Verwijdering van zwevende stof uit effluent
1. Literatuuronderzoek
I
postbus 414. 2280 AK RIJswijk Z.H. r ) 070-
080.287 stichting toegepast onderzoek rainlging afvalwaterVerwijdering van zwevende stof uit effluent
1. Literatuuronderzoek
Publikaties en het publikatieovenicl OWA kunt u uíisluitend ktallen bij:
cMlng Toegepast Ondermdt Waterbeheer Hageman verpak^^ BV
dbus 8090 P&us 281
03 RB UtraeM 2700 AC Zoeteneer
.
030-321199 tel. 079-61118%030-321766 079-613427
O.V.V. ISBN- of bestdnummer en
een duidetiík dimadras.
1
Inhoud Ten geleide l SAMENVATTING 2 INLEIDING
3 AARD, EIGENSCHAPPEN EN VERWIJDERINGSTECHNIEKEN VAN 4
-
14VERONTREINIGINGEN IN EFFLUENT 3.1 Inleiding
3.2 Aard van de verontreinigingen 3.2.1 atgemeen
3.2.2 gesuspendeerde stoffen 3.2.3 opgeloste stoppen 3.2.4 coZlo.Fdate stoffen
3.3 V e w i jderingstechnieken
4 VLOKVORMING EN VLûKVERWIJDERING 4.1 Principes van het vlokvowingsproces 4.1.1 inkiding
4.1.2 vtoianidaeh
4. i. 3 co4guZatie-meohmrimm 4.1.4 vlo?iamgmei
4.1.5 uitvoering
van
het prOC6384.2 Toepassingen
5.1 Principes van het filtratieproces 5.1.1 i n k i d h g
5.1.2 uitvoedngsuomen 5.1.3 fiZtmtieJlfechrmzsmen 5. i .4 het spoekn
van
f i t t e r s 5.1.5 procesvamabeten5.2 Toepassingen van filtratie
6.1 Principes van de microzeef 6.1 , l inzeiding
6.1 .2 uitvoedngsvorman 6.1.3 fiZtratienwchmr2sms
6.1 .4 fiZtreerbaarheidkindex en d Ú m t 8 s h - 6.1.5 ppocesvamabe&en
6.2 Toepassingen
WERIGE Y&BklIJQERIklG~BCHNIEilEM Algemben
Sedimentatie Flotatie
Riet- en biezenvelden.
NabehantMitq@ j vers Actief-b&%lfilters Membraanprocessen PINANCIELE ASPECTEN
Ten geleide
De r e s t v e r o n t r e i n i g i n g van pezuiverd a f v a l w a t e r i s g e d e e l t e l i j k gebonden aan zwevende s t o f f e n i n h e t e f f l u e n t van r i o o l w a t e r z u i v e - ringsinrichtingen.
Verwíjdering van d i e zwevende s t o f f e n l e i d t n i e t a l l e e n t o t v e r l a g i n g van de zuurstofbehoefte van h e t e f f l u e n t ; ook h e t g e h a l t e aan e u t r o - fiërende s t o f f e n en zware metalen Iran hierdoor verminderd uurden.
De voorliggende l i t e r a t u u r a n a l y s e g e e f t de s t a n d van zaken op h e t gebied van de methoden d i e voor v e r w i j d e r i n g van zwevende s t o f i n aanmerking komen.
Eet rapport b e s l u i t met een v o o r s t e l om m e t d e meest i n t e r e s s a n t e technieken
-
microzeving en s n e l l e z a n d f i l t r a t i e-
ook onder Neder- landse omstandigheden ervaring op t e doen.Deze aanbeveling is door de Onderzoelradviescommissie e n h e t algemeen bestuur van de STOM overgenomen; over de uitkomsten van d a t onderzoek wordt afzonderlijk gerapporteerd.
Het project werd door h e t algemeen bestuur van de STOM, op v o o r s t e l van de Onderzoekadviescommissie*, opgedragen aan het Keuringsinstituut voor Waterleidingartikelen KIWA N.V.
De projectleiding berustte b i j ir. J.K. V i s s e r . H i j werd namene de STOM b e g e l e i d door een commissie bestaande u i t i r . B.A. Heide ( v o o r z i t t e r ) , ir. A.H. Dirkzwager, ir. R.E.M. van Oers en
i r . T.W.M. Wouds.
Ríjswíjk, oktober 1980 De directeur van de STOBA,
Drs. J.F. Noorthoorn van der Kruijff
-
tD. hiaerrwekadvie(~~~~~i*sie, d i e c e t d i c ptoject adviliasde. b e s t h d u i t :
p m f . i r . A.C.J. Koor (Voor~Lrter). drs. J.P. Ilwrthooni v l a des h i j f f (secreredui.) en dr.ir. R.J. Eggink, prof.dr. P.C. robr. i r . 9. Karper. i r . C.ll. Kug$eleija, ir. J.S.
BI-. i r . =.G. Wctijo. Lr. H A , Meijar, i r . H.H.J. S E b t i t i n p , & . i r . #.U. S c b i t e obin& ir. J. van Sdm. ir. U. Z i e s s a w , drs. A.A. Wismijer ( i e w .
1 SAMENVATTING
In deze l i t e r a t u u r s t u d i e ' word t een ovexzic%t ' g
om het wevend-atofgehrttte van het effluent van &00htéu,8tl&Je- ringainrichtingen t e verlagen.
B i j normale concentraties
-
t o t c i r c a 50 mg/l-
z i j n microzeuing en aneZf<Ztrucie over een bed van korrelvormig materiaal, z o a l s zand enlof a n t w t e , het meest universeel toepasbaar.Het benodigd grondoppervlak is voor beide processen n i e t meer dan 5 B 1 0 cm2 p e r inwonerequivalent ( b i j e e n s t a n d a a r d v o l u m e van 100 l/dag en een maximum van 10 l f u u r ) .
Voor s n e l f i l t r a t i e v a r i e e r t h e t rendement, waarmee zwevende s t o f wordt verwijderd van 70 t o t 90 X ; voor microzeving van 5 0 t o t 8 0 %.
I n beide gevallen gaat d i t gepaard met een BZV-reductie van c i r c a
30 %.
Door b i j s n e l f i l t r a t i e gebruik t e maken van vlok- e n / o f ~ h k h ~ z p - middeZen kan het rendement worden opgevoerd, hetgeen t e v e n s l e i d t t o t een verregaande reductie van het BW, CZV en het f o s f a a t g e h a l - te.
Microzeving is hiervoor n i e t geschikt aangezien de gevormde vlokken een dusdanig geringe s t e r k t e hebben, d a t deze b i j h e t i n c o n t a c t komen s e t het zeefgaas uiteenvallen.
Tegenover d i t nadeel staat, d a t de bedrijfsvoering de h e l f t van h e t a a n t a l manuren vergt d a t voor s n e l f i l t r a t i e nodig is:
De kapitaalskosten z i j n voor beide processen ongeveer i n evenwicht b i j een debiet van 4000 m3/dag ( c i r c a 40.000 i.e); b i j kleinere ca- p a c i t e i t e n is f i l t r a t i e duurder. Amerikaanse gegevens indiceren een
bedrag van f 2,50 per persoon per jaar. -
Het s n e l f i l t e r v e r e i s t ongeveer 0 , 7 manuur per persoon per jaar aan onderhoud en bedrijfsvoering; microzeving
-
zoals reeds gezegd-
deh e l f t daarvan.
Beide processen z i j n n i e t i n s t a a t om, ook gedurende k o r t e t i j d , extreem hoge waarden van het zwevend-stofgehalte te verwerken. B i j de microzeef z a l het gaas verstopt raken en b i j het s n e l f i l t e r z a l de drukval over het f i l t e r b e d zo s n e l s t i j g e n d a t een z e e r hoge spoelfrequentie en zeer korte F i l t r a t i e p e r i o d e n op z u l l e n t r e d e n . Wanneer zulke c o n d i t i e s zich geregeld voordoen, moet bergingscapa- c i t e i t worden gecregerd.
Naast microzeving en s n e l f i l t r a t i e z i j n riet- en bieaerrueZdsn e n nabehatdeZingavtjusrs goede methoden voor verlaging van h e t zwe- vend-stofgehalte en van het BZV en CZV. üet benodigde grondopper- vlak bedraagt h i e r b i j c i r c a 5 m2 per persoon, zodat ruimte a l spoe- dig de beperkende f a c t o r z a l zijn.
Natuurlijk kan men ook de bezinkingscapaciteit verhogen of f i t a t i e toepassen, doch het rendement daarvan is l a g e r dan voor s n e l f i l t r a - t i e en microzeving, t e r w i j l van een e x t r a BFV- e n CZV-verlaging nauwelijks sprake is.
