DE69012148T2

DE69012148T2 - Abwasserbehandlung unter Verwendung eines Kreislaufes von hochdichtem Schlamm.

Info

Publication number: DE69012148T2
Application number: DE69012148T
Authority: DE
Inventors: Roger N. Spring Tx 77379 Kust; Surendra K. The Woodlands Tx 77381 Mishra; E. Stuart Wexford Pa 15090 Savage; Thomas H. The Woodlands Tx 77386 Wentzler
Original assignee: Tetra Tech Inc
Current assignee: Tetra Tech Inc
Priority date: 1990-03-05
Filing date: 1990-11-30
Publication date: 1995-01-05
Anticipated expiration: 2010-12-01
Also published as: DK0518871T3; US5039428A; US5039428B1; CA2077460C; JP3241374B2; NO923470D0; NO923470L; ATE110700T1; NO301636B1; AU648059B2; ES2059116T3; JPH05504910A; EP0518871B1; CA2077460A1; AU7075191A; EP0518871A1; DE69012148D1; WO1991013833A1

Description

Die Erfindung betrifft ein verbessertes Verfahren zur Entfernung von gelösten Metallen aus Abwasser unter Rückführung von hochdichtem Schlamm. Insbesondere nutzt das Verfahren einen Rückführungs-Beipaßstrom vor der Schlammabtrennstufe, um die Feststoffbelastung in der Schlammabtrennstufe zu verringern. Das Verfahren kann auch eine Feststoffklassierungsstufe umfassen, um vorzugsweise die kleineren Feststoffteilchen, die aus dem Abwasser ausgefällt wurden, zurückzuführen und die größeren Teilchen, die aus dem Abwasser ausgefällt wurden, auszusondern.
Die Entfernung gelöster Metalle aus Abwasserströmen ist bei vielen großtechnischen Anwendungen erwünscht. Die gelösten Metalle umfassen Eisen, Aluminium, Magnesium, Zink und Mangan. Typischerweise sind die gelösten Metalle im Abwasser als Chloride und Sulfate vorhanden. Zum Beispiel kann Eisen als Eisen(II)-chlorid (FeCl&sub2;), Eisen(III)- chlorid (FeCl&sub3;), Eisen(II)-sulfat (FeSO&sub4;) und Eisen(III)-sulfat [Fe&sub2;(SO&sub4;)&sub3;] vorliegen. Die Chlorid- und Sulfatsalze der gelösten Metalle erzeugen ein saures Milieu im Abwasser aufgrund einer Auflösung der Salze in ionische Formen. Eisen(III)-chlorid (FeCl&sub3;) löst sich in Wasser z. B. in Form von dreiwertigen Eisenionen (Fe³&spplus;) und Chloridionen (Cl&supmin;).
Gelöste Metalle enthaltendes Abwasser entsteht bei zahlreichen großtechnischen Verfahren. Zum Beispiel treten saure Abwässer, die gelöstes Eisen enthalten, bei der Bergwerksentwässerung als Folge des Betriebs von Bergwerken auf. Bekannte Verfahren zur Behandlung von Abwasser, das gelöste Metalle enthält, beinhalten das Kontaktieren des Abwassers mit einem alkalischen Material, wie Natriumhydroxid. Die Hydroxidverbindung führt dazu, daß die gelösten Metalle in Form der entsprechenden Metallhydroxidverbindungen ausfallen. Ein Beispiel für diese Reaktion ist:
Fe&sub2;(S&sub4;)&sub3; + 3 Ca(OH)&sub2; -> 2 Fe(OH)&sub3; + 3 CaSO&sub4;
Wie vorstehend festgestellt wurde, bildet Eisen(III)-sulfat [Fe&sub2;(SO&sub4;)&sub3;] dreiwertige Eisenionen (Fe³&spplus;) und Sulfationen (SO&sub4;²&supmin;) im Abwasser. Eisen(III)-hydroxid [Fe(OH)&sub3;] ist im allgemeinen unlöslich und bildet einen Niederschlag. Der Metallhydroxid-Niederschlag wird aus dem Wasser in einer Absetzvorrichtung, wie einer Eindickvorrichtung, abgetrennt. Die Absetzvorrichtung bildet einen Schlamm, der abgesetztes Material enthält, und ausströmendes Wasser, das relativ frei von Feststoffen und gelösten Metallen ist.
Bei bekannten Methoden unter Anwendung dieses Verfahrens ist, insbesondere von Kostenbader (US-Patent 3 738 932), versucht worden, dieses Verfahren zu verbessern, indem ein Anteil des ausgefällten Schlammaterials zurückgeführt wird. Mit Bezug auf Fig. 1 ist ein Prozeßablaufdiagramm für das Kostenbader-Verfahren gezeigt. Ein Abwasserstrom 1, der gelöste Metalle enthält, wird mit zurückgeführten Teilchen, die Hydroxylgruppen (OH&supmin;-Gruppen) enthalten, in einem Fällungsreaktor 2 in Kontakt gebracht, um Metallhydroxide auf der Oberfläche der zurückgeführten Teilchen auszufällen. Der behandelte Abwasserstrom 3 wird in eine Trennvorrichtung 4 eingeführt, die einen Strom 5 ausströmenden Wassers und einen Schlammstrom 6 bildet. Der Strom 5 ausströmenden Wassers ist relativ frei sowohl von gelösten Metallen als auch von ausgefällten Metallhydroxiden.
