Stillestå ende vånd i rentvåndsbeholdere · 2019. 1. 24. · Kursus: Afgangsprojekt bachelor (BT7BAC-01), Miljøteknik Forfatter: Tommy Fiil Clausen (201370287) Gruppe nr.: E_gc_2

Tommy Fiil Clausen • Studienummer 201370287 Afgangsprojekt Ingeniørhøjskolen • December 2018

Stillestå ende vånd i rentvåndsbeholdere

Afgångsprojekt - Ingeniørhøjskolen, Aårhus Universitet

Tommy Fiil Clåusen

18.12.2018


Titelblad

Projekt: Stillestående vand i rentvandsbeholdere Stagnant water in clean water reservoirs

Kursus: Afgangsprojekt bachelor (BT7BAC-01), Miljøteknik

Forfatter: Tommy Fiil Clausen (201370287)

Gruppe nr.: E_gc_2

Intern vejleder: Peder Maribo

Ekstern vejleder: Henrik Andersen

Antal sider:

32

Bilag sider:

55

Digitale bilag antal:

42

Forside: CFD-modellering af rentvandsbeholder, udført i ANSYS Workbench. Udarbejdet af Tommy Fiil Clausen.

Dato for aflevering: Tirsdag d. 18. december 2018

Afleveringsted: Ingeniørhøjskolen, Aarhus Universitet

Navitas Inge Lehmans Gade 10 8000 Aarhus C


Abstract

This thesis has examined the effect of water circulation in drinking water reservoirs expressed as the

residence time in the most stagnant areas in the most commonly used types of reservoirs.

The thesis is based partly on a questionnaire survey involving 2,000 Danish waterworks and partly on

Computational Fluid Dynamics (CFD) analysis/modeling of common reservoirs.

The combination of water consumption and water level regulation in drinking water reservoirs based

on the survey is analyzed. Subsequently, the effect of the reservoir design on the water's residence

time expressed as areas with more stagnant water is analyzed. Furthermore, the actual water

circulation in reservoirs of the waterworks from the survey are compared with the average retention

times in the more stagnant areas in combination with the different reservoirs’ contåiner types. This

part is exemplified with real cases where observed design flaws affect growth of more stagnant areas

and solutions are proposed.

The analysis and CFD modeling show that appropriate reservoir design and good water circulation

prevent long residence time in the more stagnant areas, as is the case for 80% of the waterworks

surveyed.

The thesis suggests more general solutions e.g. that daily regulation of the water level in the reservoir

will reduce the residence time considerably. The two cases indicate that construction flaws have a

significant influence on residence time, regardless of the circulation of water. The most important

observations from the questionnaire survey and the CFD modeling are summarized in the followiæng:

In general, there is a reduction in water consumption (in the period 1980-2017) and 80% of

the waterworks have unused (redundant) capacity which affects circulation and hence

residence time.

Residence time in the more stagnant areas in commonly used reservoir types depends on

design. A “låbyrinth” reservoir hås the lowest residence time compåred with the round

reservoir and the square reservoir.

Construction flaws have a significant impact on residence time in the more stagnant areas.


Forord

Følgende afgangsprojekt er udarbejdet af Tommy Fiil Clausen ved Ingeniørhøjskolen, Aarhus

Universitet, og er et projekt samarbejde med Orbicon A/S.

Tak for sparring og vejledning til Peder Maribo, lektor hos Ingeniørhøjskolen Aarhus Universitet og

Henrik Andersen, fagleder for Forsyning & Anlægsteknik hos Orbicon A/S.

Derudover tak til Dorte Skræm fra DANVA samt Niels Grann fra Danske Vandværker, der begge har

været yderst behjælpelige i kommunikationen med de danske vandforsyninger og vandværker.

--------------------------------------------------------------------------

Dato Tommy Fiil Clausen


Indholdsfortegnelse

1.0 Introduktion .......................................................................................................................................................... 1

1.1 Metoder .................................................................................................................................................. 2

1.2 Afgrænsning ........................................................................................................................................... 2

2.0 Årsagerne til at forureninger opstår i rentvandsbeholdere................................................................ 3

3.0 Formålet med rentvandsbeholdere .............................................................................................................. 7

3.1 Dataindsamling ...................................................................................................................................... 9

3.2 Årsproduktion 2017 sammenlignet med det år, hvor produktionen var højest ............................ 10

3.3 Driften og reservekapacitetens indflydelse på vandskiftet .............................................................. 11

3.4 Det samlede gennemsnitlige vandskifte ............................................................................................ 12

4.0 Beholderudformningens indflydelse på områder med stillestående vand ................................. 13

4.1 De tre mest udbredte beholderkonstruktioner ................................................................................. 14

4.2 Rund søjlebeholder .......................................................................................................................... 15

4.3 Firkantet labyrintbeholder ............................................................................................................. 16

4.4 Firkantet søjlebeholder ................................................................................................................... 17

4.5 Beholdertyperne ved forskellige vandskifte og vandspejlshøjder .................................................. 18

4.6 Forureninger hos vandværker med lange opholdstider af dele af vandet ...................................... 19

5.0 Uhensigtsmæssige beholderudformninger samt løsningsforslag ................................................... 20

5.1 Vandværk I ........................................................................................................................................... 20

5.2 Vandværk II .......................................................................................................................................... 22

6.0 Konklusion ........................................................................................................................................................... 25

7.0 Litteraturliste ..................................................................................................................................................... 26

8.0 Bilag ........................................................................................................................................................................ 27


Side 1 af 27

1.0 Introduktion

Over de sidste 30 år har der været en stor reduktion i vandforbruget i Danmark, hvilket giver

anledning til at undersøge, hvorvidt det har indflydelse på opholdstiden af dele af vandet i

rentvandsbeholdere. Genstandsfeltet for nærværende projekt er vandskifte i rentvandsbeholdere med

særligt fokus på vandets opholdstid i områder med mere stillestående vand. Da emnet ikke er

forbundet med en fast terminologi eller veldefinerede termer, er der behov for en kort

begrebsafklaring for termer, som anvendes i dette arbejde(figur 1.0.1).

Vandskifte. Her menes den tid, det tager at skifte den fulde beholders vandvolumen, dvs. beholderens vandvolumen

vandforbrug

Præcis den indpumpning (eller udpumpning) af det vandvolumen, som tilsvarer vandvolumenet i beholderen.

