Kosten van nitraatverwijdering uit grondwater door ionenwisseling

N N u l ü 4 ü . lJUU Instituut voor Cultuurtechniek en Waterhuishouding

Wageningen ' '

KOSTEN VAN NITRAATVERWIJDERING UIT GRONDWATER DOOR IONENWISSELING

J.P. van der Hoek*

CENTRALE LA ND BOUWCATALOGUS

0000 0309 3842 'Vakgroep Waterzuivering, Landbouwhogeschool, Wageningen

Het onderzoek dat in deze nota wordt beschreven, is een verslag van de werkzaamheden die zijn uitgevoerd in het kader van de

'Werkgroep Nitraatuitspoeling Waterwingebieden' van het Ministerie van Landbouw en Visserij. De verslaggeving van dit onderzoek vindt niet plaats in een publikatiereeks van de Landbouwhogeschool. Het Instituut voor Cultuurtechniek en Waterhuishouding heeft dit verslag opgenomen in haar serie 'Nota's' om een ruime verspreiding te

bevorderen. Het instituut is niet verantwoordelijk voor de inhoud van deze nota.

Voor inlichtingen over het in deze nota beschreven onderzoek dient de lezer zich in verbinding te stellen met de auteur of met dr. A. Klapwijk, beiden werkzaam bij de Vakgroep Waterzuivering van de Landbouwhogeschool.

1. Inleiding 1

2. Opzet van het bedrijf 2 2.1. Type ionenwisselaar 2 2.1. Regeneratie van de wisselaar 2

3. Uitgangspunten kostenberekening 4

4. Kosten 5 4.1. De vaste kosten 5

4.2. De variabele kosten 5

-1-1. INLEIDING

Voor de kostenberekening van nitraatverwijdering uit grondwater d.m.v. ionenwisseling is gebruik gemaakt van een EPA (Environmental Protection

Agency)-studiev waarin zowel de vaste kosten als de variabele kosten van

nitraatverwLjdering door een conventionele sterk basische anionenwisselaar zijn bepaald. Doordat veel kostenposten in dit EPA-rapport uitgedrukt zijn in "natuurlijke eenheden" (energie in kWh/j; bediening in mensuren/j) is een omrekening naar de Nederlandse situatie zeer goed mogelijk.

In het EPA-rapport worden de regeneratiekosten niet vermeld. Wel worden cijfers gegeven voor de benodigde hoeveelheid regeneratiezout bij volledige regeneratie van de ionenwisselaars in verschillende situaties. Aan de hand van deze cijfers worden in dit rapport de kosten vermeld,

exclusief kosten regeneratiezout èn inclusief kosten regeneratiezout. De ko-sten, zoals in dit rapport berekend, hebben uitsluitend betrekking

op de nitraateliminatie. Indien dus afb. ï als voorbeeld wordt genomen voor

een mogelijke opbouw van een grondwaterproduktiebedrijf, waar nitraatelimi-natie wordt uitgevoerd door ionenwisseling (zie tevens "Technische mogelijk-heden voor nitraatverwijdering uit grondwater" hfdst. 2.4.), dan hebben de kosten alleen betrekking op het omstippelde deel en niet op het gehele

grondwaterproduktiebedrijf. veilighytdschlorering ruw grondwater

ook^o^x

\<y

gezuiverd grondwater

aërarie filter -Tor«r»wissètaar akriefkooi reservoir

filter

Afb. 1 - Voorbeeld grondwaterproduktiebedrijf met nitraateliminatie d.m.v. ionenwisseling

2. OPZET VAN HET BEDRIJF

•2.1. T y p e i o n e n w i s s e l a a r

De ionenwisseling wordt uitgevoerd volgens het vast-bed principe, waar-bij twee kolommen parallel worden opgesteld. Voor grotere bedrijven wordt uitgegaan van drie of vier parallel geplaatste kolommen.

Er wordt gebruik gemaakt van een conventionele, sterk basische an-ionenwisselaar. Aangezien de selectiviteit van dit type ionenwisselaar groter is voor sulfaat dan voor nitraat, wordt de capaciteit van de wisselaar voor nitraat beïnvloed door het nitraatgehalte in het sulfaatgehalte van het ruwe grondwater. In tabel 1 is de capaciteit voor nitraat weergegeven als functie van het nitraat- en sulfaatgehalte van het ruwe grondwater.