Tenslotte leveren memb~rmproceaaen e n actief-kooZflZtratie h e t f r a a i s t e e f f l u e n t (alhoewel men d i t nauwelijka meer als zodanig kan
b e t i t e l e n ) . m a a r de kosten hiervan z i j n p r o h i b i t i e f ( c i r c a 1 0 t o t
1
2 0 maal hoger dan s n e l f i l t r a t i e ) .
INLEIDING
In de l a a t s t e jaren z i j n zowel het a a n t a l a l s de t o t a l e c a p a c i t e i t van de rioolwaterzuiveringsiarfchtingen s t e r k toegenonenl4.
Desondanks betekent de lozing van h e t gezuiverde a f v a l w a t e r t o c h nog een bepaalde b e l a s t i n g voor h e t o p p e r v l a k t e w a t e r , omdat h e t e f f l u e n t van een biologische zuiveringsinricht i n g a l t i j d bepaalde concentraties restverontreinigingen bevat. D i t komt onder a n d e r e t o t uitdrukkíng i n h e t Biochemisch Zuurstof-Verbruik (BZV) e n h e t Chemisch Zuurstof-Verbruik (CZV).
Naast opgeloste, verontreinigende s t o f f e n kan h e t e f f l u e n t ook ge- suspendeerd materiaal bevatten.
I n veel gevallen z u l l e n d i e gesuspendeerde s t o f f e n b e s t a a n u i t d e e l t j e s a c t i e f - s l i b , d i e n i e t i n de nabezinktank van de zuive- ringsinrichting verwijderd zijn. Deze zwevende s t o f f e n veroorzaken een zekere BZV en CZV, t e r w i j l ze tevens f o s f o r en s t i k s t o f bevat- ten. Verlaging van het zwevend-stofgehalte r e s u l t e e r t dus i n een verlaging van h e t BZV e n CZV (waardoor minder zuurstof aan het op- pervlaktewater wordt onttrokken) e n i n een v e r l a g i n g van h e t fos- f o r - e n s t i k s t o f g e h a l t e ( h e t g e e n de kans op e u t t o f i a r i n g ver- k l e i n t ) , t e r w i j l bovendien de t r o e b e l h e i d ( v a n u i t e s t h e t i s c h oogpcnt n i e t gewenst) z a l verminderen.
Tenslotte l i j k t h e t aannemelijk, d a t v e r l a g i n g van h e t zwevend- s t o f g e h a l t e r e s u l t e e r t i n een v e r l a g i n g van de c o n c e n t r a t i e aan zware metalen i n e f f l u e n t .
De verlaging van h e t zwvend-stofgehalte s t a a t op d i t moment minder i n de belangstelling dan
-
bijvoorbeeld-
de defosfatering.Bovendien b e s t a a t er i n ons land geen algemene r i c h t l i j n voor h e t zwevende stofgehalte i n effluent.
I n Engeland is d a t wel het geval; volgens oudere normen mag het BZV van e f f l u e n t daar maximaal 20 mg11 bedragen en h e t s t o f g e h a l t e t e n hoogste 30 mgll; e e r recente eieen spreken van 10 mg/l voor beide parameters50.
Kede g e l e t op bovengenoemde nevenef f e c t e n en mogelijkheid om de k w a l i t e i t van effkuent t e verbeteren, is d i t l i t e r a t u u r o v e r z i c h t opgesteld van de t e c h n i e k e n d i e voor v e r w i j d e r i n g van zwevende s t o f f e n i n aaumerking konen.
Van a l l e technieken wordt een beknopt o v e r z i c h t gegeven van de theoretische achtergronden, t e r w í j l uitgebreid wordt ingegaan op de r e s u l t a t e n , d i e door de d i v e r s e onderzoekers z i jn g e p u b l i c e e r d . Volgend op d i t l i t e r a t u u r o n d e r z o e k wordt e e n onderzoekprogramma voorgesteld, t e n einde met de meest toepasbare technieken ook onder Nederlandse omstandigheden p r a k t i s c h e e r v e r i n g op t e doen. I n Nederland is namelijk nog s l e c h t s weinig onderzoek u i t g e v o e r d d a t g e r i c h t i s op verioijdering van zuevende s t o f f e n u i t e f f l u e n t .
AARD. EIGENSCWPPEN EN VERWIJDERINGSTECHNIEKEN VAN VERONTREINL- G I N G E N I N EFFLUENT
3.1 I n l e i d i n g
I n sommige g e v a l l e n kan h e t gewenst z i j n , h e t e f f l u e n t van e e n a f - v a l w a t e r z u i v e r i n g s i n r i c h t i n g a a n e e n v e r d e r g a a n d e z u i v e r i n g te onderwerpen. Een van de mogelijkheden is de v e r w i j d e r i n g van zwe- vende s t o f f e n , omdat verwacht mag worden d a t een v e r l a g i n g van h e t t
zwevend-stofgehalte tevens z a l r e s u l t e r e n i n een v e r l a g i n g van h e t BZV-, CZV-, TOC-, P- e n N-gehalte.
I n d i t hoofdstuk z u l l e n de d i v e r s e v e r o n t r e i n i g i n g e n e n d e moge- l i j k e gevolgen b i j l o z i n g v o o r h e t o n t v a n g e n d e o p p e r v l a k t e w a t e r k o r t worden t o e g e l i c h t , w a a r b i j ook de t o e s t a n d , waarin d i e s t o f f e n i n h e t water voorkomen (gesuspendeerd, colloXdaa1 of o p g e l o s t ) z a l worden b e l i c h t .
Vervolgens z u l l e n de rnogeli j k e z u i v e r i n g s t e c h n i e k e n k o r t worden vermeld.
3.2 Aard van d e v e r o n t r e i n i g i n g e n
Een e e r s t e o n d e r v e r d e l i n g va? de i n het e f f l u e n t aanwezige v e r o n t - r e i n i g i n g e n kan worden gemaakt aan de hand van de t o e s t a n d w a a r i n deze s t o f f e n voorkomen. Onderscheid kan gemaakt worden i n
a . gesuspendeerde s t o f f e n ( > 0,2
m)
b. o p g e l o s t e s t o f f e n < 0.2
-
l nm)c. colloXdale s t o f f e n ( 5 nm
-
0.2 um)Uitgaande van bovengenoemde d e f i n i t i e s z u l l e n o n d e r h e t b e g r i p zwevende s t o f f e n de onder a en c genoemde s t o f f e n dienen t e worden gerekend.
I n d i t r a p p o r t z a l de meeste aandacht worden geschonken a a n d e ge- suspendeerde s t o f f e n en de v e r w i j d e r i n g d a a r v a n u i t he t e f f l u e n t
.
Het is e c h t e r gewenst om ook d e o p g e l o s t e en i n c o l l o T d a l e vorm aanwezige s t o f f e n i n de beschouwingen op te nemen,
Het z a l namelijk b l i j k e n , d a t de mogelijkheid b e s t a a t d a t met e e n op g e s u s p e n d e e r d e - s t o f v e r w i j d e r i n g g e r i c h t e t e c h n i e k t e v e n s d e c o n c e n t r a t i e aan o p g e l o s t e of c o l l o X d a l e s t o f f e n wordt v e r l a a g d . D i t kan b i j de t o e p a s s i n g van zo'n p r o c e s a l s t e r t i a i r e behande-
lingsmethode voordelen bieden t e n o p z i c h t e van andere processen.
D i t maakt h e t nodig d a t onderscheid wordt gemaakt i n genoemde t o e - standsvormen om de e f f e c t i v i t e i t van b e p a a l d e p r o c e s s e n b e t e r o p waarde te kunnen s c h a t t e n .
Ais d e f i n i t i e voor zwevende s t o f f e n geven F a i r , G e i j e r en 0kun19 de d e e l t j e s d i e zo g r o o t z i j n d a t ze of bezinkbaar of f i l t r e e r b a a r over een p a p i e r f i l t e r z i j n . Als benedengrens voor gesuspendeerde
d e e l t j e s geven z i j 0.1
-
1w.
E r is een aantal mogelijke oorzaken voor de aanwezigheid van zwe- vend materiaal i n het e f f l u e n t van een afvalwaterzuiveringsinrich- ting. Enkele voorbeelden z i j n :
,
,..