Vandskifte er ikke nødvendigvis ligefrem proportional med opholdstiden. Ved at ændre vandskifterne er det ikke

sikkert, at opholdstiden ændres tilsvarende.

Opholdstid. Her menes den tid, som et specifikt vandvolumen opholder sig i rentvandsbeholderen.

Gennemsnitsopholdstid. Her menes et specifikt vandvolumen i beholderen, hvor der er målt forskellige

opholdstider, hvori gennemsnitsopholdstiden af disse findes.

Stillestående områder med vand. Her menes områder, hvor vandet har en meget lav hastighed, dvs. < 0,0001 m/s

Figur 1.0.1. Begrebsafklaring anvendt i nærværende projekt.

Problemformuleringen lyder som følgende:

Hvilken indflydelse har vandskifte i rentvandsbeholdere på opholdstiden i områder med stillestående

vand, i de tre mest anvendte beholdertyper?

For at besvare problemformuleringen tages der udgangspunkt i følgende arbejdsspørgsmål:

Hvor godt et vandskifte er der generelt i de danske vandværkers rentvandsbeholdere?

Hvilken indflydelse har reservekapaciteten på vandets opholdstid i de stillestående områder?

Hvad er vandets gennemsnitsopholdstid i de stillestående områder i de mest anvendte

beholdertyper?

Hvilken indflydelse har beholderudformningen på opholdstiden af vandet i de stillestående

områder?

Baggrunden for undersøgelsen tager afsæt i en personlig interesse for rentvandsbeholdere qua mit

tidligere arbejde som (overfladeforsynet) erhvervsdykker, hvor jeg blandt andet foretog

dykkerinspektioner m.m. af rentvandsbeholdere. Da jeg har udført dykkerinspektioner i over 100

vandværker på landsplan, har jeg en dybdegående praktisk viden om beholdernes indvendige tilstand.

Flere steder har jeg observeret forureningskilder med periodisk forhøjning af kimtallene til følge, men

der er aldrig blevet udstedt en egentlig kogeanbefaling, hvorfor det muligvis er beholdernes effektive

vandskifte, der har forhindret forureningen i at udvikle sig.


Side 2 af 27

Projektets inddeling er følgende: Indledningsvis redegøres der for årsagerne til, at forureninger opstår

i rentvandsbeholdere. Dernæst analyseres der på – ud fra data indsamlet fra danske vandværker i

efteråret 2018 - hvilken indvirkning vandforbruget og vandspejlsreguleringen har på vandskiftet i

rentvandsbeholdere. Ud fra samme data beregnes der på, hvor stor reservekapacitet der reelt set

anvendes ud fra et dagligt gennemsnitsvandniveau i beholderne. Efterfølgende analyseres der på,

hvilken indflydelse udformningen af forskellige beholdertyper har på vandets opholdstid i områderne

med stillestående vand. Endvidere sammenholdes vandværkernes aktuelle vandskifte med

gennemsnitsopholdstiderne i de stillestående områder ved de forskellige beholdertyper. Endelig

inddrages der eksempler på eksisterende problemstillinger vedrørende fejlkonstruktioner i

rentvandsbeholdere samt løsningsforslag til disse, efterfulgt af en konklusion.

1.1 Metoder

Der er som led i projektet foretaget en spørgeskemaundersøgelse rundsendt til omtrent 2000 danske

ålmene våndværker for åt søge åt åfdække ”normål” pråksis i forsyningsbrånchen og derigennem

anslå omfanget af et muligt problem1. Vandværkernes årsproduktion sammenholdes med deres

beholdervolumen, hvor vandværkernes vandspejlsvariation indgår for at fastlægge hvert enkelt

vandværks vandskifte, der sidenhen anvendes til opholdstidsmodellering.

For at fastlægge opholdstiden af vandet i de stillestående områder i forskellige beholderdesign

anvendes simuleringsværktøjet ANSYS Workbench2 til at udføre en Computational Fluid Dynamics

(CFD) analyse. CFD er en multifysik software, der bl.a. anvendes til at modellere, simulere og beregne

strømninger af gasarter og væsker.

1.2 Afgrænsning

Fokusområdet er rentvandsbeholdere i beton i direkte tilknytning til vandværk. Derved inddrages der

ikke rustfri stålbeholdere eller andre beholdertyper fx plast. Endvidere indgår højdebeholdere og

vandtårne ikke i arbejdet. Opholdstiden i ledningsnettet granskes ikke, lige såvel som der ikke

inddråges ”buffertånke” eller rentvåndsbeholdere på ledningsnettet.

1 Spørgeskemaundersøgelse udsendt til 2000 danske vandværker i september 2018 under medvirken af DANVA og Danske

Vandværker. 2 https://www.ansys.com/products/fluids


Side 3 af 27

2.0 Årsagerne til at forureninger opstår i rentvandsbeholdere

Følgende afsnit har til hensigt at redegøre kortfattet for de generelle årsager, der ligger til grund for

mikrobiologiske forureninger i rentvandsbeholdere.

I perioden 2010-2015 blev der udstedt 400 kogeanbefalinger hos vandforsyningerne3 (figur 2.0.1).

Erfaringsopsamlinger gennem årene peger på, at det ofte er i rentvandsbeholderen, at forureningen

opstår4: “Undersøgelserne viser, at i de tilfælde, hvor der peges på en årsag til forureningen, er det oftest

rentvandstanken og renoveringsarbejder [sic] på vandværket, der anføres som årsag til forureningen.”5

Figur 2.0.1. Erfaringsopsamling udarbejdet af embedslægerne Syd, Styrelsen for Patientsikkerhed (2015), hvor kogeanbefalingsgrænsen i 400 sager var overskredet i perioden 2010 til 2015 (røde søjler). Samlet antal sager med mikrobiologiske forureninger er aflæst til 540 (blå søjler).

Årsagerne til, at forureningerne opstår i rentvandsbeholderne, kan bl.a. være mangelfuldt vandskifte i

områder med stillestående vand. De stillestående områder kan forårsage forhøjede kimtal og

coliforme bakterier6. Stillestående områder opstår delvist pga. uhensigtsmæssig udformning af

beholderen samt en for stor beholderkapacitet4. Desuden spiller beholderudformningen en afgørende

rolle i forhold til områderne, da en god udformning tvinger al vandet rundt i beholderen. Ved et for

stort beholdervolumen mindskes udskiftningshastigheden af vandet, hvilket har betydning for den tid,

som bakterierne har til at formere sig i. Derudover er der også eksempler på fejlkonstruktioner, hvor

fx ind- og udløb er placeret uhensigtsmæssigt med længere opholdstid til følge7.

