HAALBAARHEIDSONDERZOEK VERSNELDE RIJPING VAN BAGGERSPECIE

Depotreiniging met behulp van (rest)warmte


Auteurs:
ir. J.G. Cuperus, ir. J.J. Steketee
Tauw bv
Postbus 133
7400 AC DEVENTER

Tel.: 0570-699830/699564
Fax: 0570-699666
E-mail: jgc@tauw.nl; jjs@tauw.nl

Over de auteurs:

Geert Cuperus werkt als senior projectleider afvalstoffen bij Tauw bv. De afgelopen jaren is hij als adviseur voor Rijkswaterstaat en andere opdrachtgevers, actief geweest op het gebied van bewerking van baggerspecie. Er zijn diverse ontwerpen gemaakt voor verwerkingslocaties met depots voor ontwatering, zandscheiding en rijping.
Jaap Steketee werkt als senior adviseur R&D bij Tauw bv. Zijn specialisme is het karakteriseren van verontreinigingen en hun gedrag, zoals afbraak, uitloging en vastlegging. Hij heeft in opdracht van RWS een test ontwikkeld waarmee de samenstelling en de uitloogbaarheid van baggerspecie na rijping voorspeld kan worden.

Samenvatting:

In Nobis-kader is door een consortium bestaande uit Tauw, Rijkswaterstaat, Dienst Weg- en Waterbouwkunde, Rijkswaterstaat, Directie Limburg, Elektriciteits Productiemaatschappij Zuid-Nederland en Alterra onderzoek uitgevoerd naar de haalbaarheid van versnelde rijping van baggerspecie met behulp van (rest)warmte. Hieruit blijkt dat de fysische, chemische en biologische rijpingsprocessen globaal met een factor 2 worden versneld indien het depot wordt verwarmd tot een temperatuur die gemiddeld 5 ºC boven de temperatuur in een referentiedepot ligt. Geconcludeerd wordt dat deze optie technisch en economisch haalbaar is. De kosten zijn vergelijkbaar met traditionele rijping, terwijl het ruimtebeslag een factor 2 lager wordt.



HAALBAARHEIDSONDERZOEK VERSNELDE RIJPING VAN BAGGERSPECIE
Depotreiniging met behulp van (rest)warmte

1 Achtergrond en probleemstelling

In Nederland is naar schatting 130-150 miljoen m3 baggerspecie ernstig vervuild (klasse 3 en 4). Doelstelling van de Rijksoverheid is om in elk geval 20% van deze specie een nuttige bestemming te geven. De belangrijkste, relatief goedkope, technieken hiervoor zijn zandscheiding en rijping. Rijping is geschikt voor meer kleiige (en venige) species, die niet te sterk verontreinigd zijn. Gedurende de rijping kunnen organische verontreinigingen afgebroken worden, zodat bij een beperkte overschrijding van de samenstellingsnormen van het Bouwstoffenbesluit (factor 2-3 voor minerale olie, 1-2 voor PAK), na rijping een toepasbare bouwstof kan worden geproduceerd.

Een nadeel van rijping is het ruimtebeslag. Rijping vindt plaats in depots, waarbij de laagdikte circa 1 m is en de duur 1 – 2 jaar. Bij grootschalige toepassing kan er een tekort aan depotcapaciteit ontstaan. Dit was de aanleiding om te kijken naar mogelijkheden om de behandelingstijd te verkorten. Een optie hiervoor is verwarming van de specie, waardoor zowel fysische, chemische als biologische processen versneld worden. De concrete aanleiding voor dit idee was het voornemen van RWS Limburg om baggerspecie uit de Maas te gaan verwerken nabij de Clauscentrale van de Elektriciteits Productiemaatschappij Zuid-Nederland (EPZ). Restwarmte uit deze centrale zou mogelijk bruikbaar zijn om de gewenste versnelling van de rijping te bereiken. Er is daarom in Nobis-kader een consortium gevormd, bestaande uit Rijkswaterstaat Directie Limburg, Rijkswaterstaat Dienst Weg- en Waterbouwkunde, EPZ, Alterra en Tauw, met als hoofddoelstelling om de haalbaarheid van versnelde rijping van baggerspecie met (rest)warmte vast te stellen.