Ein Teil des Schlammstroms 6 wird als Abfallschlamm 8 ausgesondert, und ein Teil wird als Rückführschlammstrom 7 zurückgeführt, um zurückgeführte Teilchen für den Fällungsreaktor 2 bereitzustellen. Der Rückführschlammstrom 7 wird in einen Adsorptionsreaktor 9 zusammen mit einem alkalischen Reagenz 10 eingeführt, wobei das alkalische Reagenz 10 Hydroxylionen (OH&supmin;) bildet, die auf den Oberflächen der zurückgeführten Teilchen im Rückführschlammstrom 7 adsorbiert werden. Der Strom 11 aus dem Adsorptionsreaktor 9, der zurückgeführte Teilchen mit adsorbierten Hydroxylgruppen (OH&supmin;) enthält, wird anschließend in den Fällungsreaktor 2 eingeführt. Es ist darauf hinzuweisen, daß jedes einzelne zurückgeführte Teilchen als ein Metallhydroxid-Niederschlagsteilchen beginnt, das dann kontinuierlich Lage um Lage durch Hydroxylionen (OH&supmin;-Ionen) und anschließend durch Metallhydroxid-Niederschläge, die an die Oberfläche des Teilchen addiert werden, wächst, während es kontinuierlich im Kreis geführt wird.
Typischerweise handelt es sich bei der Abtrennvorrichtung 4 um eine Eindickvorrichtung. Die Eindickvorrichtung stellt im wesentlichen ein großes Volumen bereit, wo Metallhydroxid-Niederschläge, die dichter als Wasser sind, sich am Boden der Eindickvorrichtung aufgrund der Schwerkraft absetzen und eine Zone von vergleichsweise klarem, feststofffreiem Wasser im oberen Teil der Eindickvorrichtung zurücklassen.
Die Absetzgeschwindigkeit der Metallhydroxid-Niederschläge hängt von vielen Faktoren, wie der Dichte der Niederschläge relativ zur Dichte des Wassers, der Größe der Niederschlagsteilchen und der Oberfläche der Eindickvorrichtung, ab. Es ist darauf hinzuweisen, daß die Oberfläche, die für eine Eindickvorrichtung erforderlich ist, mit der Art und der Menge der Niederschlagsteilchen, die abgetrennt werden, variiert. Ein Anstieg der Menge an Niederschlagsteilchen, die sich absetzen sollen, erfordert normalerweise eine Vergrößerung der Oberfläche der Eindickvorrichtung.
Das Kostenbader-Patent lehrt, daß ein Schlammstrom, der vorzugsweise 20 bis 30 lb Niederschläge enthält, pro lb gelöster Metalle im Abwasserzufluß zurückgeführt wird (Spalte 5, Zeilen 49 - 52; Spalte 3, Zeilen 37 - 40). Der hauptsächliche Vorteil der Methode des Kostenbader-Patents besteht darin, daß sie einen hochdichten Schlamm erzeugt, der 15 bis 50 Gew.-% Feststoffe enthält, im Gegensatz zu anderen Methoden ohne Rückführung, die Schlamm mit nur 1 bis 2 Gew.-% Feststoffen erzeugen (Spalte 1, Zeilen 42-44).
Da bei der Rückführmethode des Kostenbader-Patents eine große Menge an zurückgeführten Feststoffen pro lb gelöster Feststoffe, die gefällt werden sollen, verwendet wird, erfordert es eine Eindickvorrichtung - die am häufigsten verwendete Abtrennvorrichtung für diese Anwendung - mit einer großen Oberfläche. Dies führt zu dem Nachteil, daß bei einem Abwasserzufluß mit hohen Konzentrationen an gelösten Metallen die Menge an zurückgeführten Feststoffen erhöht werden muß und daß daher die Oberfläche der Eindickvorrichtung vergrößert werden muß. Das Kostenbader-Verfahren kann also eine große Anzahl an Eindickvorrichtungen oder Eindickvorrichtungen von unzweckmäßiger Größe erfordern, wenn der Abwasserzufluß hohe Konzentrationen an gelösten Metallen aufweist. Daher ist das Kostenbader-Verfahren im allgemeinen wenig wirksam oder nicht zweckmäßig für die Entfernung von gelösten Metallen aus Abwasserströmen mit hohen Konzentrationen an gelösten Metallen.

