DK162163B - Fremgangsmaade til flokkulering af mikroskopiske partikler i en vaeskesuspension samt anvendelse af fremgangsmaaden til rensning af spildevand - Google Patents

Description

DK 162163 B

Den foreliggende opfindelse angår en fremgangsmåde til flok-kulering af mikroskopiske partikler i en væskesuspension. Opfindelsen angår tillige anvendelsen af denne fremgangsmåde til indsamling af levende partikler i suspension i 5 ferskvand, brakvand eller saltvand, især mikroalger, der udgør fytoplankton, og mikroskopiske dyr, der udgør zooplankton. Endelig angår opfindelsen anvendelsen af den her omhandlede fremgangsmåde til rensning af spildevand.

Mikroalger er af væsentlig økonomisk interesse, fordi deres 10 celler indeholder molekyler med stor værdi, såsom farmakologiske stoffer, carbonhydrider (glycerol, i Dunaliella fra saltdamme) og proteiner, der kan være egnet til dyre- ellér menneskeføde. De kan endvidere tjene som substrat for en an-aerob dyrkning, der producerer methan, en brændbar gas.

15 Det er i de laguneagtige bassiner, der er bestemt til rensning af spildevand, at man finder de højeste koncentrationer af mikroalger, som man vil kunne møde i naturen (fra 200 til 600 mg/liter tørprodukt med 2*10^ - 4*10^ algecel- 3 ler pr. cm ). Rensningsprocessen er således ledsaget af en 20 betydelig primær produktion af mikroalger, der anslås til at være mellem 50 og 150 ton/ha/år. Dette fytoplankton kan anvendes til frembringelse af zooplankton i vandkultur (i væsentlig grad rotiferer, copepoder og dafnier). Disse dyregrupper udgør et led i fødekæden, der er egnet til ernæring 25 af skaldyrs- og fiskeunger, men produktionen af dette led i fødekæden er kostbar, sofistisk og vanskelig at beherske ved den aktuelle teknik.

Djt mest vanskelige problem, der opstår ved denne teknik, der udgør en form for udnyttelse af solenergien, er faktisk 30 indsamlingen af mikroalger.

De vanskeligheder af økonomisk art, som denne indsamling forårsager, skal belyses med henvisning til teknikken ved 2

DK 162163 B

methanisering af mikrofytter, som i de senere år har vakt en stor interesse inden for området for frembringelse af energi, der kan omdannes.

I det gunstigste tilfælde - kontrol af de indsamlede arter, 5 indhøstning ved en teknik, der medfører det ringeste energiforbrug, fraværelse af tørring - er bruttoenergiindholdet ved algeproduktionen (total mængde enthalpi, der anvendes til at holde produktionssystemet i gang ud fra naturlige råstoffer) af størrelsesordenen 18 MJ/kg. Ved methanogen 10 fermentering kan man udnytte 60% af den nedre brændværdi - varme opnået ved forbrænding, idet det dannede vand er i dampform - hvilken brændværdi beløber sig til 23,2 MJ/kg, dvs. 13,9 MJ/kg. Dette betyder f.eks., at en masse på 80 kg mikrofytter gør det muligt at fremstille 1 GJ ved methani-15 sering, men da fremstillingen har nødvendiggjort 1,44 GJ, er den globale energibalance negativ, i væsentlig grad som følge af den komplicerede karakter af fraskillelsen af mikrofytter fra vandigt medium.

På grund af deres størrelse (10 - 30 pn) og deres egne ka-20 rakteristika (levende organismer) volder de mikroskopiske alger faktisk store problemer med hensyn til fraskillelse.

Visse allerede afprøvede fremgangsmåder har vist sig at være enten lidet producerende eller storforbrugere af energi (dette er tilfældet ved centrifugaldekantering eller flo-25 tation, der er afprøvet i stor målestok til fraskillelse af plankton).

Ved behandlingen for at gøre vand drikkeligt har man i talrige år med gunstigt resultat anvendt mikrosigtning med fjernelse af alger som hovedformål. De eliminerede suspen-30 derede materialer indvindes i en mere koncentreret tilstand, men i form af en væske, der stadig kun har et lavt indhold (koncentrationskoefficient: 20 - 30).

3

DK 162163 B

Med filtrering på granulært materiale opnås bedre resultater, men på bekostning af et større energiforbrug. Også her kan der forventes en indvinding af de tilbageholdte suspenderede materialer med en koncentrationskoefficient på 20 - 30.

5 Ydelserne af visse af de ovenfor beskrevne fremgangsmåder kan forbedres ved tilsætning af kemiske reagenser, der gør det muligt at flokkulere algerne. Men denne operation forøger i betydelig grad produktionsomkostningerne og kan umuliggøre anvendelsen af produktet i en fødekæde.

