderhalve dag die de verhogingen indeeltjestellingen hebben
geduurd, netzoveel massa herleidingnet in
ging als in 18dagen normale productie.
Troebelheid PSLZFenleidingnet
U,4U
— PSLZ
f—1
—Transport
? 0,30
U.
— Distr(GIJ)
<—i
•o
J 0,20
r-
O 0,10
0,00
WO
A/b.5 :
do
vr
za
zo
ma
di
Troebe!heidsmerin,genophetpompstationmetlangzamezand/titratiemdekidingnedocaaes.
Aantaldeeltjes >2jjmen ERFdistributie
LZF
500
Ajb.<£
.
—Deeltjes >2pm
Uit deERF blijkt duidelijk dateen regelmatig patroon bestaat indeverhouding tussen
kleine engrote deeltjes. Hieruit blijkt dat tijdens denachturen, m e teenlage stroomsnelheid, hetaantal grote deeltjes relatief afneemt.
Indedaguren, m e thogere stroomsnelheden,
neemt hetaantal grote deeltje relatief weer
toe, hetgeen duidt opopwervcling vanhet
sediment. Metdeze meting isde regelmatige
bezinking enopwerveling vandeeltjes tijdens
de normale dagelijkse bedrijfsvoering aangetoond. Tevens isduidelijk datzelfs bij deze
ultrafiltratie toch nog een meetbare deeltjesbelasting vanhetleidingnet plaatsvindt.
De'ExtremeRanaeFactor'enbettotaalaantaldeeltjesindedismbntieleidin5
toen. De extra deeltjes worden dus'ergens' tussen hetproductieproces ende reinwaterpompen opgewerveld.
dan 15urn. Daarnaast isook de somvanalle
deeltjes berekend. Inafbeelding 3ishet totaal
aantal deeltjes vanhetpompstation ende
transportleiding weergegeven tentijde vanhet
Naast eentroebelheidsmeting isook een
deeltjestelling uitgevoerd ophet pompstation
en indetransportleiding. De deeltjestellingen
geven dedeeltjesconcentratie weer ineen aanfcldiamete-klassen. Inditgeval zijn de klassen
ingedeeld als2-3,3-5,5-7,7-10,10-15en groter
Tc,
Op delocatie indetransportleiding is
tevens deERF berekend, hetgeen is weergegeven inafbeelding 4samen m e tbet totaal
aantal deeltjes groter dan2um.
incident dat ook indetroebelheid was waar te
nemen.
Interessant isbijvoorbeeld de verstoring
op hetpompstation die indeloop vande eerste
dinsdag optreedt enzowel indetroebelheid als
Pompstation met langzame zandfiltratie
Een ander pompstation waar metingen
zijn uitgevoerd, heeft als laatste stap eenlangzame zandfiltratie. Demetingen in het leidingnet zijn gedaan aanheteinde vaneen
transportleiding, respectievelijk in een gietijzeren distributieleiding.
be!1. Troebelheidswaardeendeeltjestelliryen.
troebel-
z-J M«
deeltjesteUin^en(|AnlL
~ T T u m 7-10M«n 10-15M«n >l ïMm
3"5 Mm 5 7 M« 7 «
totaal
volume
(m')
heid(FrUj
normaal
incident
0,069
1-83
0,106
f*5-?i
0.02
0.01
3-9<>
1.81
0.11
I 321*10"25
0.20
0.19
171-13
69*k
5-*3
1.50
,'.'45*10" 25
8.22
H 2 0 r 72005 67
PLATFORM
Pompstation m e t snelle zandfiltratie
Ookeengrondwaterpompstation meteen
conventionelebeluchtingensnelle zandfiltratieisbekeken.Zoalsteverwachtenlevertdit
pompstation minderstabieletroebelhedenals
depompstationsmetlangzamezandfiltratie of
ultrafiltratie.
Inafbeelding 7iseengedeeltevande troebelheidsmetingentezienvanhetpompstation
ende tweeleidinglocaties.De troebelheidneemt
afinhetleidingnet,duidendopeenregelmatige
bezinkingvan deeltjesindeleiding.