Bespiel 1

Ein Beizbadabwasser, das bei der Reinigung eines Stahlrohrs erhalten wurde und 42 g/l (0,35 lb/gal) zweiwertiges Eisen (Fe²&spplus;) und 3,5 Gew.-% freie Schwefelsäure enthielt, wurde gemäß der Lehre des Kostenbader-Patents (vgl. Fig. 1) unter Verwendung von Natriumhydroxid als Fällungsmittel und unter Rückführung des Schlamms aus dem Eindickvorrichtungs-Unterlaufin den Adsorptionsreaktor durchgeführt. Luft wurde in den Fällungsreaktor eingeblasen, um die zweiwertigen Ei senionen (Fe²&spplus;) in die dreiwertige Form (Fe³&spplus;) zu oxidieren. Das Oxidationspotential des Fällungsreaktors wurde mit einer Platinelektrode überwacht und bei +200 mV gehalten, um eine vollständige Oxidation der zweiwertigen Eisenionen sicherzustellen. Das Verhältnis von zurückgeführten ausgefällten Feststoffen zu gelösten Metallen im Abwasserzufluß betrug 25/1. Zunächst wurde das Verfahren bei vollständiger Rückführung des Schlamms gestartet, bis ausreichend Feststoffe für ein Rückführverhältnis von 25/1 angefallen waren. Anschließend wurde eine geeignete Menge an Schlamm zurückgeführt, um ein Feststoff-Rückführverhältnis von 25/1 zu erzielen, und der restliche Schlamm wurde ausgesondert.
Nach 40-stündigem Betrieb setzten sich die Niederschläge unter Bildung eines Schlamms mit 29,5 Gew.-% Feststoffen ab. Bei Filtration dieses Schlamms über einen Vakuumfilter enthielt der Filterkuchen 48 Gew.-% Feststoffe. Da Natriumhydroxid anstelle einer Kalkaufschlämmung (d. h. Calciumhydroxid) als Fällungsmittel verwendet wurde, enthielten die Niederschläge nur Eisenoxide. Wenn Calciumhydroxid als Fällurigsmittel in dieser Situation verwendet worden wäre, wäre Calciumsulfat ausgefallen, und die Menge an Feststoffen, die in der Eindickvorrichtung entfernt werden müßten, hätte sich erhöht.
Eine großtechnische Anlage, die auf der Basis einer Zuflußgeschwindigkeit von 200 Gallonen pro Minute mit der vorstehend angegebenen Zusammensetzung ausgelegt ist, würde 96,4 Tonnen pro Tag an Niederschlägen erzeugen. Mit einem Rückführverhältnis von 25/1 für ausgefällte Feststoffe zu gelösten Feststoffen im Abwasserzufluß würde dies einer Gesamtmenge von 2506 Tonnen pro Tag an Feststoffen entsprechen, die in der Eindickvorrichtung abgetrennt werden müßten. Typischerweise wird die Größe der Eindickvorrichtung auf der Basis von 20 Quadratfuß pro Tonne Feststoffe, die sich pro Tag absetzen sollen, berechnet. Ferner wird die Fläche der Eindickvorrichtung um 33 % erhöht, um Schwankungen auszugleichen. Dementsprechend wäre eine Eindickvorrichtung mit einer Fläche von ungefähr 100 000 Quadratfuß erforderlich, um 2506 Tonnen pro Tag an Feststoffen zu handhaben. Diese Fläche entspricht einer Eindickvorrichtung mit einem Durchmesser von 356 Fuß, 2 Eindickvorrichtungen mit Durchmessern von jeweils 252 Fuß oder 3 Eindickvorrichtungen mit Durchmessern von jeweils 206 Fuß.
Die vorliegende Erfindung geht die Probleme an, die mit der Abtrenriung von gelösten Metallen aus Abwasser verbunden sind, und zwar durch Minimierung der Feststoffbelastung der Trennstufe und durch Betonung der Anreicherung von Metallhydroxid-Niederschlägen auf vergleichsweise kleinen zurückgeführten Teilchen des Niederschlags. Wie vorstehend beschrieben wurde, entspricht es dem herkömmlichen Vorgehen, Abwasser mit einem alkalischen Reagenz, wie Calcium- oder Natriumhydroxid, zu behandeln, um gelöste Metalle aus dem Abwasser, das gelöste Metalle enthält, auszufällen. Das erhaltene Gemisch wird anschließend in einen Schlamm und ausströmendes Wasser getrennt, und ein Anteil des Schlamms kann mit einem alkalischen Reagenz behandelt und dann zurück in die Ausfällungsstufe geführt werden.
Erfindungsgemäß wird Abwasser, das gelöste Metalle enthält, mit zurückgeführten Teilchen behandelt, um die gelösten Metalle auf den Oberflächen der zurückgeführten Teilchen auszufällen. Ein Anteil des behandelten Abwasserstroms, der zurückgeführte Teilchen mit frisch ausgefällten Metallhydroxiden, die auf deren Oberflächen abgeschieden sind, enthält, wird ferner mit einem alkalischen Reagenz behandelt, um die Oberfläche der zurückgeführten Teilchen mit Hydroxylionen zu aktivieren, und die zurückgeführten Teilchen werden erneut zurückgeführt, um frisches Abwasser zu behandeln. Der verbleibende Anteil des behandelten Abwassers, der ausgefällte Metallhydroxide, die auf den Oberflächen der zurückgeführten Teilchen abgeschieden sind, enthält, wird in eine Wasserkomponente, die relativ frei von zurückgeführten Teilchen und gelösten Metallen ist, und eine Schlammkomponente, die die zurückgefünrten Teilchen und Wasser umfaßt, getrennt. Ein Anteil der Schlammkomponente kann dann mit einem alkalischen Reagenz behandelt werden, um weitere zurückgeführte Teilchen zu bilden, die ebenfalls zur Behandlung von frischem Abwasser verwendet werden können. Die zurückbleibende Schlammkomponente wird dann weiterbehandelt oder verworfen.