2 Doelstellingen

De technische en economische haalbaarheid van versnelde rijping van baggerspecie met behulp van warmte kan worden vastgesteld als de volgende subdoelstellingen worden bereikt:
1) het bepalen van de mate waarin de verschillende rijpingsprocessen versneld kunnen worden, eventuele verschillen in temperatuuroptima van de diverse processen en het identificeren van het limiterende proces voor de duur van de rijping, zodat de overall verkorting van de rijpingsduur vastgesteld kan worden;
2) vaststellen of en hoe het proces gestuurd moet worden om (i) de verblijftijd te optimaliseren en (ii) eventuele negatieve bij-effecten van verwarming, zoals uitdroging, te voorkomen;
3) bepalen van de optimale depottemperatuur en het vereiste niveau van de temperatuur (of de warmte-inhoud) van de toe te voeren (rest)warmte;
4) bepalen van de optimale wijze waarop de specie verwarmd kan worden (uitvoeringstechniek);
5) berekenen van de economische haalbaarheid door middel van een kosten baten analyse.
3 Fasering en opzet van het onderzoek

Het onderzoek is in drie fasen uitgevoerd:
I): voorbereiding en laboratoriumonderzoek;
II): pilotproef;
III): uitwerking van het concept voor grootschalige toepassing.

In fase I zijn de volgende werkzaamheden uitgevoerd:
a) beknopte beschouwing bestaande kennis en mogelijke knelpunten;
b) selectie van materiaal voor de proeven: alle proeven zijn uitgevoerd met specie uit de Maas bij Belfeld (sluizencomplex);
c) inventarisatie van de beschikbaarheid van restwarmte bij elektriciteitscentrales (locaties, hoeveelheden, temperatuurniveau);
d) laboratoriumonderzoek naar de effecten van verwarming op de fysische en chemische rijping bij verschillende temperaturen met als doel om inzicht te krijgen in maximale effecten van verwarming op verschillende rijpingsreacties en het optimum van de temperatuur;
e) bepaling van enkele belangrijke kengetallen van de specie, met name de warmtecapaciteit en de warmtegeleidbaarheid;
f) berekening van de warmtevraag gedurende een rijpingscyclus.

De opzet van fase II was om de effecten van verwarming op semi-praktijkschaal te onderzoeken. Hiertoe werden in de buitenlucht drie depots ingericht met een inhoud van elk 2 m3. Het temperatuursregime in deze depots was als volgt:
1) referentie: onverwarmd;
2) matig verhoogde temperatuur: temperatuur gemiddeld 5 ºC boven de specietemperatuur in de referentie;
3) verhoogde temperatuur: temperatuur gemiddeld 10 ºC boven de specietemperatuur in de referentie.

De verwarming vond plaats vanuit de onderliggende drainzandlaag. Hierdoor is het effect in de onderste laag van de specie groter dan in de bovenste laag. De rijping in de depots werd gedurende 9 maanden intensief gevolg door regelmatige inspectie, monsterneming en analyse. Hierdoor kon het effect van verwarming op het verloop van processen als ontwatering, zwaveloxidatie en afbraak van minerale olie in beeld worden gebracht. Tevens is een vergelijking uitgevoerd met de resultaten van een versnelde rijpingstest, die in het laboratorium is uitgevoerd.

Ten slotte is in fase III op basis van de resultaten van de veldproef een ontwerp gemaakt van een praktijkdepot, met en zonder verwarming. Bij een gelijkblijvende capaciteit van het depot is het vereiste oppervlak kleiner, zodat de grondkosten lager worden. Verder zijn er besparingen door een kleinere hoeveelheid afvalwater en een iets kleinere hoeveelheid eindproduct. Daartegenover staan investeringen in het verwarmingssysteem en kosten voor inkoop en het transport van warmte. Op basis van deze analyse is de economische haalbaarheid van verwarming beoordeeld.

4 Resultaten

4.1 Fase I, laboratoriumonderzoek

Zowel de fysische rijping (droging), de macrochemische omzettingen als de afbraak van organische microverontreinigingen worden versneld door verhoging van de temperatuur. Opmerkelijk is dat bij de hogere temperaturen zink, dat door de rijping eerst wordt gemobiliseerd, in sterkere mate weer wordt vastgelegd. De verschillende chemische en biologische reacties verlopen bij 30 ºC een factor 2 – 4 sneller dan bij 10 ºC (slurrysysteem). De fysische rijping verloopt bij verwarming met water van 40 ºC van onderaf, een factor 1,6 sneller dan bij kamertemperatuur. Op basis van de laboratoriumproeven lijkt versnelling van de rijping in de praktijk met een factor 2 haalbaar.