I
s. n
-
de nabezinker Eunctioneert n i e t goed, b i j v o o r b e e l d t e n gevolge van een hydraulische overbelasting. waardoor k l e i n e a c t i e f - s l i b - d e e l t j e s n i e t voldoende gelegenheid krijgen om te bezinken;-
i n de nabezinker t r e e d t f l o t a t i e op t e n gevolge van een d a a r i n optredende d e n i t r i f i c a t i e . B i j dat proces vindt NZ-ontwikke-l i n g p l a a t s en door hechting van de g a s b e l l e t j e s aan de a c t i e f - s l i b d e e l t j e s kan f l o t a t i e o p t r e d e n , h e t g e e n i n een d r i j f l a a g r e s u l t e e r t ;
-
de vorming van a c t i e f - s l i b met s l e c h t e bezinkingseigenschappen.~ e n s i n k ~ ~ b e s c h r i j f t twee soorten l i c h t s l i b , d i e bekend
z i j n . namelijk h e t e e r s t e type dat veroorzaakt wordt door draad- vormige micro-organismen (onder meer de b a c t e r i e S p h a e r o t i l u s natans) e n het andere d a t zich Irenmerkt door een zeer volumineus s l i b , d a t grote hoeveelheden gebonden water b e v a t ( b i j v o o r b e e l d 400 X van het droge-stofgehalte);
-
de aanwezigheid van zogenaamde "pin-point-f locs". (PipesS1).D i t z i j n kleine a c t i e f - s l i b d e e l t j e s , d i e n i e t bezinken. E r z i j n minstens twee typen pinpoints. Een b l i j k t normaal a c t i e f - s l i b t e z i j n en wanneer deze i n het e f f l u e n t worden aangetroffen betekent d i t een s t e r k e verhoging van h e t BZV-getal. ñet andere type b e z i t geen zuurstofbehoefte en z i e t er a l s een w í t t e , amorfe massa u i t . Hoewel de oorzaak van de aanwezigheid van zwevende s t o f f e n n i e t di- r e c t binnen het kader van d i t rapport v a l t , i s e n i g i n z i c h t h i e r - omtrent toch wenselijk, aangezien d i t i e t s kan zeggen over
a. de aard en samenstelling van het materlaal en
b. over de concentratie en over de v a r i a t i e s , d i e i n h e t zwevend- s t o f g e h a l t e kunnen optreden.
U i t het l i t e r a t u u r o v e r z i c h t za1 echter b l i j k e n , d a t gegevens over de samenstelling van h e t zwevend stof zeer schaars zijn.
De verlaging van het zwevend-stofgehalte i n h e t e f f l u e n t vormt een algehele k w a l i t e l t s v e r b e t e r i g van het e f f l u e n t . Zwevende s t o f l e a op zich veroorzaken een troebelhecd van het water, hetgeen u i t es- thetLsch oogpunt ongewenst is, maar daarnaast is gebleken, d a t t e n gevolge van de aard en de s a m e n s t e l l i n g van h e t zwevend s t o f i n effluenten, d i t i n n i e t geringe mate h i j d r a a g t a a n a n d e r e kwali-
teitsparameters. Met behulp van de b r u t o chemische s a m e n s t e l l i n g zou hierover een j u i s t beeld kunnen ontstaan.
In de l i t e r a t u u r worden wel verhoudingsformules gegeven van h e t a c t i e f - s l i b . Ptöpe153 g e e f t een a a n t a l door anderen gepubliceerde
formules, namelijk d i e van:
De door sherrand64 gegeven samenstelling is gevonden b i j de berekening van de stoechiometrie van h e t actief-slibproces.
ïJít deze formules volgt d a t a c t i e f - s l i b 1 i4 2 X P e n 9 i4 12 E N bevat en verlaging van het zwevend-stofgehalte zou dus h e t P- e n M-gehalte van h e t e f f l u e n t i n evenredigheid verlagen.
Het is e c h t e r geenszins w k e r , d a t wat als zwevend stof i n h e t e f - f l u e n t aanweqig i s , allemaal a c t i e f - s l i b is. Het is bevendien n i e t u i t g e s l o t e n , At j u i s t de f r a c t i e van het a c t i e f - s l i b , d a t n i e t o f moeilijk hezinkt
,
een andere s a m e n s t s l l i n g h e e f t dan h e t a c t i e f - s l i bin
de beluchting~ruimte. In de l i t e r a t a u r wordt h i e r a a n n i e t v e e l aandacht besteed. Om toch een i n d i c a t i e t e geven van wat zwe- vende-stofverwijdering als neveneffecten meebrengt, z a l kwalitatief aangegemen warden wat zwevend stof w u kunnen omvatten.1
,
' ~ r ~ a n i s r h e- - - - -
s-
t o f f- -
e nH i e r b i j Iran wen onderscheid maken i n
biologische afbreekbare v e r b i n d i q e n , welk cerden gekwanti- f i c e e r d doar het biochemisch zuurstofwrbruik [BZV) (bijvoc3.r- beeld proteln@n, suikers);
oxydeerbare verbindingan doos klivmdichromaat, g e k a r a k t e r i - seerd door het chemisch zuurstofverbruik C CZV)
,
waarbi j menn a t u u r l i j k ook de onder a genoemde verbindingen bepaalt;
n i e t of moeilijk oxydeerbare stoffen, d i e kunnen warden be- paald met behulp van h e t " T o t a l Organic CarbonN- g e h a l t e
(me).
Daarbij vfndt weliswaar coch oxydatfe plaats, maar b i j a a n z i e n l i j k hogere temperatuur ( c i r c a 908 'Cl met p l a t i n a a l s k a t a l y s a t o r .B i j de bepaling van het "Tptal Qxygen Demand" (TOD) g a a t men n e t zo t e werk, a l l e e n m r d t n i e t het t o t a a l gevanade e0 ( d a t een maat is voor h e t koolstofgehalte i n het monster ge- meten maar de t o t a a l verbruikte hoeveelheid zuurstaf.
f
Het t o t a l e gehalte aan o r g a n i s c h e s t o f f e n wotdt i n de e e r s t e p l a a t s v e r o ~ r z a a k t dqor celmateriaal en afgestorven miero-orga- nismen. Doch daarnaast is hist magelijk d a t aak organische $ t o f - ien (opgelast of ln c d l e ' i d a l e vorm) aan h e t s l i b z i j n geadsor-
beerd. D i t zou met name van belang z i j n i n h e t g e v a l van g r chloreerde ~ o l w a t e r s t o f f e n ( z o a l s t e t r a , t r i e h l a o r e t h y l e e n ) . gechloreerde fenolen en gehalogeneerde a r o m a t i s c h e koolwater- s t o f f e n (pesticiden, p o l y c h l o o r b i f e n y l e n , hz?xachloorbenaeen, carcinogene s t o f f e n enz.), In het algemeen s t o f f e n , d i e i n h e t Indicatief Meerjarenprogramma 1975-197914 og de zogenaamde
zwarte lijst staan.
In de l i t e o a t u u r z i j n echter geen gegevens gevonden, waaruit een d e r g e l i j k e a d s o r p t i e zou blijken.
h r & a n i a c h e s t o f f e n
--
Hiervan z i j n de belangrijkste voorbeelden f o s f o r en s t i k s t a f .- - - - ---
Deze a t o f f i n warden b i j de biologische zuivering i n s l e c h t s ge- ringe neite v e r w i j d e r d
,
h e t g e e n ook b l i j k t u i t de verhouding C:N:P i n de i n d i t hoofdstuk gegeven verhoudingsformule voor ac- t i e f s l i b . Moewel een wevende stofverwijdering dus t e v e n s e e n verlaging van h e t N- en P-gehalte a e e b r e n g t , b l i j v e n t o c h nog a a n x i e n l i j k e coneentraties in de v l o e i s t o f f a s e aehter. N i e t bekend is o f , en w ja, hoeveel N- en P-verbindingen, bijvoorbeeld t e n gevolge van een c o l l o I d a l e toestand, aan a c t i e f s l i b gead;
C--Y.- ,r.-
sorbeerd z i j n . , . '
.F
C ' I - I r
7 * - - , , l * Y
3. Zware metalen
---
Vooral sommige typen i n d u s t r i e e l afvalwater kunnen hoge concen- t r a t i e s aan bepaalde zware metalen b e v a t t e n . Het g r o o t s t e ge- d e e l t e is terug t e vinden i n h e t s l i b , waaraan de z m r e metalen z i j n gebonden of geadsorbeerd
ast*^).
E r z i j n echter geen gegevens gevonden waaruit zou b l i j k e n , hoe de verdeling over de zrsevende s t o f f e n en de v l o e i s t o f f a s e is i n effluenten. Haar vkr- wacht mag worden d a t verwijdering van zwevende s t o f z a l resulte-ren i n een velaging van het gehalte aan zware metalen.
4. Bacteriën en virussen
- - -
Ondanks de i n h e t algemeen hoge verwi i d e r i n g van b a c t e r i ë n e n virussen ( ~ a s t ~ l ) &den i n eifluente; toch nog g r o t e aan-
t a l l e n aangetroffen. Een gedeelte daarvan z a l zeker aan het zwe- vend stof gebonden z i j n en b i j verlaging van d i t gehalte z a l ook de hygiënische k w a l i t e i t verbeteren.