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung beinhaltet das Verfahren vorzugsweise die Behandlung vergleichsweise feiner Teilchen von Metallhydroxid-Niederschlägen mit dem alkalischen Reagenz, bevor sie der Schlammabtrennstufe zugeführt werden. Die behandelten feinen Teilchen werden dann in die Fällungsstufe zurückgeführt. Gemäß einer bevorzugten Form ist ein Hydrozyklon oder eine andere Klassierungsstufe zwischen der Fällungsstufe und der Schlammabtrennstufe vorgesehen; und das Metallhydroxid-Niederschläge enthaltende Abwasser wird durch den Hydrozyklon oder die andere Trennvorrichtung geleitet. In der Klassierungsstufe wird ein vergleichsweise wasserreicher Strom, der vorzugsweise vergleichsweise kleine Niederschlagsteilchen enthält, als Überlauf abgegeben, und ein Schlamm, der vorzugsweise vergleichsweise große Niederschlagsteilchen enthält, wird als Unterlauf abgegeben. Wenn die Fraktion, die die kleineren Teilchen enthält, behandelt und in die Fällungsstufe zurückgeführt wird, dann vergrößern die Teilchen die Wirksamkeit des Gesamtverfahrens sowie die Dichte des Schlamms.
Vergleichsweise kleine Teilchen des Niederschlags sind normalerweise sowohl im Überlauf als auch im Unterlauf aus der Feststoffklassierungsstufe, die erfindungsgemäß vorgesehen ist, enthalten. Dementsprechend können Anteile beider Ströme behandelt und in die Fällungsstufe zurückgeführt werden. Eine Zurückführung von Schlamm aus der Schlammabtrennstufe kann ebenfalls durchgeführt werden. Ein allgemeines Ziel besteht darin, den Anteil der vergleichsweise feinen Teilchen des Schlamms und der Schlammkomponenten in der Fällungsstufe zu erhöhen.
Der Mechanismus, nach dem die erfindungsgemäßen Methoden arbeiten, sind nicht vollständig klar oder verstanden. Es scheint jedoch so, daß die Mechanismen ein Wechselspiel zwischen Teilchengröße, Oberflächenef fekten, Adsorptionskräften und ionischen Reaktionen beinhalten. Durch Zurückführung von Teilchen des Niederschlags in die Fällungsstufe wird also eine Oberfläche bereitgestellt, auf der sich frischer Niederschlag bilden kann. Durch Rückführung vergleichsweise kleiner Teilchen, die gegenüber größeren Teilchen bevorzugt werden, kann das Ausmaß der Oberfläche maximiert werden. Durch Mischen der zurückgeführten Teilchen mit einem alkalischen Fällungsmittel scheinen die zurückgeführten Teilchen ferner als Keimbildungsstellen für Hydroxylgruppen, die im umgebenden Medium enthalten sind, zu dienen. Diese Keimbildungsstellen ziehen weitere Hydroxylgruppen an oder adsorbieren sie; die Hydroxylgruppen wiederum reagieren mit Metallionen im Medium.
Die Gesamtwirkung besteht dann in der kontinuierlichen Erzeugung und Rückführung kleiner Teilchen des Niederschlags und der Anreicherung zusätzlichen Niederschlags auf derartigen Teilchen. Sowie die Teilchen groß genug werden, werden sie aus dem Kreislaufsystem in einer Abtrennstufe entfernt, wo sie von ihrem wäßrigen Träger abgetrennt werden. Die Wirksamkeit der Abtrennstufe wird dabei erhöht, da sie selektiv vergleichsweise große Teilchen betrifft. Ein Versuch, diesen Mechanismus darzustellen, wird in Fig. 2 vorgelegt.
Stufe 1 von Fig. 2 zeigt einen keilförmigen Anteil der Oberfläche eines zurückgeführten Teilchens, das sowohl Eisengruppen (Fe) als auch Hydroxylionen (OH&supmin;) in an der Oberfläche freiliegenden Positionen enthält. Freie Hydroxylionen (OH&supmin;) werden auf der Oberfläche des zurückgeführten Teilchens in der Adsorptionsreaktion adsorbiert. Stufe 2 von Fig. 2 zeigt die Oberfläche des zurückgeführten Teilchens mit adsorbierten Hydroxylgruppen, die mit gelösten Eisenionen (Fe³&spplus;) unter Ausfällung von Eisenhydroxid (Fe(OH)&sub3;) auf der Oberfläche des zurückgeführten Teilchens reagieren.
Dieser Mechanismus deutet darauf hin, daß jedes Mal, wenn ein zurückgeführtes Teilchen zurückgeführt wird, die Größe des Teilchens wächst, da mehr Metallhydroxid-Niederschlag an seine Oberfläche addiert wird. Und größere Teilchen setzen sich wirksamer und rascher in der Eindickvorrichtung unter Bildung eines dichteren Schlamms ab.
Wie vorstehend festgestellt wurde, ist die Natur dieses Mechanismus nicht vollständig verstanden. Es scheint so, daß es vorzuziehen ist, selektiv feinere Teilchen des Niederschlags zurückzuführen und gleichzeitig größere Teilchen zu entfernen. Man nimmt an, daß die kleineren Teilchen mindestens zum Teil wirksamer für die Ausfällung von gelösten Schwermetallen sind, da sie eine größere Oberfläche mit adsorbierten Hydroxylgruppen bereitstellen, die mit gelösten Metallen reagieren, als ein äguivalentes Gewicht an größeren Teilchen bereitstellen würde. Gleichzeitig lassen sich die größeren Teilchen einfacher aus dem ausströmenden Abwasser entfernen, und zwar können sie aufgrund ihrer Natur wirksamer abgetrennt und einfacher entwässert werden als kleinere Teilchen.