3 I publikation fra Styrelsen for Patientsikkerhed (2015) fremgår det ikke, hvorvidt der er tale om gentagne forureninger hos det

samme vandværk. 4 Naturstyrelsen & Sundhedsstyrelsen (2012), Naturstyrelsen (2014), Styrelsen for Patientsikkerhed, (2015)

5 Naturstyrelsen (2014) s.8

6 DANVA, 2015

7 Naturstyrelsen & Sundhedsstyrelsen (2012), Naturstyrelsen (2014), Styrelsen for Patientsikkerhed, (2015)


Side 4 af 27

Figur 2.0.2. Tiltag iværksat ved påvisning af forurening på 102 almene vandforsyninger i 2011. (Naturstyrelsen, 2012).

I forbindelse med vandværkernes rutinemæssige vandprøvetagninger har analyseresultaterne i flere

tilfælde været over grænseværdierne. Men der er ikke udstedt en reel kogeanbefaling, hvilket skyldes,

at de involverede parter har været af den overbevisning, at der har været tale om en fejlmåling5 (figur

2.0.2). Når der efterfølgende er blevet foretaget en ny prøve, har analysen ofte vist et andet resultat8.

Da tiden mellem en prøve med forhøjede kimtal og en ny kontrolprøve er på 2-3 dage, kan

forureningen i mellemtiden have bevæget sig videre i systemet grundet et effektivt vandskifte.

Derudover er selve driften af beholderen væsentlig for vandskiftet. Lavere vandstand giver et lavere

vandvolumen og dermed et bedre vandskifte. Utætheder i beholderen er en væsentlig årsag til

forurening, da bl.a. indsivning af overfladenært grundvand kan være transportmedie af

forureningsgivende materiale. I vandforsyningsbranchen er der en opfattelse af, at hvis der er

utætheder i beholderen under det indvendige vandspejl, så vil det indvendige vandtryk presse vand ud

gennem en eventuel utæthed, hvilket sikrer mod en forurening udefra9. Denne tankegang er udmærket

i den situation, hvor det udvendige grundvandsspejl har en lavere geometrisk beliggenhed end det

indvendige vandspejl i beholderen. Det problematiske ved dette ræsonnement er, at

grundvandsspejlet er meget varierende over året.

8 Naturstyrelsen & Sundhedsstyrelsen, 2012

9 DANVA, 2015


Side 5 af 27

I perioder med megen nedbør vil grundvandsspejlet kunne stige til terrænniveau. Hvis en

rentvandsbeholders omfangsdræn ikke har tilstrækkelig stor kapacitet, vil det kunne resultere i, at

den udvendige trykgradient bliver væsentlig større end den indvendige, med indsivning af

overfladenært vand til følge. Hvilket kan være forklaringen på periodevise forureninger i perioderne

med større nedbørsmængde (figur 2.0.3).

Figur 2.0.3. Grafen og søjlediagrammet viser sammenhængen mellem nedbør og forureningshændelser. I takt med at nedbørsmængden stiger, ses der en stigning i forureningshændelser (Styrelsen for Patientsikkerhed, 2015).

Der er en tidsmæssig forskydning mellem nedbør og forureningshændelser (figur 2.0.3.), hvilket kan

skyldes den tid, det tager for bakterierne at formere sig i områder med stillestående vand. Ligeledes

ses det, at der er flere forureninger i sensommeren, hvilket indikerer, at den mangelfulde isolering er

en risikofaktor i forhold til overophedning af det stillestående vand, da det skaber et gunstigt miljø for

potentielle bakterier i vandet.


Side 6 af 27

Endvidere er mangelfuld ventilation og filtrering af luften i beholderen problematisk, da det kan have

uhensigtsmæssige indvirkninger på kvaliteten i vandet, idet kondens på væggene og biofilm på

vandoverfladen kan medføre skimmelvækst (figur 2.0.4.).

Figur 2.0.4. Billederne er fra den indvendige side af en rentvandsbeholder, som bl.a. havde problemer med kondens pga. mangelfuld ventilation. De hvide aflejringer på øverste billede er skimmelsvamp. Nederste billede viser biofilmen på vandoverfladen. (Billederne er fra JH-Dyk ApS)

Min egen erfaring (fra mit virke som erhvervsdykker) er, at skimmelvækst er et hyppigt

forekommende fænomen i rentvandsbeholdere. Der er ingen videnskabelig dokumentation på

konsekvenserne heraf, men det er uden tvivl ikke gunstigt for vandkvaliteten.


Side 7 af 27

3.0 Formålet med rentvandsbeholdere

Hovedformålet med rentvandsbeholderen er at udligne det varierende forbrug, så vandværket kan

opretholde en konstant produktion. Vandforbruget varierer over hele dagen. Ved et normalt

forbrugsmønster vil vandforbruget stige om morgenen, hvorefter det falder over formiddagen. Om

eftermiddagen stiger det igen for derefter at falde til et minimum i løbet af natten. For vandværkerne

er det varierende forbrug en udfordring for produktionen. På figur 3.0.1 er der vist en forbrugskurve

samt vandspejlsniveauet i drikkevandsbeholderen.

Figur 3.0.1. Forbrugskurve over døgnforbrug samt vandspejlsvariation i rentvandsbeholder. Tidsintervallet fra kl. 11.00-17.00 har vandværket ikke oplyst. Forbrugskurven er fra egen dataindsamling og er anonymiseret efter ønske fra vandværket (Bilag 1 for flere forbrugskurver)

En konstant vandproduktion over hele døgnet giver mange fordele. Ved kildepladsen vil

grundvandsspejlet have en mindre og forholdsvis konstant sænkning. Dette resulterer i, at

grundvandet udsættes for en mindre iltning og dermed bl.a. lavere pyritoxidation, hvilket har en

gunstig indflydelse på kvaliteten af grundvandet. Den mindre afsænkning og generelt jævnere


Side 8 af 27

belastning af grundvandet betragtes endvidere som mindre risikobetonet og mere bæredygtig for

ressourcen, da den vertikale vandbevægelse minimeres (Miljøstyrelsen, 2016).