U i t h e t bovenstaande wordt diiidelijk, d a t een nauwkeurige omschrij- ving van h e t zwevend materiaal m o e i l i j k t e geven is. Behalve wat summiere gegevens t e n aanzien van de r e l a t i e zwevend s t o f
-
BZV,z i j n n i e t veel r e l a t i e s bekend d i e betrekking hebben op a n d e r e pa- rameters. B i j de beschrijving van de r e s u l t a t e n , d i e geboekt z i j n b i j experimenten op h e t gebied van verwijdering van zwevende s t o f - fen, vermelden sommige auteurs weliswaar ook e n k e l e n e v e n e f f e c t e n daarvan, doch het i s meestal n i e t met z e k e r h e i d t e zeggen of d i t a l l e e n ten gevolge van de zwevende-stofverwijdering optreedt.
3.2.3 opgeloste stoffun
.i
De i n h e t e f f l u e n t aanwezige opgeloste s t o f f e n zullen voornamelijk behoren t o t d i e s t o f f e n , 'die n i e t of s l e c h t s i n geringe mate b i j de biologische zuivering worden verwijderd of d i e d a a r b i j worden ge- produceerd. De concentratie aan b i o l o g i s c h a f b r e e k b a a r m a t e r i a a l z a l daarom laag z i j n , aangezien b i j de zuivering gemiddeld 80-90 X
CZV en 90-99 X BZV z a l worden verwijderd21. Maar het kunnen
j u i s t de n i e t afbreekbare organische s t o f f e n z i j n , z o a l s d i e ver- meld i n 3.2.2, d i e i n het e f f l u e n t achterblijven.
Naast deze organische verbindingen worden ook f o s f o r e n s t i k s t o f n i e t vergaand geëlimineerd. Voor P g e l d t , d a t de maximale verwijde- ring i n actief-slibsystemen c i r c a 50 % en i n oxydatiebedden s l e c h t 8 30 X bedraagta1. N kan a l l e e n i n laag en zeer laag belaste ac- t i e f - s l i b i n s t a l l a t i e s worden geglimineerd (30-90 X). De o x y d a t i e van N (zogenaamde Kjeldahl-stikstof) v a r i e e r t s t e r k met de belas- t i n g van h e t systeem. namelijk hoog belast 25-50 X , l a a g t o t 45 X en zeer laag belast 80-95 X verwijdering van N - K ~ ~ ~ , D i t bete-
kent. d a t nog a a n z i e n l i j k e c o n c e n t r a t i e s N e n P i n h e t e f f l u e n t aanwezig kunnen z i j n . D i t kan een bezwaar z i j n i n verband met h e t f e i t d a t deze s t o f f e n de e u t r o f i é r i n g versterken, hetgeen b i j v o o r - beeld kan leiden t o t een overmatige algengroei.
Hel; m u t e ver meren a l l e i n het e f f l u e n t opgeloste s t a f f e n d e revw t e laten passeren. A l s i l l u e t t a t i e van het grote a a n t a l ele- menten en verbindingen, is i n tabel 1 een owrzicht gegeven van het effluent van de afvaltraterzuilieriugeinrichti~ i n Dordrecht.
liarane ter PB
geleidbaathaid chlaride
oaJ.ci,um magnl?sium natrium kalium qiangasa i jaer n i t r a a t
ammciyium anorg.
ammonium org.
bicarbonaat euifaat a d f l d e f luotide O-fasfaat
con
hardheid chxoom tot.
cadmium kaper
lood zfnk
eenheid
I
concentratiegebeid7.3
-
7.5Takml I. Gamiddelde kwalithit b i o l ~ g i s e h geauivetd afvalwater t e Df*rdrecht*6
De colloIdale toestand is een toestand die tussen die van opgeloste en die van zwevende stoffen inligt. De grootte van de colloldale
deeltjes varieert van 5 m tot circa 0,2 m . ColloXden worden in
9
het algemeen bij een normale filtratie niet verwijderd, maar wel
bij hyper- of ultrafiltratie. Zij zijn niet met een microscoop
- - EP",:
waarneembaar, maar zij kunnen zichtbaar gemaakt worden ten gevolge - ' I - & - van lichtverstrooiing volgens het zogenaamde Tyndall-effect.
Een belangrijke eigenschap van colloXden is de oppervlakte-activi- teit waardoor adsorptieprocessen aan het grensvlak vast-vloeistof optreden. Bovendien nemen collolden ten opzichte van de waterige omgeving een oppervlaktelading aan, die qua grootte en teken af- hangt van de soort collold en van de eigenschappen van de omringen- de waterfase. Het optreden van die oppervlaktelading is een be- langrijke bijdrage aan de stabiliteit, die collolden in het alge- meen bezitten. Daaraan is ook toe te schrijven het feit, dat col- lolden niet aangroeien tot grotere, bezinkbare agglomeraten maar als zodanig in het water aanwezig zijn en blijven.
liet aangroeien kan bevorderd worden door de invloed van de opper- vlaktelading te verminderen. Men noemt dit destabilisatie en dit is een belangrijke stap bij het vooral bij de drinkwaterbereiding zeer vaak toegepaste coagulatieproces.
Deze destabilisatie berust op het verschijnsel van de indrukking van de dubbellaag. Aan de hand van figuur 1 zal dit nader worden uiteengezet. In figuur 1 is schematisch een colloXdaal deeltje weergegeven met een negatieve oppervlaktelading (hetgeen bij de meeste van nature in water aanwezige collolden het geval is).
"'o
V
Fig. 1. Schematische weergave van de elektrische dubbellaag
Direct rondom k e t oppervlak &vindt zich een r e l a t i e f s t e r k gebon- den
lam
teggnimen, d i e een d i k t e h e e f t vso c i r c a 1 i o n d i a m e t e r . Over deze klefne a f s t a a d neemt de p o t e n t i a a t e t e r k t o e (minder ne- g a t i e s ) van Y. t b t P,. Men noemt deze laag de Sternlaag.Volgen8 de t h e o r i e van h u y - W p w n neeat de p o t e n t i a a l v e r v o l g e n s t o e volgens onderstaande relatie ( ~ s ~ f e r @ > :
Hierin is
1 : de p o t e n t i a a l op een afstand x vanaf de Sternlaeg (V) Y,: de Sternpotentiaal ( 8 )
x : de afstand t o t h e t deeltje (i)
k : een karaktewistieke $rostheid (dimensia m-l) d i e als voLgt gedefinieerd wdrdt
met daarin n : h e t a a n t a l ionen per volume-eenheid (m-3)
B i de v a l e n t l e van de (tegen)ionen i n de dubbellaag
e : de lading van h e t e l e k t r c a (C)
E t de d i ë l e k t r i s c h e eonstsnte
k : de constante van Yloltsmann ~ ~ . b l ) T : d e absolute temperatrurr
(K)
Vomr een theoretische a f l e i d i n g wan deze betrekkingen & i j verwezen naar Díjkgraaf17.
Uiy v e r p e l i j k í n g (1) b l i j k t d a t q - 4 voor
n+-
d D i t i e een nood- a a k l f j k i e t s , aangezien de oploarsing als geheel n e u t r a a l is.Verselijking (2) k m vereenvoudigd worden door a l l e c o n s t a n t e n te
.
aanren te nemen, hetgeen l e i d t t o t ;met a n d e r e woorden k i s e v e n r e d i g m e t de w o r t e l u i t d e ionen- s t e r k t e .
D i t betekent, d a t b i j toevoeging van e x t r a tegenionen, k toeneemt en dus d a t T s t e r k e r toeneemt. De afatand, waaro.ver de p o t e n t i a a l dus ter O wordt gereduceerd, neemt a f , hetgeen een i n d r u k k i n g van de dobbellaag Prihoudt. Baardoot kunnen de d e e l t j e s e l k a a r
t o t
op k l e i n e r e afstand naderen &ander d a t de a f s t o t e n d e k r a c h t e n gaan overhearwn esidat verkLeving van d a e l t j e s up kan treden.B i j de b e c h r i j v i n g van de e l e k t r o k i n e t i s c h e eigenschappen van c o i l o T d ~ n w r d t a l s maat voor de o p p e r v l a k t e l a d i n g de z e t a p o t e n - t i a a l 5 gehanteerd. B i J de bepaling wordt g e b r u i k gemaakt van de zogaoaaaade a t e r a - e l e k t r o f o r e s e
,
waarbi j men de e o l l o ' f d e n i n een elektrisch weid Laat bewegen. B i j d a t t r a n s p o r t z a l z i c h ooi h e t d e e l t j e a l t i j d een l a w j e vloeistof handhaven, z o d a t Ben i n f e i t e*e p o t e n t i a a l w e t , d i e op d i e a f a t a n d ter d i k t e van d a t l a a g j e hberst. Men noemt het vlak h e t hydrodynamisch a f s c h u i f v l . g k an de heemende w t e n t i a a l de *tapatentiaal (figuur I ) .