Fig. 1 ist ein Flußdiagramm eines herkömmlichen Abwasserbehandlungssystems.
Fig. 2 ist ein Diagramm der Adsorptions- und Fällungsreaktionen, die auf den Oberflächen der zurückgeführten Teilchen auftreten.
Fig. 3 ist ein Flußdiagramm einer Ausführungsform der Erfindung, die einen Eindickvorrichtungsbeipaß für den Rückführstrom umfaßt.
Fig. 4 ist ein Flußdiagramm einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, die ein Hydrozyklon umfaßt.
Mit Bezug auf Fig. 3 wird ein Flußdiagramm für ein Verfahren gezeigt, das eine teilweise Zurückführung des aus dem Fällungsreaktors ausströmenden Mediums direkt in einen Adsorptionsreaktor vor der Absetzstufe umfaßt. Ein hauptsächlicher Vorteil dieser Anordnung besteht darin, daß ein Anteil der ausgefällten Feststoffe niemals durch die Absetzstufe tritt. Dementsprechend braucht die für die Absetzstufe verwendete Vorrichtung, typischerweise eine Eindickvorrichtung, nicht so ausgelegt zu sein, daß sie diese Feststoffe aufnimmt, und eine Absetzvorrichtung gleicher Größe kann für einen Abwasserstrom mit einer höheren Konzentration an gelösten Metallen verwendet werden, während immer noch ein wirksames Verhältnis von zurückgeführten Feststoffen zu gelösten Metallen aufrechterhalten wird.
In Fig. 3 wird ein Abwasserstrom 20, der gelöste Metalle enthält, in einen Fällungsreaktor 21 eingeführt, wo die gelösten Metalle mit Teilchen von zurückgeführten Feststoffen reagieren und auf den Oberflächen der Teilchen ausgefällt werden. Strom 22 aus dem Fällungsreaktor 21 wird dann in eine Eindickvorrichtung 23 eingeführt, wobei jedoch ein Anteil des Stroms 22 als Eindickvorrichtungs-Beipaßstrom 31 zurückgeführt wird.
Die Eindickvorrichtung 23 erzeugt einen Strom 24 ausströmenden Wassers und einen Schlammstrom 25. Der Strom 24 ausströmenden Wassers ist weitgehend frei von gelösten Metallen und Niederschlägen. Der Schlammstrom 25 enthält Wasser und im wesentlichen die gesamten Niederschläge. Ein Anteil des Schlammstroms 25 wird als Rückführschlammstrom 26 zurückgeführt, und der Rest des Schlammstroms 25 wird als Abfallschlammstrom 27 verworfen.
Der Rückführschlammstrom 26 und der Eindickvorrichtungs-Beipaßstrom 31 werden mit alkalischem Reagenz 29 in einem Adsorptionsreaktor 28 gemischt. Das alkalische Reagenz enthält eine Hydroxidverbindung, wie Calciumhydroxid [Ca(OH)&sub2;] oder Natriumhydroxid (NaOH). Die Hydroxidverbindung löst sich im Wasser des Rückführschlammstroms 26 und des Eindickvorrichtungs-Beipaßstroms unter Bildung von Hydroxylionen (OH&supmin;), die an der Oberfläche der Metallhydroxid-Niederschlagsteilchen unter Bildung von zurückgeführten Feststoffteilchen adsorbiert werden. Zusätzliches Wasser kann dem Adsorptionsreaktor 28 zugeführt werden, um dazu beizutragen, daß das Auflösen der Hydroxidverbindung unter Bildung von Hydroxylionen sichergestellt wird. Der ausströmende Strom 30 aus dem Adsorptionsreaktor 28 wird in den Fällungsreaktor 21 eingeführt, um zurückgeführte Feststoffteilchen für die Ausfällung von gelösten Metallen im Abwasserstrom 20 bereitzustellen.
Die Menge an zurückgeführten Feststoffen, die in den Fällungsreaktor 21 eingeführt werden, kann durch Variation der Mengen an Rückführschlammstrom 26 und Eindickvorrichtungs-Beipaßstrom 31 eingestellt werden. Die Geschwindigkeiten des Rückführschlammstroms 26 und des Eindickvorrichtungs-Beipaßstroms 31 können so eingestellt werden, daß die kombinierte Menge an zurückgeführten Feststoffen in beiden Strömen von einem Verhältnis von etwa 10 lb zurückgeführter Feststoffe pro lb gelöster Metalle im Abwasserzufluß bis zu einem Verhältnis von 100 lb zurückgeführter Feststoffe pro lb gelöster Metalle im Abwasserzufluß variiert werden kann. Vorzugsweise wird ein Verhältnis von etwa 20 bis 30 lb zurückgeführter Feststoffe pro lb gelöster Metalle im Abwasserzufluß angewandt.
Das Rückführverhältnis von zurückgeführten Feststoffteilchen zu gelösten Metallen im Abwasserzufluß für einen beliebigen Abwasserstrom hängt von den charakteristischen Eigenschaften des Stroms ab und kann durch Einstellung des Rückführverhältnisses in einer speziellen Anwendung bestimmt werden, bis die optimale Abtrennung in der Eindickvorrichtung erzielt wird. Entsprechend kann die Menge an zurückgeführten Feststoffen aus dem Eindickvorrichtungs-Beipaßstrom 31 gegenüber der Menge aus dem Rückführstrom 26 variiert werden, um eine optimale Trennung in der Eindickvorrichtung zu erzielen. Zum Beispiel können alle zurückgeführten Feststoffe aus dem Eindickvorrichtungs-Beipaßstrom 31 stammen, wobei in diesem Fall der Rückführschlammstrom 26 Null ist. Vorzugsweise wird die Menge an zurückgeführten Feststoffen aus dem Eindickvorrichtungs-Beipaßstrom 31 maximiert, während die zurückgeführten Feststoffe aus dem Rückführschlammstrom 26 minimiert werden, da dies die Belastung der Eindickvorrichtung mit Feststoffen minimiert.