Opmerkelijkaande metingop hetpompstation isdateenperiodiciteit tezienisinhet
troebelheidspatroon meteencyclusvanvijf
dagen.De ERF voorhetwatervanhetpompstationisberekend(zieafbeelding 8)enlaat
ziendatdesamenstellingvandedeeltjesverandertmetdetroebelheid.Bijdehogeretroebelhedeniseenrelatiefhogerefractie vankleinedeeltjes aanwezig;bijdelagere
troebelheden ishetaandeelkleinedeeltjes
relatiefkleiner.Hetabsoluteaantaldeeltjes is
laagenindeordevandelangzame zandfiltratieendeultrafiltratie. Hetaantalincidentenis
echter talrijker.
Discussie
Decontinuetroebelheidsmetingen
wordenalgeruimetijd toegepastomhet
gedragvandeeltjes ineenleidingnetteanalyserenenomeenindruktekrijgenvandevervuilingvanhetleidingnet.De deeltjestellin68 H 2 O
U,4U
1
^jt
O
O
0
0
Troebelheid
H O.30
O
Afbeelding6geefteennadereanalysevande
distributieleiding.Hettotaalaantaldeeltjeslaat
hetzelfdepatroonzienals de troebelheid,maar
veelduidelijker.De ERF voordezelocatielaat
ook eenregelmatigpatroonziendatduidtop
bezinkinggedurendede nachtenvroegeochtenduren,waardooraannemelijk isdatook hier,
ondanksdelagebelasting,eenregelmatige
bezinkingenopwervelingoptreedt. Op deze
locatiezal echterook corrosieeenrol spelen,
omdatineengietijzeren leidingwordtgemeten.
TroebelheidPSSZFenleidingnet
0
Zoalsverwachtishetniveauvantroebelheidhierlaagenconstant,hetgeenookbijhet
pompstation hetgevalis.Indetransportleidingisdetroebelheid nagenoeggelijkaandie
ophetpompstation,maarindedistributieleidingisweleenaantalpiekenteziendieop
opwervelingduiden.Ditdoetvermoedendat
hieropwervelbaarsedimentaanwezigis,dat
iedereochtendtijdenseenverbruikspiek wordt
opgewerveld.
Ookop hetpompstationzijn deeltjestellingenuitgevoerdendaaruitblijktdatover
hetalgemeeneenlagedeeltjesbelasting is
waartenemen,maardaterookeenaantal
uitschietersis.
j JC Ir i/JV
f \\\\r
zo
Afb.7:
— PS SZF
—TransDort
— Distributie
ma
di
wo
do
Troebelheidophetpompstationmetsnellezand/titratieeninhetleidingnet.
TroebelheidenERFpompstationSZF
10000
7500
CL
5000
w
2500
A/b.8:
TroebelheidenERF afpompstationmetsnellezandjilrrarie.
gengeveneenextradimensieaandezemetingen,doordatdeveranderingen indesamenstellingvandetroebelheid hiermeeinbeeld
gebrachtkunnen worden.Hetlaatziendatde
zuiveringsprocessen inveelgevallentochdeeltjesdoorlatenendateengedeeltevandiedeeltjesdaadwerkelijk totbezinkingkomtinhet
leidingnet.Ookmetultrafiltratie, dattheoretischdeeltjesvrij watermoetkunnen leveren,
blijkt nogsteedseendeeltjesbelasting aanhet
netgeleverdteworden,hoewelniet duidelijk
iswatdeherkomstisvandedeeltjes:historischsediment'ergens'tussen heteffluent van
defiltersendereinwaterpompen oftocheen
partieelfalen vandeinstallatie?Metdedeel
tjestellers isnuaangetoond dathetprocesvan
bezinkingenopwerveling daadwerkelijk
plaatsvindt.Ditiseenbelangrijke aanwijzing
voorhetcontroleren vandeaccumulatievan
sedimentinhetleidingnet.Incidenten inde
zuiveringblijken ookeenbelangrijke rolte
spelenindebelastingvanhetleidingnet.Dit
leverteenaanwijzing opdathetzor Tuldig
sturenenconstantenlaaghoudenvandedeeltjesconcentratie vanhetwaterafpompstation
eenbelangrijk bijdrage kanleverenaanhet
verlagenvande deeltjesaccumulatie inhetleidingnetendaarmeehetverlagenvandekans
opincidenten metbruin wateren mogelijke
bevorderingvanbiofilmvorming in datzelfde
leidingnet, f
LITERATUUR
KivitC.(2004]. Origin and behavior ofparticles tn drinkwater
networks.Afstudeerverslag Technische Universiteit Delft.