Ved vandbehandlingen i vandværket vil en lavere og mere jævn produktion give mulighed for

nemmere at opnå det korrekte iltindhold i vandet. Samtidig udnyttes filterkapaciteten bedre, og ved et

lavere flow minimeres energiforbruget til pumperne i systemet.

For at komme problematikken med det varierende forbrug i forkøbet placeres rentvandsbeholdere

som det sidste led i vandbehandlingsprocessen. Beholderen fungerer dermed som en

opmagasineringsenhed, hvis formål er at give vandværkerne mulighed for en konstant

vandproduktion. Rentvandsbeholderne skal rumme vand til at sikre en udjævning af det varierende

forbrug, især i spidsbelastningsperioder og ved et ekstraordinært højt forbrug. Derudover skal

beholderen have kapacitet til intern drift samt en reservekapacitet i tilfælde af brand10. For at sikre at

vandet ikke opholder sig for lang tid i beholderne, skal de dimensioneres i en passende størrelse: “En

beholder skal ligeledes dimensioneres således, at beholdervolumenet kan udskiftes mindst hvert 3. døgn.

Som tommelfingerregel bør ⅔ af døgnforbruget11 [sic] udpumpes i løbet af 10 timer.12”

Vandforbruget varierer ligeledes henover året og fra forsyning til forsyning. Ved vandværker i

sommerhusområder vil forbruget være betydeligt højere om sommeren end i vinterhalvåret. Dette

ræsonnement medtages ikke i projektet.

10

DS 442 11

Her antages, at der menes vandvolumenet i beholderen og ikke døgnforbruget. 12

Schmidt, 2014, s. 638


Side 9 af 27

3.1 Dataindsamling

Der er udarbejdet et spørgeskema (bilag 2) med henblik på at belyse det generelle billede af

anvendelsen af rentvandsbeholdere i forhold til vandskiftet på et landsdækkende niveau.

Der blev taget kontakt til vandværkernes brancheorganisationer, henholdsvis DANVA og Danske

Vandværker, med henblik på at få udsendt spørgeskemaet til deres medlemmer. På den måde får

undersøgelsen en stor geografisk spredning som vist på figur 3.1.1.

Figur 3.1.1. Geografisk spredning af de vandværker, der ikke ønskede anonymitet i rapporten. Skærmkortet er hentet fra Kortforsyningen. Vandværkskoordinaterne er fundet via Jupiter Databasen og er placeret på kortet i MapInfo Discover. Bilag 3 – koordinatorer på vandværkerne.

Der er udsendt knap 2000 spørgeskemaer med en besvarelse på 10 %. For at sikre validiteten af

undersøgelsen blev ca. 40 besvarelser kasseret på grund af forskellige bias, der skyldtes misforståelser

af spørgsmålene, mangelfulde informationer samt generel stor afvigelse i forhold til andre

(eksempelvis voldsomt overdimensionerede beholdere i forhold til vandværkets vandforbrug m.m.).

Endvidere var der flere vandværker, der ønskede at være anonyme i rapporten.


Side 10 af 27

3.2 Årsproduktion 2017 sammenlignet med det år, hvor produktionen var højest

Vandforbruget i Danmark har været støt stigende i takt med udbygningen af den offentlige

vandforsyning, særligt op gennem 1960’erne og 70’erne, for derefter åt fålde frå midten åf 1990’erne

efter installeringen af vandmålere i alle private husstande (Kristensen, 2014). Det lavere forbrug giver

anledning til at undersøge, hvilken indvirkning vandforbruget har på vandskiftet.

For at undersøge faldet i vandforbruget sammenlignes produktionen i 2017 med den maksimale

produktion, som vandværkerne har haft i perioden 1980 til 2017. En lavere produktion kan resultere i

en længere opholdstid af vandet i beholderne.

Figur 3.2.1: Udviklingen for ca. 150 vandværkers nuværende årsproduktion og det år, hvor produktionen var størst. De blå kolonner viser den samlede distribution i år 2017. De røde kolonner viser det samme vandværks maksimale produktion (perioden 1980-2017). Data er hentet fra Jupiter. (Bilag 4)

I figur 3.2.1 kan man se, at vandforbruget gennemsnitligt er halveret i perioden, hvilket vil medføre et

lavere vandskifte i beholderen, hvis vandvolumenet ikke tilsvarende reduceres. Da vandværket

leverede deres maksimale produktion, har beholderen haft et bestemt vandvolumen, og da

produktionen i 2017 var væsentligt lavere end tidligere, burde vandvolumenet være tilsvarende lavere

for at opnå samme vandskifte.


Side 11 af 27

3.3 Driften og reservekapacitetens indflydelse på vandskiftet

Driften og reservekapaciteten er begge væsentlige faktorer i forhold til vandskiftet i

rentvandsbeholdere. Med driften eller driftspotentialet menes der, om det enkelte vandværk udnytter

beholderen, så en konstant produktion opretholdes. Ved reservekapacitet forstås normalt den

mængde vand, der opmagasineres i beholderen ved minimum dagligvandstand. Mængden af vand, der

anvendes til internt brug, såsom filterskyl og lignende, anses ikke for at være en del af

reservekapaciteten13. I dette projekt medregnes internt brug i reservekapaciteten.

I spørgeskemaundersøgelsen er der blevet spurgt om, hvor meget vandværkerne dagligt sænker deres

vandspejl i beholderen med det formål at danne et billede af, hvorvidt vandværkerne udnytter

driftspotentialet optimalt. Hvorvidt et specifikt vandværk har behov for at udnytte beholderen mere,

end de gør, for at køre med en konstant produktion, belyser projektet ikke, da det kun er få

vandværker, der har tilsendt deres forbrugskurver. Grafen i figur 3.3.1 viser vandstandssænkningen

over døgnet.

Figur 3.3.1. Vandspejlsvariationen over en dag med normal drift (bilag 5)

Det er kun 20 % af vandværkerne, der reelt set bruger mere end halvdelen af deres beholdervolumen

(figur 3.3.1). Ligeledes kan det konstateres, at 7 % af vandværkerne kun bruger under 10 % af deres

beholdervolumen. Diagrammet viser, at mange vandværker har en uudnyttet reservekapacitet, hvilket

tegner et generelt billede af, at de enten har en for stor beholdervolumen eller ikke udnytter deres

driftspotentiale tilstrækkeligt. Som nævnt i afsnit 3.0 er der netop mange fordele ved at udnytte

beholderens fulde potentiale.