10 Hvis derfor en suspension, der er koncentreret fra nogle gram gram til nogle multipler af ti gram pr. liter, ønskes opnået, kan sådanne fremgangsmåder som mikrosigtning eller filtrering anvendes. Hvis der skal opnås en større koncentration, har der hidtil ikke eksisteret nogen fremgangsmåde, der på 15 samme tid opfylder de tekniske og økonomiske krav.

FR-patentskrift nr. 1.501.912 beskriver eksempelvis en fremgangsmåde til rensning af vand, der er belastet af suspenderede urenheder, ved hvilken man til vandet sætter et additiv valgt blandt flokkulanter og koagulanter, 20 derefter lader det gennemstrømme et fluidiseret leje af granulært materiale nedefra og opad i en beholder med en hastighed, der mindst er den nødvendige til at opretholde lejet i fluidiseret tilstand, sænker vandets hastighed i toppen af beholderen og opsamler den behandlede væske.

25 Denne fremgangsmåde nødvendiggør således anvendelsen af reagenser. Desuden angives det i patentskriftet, at en del af det fluidiserede lejes korn medrives af det behandlede vand og derefter må skilles fra.

Den foreliggende opfindelse har til formål at afhjælpe disse 30 mangler, idet den tilvejebringer en fremgangsmåde til flokkulering af mikroalger eller andre organiske partikler, der har beslægtede egenskaber, uden tilsætning af reagenser, under anvendelse af et ringe energiforbrug og med en sådan modifikation af de fysiske egenskaber af disse mikroalger, at en 4

DK 162163 B

simpel dekantering gør det muligt at overskride koncentrationskoefficienter på omkring 100, og det endda uden at ændre deres næringsmæssige kvaliteter.

Det må erindres, at flokkulering er et komplekst fænomen, 5 som fører til dannelsen af fnug, dvs. med en netagtig og porøs struktur. Under denne betegnelse sammenblandes ofte fænomenerne koagulering og ægte flokkulering, hvilke fænomener bevirker dannelse af let adskillelige aggregater. Den fysisk-kemiske behandling af spildevand af enhver oprindelse 10 medfører f.eks. en flokkuleringsfase, som opnås ved tilsætning af et hensigtsmæssigt reagens (ferrichlorid, aluminiumsulfat, polyelektrolytter eller andet) til vandet, og som efterfølges af en væske/faststof-adskillelsesfase ved dekantering.

15 Denne rensning ved flokkulering er særlig nyttig ved behandling af spildevand af meget variabel mængde, der udelukker anvendelse af traditionelle biologiske fremgangsmåder. Til gengæld er denne type behandling behæftet med den alvorlige ulempe, at den medfører høje omkostninger på grund af forbruget af flokkuleringsmidler.

20 Den foreliggende opfindelse tilvejebringer en fremgangsmåde til frembringelse af flokkulering af mikroskopiske partikler i en væskesuspension, hvilken fremgangsmåde med fordel kan anvendes til opsamling af levende mikroorganismer og ikke kræver tilsætning af flokkuleringsreagenser.

25 Denne fremgangsmåde bygger på den kendsgerning, at mikroskopiske partikler under visse betingelser kan agglomerere og flokkulere spontant (jf. f.eks. "Biotechnology and Exploitation of Algae. The Indian Approach (1973-1981)" om flokkulering af mikroalger; jf. endvidere "Wastewater 30 Treatment" af Donald W. Sundstrom og Herbert E. Klei, Prentice-Hall, Inc. 1979, s. 196-199 om flokkulering af spildevand).

5

DK 162163 B

I overensstemmelse hermed angår den foreliggende opfindelse en fremgangsmåde til kontinuerlig flokkulering uden tilsætning af reagenser af mikroskopiske partikler, såsom mikroalger (dvs. alger, der måler mellem 10 og 30 /tm) i en 5 væskesuspension, hvilken fremgangsmåde er ejendommelig ved, at man lader en første væske indeholdende mikroskopiske partikler i suspension passere igennem et granulært medium, indtil det granulære medium er delvis eller helt tilstoppet af de mikroskopiske partikler, at man renser 10 det granulære medium i det mindste delvis ved at lade det gennemstrømme af den anden strøm af den væske, der skal behandles, og som cirkulerer med en større tværsnitshastighed end den første væske, hvilken hastighed ligger mellem 0,25 og 1 m/h, og at man ved den nedre del af 15 laget, set i væskernes strømningsretning, opsamler flokkulerede aggregater af de mikroskopiske partikler og en afgangsstrøm af delvis eller helt renset væske.