Naast &e vorerrataande uiteenzetting, ten aanzten van de oppervlakte- lading van rrallo'fden en de d a a r u i t v c o r t v l w i e n d e s t a b i l i t e i t i e er o- een ander verschi jneel dat een bijdrage l e v e r t aan de s t a b i l i - teit. lM maeste van de i n water voorkomende colloTden zijja namelijk h ~ d ~ a f i e l , zadst d e ~ e ten gevolge van hydreéatie een watexmantel
em
zieh vormen. Deze watermantel zorgt dan veer de s t a b i l i t e i t .
Hoewel d i t moeilijk exact te beschrijven is, z i j n er t o c h aanwij- zingen d a t de op deze wijze verkregen s t a b i l i t e i t m o e i l i j k t e ver- breken is. Door ~ e h í ~ ~ e r s ~ ~ i s hierover gepubliceerd i n verband met de colloïden-verwijdering, d i e voor het toepassen van voor vervui- l i n g gevoelige membraansystemen b i j h y p e r f i l t r a t i e v e r e i s t is.
ColloIden komen behalve i n oppervlakte- en grondweter (bijvoorbeeld k l e i - en mineraaldeelf jes
,
humusstof f e n , Fe-hydroxydeccaplexen) ook i n afvalwater voor. Echter over de hoeveelheid en de aard ven c o l - loïden i n afvalwater is n i e t veel bekend. Bickert en ~ u n t e r ~ ~ heb- ben g e t r a c h t & verdeling van enkele parameters over de d r i e toe- standsvormen t e onderzoeken. Z i j maken de i n t a b e l 2 weergegeven scheiding naar d e e l t j e s g r o o t t e , waarbij tevens de techniek i s aan- gegeven waarmee de verschillende f r a c t i e s van e l k a a r z i i n g e s c h e i - den.I
bezinkbaarI
> l00 1supra-colloïdaal
c o l l o ~ d a a l
- - -
( 1mhof k e k e r ) centrifugeren
(14.00 tpm, 4.800 g) centrifugeren
(50.000 tpm, 62.500 g Tabel 2. Definisring van de f r a c t i e s met bijbehorende afscheidings-
techniek5'
Z i j vinden dat c e l w a n d a a t e r i a a l van b a c t e r i ë n e n o v e r b l i j f s e l e n daarvan de belangrijkste c o l l o r d a l e s t o f f e n z i j n . E r i s een duide- l i j k v e r s c h i l t e c o n s t a t e r e n i n de a a r d van de c o l l o I d e n i n h e t ruwe afvalwater en i n h e t e f f l u e n t . Bovendien i e de verhouding CZVrTM: van het collo'ldale, organische materiaal na de b i o l o g i s c h e behandeling gedaald van 3,58 naar 2 ,O0 h e t g e e n u i jst op een aan- wezigheid van meer geoxydeerd m a t e r i a a l i n h e t e f f l u e n t . De b i j - drage van de 4 f r a c t i e s aan TOC, CZV, a n o r g a n i s c h m a t e r i a a l en troebelheid i n e f f l u e n t wordt g e l l l u s t r e e r d i n t a b e l 3.
f r a c t i e anorganisch troebel-
TOC CZV materiaal heid
opgelost 69 % 74 % 97 % 9 X
colloXdaa1 6 % 5 % 1 X 23 X
s u p r a c o l l o ~ d a a l 25 % 21 % 2 % 68 % absolute concen- 24 mg/l 62 mg/l 256 mg/l 7.7 JTU t r a t i e
Tabel 3. Voorbeeld van de verdeling van een a a n t a l k w a l i t e i t s p a r a - meters over de d r i e f r a c t i e s i n een bepaald type
Samenvattend kan gesteld worden, dat met behulp van de l i t e r a t u u r - gegevens geen goed beeld kan worden verkregen van h e t e f f e c t , d a t verlaging van h e t zwevend-stofgehalte t o t gevolg z a l hebben. I n de e e r s t e p l a a t s is d i t t e wijten aan het f e i t , dat n i e t voldoende kan worden gezegd over de invloed van de zwevende s t o f op de belang- r i j k s t e parameters, zoals BZV, CZV, N, P en bacteriën- en virusaan-
t a l l e n . In de tweede p l a a t s z a l het n i e t t e achterhalen z i j n , wat
-
11-
de invloed PW een bepaald proces is up de v e r w i j d e r i n g van opge- l o # t e en co1loïdale bestanddelen. D i t g e l d t vaoral voor de l a a t s t e c a t e g o r i e s t o f f e n , aangeaien s l e c h t s weinig gegevens bekend z i j n over de eoncentraties e n over d e s a m e n s t e l l i n g van de colloXden.
Een enLele maal wordt i n de l i t e r a t u u r aalding gemáakt van deze re- l a t i e s en d i s d &ij de behandel- van h e t desbetreffende p r o e e s worden vatmeld.
B i j eventueel u i t te voeren e x p e r h e n t e n ter wemijdering van aila- vende s t o f f a za1 h e t wenselijk, zo n i e t n o o d a a k e l i j k . e i j n aan- dacht te besseden aan de eigenschappen
ara her
e f f l u e a t waarmee de experimenten z u l l e n worden uitgewoerd.Dit enalyseverk d i e n t zich dan t e r_fehten qp de volgende a s d e r v e r - pen.
1. Bepaling
wan
zwevende s t ~ f f e n , zowel qua hoeveelheid a l s p a sa- menstelling.2. Bepaling van her collorcigehaltc, wet net inhegrip van de aamen- s t e l l i n g ,
Mn e n ander m l moeten resulterm i n een -tb, d i e h e t verband aangeeft tuseen zwevend s t o f en c a l l o l d e n e n e r z i j d s e n de a n d e r e grmtheden [BZP, CZV, enz.) anderaijds. Dearmee i s dan t e v e n s een betar beeld
re
verkrijgen van de e f f s c t i v i t e i t van de i n h e t vol- gende hoo5dstuk t e noemen zuiveringeprocessan.Voor ile e r w i j d e r i n g van zwevende e t o f f e n is i n principe een g r o o t a a n t a l processen beschikbaar. In h e t nu vogpnde zal een o v e r z i c h t worden gegeven van d i e proceseen waarbi j deze t e v e n s k o r t z u l l e n worden tcegelicht. De meest aantrekkelijke processen z u l l e o vervol- gens i n de hoofd%tuitbn 4 t / m
7
uirsc>erig worden beeproken.1. Vlokvorming en vlokwrryijdering
Hoeilijk bezinkbare s t o f f e n en c o l l o X d a l e d e e l t j e s kunnen m e t behvlp van h e t vl;okvormingsprocas worden omgezet i n gemakke- l i j k a f s c h e i d b a ~ e ul&ken. Er i s een a a n t a l mechanisaiea, vol- gens welke d i e m e t t i n g kan elaatsvtnden. Wel d i e n t a l t i j d na de vlokworating een v l o k v e r d j d e r i n g te worden t o e g e p a s t ( b i j - voorbeeld f i l t r a t i e , sedimentatie @f f l o t a t i e ) ,
2. F i l t r a t i e
D i t Zo een zeer vaak taegepast pw.c-es voor de v e r w i j d e r i n g van zwveade s t o f f e n . E r z i j n een g r o o t a a n t a l uitvoeringsvormen bekend, waarbij het principe e c h t e r b e t a e l f d e i a , n a m e l i j k d a t h e t met gesuspendeerd m a t e r i a a l v e r o n t r e i n i g d e water doer een bed van imrrelvormig materiaal stroomt. boor f y s i s c h e e n che- misch- fysische i n t e r a c t i e s tussen de zwevende d e e l t j e s e n h e t f i l t e r i n a t e r i a a l warden deze i- de p o r i ë n van h e t f i l t g r b e d achter@houBen.
3. Microzeving
De yerwijdering van zwevende s t o f f e n met microzeven b e r u s t op z e i v e r mechanische f i l t r a t i e van d i e s t o f f e n . E r wordt g e b r u i k gemqakt van een roterende trommel, waarop gaas met microscopisch k l e i n e poriën (20-60 um) i s gespannen. Door d a t g a a s wordt h e t
zwevend materiaal afgevangen.