Tabel 1. Uitwisselingscapaciteit voor nitraat als functie van het nitraat-en sulfaatgehalte van het ruwe grondwater (in meq/1)

Sulfaatconcentratie Nitraatconcentratie (mg NO^'/l)

(mg SQ^2~/1) _90 2_25 450 50 100 200 400 2.2. R e g e n e r a t i e v a n d e i o n e n w i s s e l a a r

De regeneratie van de ionenwisselaar bestaat uit opwaarts terugspoelen van de wisselaar (4,9-7,3 nr/(m2.h)), gevolgd door neerwaartse regeneratie m.b.v. een 10-12% NaCl-oplossing (0,07 BV/min). Na de regeneratie wordt de wisselaar gespoeld (0,27 BV/min). Duur van de terugspoelfase,

regeneratie-fase en spoelregeneratie-fase worden automatisch geregeld. Aangenomen is dat hiervoor ruw water wordt gebruikt, dat onder voldoende druk wordt geleverd, zodat geen extra pompen gebruikt hoeven te worden.

Bij kleine installaties is verondersteld dat de regeneratie oplossing met de hand wordt bereid. Bij grotere installaties wordt een ondergrondse

tank gebruikt voor opslag van de regeneratie oplossing.

In tabel 2 is de ontwerp-opzet voor verschillende bedrijfsgrootten weergegeven.

400 308 230 156 . • 505 414 335 253 551 505 446 345

3 -ca ta • I - I eu a o > 6 cu u n) C O u 60 •t-l 3 60 C •i-t eu x) cu > cd cd 4-1 • H C u o o > o) co e c cu cu > cu N O. o I & M CU

5

a o CN CU •8 H M CU c CU 00 cu M M ca r-i co o. o 00 C • i H CO co o >—\ i-H CO P-O v — • e vO O vO O O vO O vO O O CN u i CN _m CM co s t - 1 CO <J o i co <4-l M~' S • H 3 "d ,OCO eu eu S ,fl M ^ 3 ^ I - I co g ß O CN vO O O CN vO u-i CN 0 0 CM CTi vO CTi CN CO o — - i s t CN CO s t cn co m CN I - I S t VO vO co o - • vO s t vO C M s t oo 00 vO vO 00 o vO CN s t s t CTi - * oo r^ r~ r- <o CM CM vO vO CO s t < t vO OV Cft N vO « « - • « N N CM co m S t m vo co ON s t vO «O vO CO m m u CU • U

I

CO ^ N • H & a cu <-i 6 cd B •u o C t H «d o cd M o CO O CO «—I s t ^ _m o vO vO r^ •-^ CJS _o r>» CM CM r^ _co co _oo a\ CM s t r^ s t r>» u i O s t f ^ s t r^ m O i n o —i — . —i ^ CM CM CM CM CN CM CM CM CM CN CM CN CM CM CN CO CM CM CO CM CN CO CO CO Cd I I ^CM 4J 4J s j 55 c o cd cu co u-l o i-i a ÖO s o a CO CJ ^ - - ' cu • H / 4-1 • c d -I u> _ n u e cd c o cd eu z u a o a CJ ^ o o s t I O u-l O o s t O m o o s t o m o o s t o u-l o o s t o m o o s t o u-l o o s t o m o o s t o m o o s t o u-i o o s t o m o o s t o u-l o o s t o m o o s t o m o o s t o u-i o o CN O m o o s t o o o u-i o o CN o o s t 'M o m s t i o er» o m o _{CN u-l} CN s t o CTi u-i O CN U I CN s t O (Ti u-lCM O m CN - t CU T ) • H ' ^ . O CO eu a — o\ co u i f-» CO o o ui m o CN U-l CM s t o C M O co m CN CN u-l O O O cN m m m CN s t s t s f

3. UITGANGSPUNTEN KOSTENBEREKENING

a. Door middel van ionenwisseling kan het nitraatgehalte tot vrijwel nul worden taruggebracht. Aangezien de maximaal toelaatbare concentratie volgens de EG-richtlijn 50 mg N0o~/1 is, behoeft niet het gehele debiet te worden behandeld, maar slechts een gedeelte hiervan. Daarna kunnen de behandelde ~n onbehandelde deelstroom worden gemengd.