Det granulære medium kan forblive i fast lag eller udvide sig med højst ca. 30 volumen-%, idet det granulære medium 20 så foreligger i fluidiseret tilstand.

Det granulære medium kan med fordel bestå af partikler med en kornstørrelse på mellem ca. 0,005 og 3 cm og med en massefylde på ca. 1,1 g/cm^ eller derover. Paritklernes nøjagtige størrelse og natur vælges i afhængighed af den 25 behandlede suspension og det ønskede resultat. Som granulært medium kan der simpelt hen anvendes natursand. Der kan også anvendes andre partikler med skarpe eller afrundede kanter, f.eks. keramisk materiale eller formalet, brændt ler.

30 Den omhandlede fremgangsmåde kan med fordel gennemføres i en lodret eller skråtstillet, cylindrisk eller spiralformet søjle, der indeholder det granulære medium. I bunden af denne søjle tilføres den væske, der skal behandles, medens aggregaterne af flokkulerede partikler udtages på et niveau, der ligger 6

DK 162163 B

højere end det granulære mediums niveau, og afgangsstrømmen af renset væske udtømmes på et endnu højere niveau. Selv om denne udførelsesform for den her omhandlede fremgangsmåde er foretrukket, kan fremgangsmåden dog anvendes ved nedadgående 5 strøm.

For at fremme koncentreringen af flokkulatet kan den del af søjlen, hvor flokkulatet indvindes, ved drift med opadstigende strøm fortrinsvis have et større overfladetværsnit end den del, der indeholder det granulære medium.

10 Ved sin anvendelse til indsamling af mikroalger eller zooplankton kan den her omhandlede fremgangsmåde omfatte mindst én yderligere fase med koncentrering af de flokkulater, der er fraskilt fra det granulære medium, f.eks. ved dekantering, eventuelt som angivet ovenfor inde i samme søjle som 15 den, hvori fremgangsmåden gennemføres. Der kan også anvendes andre, inden for teknikken kendte koncentrationsmetoder, som almindeligvis ikke kan anvendes til indsamling af suspenderede mikroalger eller zooplankton på grund af suspensionernes ubetydelige koncentration.

20 Ved sin anvendelse til rensning og til klaring af spildevand kræver den her omhandlede fremgangsmåde ikke anvendelse af flokkuleringsreagenser, og den vil derfor være mindre kostbar end de gængse fremgangsmåder, der indebærer en flokku-leringsfase.

25 I fig. 1 og 2 på tegningen er der skematisk vist to foretrukne udførelsesformer for den her omhandlede fremgangsmåde.

I fig. 3 er der vist en anden udførelsesform for fremgangsmåden .

Der skal først henvises til fig. 1, hvor der er vist en søj-30 le 1, hvori der er anbragt et granulært lag 2 af et materiale, hvis art, vægtfylde og kornstørrelse er valgt i afhængighed af det ønskede resultat og den suspension, der skal behandles. Det kan f.eks. bestå af natursand (kvarts og kvartsiter) med en kornstørrelse på mellem 0,2 og 4 mm.

7

DK 162163 B

Det granulære lag 2 tilføres en væske via en ledning 3, der er tilsluttet ved søjlens bund.

Man starter med via ledningen 3 at tilføre det granulære lag 2 en væske, der indeholder suspenderede mikroskopiske par-5 tikler, og som kan være identisk eller ikke identisk med den væske, der skal behandles senere, og man går således over til en filtrering af denne væske tværs igennem et fast lag af faste partikler. Som følge heraf sker der en progressiv tilstopning af laget 2, og der konstateres en forøgelse af 10 trykfaldet over dette lag. Tilførslen standses, når dette trykfald når en forud fastsat værdi svarende til en delvis tilstopning af laget 2 eller eventuelt efter fuldstændig tilstopning af dette lag. Ved de gennemførte forsøg med den her omhandlede fremgangsmåde er det trykfald, der 15 évarer til en tilfredsstillende tilstopning af laget 2, af størrelsesordenen 50 cm vandsøjle pr. meter højde af det granulære lag.

Det granulære lag 2, der er blevet behandlet på denne måde, kan anvendes til frembringelse af kontinuerlig flokkulering 20 af en suspension af mikroskopiske partikler, såsom mikroalger.

En anden strøm af den suspension, der skal behandles, indføres via ledningen 3 i bunden af søjlen 1 med en hastighed, der er større end hastigheden for den suspension, der tidligee er an-25 vendt til tilstopning af det granulære lag, almindeligvis af størrelsesordenen 0,1-5 m/time.