Beispiel 2

Die gleiche Abwasserflüssigkeit, die in Beispiel 1 behandelt wurde, wurde mit dem Verfahren von Fig. 3 behandelt, wobei der Eindickvorrichtungs-Beipaßstrom 31 direkt dem Fällungsreaktorauslaßstrom 22 entnommen und in den Adsorptionsreaktor 28 eingeführt wurde. Luft wurde in den Fällungsreaktor 21 eingeblasen, um das zweiwertige Eisen (Fe²&spplus;) zur dreiwertigen Form (Fe³&spplus;) zu oxidieren. Das Verhältnis von zurückgeführten Feststoffen zu gelösten Metallen im Abwasserzufluß 20 betrug 25 : 1. Der Schlammstrom 25 wurde vollständig als Abfallschlammstrom 27 verworfen, und es gab keinen Rückführschlammstrom 26. Alle zurückgeführten Feststoffe stammten also aus dem Eindickvorrichtungs-Beipaßstrom 31. Nach 56-stündigem Betrieb hatten sich die Niederschläge unter Bildung eines Schlamms mit einem Gehalt an 28,9 Gew.- % Feststoffen abgesetzt. Wenn dieser Schlamm über einen Vakuumfilter filtriert wurde, dann enthielt der gebildete Kuchen 47 Gew.-% Feststoffe.
Unter Verwendung der gleichen Basis für die Berechnung der Größe der Eindickvorrichtung wie in Beispiel 1 kann die Größe der Eindickvorrichtung, die für das Verfahren von Fig. 3 erforderlich ist, mit der Größe der Eindickvorrichtung, die für das Kostenbader-Verfahren erforderlich ist, verglichen werden. Dieser Vergleich ist in Tabelle 1 angegeben. Tabelle 1 Beispiel Gelöste Metalle im Abwasser (Tonnen/Tag) Zurückgeführte Feststoffe (Tonnen/Tag) Gesamtmenge an Feststoffen, die der Eindickvorrichtung zugeführt werden (Tonnen/Tag) Fläche der Eindickvorrichtung (ft²) Durchmesser der Eindickvorrichtung (ft)
Aus Tabelle 1 sehen wir, daß durch Verringerung der Belastung der Eindickvorrichtung mit Feststoffen durch Verwendung eines Eindickvorrichtungsbeipasses für den Rückführstrom die Größe der Eindickvorrichtung signifikant verringert werden kann und daß die Kosten und die Betriebsausgaben für die Eindickvorrichtung entsprechend gesenkt werden können.