De kosten zijn echter weergegeven in ct/mJ t.o.v. de totale

water-produktie van het grondwaterbedrij f. Uitgegaan is van een jaarproduktie

die gelijk is aan 365 x 0,6 = 219 maal de maximale dagproduktie. De maximale dagproduktie loopt uiteen van 500 tot 3800 m /d.

b. De kosten zijn berekend voor nitraatgehaltes van het grondwater uiteen-lopend van 90 tot 450 mg N03"/1.

c. De nitraatcuncentratie in het grondwater, dat het bedrijf als drinkwater verlaat, moet voldoen aan de EG-richtlijn betreffende de kwaliteit van voor menselijke consumptie bestemd water. Dit is 50 mg NÛ3^/1 als maximaal toelaatbare concentratie (M.T.C.) en 25 mg N0o~/1 als richtniveau (R.N.).

d. Het sulfdatgehalte van het grondwater heeft een belangrijke invloed op de kosten. Ten eerste wordt de capaciteit voor nitraat van conventionele, sterk basische anionenwisselaars beïnvloed door het sulfaatgehalte van het grondwater: deze neemt af naarmate het sulfaatgehalte hoger is. Ten

tweede is de zoutbehoefte voor regeneratie in een bepaalde situatie (d.w.z. gegeven nitraatgehaltes van het grondwater en te distribueren drinkwater en een gegeven waterproduktie) hoger, naarmate het sulfaat-gehalte van het grondwater hoger is.

Beide aspecten veroorzaken een kostenstijging bij een toename van het sulfaatgehalte van het grondwater. De berekeningen zijn uitgevoerd voor

-5-KOSTEN

In de berekeningen zijn de totale kosten bepaald, dit zijn de som van de vaste koster, en variabele kosten.

4.1. D e v a s t e k o s t e n

In de vaste kosten zijn opgenomen: 1. grondwerken en bouwrijp maken terrein 2. technische installaties 3. beton 4. arbeid 5. leidingwerken 6. eletrische installaties 7. bedrijfsgebouw

8. onvolledigheid en bijkomende uitvoeringskosten (15% van 1 t/m 7) 9. directiekosten, risico en winst (20% van J t/m 8)

In de vaste kosten zijn de posten "bouwrente" en "kosten van de grond" niet opgenomen.

Er is uitgegaan van een afschrijvingstermijn van 20 jaar en een rentestand van 9% (rentestand van onderhandse leningen aan nutsbedrijven). Dit

resul-teert in een annuïtair percentage van 10,95%.

4.2. D e v a r i a b e l e k o s t e n

In de variabele kosten zijn opgenomen:

1. energie. Het proces zelf vraagt geen energie omdat aangenomen is dat het water onder voldoende druk wordt geleverd en het drukverlies over de ionenwiscelaar zeer gering is (kleiner dan 35 k Pa). De energiebehoefte voor verwarming en verlichting van het bedrijfsgebouw is geschat op

750 kWh/(m2.j). De kWh-prijs is gesteld op ƒ 0,30/kWh.

2. onderhoud. Hierin is opgenomen de vervanging van verschillende onder-delen en periodieke aanvulling van de ionenwisselaar. Verlies van de wisselaar is geschat op 10% per jaar.

3. bediening. In de berekeningen is uitgegaan van een arbeidsloon van ƒ 35,00/uur.

4. kosten regeneratiezout bij volledige regeneratie. De benodigde hoeveel-heid regeneratiezout wordt bepaald door

- het nitraat- en sulfaatgehalte van het grondwater - het vereiste nitraatgehalte van het drinkwater - de totale waterproduktie

Bij een jegeven nitraat- en sulfaatgehalte van het grondwater en een gegeven nitraatgehalte van het te distribueren drinkwater neemt de zout-behoefte voor regeneratie lineair toe met de totale waterproduktie. Dit betekent, dat de kosten voor regeneratiezout, uitgedrukt in ct/nP, alleen bepaald worden door het nitraat- en sulfaatgehalte van het grondwater en het nitraatgehalte van het drinkwater, en niet door de totale waterpro-duktie.

In de berekeningen is een zoutprijs gehanteerd van ƒ 200,00/ton NaCl.

In de variabele kosten zijn niet opgenomen de transportkosten voor aanvoer van het zout en de kosten, verbonden met afvoer en verwerking van de brijn. Deze kosten worden namelijk sterk bepaald door lokale omstandig-heden zoals afstand tussen zoutleveranciers en grondwaterproduktiebedrijf, en de bereikbaarheid van het grondwaterproduktiebedrijf.