I følge DS 442 anvendes reservekapaciteten til driftsafbrydelser, brandslukning og dækning af

ekstraordinært stort forbrug. Spørgsmålet er, hvorvidt der er et behov for den fulde reservekapacitet: 13

DS 442

0

5

10

15

20

25

30

Over 50% 50 til 40% 40 til 30% 30 til 20% 20 til 10% Under 10%

An

de

l af

van

dvæ

rke

r

Vandspejlsvariation under daglig drift


Side 12 af 27

”Men der skal gøres op med en traditionel tænkning hos mange forsyninger om, at det er godt at have

fyldte beholdere til alle tider.”14 Ud over den fyldte rentvandsbeholder er mange vandværker koblet

sammen i større nødforsyningsledninger, så i tilfælde af et øget behov for vand er der derved en stor

forsyningssikkerhed. Myndighederne opfordrer til disse nødforsyningsledninger (Aarhus Kommune).

Da 80 % af vandværkerne opmagasinerer mere end halvdelen af deres beholdervolumen i en daglig

driftssituation, kan man overveje, om det kan have konsekvenser for opholdstiden af vandet i de

stillestående områder.

3.4 Det samlede gennemsnitlige vandskifte

Ved at sammenholde ovenstående afsnit 3.2 og 3.3 er der ud fra årsproduktion 2017 samt drift og

reservekapaciteten fundet et samlet gennemsnitligt vandskifte15 (figur 3.4.1).

Figur 3.4.1. Skemaet viser gennemsnitsvandskiftet i rentvandsbeholdere baseret på vandværkernes årlige vandforbrug sammenlignet med deres aktuelle beholderstørrelse, hvor en gennemsnitlig vandspejlssænkning over døgnet medregnes (bilag 6).

I spørgeskemaundersøgelsen har 70 % af de adspurgte vandværker udskiftet hele

rentvandsbeholderens vandvolumen inden for et døgn.

14

Schmidt, 2014, s.639 15

Vandskiftet er fundet ud fra en gennemsnitlig årsproduktion, hvorfor der ikke er taget højde for udsving i vandforbruget over

året. Der vil givetvis være perioder, hvor der er et større vandforbrug, hvilket medfører at der er andre perioder med et væsentligt lavere vandforbrug. Hvis man kigger på vandskiftet i en periode med et lavere vandforbrug, vil det dermed resultere i et væsentligt dårligere vandskifte.


Side 13 af 27

4.0 Beholderudformningens indflydelse på områder med stillestående vand

Nærværende afsnit har til hensigt at undersøge vandets opholdstid i de stillestående områder i

almindeligt anvendte beholdertyper, og til det formål udføres en simulering af hastighedsprofilet i

hver beholdertype samt i forskellige situationer i forhold til vandskifte og vandstand (bilag 7).

I det følgende anvendes CFD primært til at beskrive vandets opholdstid i de stillestående områder i de

tre mest anvendte beholdertyper:

Rund søjlebeholder

Firkantet labyrintbeholder

Firkantet søjlebeholder (bilag 8 - eksempler på de tre beholdertyper)

Der er udarbejdet fire forskellige hastighedsmodeller i hele beholderen. Én af modellerne er udvalgt,

da denne beskriver vandets bevægelse bedst ud fra en hydraulisk logisk forståelse samt egne

praktiske erfaringer (bilag 9 - profiler og beregninger). Den anvendte model medregner bl.a. friktionen

mellem vandpartiklerne. Ud fra hastighedsmodellen lokaliseres de områder, hvor hastigheden er i

intervallet 0,0001 til 0 m/s (mørkeblå i modellen). Når områderne er lokaliseret, findes

vandvolumenet. Til åt beskrive våndets opholdstid ånvendes værktøjet “Species Trånsport”, som

simulerer partikler med den samme masse som det omgivende vand (figur 4.0.1).

Figur 4.0.1. Overblik over syv strategisk placerede partiklers bevægelse gennem en labyrintbeholder.


Side 14 af 27

Dernæst placeres der strategisk syv partikler

i de stillestående områder og ved indløbet

(figur 4.0.2), hvorefter hvert partikels

transporttid til udpumpningen registreres,

og en gennemsnitlig opholdstid fastlægges

(bilag 10). Alle hastighedsmodellerne er

udarbejdet i en gennemsnitlig situation

(Steady State).

4.1 De tre mest udbredte beholderkonstruktioner

Med det formål at beskrive vandskiftets indflydelse på områderne med stillestående vand er følgende

beholdertyper modellerede ved forskellige vandskifte og vandspejlshøjder.

For at finde områderne med stillestående vand er der fundet en gennemsnitlig beholderstørrelse og et

tilsvarende årligt vandforbrug ud fra data fra spørgeskemaundersøgelsen. Beholderne er

dimensionerede til et vandvolumen på 860 m3 og et vandforbrug på 300.000 m3/år, og under disse

forhold er der et gennemsnitligt vandskifte hvert døgn. Indpumpningsrøret er et Ø 0,4 m rør med en

indpumpningshastighed på 0,075 m/s, og udpumpningsrøret er ligeledes et Ø 0,4 m. De tre følgende

rentvandsbeholdere er modellerede ved fuld vandhøjde på 3 m, og indpumpningsrørene er placeret

lodret gennem loftet.

For at fastlægge opholdstiden i områderne med stillestående vand er der for hver

beholderkonstruktion udarbejdet fire forskellige gennemsnitsopholdstider ud fra dataene i figur 3.4.1.


Side 15 af 27

4.2 Rund søjlebeholder

Den runde søjlebeholder (figur 4.2.1) er dimensioneret med en radius på 9,2 m. Indpumpningen er

placeret lodret nederst til venstre, og udpumpningen er øverst til højre. Der er placeret 12 søjler med

en intern afstand på 4 m.