Beispiel 3

In einem weiteren Versuch wurde eine Abwasserflüssigkeit mit einem Gehalt an 10 g/l (0,083 lb/gal) zweiwertiger Eisenionen (Fe²&spplus;) und B g/l freier Schwefelsäure in der gleichen Weise unter Anwendung des Verfahrens von Fig. 3 behandelt. Das Verhältnis an zurückgeführten Feststoffen zu gelösten Metallen im Abwasserzufluß betrug 30/1. Wie in Beispiel 2 stammten alle zurückgeführten Feststoffe aus dem Eindickvorrichtungs-Beipaßstrom, und der Rückführschlammstrom war Null. Nach 48-stündigem Betrieb setzten sich die ausgefällten Feststoffe unter Bildung eines Schlamms mit einem Gehalt an 19,5 Gew.-% Feststoffen ab. Wenn dieser Schlamm über einen Vakuumfilter filtriert wurde, dann enthielt der gebildete Filterkuchen 35 Gew.-% Feststoffe.
Auf der gleichen Basis wie in Beispiel 1 kann die Größe der Eindickvorrichtung zur Behandlung des Abwasserstroms von Beispiel 3 mit der Eindickvorrichtung, die zur Behandlung des gleichen Abwasserstroms nach dem Kostenbader-Verfahren von Beispiel 1 erforderlich ist, verglichen werden. Dieser Vergleich ist in Tabelle 2 angegeben. Tabelle 2 Beispiel Gelöste Metalle im Abwasser (Tonnen/Tag) Zurückgeführte Feststoffe (Tonnen/Tag) Gesamtmenge an Feststoffen, die der Eindickvorrichtung zugeführt werden (Tonnen/Tag) Fläche der Eindickvorrichtung (ft²) Durchmesser der Eindickvorrichtung (ft)
Die selektive Rückführung von vergleichsweise feinen Feststoffteilchen bietet den Vorteil einer größeren Oberfläche an aktivem Fällungsmittel pro lb zurückgeführter Feststoffe. Dies erlaubt ferner die Verwendung einer kleineren Eindickvorrichtung, da vergleichsweise große Teilchen der Eindickvorrichtung zugeführt werden und große Teilchen sich wirksamer absetzen als feine Teilchen, was es erlaubt, eine kleinere Eindickvorrichtung zu verwenden. Da sich große Teilchen in einer Eindickvorrichtung wirksamer absetzen, weist das aus der Eindickvorrichtung ausströmende Wasser weniger Feststoffe auf.
Mit Bezug auf Fig. 4 wird ein Abwasserstrom 40, der gelöste Metalle enthält, in einen Fällungsreaktor 41 eingeführt, wo die gelösten Metalle mit Teilchen von zurückgeführten Feststoffen reagieren und auf den Oberflächen der Teilchen ausfallen. Ein ausströmender Strom 42 aus dem Fällungsreaktor 41 wird dann in einen Hydrozyklon 43 oder eine ähnliche Vorrichtung eingeführt. Der Hydrozyklon 43 trennt den Strom in einen wasserreichen Überlaufstrom 44 mit einer vergleichsweise geringen Konzentration an kleinen Teilchen und einen ersten feststoffreichen Abfallschlammstrom 45 mit einer vergleichsweise geringen Konzentration an Wasser und einer hohen Konzentration an großen Teilchen. Es ist darauf hinzuweisen, daß der Hydrozyklon die Feststoffe auf der Grundlage der Teilchengröße klassiert. Der Abfallschlammstrom 45 kann unter Verwendung von herkömmlichen Technologien, wie Filtern, weiter entwässert werden, um ein festes Material, das verworfen wird, und einen Wasserstrom, der abgegeben oder weiter behandelt werden kann, herzustellen.
Der Überlaufstrom 44 wird in eine Klärvorrichtung 46 eingeführt. Die Klärvorrichtung 46 erlaubt es den Teilchen im Überlaufstrom 44, sich durch die Schwerkraft abzusetzen, und erzeugt einen ausströmenden Wasserstrom 47, der abgegeben wird, und einen Rückführschlammstrom 48, der zurückgeführt wird.
Der Rückführschlammstrom 48 wird in den Adsorptionsreaktor 49 zusammen mit alkalischem Reagenz 50 eingeführt, um einen Aufschlämmungsstrom 51 aus Wasser und zurückgeführten Feststoffteilchen zu bilden, die adsorbierte Hydroxylgruppen enthalten. Der Aufschlämmungsstrom 5l wird in den Fällungsreaktor 40 eingeführt.
Ein Anteil des Überlaufstroms 44 aus dem Hydrozyklon kann auch als Rückführstrom 53 zurück in den Adsorptionsreaktor 44 geführt werden. Dies verringert die Größe der Klärvorrichtung 46 oder anderer Abtrennvorrichtungen, die für die Entfernung von Feststoffteilchen aus dem ausströmenden Wasserstrom 47, der schließlich abgegeben wird, erforderlich sind. Der Schlamm, der in der Klärvorrichtung 46 in dieser Anordnung gebildet wird, kann als Rückführschlammstrom 48 zurückgeführt werden, oder er kann als Abfallschlamm 54 abgegeben werden, oder er kann teilweise zurückgeführt und teilweise abgegeben werden.
Bei dem Hydrozyklon kann es sich um einen beliebigen handelsüblichen Typ handeln, der entworfen wurde und betrieben wird, um Feststoffteilchen einer vorbestimmten effektiven Größe abzutrennen. Nimmt man z. B. an, daß 5 µm die wirksamste Größe für die Abtrennung der Teilchen ist, dann würde dies zu einem Überlaufstrom 44 führen, der vorwiegend Teilchen enthält, die kleiner als 5 µm sind, und einen Unterlaufstrom 45, der vorwiegend Teilchen größer als 5 µm enthält.
Versuche, die in einem Hydrozyklon im Labormaßstab durchgeführt wurden, zeigten ihre Wirksamkeit für die Trennung des behandelten Abwasserstroms. Das Labor-Hydrozyklon wies die folgenden Merkmale auf:
Größe 0,5 in
Einlaßdruck 54 psi
Aufschlämmungsdurchsatz 1,4 gpm
Durchmesser an der Spitze 0,125 in
Wirbelsucher 0,125 in
Zufuhreinlaßbereich 0,012 in²
Die Ergebnisse von drei Versuchen, die mit dem Labor-Hydrozyklon durchgeführt wurden, sind in Tabelle 3 angegeben. Tabelle 3 Einsatz Überlauf Unterlauf Versuch Nr. lb/h Feststoffe lb/h Flüssigkeit gesamt Gew.-% Feststoffe Rückgewinnung an Feststoffen im Unterlauf: Gew.-%
Die nachstehenden Ergebnisse wurden aus einer Analyse der Teilchengröße der Feststoffe im Überlauf und im Unterlauf von Versuch Nr. 3 erzielt: Teilchengröße (µm) Vol.-% Überlauf Unterlauf
Diese Ergebnisse zeigen, daß die vergleichsweise feinen Teilchen im Überlauf angereichert wurden, während die vergleichsweise großen Teilchen im Unterlauf angereichert wurden. Zum Beispiel waren 89,7 Vol.-% der Überlaufteilchen kleiner als 5 µm, während nur 63,3 Vol.-% der Unterlaufteilchen kleiner als 5 µm waren. Entsprechend waren nur 3,9 Vol.-% der Überlaufteilchen größer als 8 µm, während 17,3 Vol.-% der Unterlaufteilchen größer als 8 µm waren.
Die Kläreinrichtung 46 kann durch eine andere herkömmliche Technologie zur Abtrennung von zurückgeführten Feststoffteilchen aus dem Wasser ersetzt werden. Zum Beispiel kann ein Hydrozyklon anstelle der Kläreinrichtung verwendet werden, um einen Überlaufstrom von ausströmendem Wasser zu erzeugen, der im wesentlichen frei von Feststoffteilchen ist, und einen Unterlaufstrom von Rückführschlamm, der Wasser und zurückgeführte Feststoffteilchen umfaßt.
Wenn das Verfahren, wie es in Fig. 4 gezeigt ist, zuerst begonnen wird, dann haben sich normalerweise keine großen Teilchen gebildet. Dementsprechend werden alle Teilchen zurückgeführt, bis sich große Teilchen unter Bildung von Abfallschlamm entwickelt haben. Dies kann durchgeführt werden, indem der gesamte Abfallschlammstrom 45 als Rückführschlammstrom 52 beim Anfahren durch Schließen eines Ventils 56 und Öffnen eines Ventils 55 zurückgeführt wird. Sobald die Teilchen des Rückführschlammstroms 52 beim Anfahren eine effektive Größe erreicht haben, wird dieses Rückführen durch Schließen des Ventils 55 und Öffnen des Ventils 56 beendet, und der Strom wird als Abfallschlamm abgegeben. Sobald z. B. die zurückgeführten Feststoffteilchen eine Größe von etwa 5 µm erreicht haben, kann das Rückführen beendet werden.