•7-5. RESULTATEN EN CONCLUSIES

De kosten van nitraatverwijdering uit grondwater d.m.v. ionenwisseling zijn weergegeven in afb. 2 t/m 9. Afb. 2 t/m 5 hebben betrekking op een

sulfaatgehalte van 50 mg S0/^_/l, afb. 6 t/m 9 op een sulfaatgehalte van

100 mg S0^^~/1, Afhankelijk van de bedrij fsgrootte, het nitraatgehalte van het grondwater en het vereiste nitraatgehalte van het drinkwater lopen de kosten, inclusief kosten regeneratiezout, globaal uiteen van 25 ct/m tot

180 ct/m3 voor een sulfaatgehalte van 50 mg S O ^-/ ! en van 30 ct/m3 tot

200 ct/m3 coor een sulfaatgehalte van J00 mg S0^^~/1.

o

Duidelijk blijkt, dat de kosten (in ct/m ) sterk dalen bij toenemende bedrij fsgrootte. Een stijgend nitraatgehalte van het grondwater blijkt de kosten vooral te beïnvloeden via de kosten voor regeneratiezout (afb. 2, 3, 6 en 7). Ruwweg kan gezegd worden, dat een stijging van het nitraatgehalte

van het grondwater van 100 mg NO^-/! naar 400 mg N03~/l een verdubbeling tot

verviervoudiging van de kosten, inclusief kosten regeneratiezout, veroorzaakt, afhankelijk van de bedrijfsgrootte, het sulfaatgehalte en het vereiste nitraat-gehalte van het drinkwater.

Een daling van het vereiste nitraatgehalte van het drinkwater van

50 mg N03~/l (M.T.C.) naar 25 mg N03~/1 (R.N.) geeft een kostenverhoging,

die voor het grootste deel veroorzaakt wordt door een hogere zoutbehoefte voor regeneratie, en dus een hogere post "kosten regeneratiezout" (vergelijk afb. 4 met 5 en afb. 8 met 9 ) .

Bij gelijkblijvend nitraatgehalte van grondwater en drinkwater heeft een hoger sulfaatgehalte een kostenstijging tot gevolg, die veroorzaakt wordt door twee factoren:

1. er is meer bediening vereist omdat de ionenwisselaar frequenter moet wor-den geregenereerd.

2. het zoutgebruik is hoger. De invloed van dit hogere zoutgebruik op de kosten voor regeneratiezout is weergegeven in tabel 3a en 3b.

Tabel 3a. Invloed sulfaatgehalte op "kosten regeneratiezout" bij een

nitraatgehalte van het drinkwater van 50 mg NOß-/!

nitraatgehalte grondwater

(mg N0

3

~/D

90 225 450 kosten re sulfaatgehalte 50 mg S0A2"/1 14 50 J04 generatiezout (ct/nr*) sulfaatgehalte 100 mg S0A2"/1 J9 60 113

Tabel 3b. Invloed sulfaatgehalte op "kosten regeneratiezout" bij een

nitraatgehalte van het drinkwater van 25 mg "N03~"/l

nitraatgehalte grondwater (mg N03"/1) 90 225 450 o kosten regeneratiezout (ct/m ) sulfaatgehalte 50 mg S0/t2-/l 23 57 410 • sulfaatgehalte 100 mg SO/,2"/! 30 69 J20

-9-, N . _> t f f l N j O z O l E o i n Ol

"5

5 •b O) o J C 01 o o

S

c o i/> O l fc O i n c 0) 5 TD C O O l O) n j = a i en a 3 l/l n U c ai 3 O

.3

•fï ai e ai _Ol 2! c £ _(/i o -* »*-_ai i/i _ 3 X ai JC 3

?

_{a .} § ai B £

«£"

- r -o i n

•s

I tr\ O Ol E

§

e '5

8

ai a o e ai (0 • H e o > S u 01 n)

•g

C O 00 4-1 • H 3 ÖO e •H u 0) T3 CD > •U e ai co o j a

N _{m e * . *} s O z en E L H CVI Ol

ti

• « 1_ • o ( V • 4 -d •s O l o a t_ -*-e o U I O l E o Ln c_ • S o b. O l r» O) -E1 a 3 l/l m F o c ai v> o 3 O

S

ai c ai er 2 c £ _l/l o J È ai I/I 3 "u

S

O "O O c_ ai -*-o * ai —* _o

rêc

o z CR a a

g

Ö0 co to • H O) C O > s M eu • u cfl

•s

c o u tsû 00 C U a) T3 . 8 fi -d Ü

s

•a f

-si

> 4J Cfl ca u o i n C eu 4-1 CO O ùi I en ^ 3

l i -eu c 9L o* % i m O z _en CS Ln i _ 01 a -ie c 'c-T3 CU "3 JZ CU en -*-a : t c , \ rsi . *

5?