4. Sedimentatie
H i e r b i j wordt gebruik gemaakt van het f e i t , d a t een gedeelte van h e t gesuspendeerde materiaal van n a t u r e geneigd i s om z i c h t e n gevolge van g r a v i t a t i e k r a c h t e n neerwaarts t e bewegen.
Indien e c h t e r de dichtheid van h e t materiaal s l e c h t s weinig ver- s c h i l t n e t d i e van h e t water, kan de voor een goede verwijdering v e r e i s t e b e z i n k t i j d erg lang worden. Men kan d i t opvangen door a. de dichtheid t e veranderen d o o r b i j v o o r b e e l d polymeren a a n
h e t water t o e t e voegen, waardoor e e n zwaarder a g g l o m e r a a t o n t s t a a t a l s d i e polymeren d i e d e e l t j e s door a d s o r p t i e v e krachten binden; of
b. de oppervlaktebelasting te verlagen, hetgeen i n lamellensepa- r a t o r e n b e r e i k t wordt.
5. F l o t a t i e
D i t is een proces. waarbij de v a s t e d e e l t j e s naar h e t g r e n s v l a k w a t e r - l u c h t worden g e t r a n s p o r t e e r d door t e b e v o r d e r e n , d a t kunstmatig i n h e t water gebrachte l u c h t b e l l e n zich aan de v a s t e s t o f f e n hechten. Daardoor wordt de t o t a l e dichtheid k l e i n e r dan d i e van water, hetgeen i n een opwaartse beweging r e s u l t e e r t . 6. Vloei-, r i e t - of biezenvelden
Door het e f f l u e n t van een z u i v e r i n g s i n r i c h t i n g over v l o e i v e l d e n t e l a t e n stromen, kan e e n v e r w i j d e r i n g van zwevend m a t e r i a a l worden verkregen. Het komt dan i n principe n e e r op h e t c r e ë r e n van een e x t r a v e r b l i j f t i j d , gedurende welke s e d i m e n t a t i e kan optreden. Is e r bovendien nog r i e t - of b i e z e n b e p l a n t i n g aanwe- z i g , dan kan nog een e x t r a biologische zuivering optreden.
7. Nabehandelingsvijvers
Hiervoor g e l d t nagenoeg h e t z e l f d e a l s wat voor de vloeivelden is gezegd.
8. A c t i e f - k o o l f i l t e r s
De verwijdering van zwevend m a t e r i a a l v i n d t p l a a t s v o l g e n s de mechanismen d i e b i j een normale f i l t r a t i e o p t r e d e n . Bovendien vindt nog een e x t r a verwijdering van organische s t o f f e n p l a a t s t e n gevolge van de g r o t e adsorptieve eigenschappen van a c t i e v e
kool. Ook kan een biologisch-chemische z u i v e r i n g i n een kool- -%
- 7 -
f i l t e r optreden. m
- -
t '9. Membraanprocessen
g, -
Met behulp van hyper- en u l t r a f i l t r a t i e k a n ook verwijdering van gesuspendeerd materiaal worden verkregen. Bovendien worden c o l - lo'idale s t o f f e n en ook opgeloste s t o f f e n u i t de produktiestroom
geweerd. B i j u l t r a f i l t r a t i e worden voornamelijk r e l a t i e f g r o t e organische moleculen ( e i w i t t e n , koolhydraten e.d.) door het mem- braan tegengehouden. B i j h y p e r f i l t r a t i e worden bovendien nog k l e i n e r e ionen (anorganische zouten) tegengehouden.
Bovenstaande processen z i j n , z o a l s gezegd, i n p r i n c i p e g e s c h i k t voor de verwijdering van zwevende stoffen. E r z i j n e c h t e r s l e c h t s een paar processen, d i e reeds op g r o t e schaal worden t o e g e p a s t b i j de t e r t i a i r e behandelingen d i e verlaging van het zwevend-stofgehal- t e beogen. D i t z i j n f i l t r a t i e (met name s n e l f i l t r a t i e , e n v r o e g e r ook langzame z a n d f i l t r a t i e ( z i e hoofdstuk 5 ) , microzeving en, voor- a l i n Engeland, nabehandelingsvijvers. Het c o a g u l a t i e p r o c e s wordt vooral i n de l a a t s t e jaren steeds vaker t o e g e p a s t i n verband met h e t vraagstuk van de fosfaatverwijdering. De o v e r i g e n z i j n minder vaak toegepast, voornamelijk gezien de r e l a t i e f hoge k o s t e n , d i e d i e processen met zich meebrengen, hetgeen i n hoofdstuk 8 nader z a l worden uiteengezet.
In de nu volgende hoofdstukken 4 t / m 6 z u l l e n enkele processen u i t - voerig worden besproken, t e r w i j l de overigen i n hoofdstuk 7 u i t het oogpunt van volledigheid wat uitvoeriger dan hierboven z u l l e n wor- den toegelicht.
4.1 Principes van het vlokvormingsproces
B i j de drinkwaterbereiding wordt t e r v e r w i j d e r i n g van urn (jroor a a n t a l typen v e r o n t r e i n i g i n g e n g e b r u i k gemaakt van h e r r l o k v o r - mingaproces. Daartoe wordt aan h e t t e behandelen water een vlokmid- d e l toegevoegd, waardoor t e n gevolge van chemische e n l o f f y s i s c h e i n t e r a c t i e s e e n v l o k wordt gevormd, d i e m e t €€n van de bekende vlokverwijderingstechnieken van de waterfase kan worden a f g e s c h e i - den.
I n de l i t e r a t u u r geven de diverse begrippen n o g a l eens a a n l e i d i n g t o t misverstanden. Vaak wordt namelijk gesproken over h e t coagula- tieproces, waarbij dan wordt bedoeld de vorming van o n o p l o s b a r e d e e l t j e s (vlokken), met de bedoeling deze m e t behulp van een vlok- verwijderingstechniek van de waterfase af t e scheiden. De Commissie Vlokvorming en Vlokverwi jdering van h e t KIWA h e e f t z i c h met deze problematiek beziggehouden en h e e f t de volgende d e f i n i t i e s opge- s t e l d (Mei jers45).
Coagulatieproces : üieronder wordt doorgaans v e r s t a a n h e t g e h e l e gebeuren van h e t d o s e r e n van v l o k m i d d e l , d e vlokvorming en de vlokverwi jdering
.
Vlokvorming : D i t i s het proces d a t optreedt na d e g t a b i l i s a t i e en i s een algemeen b e g r i p voor a l l e p r o c e s s e n van microvlokvorming en vlokgroei.
De term coagulatieproces wordt dus t e n onrechte gebezigd (maar i s wel erg ingeburgerd) aangezien de e i g e n l i j k e betekenis i s h e t ver- s c h i j n s e l van de d e s t a b i l i s a t i e van colloIden. I n d i t r a p p o r t z a l zo veel mogelijk de j u i s t e nomenclatuur worden g e b r u i k t d a t w i l zeggen coagulatie voor d e d t a b i l i s a t i e e n vlokvorming voor micro- vlokvorming en vlokaangroei.
I n het nu volgende zullen enkele belangrijke f a c e t t e n van het vlok- vormingsproces worden toegelicht namelijk:
-
de vlokmiddelen, d i e voor h e t proces worden gebruikt;-
de mechanismen, d i e b i j coagulatie een r o l spelen;-
de vlokaangroei;-
de uitvoeringsvormen van h e t proces.Eén en ander z a l worden beschreven volgens l i t e r a t u u r v e r w i j z i n g e n vanuit de drinkwaterbereiding. Getracht z a l worden, waar d i t moge- l i j k i s , de afvalwaterbehandeling i n het geheel t e betrekken.
Met name z a l dan de fosfaatverwijdering t e r sprake komen, omdat d i t aspect van t e r t i a i r e behandelingstechnieken n a a s t de f o s f a a t v e r - wijdering op zich tevens een a a n z i e n l i j k e r e d u c t i e aan zwevende
s t o f f e n t e zien z a l geven.
De b i j het vlokvormingsproces meest t o e g e p a s t e vlokmiddelen z i j n zouten van driewaardige metalen s o a l s FeC13, Fe2(S04)3 en
A12(S04)3. In principe kunnen ook zouten van tweewaardige metaalionen worden toegepasr maar zoals i n ho&dszuk 4.1.3 z a l b l i j k e n z i j n de- ze minder e f f e c t i e f en daardoor
i s
meer van h e t vlokmiddel v e r e i s t dan i n h e t geval h e t metaal driewaardig is.H e t driewaardige Fe- of Al-ion i s i n water omringd door 6 coördina- t i e f gebonden watermoleculen i n een octaëdrische omringing,
B i j toenemende pH kunnen de volgende h y d r o l y s e s t a p p e n o p t r e d e n (v.d. 6iessen23).