Figur 4.2.1. CFD-modellering af rund søjlebeholder. Planet for hastighedsprofilerne er i 1,5 m højde. Vandet strømmer nederst fra venstre mod højre top. De modellerede hastigheder er med udgangspunkt i figur 4.1.1. Nederst ses gennemsnitsopholdstiden i de fire forskellige profiler. På profilet nederste til venstre er placeringen af partiklerne vist ved P1.

I hastighedsprofilerne (figur 4.2.1) ses en generelt lavere hastighed i den midterste del af beholderen,

hvor den resterende del af hastigheden af vandet presses rundt langs væggen. Ud fra de fire profiler

kan man se, at vandskiftet har meget stor indvirkning på størrelsen af det stillestående område.

Opholdstiden er målt ved Punkt 1 (P1).


Side 16 af 27

4.3 Firkantet labyrintbeholder

Den firkantede labyrintbeholder (figur 4.3.1) har målene 24 m lang, 12 m bred og 3 m dyb.

Indpumpningen er placeret i nederste højre hjørne, og udpumpningen er i øverste venstre hjørne. Der

er placeret to skillevægge med en tykkelse på 0,3 m med en gangbredde på 3,85 m. Bredden på

passagerne i svingene er 1 m.

Figur 4.3.1. CFD-modellering af firkantet labyrintbeholder. Planet for hastighedsprofilen er i 1,5 m højde. Vandet strømmer nederst fra højre mod venstre top. De modellerede hastigheder er med udgangspunkt i figur 4.1.1. Nederst ses gennemsnitsopholdstiden i de fire forskellige profiler.

Sammenlignet med den runde søjlebeholder kan man ved labyrintbeholderen se, at der generelt er en

højere og jævnere fordeling af hastigheden i hele beholderen. Generelt er der et lille område i

hjørnerne ved passagerne i svingene, der har en lavere hastighed, hvilket vurderes at være af en så

ubetydelig størrelse, at der ikke er foretaget en måling af opholdstiden i disse områder. Der er målt

opholdstid fra indpumpningen til udpumpningen. Opholdstiden stemmer overens med vandskiftet,

hvilket underbygger validiteten af CFD-modelleringen.


Side 17 af 27

4.4 Firkantet søjlebeholder

Den firkantede søjlebeholder (figur 4.4.1) har målene 24 m lang, 12 m bred og 3 m dyb.

Indpumpningen er placeret i nederste højre hjørne, og udpumpningen er i øverste venstre hjørne. Der

er placeret 10 søjler med en intern afstand på 4 m.

Figur 4.4.1. CFD-modellering af firkantet søjlebeholder. Planet for hastighedsprofilen er i 1,5 m højde. Vandet strømmer nederst fra højre mod venstre top. De modellerede hastigheder er med udgangspunkt i figur 4.1.1. Nederst ses gennemsnitsopholdstiden i de fire forskellige profiler På profilet nederste til venstre er placeringen af partiklerne vist ved P1 og P1.

Da hastigheden er afhængig af tværsnitsarealet, ses det tydeligt, at hastigheden er lavere i området

med det største tværsnitsareal. Opholdstiden er målt i P1 og P2. Det lave vandskifte har en større

indvirkning på opholdstiden end i de resterende beholdertyper (Bilag 11 – flere hastighedsprofiler af

de tre holdertyper).


Side 18 af 27

4.5 Beholdertyperne ved forskellige vandskifte og vandspejlshøjder

Med henblik på at fastlægge opholdstiden i de tre beholdertyper, er der fundet en

gennemsnitsopholdstid, i de stillestående områder, ved fire forskellige vandskifte. Figur 4.5.1 viser

data fra spørgeskemaundersøgelsen (figur 3.4.1) som sammenholdes med gennemsnittet af

opholdstiderne fra de stillestående områder i de tre beholdertyper (bilag 12).

Figur 4.5.1. Data sammenholdt med antal vandværkers vandskifte i rentvandsbeholderen med den beregnet gennemsnitsopholdstid i de stillestående områder.

Ved et vandskifte på én gang hvert 3. døgn vil det vand der har opholdt sig i de stillestående områder

sammenlagt have været i beholderen i gennemsnit i 4,1 dage, hvilket er over de anbefalede tre døgn16.

Hvis man udlader at medtage labyrintbeholderen (figur 4.3.1) vil gennemsnitsopholdstiden være på

6,3 dage.

Hos 83 % af vandværkerne har vandet en opholdstid i de stillestående områder på under 1,5 døgn,

hvilket tegner et billede af, at der er et generelt godt17 vandskifte. Til gengæld ses det ved 17 % af

vandværkerne, at vandet har en forholdsvist lang opholdstid, hvilket indikerer, at der kan være et

problem med for lavt vandskifte.

Ved at reducere reservekapaciteten er det muligt at minimere opholdstiden betydeligt, hvilket kan

være en effektiv løsning for de vandværker, der har en generelt overdimensioneret rentvandsbeholder

eller et markant lavt vandforbrug (figur 4.5.2).

Figur 4.5.2. Opholdstiden i de stillestående områder i de tre forskellige beholdertyper ved forskellige vandstande samt et gennemsnit heraf.

Alle opholdstidsmålinger er vedlagt i digitale bilag B9.

16

Jævnfør afsnit 3.0 17

I den undersøgte litteratur har det ikke været muligt at finde en klassificering eller norm for, hvornår et vandskifte er henholdsvis tilfredsstillende eller utilfredsstillende (eller hvornår en opholdstid er problematisk eller ej). Derfor vælger jeg at skrive ’godt’, da vandets opholdstid i de stillestående områder er på halvandet døgn eller under, hvilket er halvdelen af de anbefalede tre døgn.


Side 19 af 27

4.6 Forureninger hos vandværker med lange opholdstider af dele af vandet

På baggrund af undersøgelsen af gennemsnitsopholdstiden i områderne med stillestående vand er

vandanalysernes mikrobiologiske parametre – for de 10 vandværker med længst opholdstider – blevet

gransket for forhøjede kimtal og coliforme bakterier (bilag 13 – mikrobiologiske analyseresultater).

Det kan konkluderes, at alle 10 vandværker har haft periodiske forøgelser af kimtal, hvor 7 ud af de 10

prøver ligger over grænseværdierne, og alle vandværkerne har haft tilfælde af coliforme bakterier.