Ved afgangen fra det granulære lag 2 iagttages overraskende dannelse af et flokkulat af suspensionens mikroskopiske partikler. Fnuggene kan have dimensioner på mellem 1 og 5 mm, 30 og ved dekantering udskiller de sig ved toppen af søjlen 1 under dannelse af et lag 4, der med mellemrum eller kontinuerligt kan udtømmes via en ledning 5. Dette flokkulat-lag 4 er overlejret af et lag 6 af i det mindste delvis renset væske, som udtømmes via en ledning 7. I det mindste en 35 del af denne afgangsvæske kan i øvrigt recirkuleres via en

DK 162163 B

8 pumpe 8 og via en ledning 7a til tilførselsledningen 3 til udvinding af det flokkulat, der kan være til stede deri.

Det granulære lag 2, der har gennemgået forbehandlingen med delvis eller hel tilstopning,· kan dernæst anvendes konti-5 nuerligt til flokkulering af de mikroskopiske partikler, der er til stede i fødesuspensionen. Koncentrationsforskellen mellem udgangssuspensionen og flokkulatet når f.eks. nogle multipler af ti ved mikroalger.

Årsagen til dette flokkuleringsfænomen er ikke helt klarlagt, 10 men det antages, at tilstopningen af det granulære lag og den efterfølgende delvise rensning bevirker en dannelse i lagets indre af skakter, der udgør lige så mange præferencekanaler, som benyttes af den suspension, der skal behandles. Den eneste nødvendige energi til gennemførelse af den her om-15 handlede fremgangsmåde er den energi, der er nødvendig til at sikre væskens strømning igennem laget, og den er altså meget ringe.

Afhængigt af betingelserne for gennemførelsen af fremgangsmåden kan laget 2 forblive fast eller undergå en let udvi-20 delse af størrelsesordenen 30%. Laget kan altså være fast, præfluidiseret eller fluidiseret.

Det flokkulat, der udtømmes via ledningen 5, kan koncentreres meget let ved kendte metoder til væske/faststof-adskil-lelse. En simpel dekantering gør det muligt at opnå en kon-25 centrationsforskel på adskillige multipler af 100- for mikroalgernes vedkommende. Det volumen, der optages af 1 g tørstof efter 10 minutters dekantering i et reagensglas, er af 3 størrelsesordenen 70 cm , og det er et særdeles fordelagtigt resultat.

30 I fig. 2 er der vist en foretrukken variant af gennemførelsen af den her omhandlede fremgangsmåde. I denne figur er de organer, der allerede er beskrevet under henvisning til fig. 1, betegnet med samme henvisningstal med efterstillet apostroftegn.

9

DK 162163 B

Den eneste nævneværdige forskel fra fig. 1 er, at søjlen 1', der indeholder det granulære lag 2', udvider sig oven over dette lag og er overlejret af en søjle 9', hvis tværsnit er større end tværsnittet af søjlen 1'. Under disse betingelser 5 er opstigningshastigheden for væsken i søjlen 9' lavere end i søjlen 1', hvilket bevirker en begunstigelse af koncentrationen af flokkulatet.

I fig. 1 og 2 er der vist en foretrukken udførelsesform for den foreliggende opfindelse, hvorved det granulære lag 2 el-10 ler 2' gennemstrømmes af en opadgående strøm af den væske, der skal behandles.

Opfindelsen kan dog ligeledes gennemføres med et granulært lag, der gennemstrømmes oppefra og nedefter af suspensionen af mikroskopiske partikler, der skal flokkulere.

15 I fig. 3 er denne udførelsesform vist.

I denne variant får en søjle 11, der indeholder et granulært lag 12, via en ledning 13 i dens øvre del tilført en væske indeholdende suspenderede mikroskopiske partikler. Afgangsstrømmen indeholdende fnuggene af de flokkulerede partikler 20 udtømmes ved bunden af søjlen 11 via en ledning 14 i retning af den nedre del af et lodret dekanteringsapparat 15.

I dette dekanteringsapparat 15 stiger afgangsstrømmen fra søjlen 11 i modstrøm til et flokkulat 16 af mikroskopiske partikler, der koncentreres i den nedre del af dekanterings-25 apparatet 15 og udtømmes via en ledning 17. Den delvis rensede væske udtømmes ved den øvre del af dekanteringsappara-tet 15 via en ledning 18, og en del af denne væske kan eventuelt recirkuleres som angivet ovenfor via en ledning 19 og en pumpe 20 til ledningen 13 til tilførsel til søjlen 11.