Uit de inventarisatie van het aanbod aan restwarmte van elektriciteitscentrales volgt dat de ligging gunstig is (aan het water, verspreid door het hele land) en dat de restwarmte vaak niet wordt benut. Anderzijds is het temperatuurniveau van het koelwater relatief laag en is het verloop ongunstig. Dit komt doordat de koelwatertemperatuur de temperatuur van het oppervlaktewater volgt en daarmee met de seizoenen schommelt. Met name in de winterperiode zal directe toepassing van koelwater weinig effect sorteren doordat het koelwater te koud is. Alternatieven zijn dan de inzet van laagwaardige stoom of de optimalisatie van een warmtekracht centrale op de warmtebehoefte van het depot.

De warmtevraag is opgesplitst in initiële opwarming, compensatie voor geleidingsverliezen en benodigde warmte voor extra verdamping van vocht. De eerste term is relatief klein. Geleidingsverliezen zijn redelijk in te schatten, de benodigde energie voor extra verdamping is onduidelijk. Hierbij spelen zowel onzekerheden in de vochtbalans (verhouding tussen oppervlakkige afvoer, drainage en verdamping) als in de warmtebalans (wordt de verdampingswarmte onttrokken aan de specie of aan de lucht) een belangrijke rol. Afhankelijk van de mate van opwarming, varieert de totale warmtebehoefte tussen 1,5 GJ/m2, jr (depotoppervlak) bij een constante temperatuur van 15 ºC en circa 3 GJ/m2, jr bij een constante temperatuur van 30 ºC. Zonder verdamping varieert de warmtebehoefte tussen 0,3 en 1,4 GJ/m2, jr, hetgeen de grote invloed van verdamping (en uiteraard ook van de temperatuur) illustreert.

4.2 Fase II, veldproef

De bespreking van de veldproef richt zich op een vergelijking van de referentie met het vak 2 dat gemiddeld 5 ºC in temperatuur was verhoogd. Het vak 3 dat 10 ºC in temperatuur was verhoogd, had minder goede resultaten, die vermoedelijk het gevolg zijn van ‘verkitting’ van de bovenlaag, die daardoor een afdichtende werking kreeg. Het is onzeker of dit het gevolg is van de hogere temperatuur of van (geringe) structuurverschillen tussen de vakken onderling.

In het vak met de matig verhoogde temperatuur verloopt de fysische rijping een factor 1,6 sneller en verschillende chemische rijpingsreacties een factor 1,7 tot 2. Bepalend is in dit geval de afbraak van minerale olie, omdat de normwaarde van het Bouwstoffenbesluit moet worden bereikt. De afbraak van minerale olie verloopt ongeveer een factor 2 sneller, zie figuur 1.



Figuur 1 Meetwaarden van de afbraak van minerale olie (in % t.o.v. de beginwaarden van circa 1500 mg/kg ds), als functie van de rijpingsduur (in weken). De meetpunten zijn verbonden door regressielijnen (polynomen). Vak 1 = referentie, vak 2 gem. 5 ºC verhoogd, vak 3 gem. 10 ºC verhoogd.

Naast de temperatuurverhoging zelf kan ook de geconstateerde versnelling van de plantengroei bijdragen aan een versnelling van afbraakreacties, via een diepere beworteling. Gunstige effecten van verwarming zijn verder nivellering van verschillen per laag (de rijping verloopt bij verwarming onderin relatief sneller) en vermindering van de hoeveelheid afvalwater.

Uit de vergelijking van de resultaten van de laboratoriumrijpingstest en het verloop van de praktijkrijping blijkt dat de laboratoriumtest een redelijke tot goede voorspelling geeft van de kwaliteit van de gerijpte specie.

Uit de veldproef blijkt dat versnelling van de rijping met een factor 2, en daarmee halvering van de benodigde depotruimte, technisch haalbaar is bij een beperkte verhoging van de temperatuur. Het verschil in tijdsduur van een aantal rijpingsreacties is samengevat in tabel 1.