Claims

1. Verfahren zur Entfernung von gelösten Metallen aus Abwasser, wobei das Verfahren folgende Stufen umfaßt:

(a) Behandlung des Abwassers mit Teilchen, die eine alkalische Oberflächenaktivität aufweisen, um gelöste Metalle auf der Oberfläche der Teilchen auszufällen;

(b) Behandlung eines ersten Anteils des behandelten Abwassers aus Stufe (a) mit einem alkalischen Reagenz, um eine zusätzliche alkalische Oberflächenaktivität auf den Teilchen in dem ersten Anteil des behandelten Abwassers aus Stufe (a) bereitzustellen;

(c) Rückfuhµrung des ersten Anteils des alkalisch behandelten Abwassers aus Stufe (b), das Teilchen mit alkalischer Oberflächenaktivität umfaßt, in Stufe (a); und

(d) in einer Trennstufe, die eine Eindickstufe umfaßt, Trennung eines zweiten Anteils des behandelten Abwassers aus Stufe (a), der in Stufe (b) nicht verwendet wurde, in eine Wasserkomponente, die weitgehend frei von Teilchen ist, und eine Schlammkomponente, die Teilchen und Wasser umfaßt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Teilchen aus Stufe (a) ferner Hydroxylgruppen und ausgefällte Hydroxidverbindungen der gelösten Metalle umfassen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, das ferner folgende Stufen umfaßt:

(e) Behandlung eines Anteils der Schlammkomponente aus Stufe (d) mit einem alkalischen Reagenz, um eine alkalische Oberflächenaktivität auf den Teilchen bereitzustellen; und

(f) Rückführung des behandelten Anteils der Schlammkomponente aus Stufe (e), die Teilchen mit alkalischer Oberflächenaktivität umfaßt, in Stufe (a).

4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei das alkalische Reagenz der Stufen (b) und (e) ferner eine Hydroxidverbindung umfaßt, die sich in Wasser unter Bildung von Hydroxylionen löst.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, wobei das Gewichtsverhältnis der Teilchen, die in den beiden Stufen (b) und (e) gebildet wurden, zu gelösten Metallen im Abwasser im Bereich von 5 : 1 bis 100 : 1 liegt.

6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, ferner umfassend vor der Stufe (b):

(bl) Trennung des behandelten Abwasserstroms in eine wasserreiche Komponente und eine feststoffreiche Komponente, wobei die wasserreiche Komponente Teilchen mit einer kleineren mittleren Teilchengröße als die mittlere Teilchengröße der Teilchen in der feststoffreichen Komponente umfaßt;

(b2) bevorzugtes Konzentrieren der Teilchen von vergleichsweise kleiner Teilchengröße im ersten Anteil von Stufe (b) und der Teilchen von vergleichsweise großer Teilchengröße im zweiten Anteil von Stufe (d);

Behandlung der Schlammkomponente in Stufe (e); und

Rückführung in Stufe (f) der alkalisch behandelten Schlammkomponente.

7. Verfahren nach Anspruch 6, ferner umfassend die Stufe der Behandlung eines Anteils der wasserreichen Komponente von Stufe (b1) mit einem alkalischen Reagenz unter Bildung von Teilchen mit einer alkalischen Oberflächenaktivität zur Verwendung in Stufe (a).

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, wobei die Trennung in Stufe (b1) mittels eines Hydrozyklons durchgeführt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, ferner umfassend die Stufe der weitgehenden Entwässerung der feststoffreichen Komponente von Stufe (b1).

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, umfassend in Stufe (e) die Behandlung eines Anteils der Schlammkomponente aus Stufe (d) und die Abgabe eines Anteils der Schlammkomponente aus Stufe (d).

11. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, ferner umfassend in Stufe (d) die Trennung des zweiten Anteils des behandelten Stroms in eine erste Fraktion, die unlösliche Metallhydroxide umfaßt, und eine zweite Fraktion, die geklärtes Abwasser umfaßt.

12. Verfahren nach Anspruch 11, das ferner die Stufe der Rückführung eines Anteils der zweiten Fraktion in die Behandlungsstufe umfaßt.

13. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, das ferner die Stufe des Mischens des zurückgeführten ersten Anteils mit dem alkalischen Reagenz vor der Behandlungsstufe umfaßt.