Data stammer fra Jupiter, hvorfor det ikke kan fastlægges præcist, hvor forureningerne er opstået. Dog

kan det ses, at alle forureningerne er fundet i anlægget, dvs. i den kategori, hvor rentvandsbeholderen

befinder sig i. Figur 4.6.1. er et eksempel på et analyseresultat for forhøjede kimtal, hvor der kan ses, at

der i 2017 var problemer med forureninger.

Figur 4.6.1. Forhøjede kimtal hos et vandværk med lange gennemsnitsopholdstider. Vandanalysen er fra Jupiter Databasen.

Ovenstående afsnit er dermed en indikator på, at vandskiftet og gennemsnitsopholdstiden i

stillestående områder kan have en indvirkning på vandkvaliteten i rentvandsbeholderen.


Side 20 af 27

5.0 Uhensigtsmæssige beholderudformninger samt løsningsforslag

Det følgende afsnit omhandler beholderudformningens indflydelse på vandskiftet og de konsekvenser,

et uhensigtsmæssigt design kan medføre, heriblandt stillestående vand i dele af beholderen. I

samarbejde med Orbicon har jeg stået for løsningsforslagene til to vandværkers rentvandsbeholdere,

hvor der i begge situationer var problemer med konstruktionen. Rentvandsbeholderne modelleres i

CFD med henblik på at belyse problematikkerne.

5.1 Vandværk I

Rentvandsbeholderen ved Vandværk I er en labyrintkonstruktion (figur 5.1.1), hvor indløb og

udpumpning er adskilt af en betonskillevæg, og det er udformet på den måde, således at vandet føres

rundt i labyrintsystemet, og alt vandet bliver udskiftet. Beholderen måler 18x15 m og har en

vandhøjde på 3 m. Vandvolumenet er 810 m3, og udpumpningsmængden er på 320.000 m3/år.

Figur 5.1.1. 3D-modellering af rentvandsbeholderen ved vandværk I, hvor udtømningskanalerne fremhæves på billedet til højre. Kanalerne har målene 25x25 cm, og skillevæggen er 16 cm tyk (billedmateriale fra JH-Dyk). (Modelleringsværktøj Microstation)


Side 21 af 27

Problemet ved konstruktionen er, at der er lavet seks kanaler i bunden af skillevæggen mellem indløb

og udpumpning formentligt for bedre at kunne tømme vandet ud af beholderen. Det resulterer i, at

størstedelen af det indpumpede vand strømmer direkte til udpumpning gennem kanalerne.

Figur 5.1.2. CFD-modelleringerne af hastighedsprofilerne er et plansnit i 0,20 m med det formål at visualisere udtømningskanalerne. Billedet til venstre viser den nuværende rentvandsbeholder. I billedet til højre er udtømningskanalerne blændet af med rustfri stålplader (bilag 14).

CFD-modelleringen (figur 5.1.2) er et hastighedsprofil af rentvandsbeholderen, hvor hastigheden er

markant større gennem udtømningskanalerne end i den resterende del af labyrintsystemet. Dermed

vil det give et bedre flow, hvis hullerne blændes af, og alt vandet tvinges rundt. Efter monteringen af

rustfri afdækningsplader kan det ses, at vandet har en betydelig større hastighed igennem hele

labyrintsystemet. Før monteringen af rustfri afdækningsplader er gennemsnitsopholdstiden i

områderne P1 og P2 på 3,5 døgn. Efterfølgende er gennemsnitsopholdstiden i P1 og P2 reduceret til

1,6 døgn.


Side 22 af 27

5.2 Vandværk II

Rentvandsbeholderen hos Vandværk II er en ældre beholder fra 1970 med en umiddelbart

uhensigtsmæssig konstruktion, da en stor del af vandet får en længere opholdstid end den resterende

del. Beholderen har et samlet areal på 1000 m2 med et vandvolumen på 3000 m3. Vandværkets

nuværende udpumpningsmængde er ca. 850.000 m3/år. Plantegning for rentvandsbeholderen kan ses

i figur 5.2.1. Der er to problemstillinger: Rentvandsbeholderen er både uhensigtsmæssigt konstrueret,

og den er overdimensioneret.

Figur 5.2.1. Plantegning af vandværk II. Det røde og blå område er rentvandsbeholderen. Det røde område er den del, hvor gang B er en del af fejlkonstruktionen, der modelleres i CFD.

Udfordringerne ved konstruktionen er, at vandet kommer ind ved indpumpningen, strømmer via gang

A og videre forbi gang B og ud i gang C. Herefter strømmer en stor del af vandet videre til det blå

område og efterfølgende til udpumpningen. Den røde del af beholderen (figur 5.2.1) modelleres i CFD

for at visualisere problemstillingen i gang B (figur 5.2.2).

Figur 5.2.2. CFD-modellering af hastighedsprofil. For at få det fulde hastigheds-farveinterval er farveskalaen ændret fra 0,001 m/s til 0,005 m/s på dette profil grundet den markante hastighedsforskel.


Side 23 af 27

Hastighedsprofilet viser den store hastighedsforskel i vandets strømning. Ud fra CFD-modelleringen er

vandets bevægelse visualiseret i figur 5.2.3. Når vandet passerer gang B ved P1, dannes der pga. den

store hastighed en hvirvel, hvorefter vandet trækkes op gennem gang B ved P2.

Figur 5.2.3. Vandets strømningsmønster i rentvandsbeholderen hos Vandværk II.

Det medfører, at hastigheden i gang B bliver væsentligt lavere, og der opstår en modsatrettet

strømning sammenlignet med gang C, hvilket giver en opholdstid på 4,6 døgn. Vandværket har et

vandskifte på 1,3 døgn, hvilket under normale omstændigheder vil give en opholdstid på 1,4 døgn for

en labyrintbeholder (bilag 15 - vandoverfladen i det stillestående område).

Årsagen til, at rentvandsbeholderen er overdimensioneret, er en reduktion i udpumpningen til 1/3,

hvilket har skabt den nuværende problematik. Da vandværkets oppumpede mængde var på sit

højeste, var den på 2.500.000 m3/år sammenlignet med de nuværende 850.000 m3/år. Det medfører,

at vandværket gerne vil have reduceret deres beholdervolumen. Derudover vil vandværket gerne have

beholderen opdelt i to separate kredse samt udført en inspektionsgang rundt om konstruktionen. Da

beholderen er i en generel god tilstand, ønsker vandværket at bibeholde en så stor del af

konstruktionen som muligt, dog reduceret til det aktuelle vandforbrug (figur 5.2.4).