Bovendien kunnen r e a c t i e s optreden, waarbij verbindingen met meer dan &én Fe-atoom worden gevormd (zogenaamde p o l y n u c l e a i r e comple- xen).
Voor de hydrolyse van h e t Al-ion kunnen a n a l o g e evenwiehtsverge- l i j k i n g e n worden opgeschreven, e n ook h i e r kunnen complexen met meerdere Al-atomen worden gevormd.
De vorming van de hydrolyseprodukten verloopt zeer s n e l , evenals de polymerisatiereacties, d i e bovendien i r r e v e r s i b e l z i j n . Omdat nu j u i s t het ~ e ~ + - en h e t ~ e ( ~ ~ ) ~ + - i o n een belangrijke r o l b i j de des- t a b i l i s a t i e van rolloYden spelen, i s h e t gewenst d a t h e t gedoseerde vlokmiddel zo s n e l mogelijk homogeen over de v l o e i s t o f wordt ge- mengd. Naast de d e s t a b i l i s a t i e is ook de voíming van h e t onoplos- bare Fe(OH13 en Al(OH13 van belang, hetgeen i n h e t volgende hoofd- s t u k z a l worden uiteengezet.
Naast de hierboven genoemde vlokmiddelen wordt ook gebruik gemaakt van organisahe vlokmiddelen. D i t z i j n meestal organische polymeren, d i e een belangrijke r o l kunnen spelen b i j de zogenaamde adsorptieve coagulatie, hetgeen i n paragraaf 4.1.3 aan de o r d e z a l komen. De gebruikte polymeren bestaan u i t lange ketens met daaraan i o n i s e e r - bare groepen en worden aangeduid a l s polyelectrolieten. Onderscheid kan warden gemaakt i n
eije jet-s~~):
a. katIonische polymeren, d i e een positieve lading hebben (bijvoor- beeld ~olydialkyldimethylammonium);
b. nanioniscke, d i e i n water nagenoe n e u t r a a l z i j n ( b i j v o o r b e e l d polyacrylamide) ;
c. anionische m e t een negatieve lading, ( z o a l s polyacrylruur en ge- activeerd kiezelzuur).
Vaak ook worden deze s t o f f e n toegevoegd a l s vlokhulpmiddel na do- s e r i w van Fe- of Al-zouten, met a l s doel een v l o k met b e t e r e be- zinkeigenschappen t e creëren.
Tenslotte z i j een b i j de a f v a l w a t e r z u i v e r i n g v e e l g e b r u i k t vlok- middel genoemd, namelijk kalk.
D i t wardt vaak toegepaat b i j fosfaatverwijdering i n de vorm van Ca(OH)2, waarbij de volgende r e a c t i e s worden verondersteld te ver- lopen: ( ~ ö ~ e 1 5 2 )
5 ca2+
+
3 ~ 0 4 3 - f OH- ---r Ca5(P04)30tl ( a p a t i e t ) 3 ~ a 2 ++
2 ~ 0 4 ~ '-
C ~ ~ C P O ~ ) ~ (Ca-fosfaat)caa+
+
H P Q ~ ~ --
Ga HP04 (Ca-hydrofosfaat)Uiteraard z i j n vorenstaande r e a c t i e s vereenvoudígd (aan h e t bestaan
van
wordt m g g e t v f j f e l d ) , maar z i j geven het principe weer d a t de fosfaatverwijdering berust op de vorming van onoplosbare Ca- foefaatverbindingen.Naast kalk is ook het gebruik van Fe of A l mogelijk, aangezien dan h e t onoplosbare Fep04 of AlPo4 gevormd wordt. De keuze van h e t mid- d e l , d a t voor fosfaatverwijdering wordt g e b r u i k t , wordt door een g t o o t a a n t a l factoren bepaald (zoals de te behandelen volumestroom, P-concentratie, de a l k a l i t e i t enz.).
Als d u i d e l i j k e nadelen van kalk worden door genoemd:
a. De grote hoeveelheden s l i b , d i e ontstaan.
b. Een gedeelte van h e t ca2+ wordt gebonden door carbonaationen zo- d a t i n overmaat moet worden gedoseerd.
c. E r t r e e d t een s t e r k e pH-stijging op.
d. De meet- en regelinstrumentatie i s kostbaar en kwetsbaar.
Teh aahzien van punt a d i e n t t e worden vermeld, d a t ook Fe- e n A l - zouten een e x t r a slibhoeveelheid met zich meebrengen, evenwel min- der dan b i j gebruik van kalk. B i j gebruik van Fe of A l t r e e d t een vetdubbeling op van de hoeveelheid s l i b vergeleken met d e conven- t i o n e l e zuivering, t e r w i j l d i t met k a l k ook h e t g e v a l i s e n soms z e l f s met een f a c t o r 3 t o t 6 kan toenemen. Met kalk z i j n e c h t e r al- t e r n a t i e v e uitvoeringsvormen bekend, d i e een g e r i n g e s l i b t o e n a m e veroorzaken.
Een vergelijking tussen Fe- e n Al-verbindingen l e e r t , d a t i n de meeste gevallen de t o e p a s s i n g van Fe g e p r e f e r e e r d wordt. I n de e e r s t e p l a a t s omdat de Al-verbí'ndingen, d i e goed o p l o s b a a r z i j n , r e l a t i e f duur, t e r w i j l de goedkopere s l e c h t o p l o s b a a r z i j n . En i n _
-
de tweede p l a a t s z i j n de Al(ûH)3-vlokken l i c h t e r dan de Fe(OH)3-
vlokken, waardoor z i j minder goed bezinken.
,. i
Tenslotte dient voor de volledigheid genoemd t e worden, d a t i n de l a a t s t e jaren een a a n t a l nieuwe vlokmiddelen op de markt z i j n geko- men. bijvoorbeeld
PM
-
poly-aluminiumchloride met a l s algemene formule Aln(0H),AVR
-
een Zweeds produkt eveneens op basis van aluminium.Deze verbindingen z i j n a l l e r e e r s t goedkoper dan de a n d e r e Al-zou- t e n , t e r w i j l de e f f e c t i v i t e i t b i j de waterzuivering g r o t e r l i j k t t e z i j n .
Men onderscheidt een a a n t a l mechanismen, volgens welke h e t coagula- t i e proces kan verlopen (0skam49) :
a. e l e k t r o s t a t i s c h e coagulatie
b. adsorptieve c o a g u l a t i e , waaronder de zogenaamde f l o c c u l a t i e
v a l t . Y
c. p r e c i p i t a t i e (zogenaamde "Sweep Coagulation").
De mechanismen zullen achtereenvolgens nader worden toegelicht. -
.-
ad. a. De e l e k t r o s t a t i s c h e coagulatie berust op d e s t a b i l i s a t i e van '
.
- \ ,colloIden ten gevolge van indrukking van de dubbellaag. I n hoofdstuk 3 (pag. 9 ) i s reeds het karakter van de dubbellaag beschreven.
Tevens is a f g e l e i d , d a t de d i k t e van de e l e k t r i s c h e dubbel- laag kan worden verkleind door h e t verhogen van de ionen-
s t e r k t e . Langs experimentele weg hebben S e h u l t z e en Hardy reeds voor 1900 gevonden, d a t driewaardige ionen veel effec- t i e v e r aijn ban twee- of eenliaardige ionen, m i e e r e t i s c h b z i
worden a f g e l e i d , d a t de e f f e c t i v i t e i t afneemt met de be w c h t van de waardigheid, d o t dl -gen
36 : 26 : 16 = 729 : 64 : I
D i t betekent, d a t b i j dosering
van
fi3+-of A l N menm o e t
trachten om deze d r i e w a a r d i e e ionen zo s n e l m o g e l i j k over de gehele v l o e i s t o f te mengen v o o r d a t d e hydrolyse- r e a c t i e s hebben laat%evonden. d e p r a k t i j k z u l l e n voor-P-
namelijk her Fe3$- en h e t Be(OB)
+
i o n voor de des- t a 3 > i l i s a t i c versntwoerdelijk s i j n .Ten ~ e v o i g e van de indrukking van de d u b b e l l a a g worden de afstotende krachten tussen de d e e l t j e s o n d e r l i n g pas werk- zaam op e m g e r i n g e r e a f s t a n d .