Tabel 1 Benodigde tijdsduur voor het voltooien van rijpingsreacties, in weken
Reactie Referentie Vak 2 (+ 5ºC) Referentie/Vak 2
Fysische rijping (1) 33 21 1,6
Zwaveloxidatie £38 22 1,7
Bereiken norm minerale olie (2) ca. 100 ca. 53 1,9
(1) fysische rijping is gedefinieerd als een rijpingsfactor van 0,7 of lager;
(2) gebaseerd op extrapolatie van meetgegevens.
4.3 Fase III, ontwerp praktijkdepot en kostenberekening

Er is een modeldepot ontworpen met een capaciteit van 25.000 m3/jaar. Het oppervlak van het verwarmde depot is een factor 2 kleiner dan het onverwarmde. Van beide depots zijn de investerings- en exploitatiekosten berekend. Hierbij zijn de volgende aspecten gevarieerd:
1) wijze van verwarmen: een traditioneel systeem met buizen in een zandlaag en een systeem met twee lagen folie, opgevuld met zand, waardoor warm water wordt gepompt (hiermee is geen praktijkervaring). De investeringskosten van beide varianten blijken elkaar weinig te ontlopen;
2) de warmtebehoefte is gevarieerd tussen 1 en 2 GJ/m2, jr. Door de relatief kleine schaal van de veldproef, waardoor de randeffecten (warmteverliezen) relatief groot zijn, is voor de warmtebehoefte geen nauwkeurige waarde verkregen;
3) de grondprijs is gevarieerd tussen NLG 25 en 100,- per m2.
Voor de diverse varianten geldt dat de verschillen niet groter zijn dan 20%, waarbij verwarming soms goedkoper is en soms duurder dan het traditionele systeem. Voor de meeste varianten zijn de verschillen gering. Versnelde rijping is maximaal NLG 5,-/m3 goedkoper dan traditionele rijping (grondprijs 100,-/m2, laag energieverbruik) en maximaal 3,50/m3 duurder (grondprijs 25,-/m2, hoog energieverbruik). Geconcludeerd wordt dat verwarming economisch haalbaar is, aangezien het kostenniveau vergelijkbaar is met traditionele rijping terwijl het ruimtebeslag significant kleiner is. Met name in situaties met weinig beschikbare ruimte (hoge grondprijzen) en een goede beschikbaarheid van (rest)warmte (in sommige situaties zou de warmte zelfs om niet verkregen kunnen worden), is verwarming van rijpingsdepots een aantrekkelijke optie.


5 Conclusies

1) De rijping van baggerspecie kan met een factor 2 worden versneld. Er zijn geen verschillen in temperatuur-optima van de diverse rijpingsprocessen geconstateerd, hoewel een sterke opwarming wellicht eerder tot uitdroging leidt. Voor de onderzochte specie was de afbraak van minerale olie het limiterende proces voor de verblijftijd. Afhankelijk van het concentratieniveau van minerale olie en het specietype, kan de versnellingsfactor per specietype enigszins variëren.
2) Processturing is mogelijk via beperkte monitoring van met name de zwaveloxidatie en de afbraak van minerale olie. Specifieke maatregelen om uitdroging te voorkomen, zoals omzetting of beregening, waren bij de matige opwarming van de onderzochte specie niet nodig.
3) De versnelling van de rijping met een factor 2 is bereikt bij een temperatuur in de specielaag die gemiddeld 5 ºC hoger is dan in de onverwarmde referentie. Door problemen in het vak dat 10 ºC in temperatuur was verhoogd, is niet zeker of een toename met 5 ºC optimaal is. Het ligt voor de hand dat met name in de winterperiode een grotere opwarming (10 ºC) meer effect sorteert. Er moet echter een optimum worden gezocht tussen energieverbruik en versnelling van de rijping. De opwarming met 5 º C kan worden bereikt met water dat een temperatuur heeft van 40 - 50 ºC.
4) De specie kan verwarmd worden via een gesloten systeem, waarin water circuleert via buizen of een dubbele laag folie, gevuld met zand. Het water wordt opgewarmd via een warmtewisselaar met behulp van lage druk stoom, die wordt betrokken van een nabij gelegen elektrische centrale. Overigens zijn ook andere uitvoeringsvarianten en warmtebronnen denkbaar, zoals directe inzet van koelwater en de bouw van een kleine warmtekracht centrale, die wordt geoptimaliseerd op de warmtevraag van het depot.
5) De kosten van rijping in een verwarmd depot zijn vergelijkbaar met rijpen in een traditioneel depot. In situaties met een grondprijs van NLG 100,-/m2 en lage kosten voor (rest)warmte, is rijping in een verwarmd depot NLG 5,-/m3 goedkoper dan rijping in een onverwarmd depot.
6) Uit het voorgaande volgt dat rijping van baggerspecie in een verwarmd depot technisch en economisch een haalbare optie is.


6 Referentie

Een uitgebreid verslag van het onderzoek vindt u het rapport "Haalbaarheidsonderzoek depotreiniging van baggerspecie: versnelling van het rijpingsproces met warmte". CUR/NOBIS rapport 96-3-07, CUR/NOBIS, Gouda.