Figur 5.2.4. Det røde område kasseres. Det blå område bibeholdes og laves til beholder 1. Det grønne område bibeholdes og laves til beholder 2.


Side 24 af 27

Beholder 1 og 2 får begge et volumen på 700 m3 (figur 5.2.5). Ved en separering får vandværket to

beholdere, hvilket giver mulighed for at tage den ene beholder ud af drift med henblik på inspektion og

vedligehold, mens en fuld vandproduktion opretholdes i den anden kreds.

Figur 5.2.5. De to nye rentvandsbeholdere, hvor de nye vægge er røde og de bevarede vægge er sorte. Indpumpningen er de blå rør, og udpumningen de røde rør. Begge beholdere har et volumen på 700 m3. Det gule område er inspektionsgangen. (Microstation)

Der udføres en inspektionsgang rundt om beholderen samt et tag over den, hvilket giver mulighed for

løbende visuel inspektion udvendigt og forhindrer indtrængning af jordvand gennem beholderens

ydervægge og topdæk.

Ovenstående cases viser, at fejlkonstruktioner særligt i kombination med ændrede driftsforhold i

rentvandsbeholdere, kan have en væsentlig indflydelse på opholdstiden af vandet i de stillestående

områder. Ved at modellere vandets bevægelse i beholderne visualiseres problemstillingen.


Side 25 af 27

6.0 Konklusion

Projektet har undersøgt, hvilken indflydelse vandskiftet i rentvandsbeholdere har på opholdstiden af

vandet i de stillestående områder i de mest anvendte beholdertyper baseret på

spørgeskemaundersøgelse og CFD-modelleringer.

Det kan konkluderes, at en hensigtsmæssig beholderudformning og et godt vandskifte forhindrer en

lang opholdstid af vandet i de stillestående områder, hvilket er tilfældet for 80 % af de adspurgte

vandværker. Ved en daglig regulering af vandspejlsniveauet i beholderen kan opholdstiden ligeledes

reduceres betydeligt, hvilket er et potentiale, vandværkerne ikke udnytter i særlig høj grad.

Udbredelsen af fejlkonstruktioner i de indkomne svar eller blandt danske vandværker er ikke

undersøgt i projektet, men på baggrund af de to cases kan det konkluderes, at fejlkonstruktioner har

en betydelig indflydelse på opholdstiden, uafhængigt af vandskiftet. Herunder er de væsentligste

observationer fra spørgeskemaundersøgelsen og CFD-modelleringen samlet på overskuelig vis:

Der ses en halvering i vandforbruget (i perioden 1980-2017) samt at 80 % af vandværkerne

kun udnytter halvdelen af deres reservekapacitet, hvilket har indflydelse på vandskiftet.

Vandskiftet har indflydelse på opholdstiden af vandet i de stillestående områder i de mest

anvendte beholdertyper. Her kan det ses, at vandet i labyrintbeholderen har den laveste

opholdstid sammenlignet med den runde søjlebeholder og den firkantede søjlebeholder.

Vandanalyser viser en mulig sammenhæng mellem stillestående vand og forhøjede kimtal og

coliforme bakterier.

Fejlkonstruktioner har en væsentlig indflydelse på opholdstiden i de stillestående områder.

Det ses, at vandskiftet ikke nødvendigvis har en sammenhæng med opholdstiden i de

stillestående områder. Så på trods af et godt vandskifte er det ikke entydigt, at der er en kort

opholdstid af vandet.


Side 26 af 27

7.0 Litteraturliste

Aarhus Kommune. Vandforsyningsplan 2016-2023. Center for Miljø og energi (vedlagt som digitalt

bilag).

Dansk Standard DS 442 (1988). Dansk Ingeniørforenings norm for almene vandforsyningsanlæg.

Teknisk forlag: København Normstyrelsens publikationer

DANVA notat (2015). Driftserfaringer - drift, vedligehold og renovering af rentvandstanke. (vedlagt

som digitalt bilag).

Kristensen, H. A. (2014). Vandforbrug. I: Karlsen, E., Sørensen, I. (Red.), Vandforsyning. København K:

Nyt Teknisk Forlag

Miljøstyrelsen (2016). JAGG 2 - Vertikal transport ned til førstkommende betydende magasin.

Miljøprojekt nr. 1828 (vedlagt som digitalt bilag).

Naturstyrelsens vejledning (2014). Kvalitetssikring på almene vandforsyninger (vedlagt som digitalt

bilag).

Naturstyrelsen & Sundhedsstyrelsen (2012). Erfaringsopsamling fra Sundhedsstyrelsen og

Naturstyrelsen om mikrobiologiske drikkevandsforureninger (vedlagt som digitalt bilag).

Schmidt, S. (2014). Beholderanlæg. I: Karlsen, E., Sørensen, I. (Red.), Vandforsyning. København K: Nyt

Teknisk Forlag

Styrelsen for Patientsikkerhed, Lyng, I. & H. Hansen, Embedslægerne Syd (2015) Mikrobiologiske

drikkevandsforureninger på almene vandforsyninger (vedlagt som digitalt bilag).


Side 27 af 27

8.0 Bilag

Bilag 1 - Distributionskurver

Bilag 2 - Spørgeskema

Bilag 3 - Kort over vandværker

Bilag 4 - Vandforbrug 2017 og maks. år

Bilag 5 - Vandspejlsvariation

Bilag 6 - Gennemsnitlig vandstand sammenlignet med vandskifte 2017

Bilag 7 - Metode CFD

Bilag 8 - Eksempler på de tre beholdertyper

Bilag 9 - Beregninger af opholdstid sammenlignet med CFD

Bilag 10 - Syv partikler

Bilag 11 - Samlede hastighedsprofiler

Bilag 12 – Fastlæggelse af gennemsnitsopholdstiden

Bilag 13 - Forureninger

Bilag 14 - Afdækningsplader - rustfri stålplade

Bilag 15 - Vandoverfladen i det stillestående område

Documents

Stillestå ende vånd i rentvåndsbeholdere · 2019. 1. 24. · Kursus: Afgangsprojekt bachelor (BT7BAC-01), Miljøteknik Forfatter: Tommy Fiil Clausen (201370287) Gruppe nr.: E_gc_2