?

o i n c

1

S •o c o c_ m -£ a _c CU O ) Cl £ Z> l/> E

8cT

- T " o Ln m E CU 1 3 -o o c_ a. t_ cu •fc-CI * CU Ù0 e cu co co • H

g

eu G O > e <u 4-1 et) & X) e o 60 e •i-i M CU eu > 4-1 Cfl cfl 4-1 • i-I e

e

<u 4J CO O XI 4-1

o> \ o z 0 1 E L O t V I 01 "ö C C_ • o Ol "3 . c Ol C71 •s O «_ ^ _e , \ < M - »

5?

g

1 o t n c-* • o c o C-o» o j r 01 O l £ u l/l O) c 01 O l 01 10 o E

8 8

—r o in

- r

_o o

-3

N Ol O Sc c E c O) o i n 60 e CU en en • I-I

I

C O > 0 CU 4-1 n} (3 O 60 4J • H M Ö •i-I !-l CU cu > 4-1 Ctf u u •I-I ö Ö cu 4-1 CO I M-l

1 3 -ll. N. . , \ 1 r » ^ ^ O z en £ O a i

1

c • f e a i O - C a i CT o 2 -*-C o l/> O l E 8 ' o o b> a i o .c a i en o 3 V) m F \ u •—• _c a i 8 -* 3 O S

"ë

_{a i} c _ai Ol 2 c £ _VI o - X **-ai VI 3 O X a i o -p

-

Ê i n v

s

~^ 1 ai \ 4 - \ JÉ \ 3 1 • o o 1— ex c-a i o * a i a o

rSc

N . I O m CD co en • H § eu e o s tj aj cd CS o >-l Ö0 • H ? 00 C3 • H M CU T3 > cd cd M •P C! 0) •U o) O * i I vO 4-1 <!

\ X l m « s j - * O Z O l £ i n f M c—

1

e

•ë

01 o £ «! a> a O to o» E 8 • " o •o c o o. (V rl j = Ol S1 a

e ^

*: C 3 l/l

1*5

-if

'm s

3

T-88

-X.' CM o in o o o i m O en Ol

"S

_» c 5 Ö i O l "S o F "N k j • — C 01 .^ _o o

8

•ö Ol c _Ol Ol 2! c £ M o -2É Ol (/> 3 u X Ol 3 • o O £_ O . c Ol .* Ol

s

j y

H

o i n

* =

O

!

•S

.s

ai c o O o

-3

60 fi 0) (A CO • H 0 1 e o S U CU • U CO fi o 00 4J • H 3 M fi • H M CU T ) CU > •U ttf ta u u fi fi eu u M iS I 1 ^ J3 <!

• 1 5 -. \ i m O z _{O l} E o u-> CU "o 5 J É c -a CU O sz CU O l "o O c --»-_c , \ fM - * O ( T Ol E o o * £ ö -o _c 2 O l CU 4— o CU CT ö 3 l/l E c CU

88

J £ CM o tn o i n

8

-3"°

E §3 •o m o c_ o. c_ CU -*-o >

§

JÏÏ o 0 Q c Q l 1 _ o i n ai i n CM © -»- « * CM os

1"

/ CU e <u O l CU c CU l/l o .se E c CU

° 8

i n ÖO 0) tn (0 • H

g

O) ö o > S T5 eu u cd e o u M +J • H 60 e 0) X I eu > 4J cd u ö CD 4 J tn O i 00 X> •4-4 <3

\ o z 0 1 E m CVI i— ai -*-a s c t_ T 3 O) a x: ai en a o 4-C , \

5?

O l fcr O C S * c C O c_ O l 1) a xz _Ol O l a

.g

3 l/> E

oèF

~T" o in O _o 1 o Ln at

1

_c ai a i . \ tf z an E es i n i n (si _{- J - CM S} 3 O IM Ol ••d O C 3L O l E ai

IE

o in J C 3 T O O C ex c a i .*-a i £ o -*-• o - s S at 'S^ JC 3 XI O e_ a . c ai ö » ai o "S 00 • H 1—1 tu CO CO • H

s

c eu ö o • 1-1 , >

s

T3 M 0) • U n) & T3 C O M 00 4-1 • H 3 00 a • H M CU X I • 1 - 1 •1-1

a

a> > 4 J CÖ c3 4 J • 1-1 c C CU • u CO o 1 1 ,

«s

<s

t \