Ie
d i e a f s t a n d d u s d a n i g k l e i n . d a t de aantrekkende v.d. Waals-krachten gaan oear- heersen dan kan i n een g u n s t i g g e v a l v e r k l e v i n g o p t r e d e n , zodat de d e s t a b i l i s a t i e een f e i t is g m r d e n .B e t verloop yan de d e s t a b f l i s a t i e kan worden gevolgd door znetíng vain de seta-potentiaal. kfulfar60 g e e f t de i n
tabej. 4 &egeven e r i t e r i a voor de s t a b i l i t e i t vaa e o l l o r d c n b i j diverse waarden van de e e t r p e t e n t i a a l .
stabiliteitskarakteristiek
I
zeta-potentiaal (MV)maximale coagulatie
+
3 t o t O1
lui tstekende & a g u l a t i e
-
l t o t - 4matige earagiulaZie
-
5 t o t-
10$renswarde c w u l a t i e
-
11 t&-
20geringe s t a b i l i t e i t
-
21 t o t-
30I
matige s t a b i l i t e i t
-
31 t o t-
40goede s t a b i l i t e i t
-
41 t o t-
50z e e r g o d e s t a b i l i t e i t
-
61 t o t-
&OTabel 4. S t a b i l i t e i t h i j uerschillende waarden van de z e t a - p a t e n r i a a i
Deze t a b e l suggereert, d a t w x i a a l e coagulatie o p t r e e d t b i j een seta-potentiaal van c i r c a O
mv.
Voor een a a n t a l veront- reinigingen z a l d a t inderdaad h e t geval z l j n , doch ean een algemene s t e l r e g e l kan men n i e t spreken. Voot e l k type water bullen de optimale omstandigheden voor d e s t a b i l i s a t i e dan ook moet& worden bepaald,ad. b. Msorptirgve coagulatie
De gevoratde hyd rolyseprodukt en van Fe- e n Al-zouten hebben de eigewchap, d a t ze zeer s t e r k adsorberen aan e e n opper- vlak.
D i t g e l d t vooral ook voer d e p o l y n u e l e a i r e m e t a a l v e r b l n - dingen.
I n d i t @va1 vindt de d e s t a b i l i s a t i e p l a a t s door a d s o r p t i e wan de metaalhydrorrylconip1a~n. Indien d i e coaplsxen een po- s i t i e v e lading hebben, hetgeen bij een pH brineden h e t ieo- e l e k t r i s c h punt h e t geval is, dan s p e e l t de e l e k t r o s t a t i s c h e c ~ a ~ u l a t i c eveneens een rol.
Boven het i s o g l e k t r i s c h punt z i j n de metaalcomplexen nega- t i e f geladen en i s e r u i t s l u i t e n d sprake van a d s o r p t i e . In- d i e n de metaalcomplexen r e l a t i e f g r o o t z i j n , kunnen deze tevens als brugvormers d i e n s t doen.
D i t s p e e l t vooral een r o l b i j de adsorptieve c o a g u l a t i e met polymeren, de zogenaamde f l o c c u l a t i e . De h o e v e e l h e i d gedo- seerd polymeer i s h i e r b i j b e l a n g r i j k . B i j een t e g e r i n g e d o s e r i n g t r e e d t na de d e s t a b i l i s a t i e r e s t a b i l i s a t i e op, waarbij de polymeerketen z i c h op meerdere p l a a t s e n i n de keten aan h e t d e e l t j e v a s t z e t . B i j een o v e r d o s e r i n g wordt e l k d e e l t j e geheel bedekt door het polymeer-molecuul, z o d a t geen brugvorming meer optreedt. Het gebeuren i s ach @&.Q@-.
weergegeven i n f i g . 2 (sontheimer67). ~ Y U -- L
-
-, 'y., 8
-
Fig. 2. Schematische weergave van polymeer-flocculatie reactie
1
5
Zoals reeds eerder i s gezegd kunnen de polymeren een anio- n i s c h , een kationisch of een non-Ionisch k a r a k t e r hebben.
Met polymeren met een ladingsteken a l s d a t van h e t c o l l o I d vindt de uitvlokking p l a a t s door a d s o r p t i e e n brugvorming-:
evenals b i j de ongeladen polymeren. B i j polymeren met e e n l a d i n g , tegengesteld aan d i e van het collo'ld, kan t e v e n s de e l e k t r o s t a t i s c h e c o a g u l a t i e een r o l spelen.
Voor een meer uitgebreide b e h a n d e l i n g wordt verwezen naar ei jers45.
ad. c . P r e c i p i t a t i e ("Sweep Coagulation")
Deze vorm van coagulatie i s gelntroduceerd door Packham, d i e h e e f t gevonden d a t i n h e t w a t e r aanwezige d e e l t j e s worden verwijderd doordat d i e i n de massa van de u i t v l o k k e n d e hy- drolyseprodukten worden i n g e s l o t e n . H i j b a s e e r d e d i e u i t - spraak op een a a n t a l waarnemingen, gedaan b i j v e r w i j d e r i n g van k l e i d e e l t j e s
.
Enkele voorbeelden e i jn:2 Vlokvorming
omschrijving
Adimrptli bij optim*la polymaai.dosaring
VldImfbraik door tagrota wrt/vingskraehtan
.schstiache weergave
O 4 t h
pohlnar cdloid g.dU1.b.
d n l t *
vbitieynnntan v a B
a. d e c o a g u l a t i e hangt s t e r k a f van h e t t y p e v l o k m i d d e l e n d e s a m e n s t e l l i n g van h e t w a t e r e n i n v e e l m i n d e r e mate van de eigenschappen van d e k l e i d e e l t j e s ;
b. d e o p t i m a l e werking van Fe- e n Al-zouten i s onder d i e om- s t a n d i g h e d e n , d a t ze h e t s n e l s t p r e c i p i t e r e n ;
c . h e t a l of n i e t o p t r e d e n v a n v l o k v o r m i n g c o r r e s p o n d e e r t n i e t met d e r e d u c t i e van d e z e t a - p o t e n t i a a l .
I n de p r a k t i j k z a l deze vorm van c o a g u l a t i e vaak o p t r e d e n . Een v a n d e redenen i s , d a t m e e s t a l g e w e r k t w o r d t b i j e e n pH v a n 7
a
8 , w a a r b i j p r e c i p i t a t i e van Fe(OH)3 e n Al(OH)3 v r i j gemakkelijk op-t r e e d t .
H e t z a l d u i d e l i j k z i j n , d a t de f o s f a a t v e r w i j d e r i n g b i j d e a f v a l w a - t e r z u i v e r i n g een p r e c i p i t a t i e p r o c e s i s , v o o r z o v e r h e t o p g e l o s t e f o s f o r v e r b i n d i n g e n b e t r e f t .
Stumm en 0't4elia72 maken h e t verband t u s s e n a d s o r p t i e v e c o a g u l a t i e e n neerslagvorming d u i d e l i j k . Z i j tonen aan d a t b e i d e methoden e l - k a a r min of meer a a n v u l l e n . I n f i g . 3 i s d e c o a g u l a t i e met b e h u l p van Fe- o f Al-zouten b i j c o n s t a n t e pH echematisch weergegeven v o o r een a a n t a l c o n c e n t r a t i e s aan c o l l o i d a a l m a t e r i a a l . u i t g e d r u k t i n
-
een o p p e r v l a k t e c o n c e n t r a t i e , omdat d i t voor a d s o r p t i e van e e l b e l a n g is.
F i g . 3. Schematische weergave van de c o a g u l a t i e met Fe- o f Al-zou- t e n b i j c o n s t a n t e pH
U i t deze f i g u u r b l i j k t , d a t b i j een l a g e c o n c e n t r a t i e S I a a n col- l o f d a a l m a t e r i a a l geen a d s o r p t i e v e c o a g u l a t i e o p t r e e d t omdat h e t b e s c h i k b a r e oppervlak te k l e i n i s .
Verhoging van d e d o s e r i n g l e i d t t e n s l o t t e t o t p r e c i p i t a t i e van Fe(OHj3 of Al(OH)3. Wordt nu de c o l l o i d c o n r e n t r a t i e verhoogd t o t b i j v o o r b e e l d S3, dan t r e e d t wel een a d s o r p t i e v e c o a g u l a t i e op. D i t i s t e v e n s een v e r k l a r i n g voor de i n de p r a k t i j k soms t o e g e p a s t e do- s e r i n g van b e n t o n i e t ( e e n bepaald t y p e m i n e r a l e k l e i ) of g e a c t i - veerd k i e z e l z u u r . Beiden verhogen n a m e l i j k h e t v o o r a d s o r p t i e be- s c h i k b a r e o p p e r v l a k , h e t g e e n l e i d t t o t u i t v l o k k i n g b i j e e n Fe- o f Al-dosering, d i e a a n m e r k e l i j k l a g e r is dan d i e , welke voor p r e c i p i - t a t i e i s v e r e i s t .
Samenvattend kan g e s t e l d worden d a t van de b e s c h r e v e n mechanismen d e a d s o r p t i e v e c o a g u l a t i e de meest optredende vorm i s . I n d e p r a k -