30 Nedenstående eksempler tjener til illustrering af forskellige anvendelser af den her omhandlede fremgangsmåde.

10

DK 162163 B

Eksempel 1

Dette eksempel angår anvendelsen af den ovenfor beskrevne fremgangsmåde til indsamling af fytoplanktoniske mikroalger, der er suspenderet i vand.

5 Der gennemføres adskillige forsøg med forskellige typer granulært lag i en lodret søjle med opadstigende strømning og med mikroalger i suspension i vand.

I nedenstående tabel er resultaterne af disse forsøg sammenstillet, og tabellen illustrerer effektiviteten af den her om-10 handlede fremgangsmåde.

i 11

DK 162163 B

(ti -P P I c -P O Φ O O O o o øiiiu in o ·μ* υ P -H CM CM -t-r-r- q 0 4-) 0 -η m tsi -P Φ

03 (ti I H

1 Φ tn φ -P 03 q rH q q p o P (ti Φ Φ

•H Pi Λί tn -P

-P ,ϋ Φ (ti -p o o o o o (ti O T) Φ I—I o o o o o pH q s o o jj m tn tn · · ...

q 0Ή g g o o oo v- i- φ q g —- t n cm υ Φ tn tn q -P c C o 0 m -h -p τι*; φ q q -- c q q φ —

o φ u P

•p tn φ φ

-p q >φ -P

(ti (ti i—f *P O O O O O

PtnOH o o co o o -P Η Λ ^ cm r- V-T- q -p Φ tn Φ -P Λ g u ^

qOP

0 Φ -P

I—I tsi -p Φ Λ (ti I Φ EH -P 03 —- >r-H<A° o o otno

φ ^ t— t— CM

q> (φ p 1 -P Φ 03 T3 -—· tnt! rH Φ q φ o h •p Λ Λ -P tn o q t n φ -P cm m g -P £| \ x t— - ^ t— ·©. -P g o o P 03 g - P (ti o

co si -P

Φ 03 m

rH CM

Φ i p g in cm o q p g i i i P ·& —' cn v- cm

0 -P

ti 03 o

1 P

D - φ Φ uh q tn -p π λ; ή (0 (ti (ti Φ 03 (ti

PH H -P -P -P

q tn (ΰ Ό HP

Φ Φ Hq (ti Φ 'Φ +J-PP paj ρ-ρ q ΡΦίΒ ΟΡ Φ Φ (ti ptiTlH farQ ti Η to 12

DK 162163 B

Ovenstående tabel illustrerer effektiviteten af den her omhandlede fremgangsmåde og viser især, at et granulært lag bestående af formalet, brændt ler med en betydelig kornstørrelse (3-5 mm) overraskende er særlig fordelagtigt til gen-5 nemførelse af den her omhandlede fremgangsmåde.

Den foreliggende opfindelse tilvejebringer i overensstemmelse hermed en simpel, let gennemførbar og lidet kostbar metode til koncentrering af suspensioner med meget ringe koncentration af mikroskopiske partikler. Det er klart, at denne frem-10 gangsmåde er af særlig interesse ved sin anvendelse til indsamling af mikroalger eller zooplankton, eftersom det ikke ændrer de indvundne mikroorganismers fysisk-kemiske egenskaber, eftersom disse forbliver i levende tilstand i deres naturlige miljø under hele forløbet med koncentreringen og 15 indsamlingen.

Eksempel 2

Dette eksempel angår anvendelsen af den her omhandlede fremgangsmåde til rensning af kommunalt spildevand, der har undergået en forudgående rensning ved simpel dekantering.

20 Dette vand, der har en koncentration af suspenderede materialer på mellem 150 og 200mg/liter, gennemstrømmer et fast lag af sand med en kornstørrelse på 300 jim uden tilsætning af noget flokkuleringsreagens.

Der konstateres en udvidelsesprocentsats for sandlaget på 25 10%.

Det konstateres, at 50% af de suspenderede materialer tilbageholdes ved en passagetid på 1 time, medens 70% af disse materialer tilbageholdes ved en passagetid på 3 timer.

De tilbageholdte, suspenderede materialer udgør et flokkulat, 13

DK 162163 B

der aflejrer sig på overfladen af det granulære lag. Dette flokkulat kan fjernes periodisk eller kontinuerligt.

Claims (9)

1. Fremgangsmåde til kontinuerlig flokkulering uden tilsætning af reagenser af mikroskopiske partikler, såsom mikroalger (dvs. alger, der måler mellem 10 og 30 μια) i en 5 væskesuspension, kendetegnet ved, at man lader en første væske indeholdende mikroskopiske partikler i suspension passere igennem et granulært medium (2), indtil det granulære medium er delvis eller helt tilstoppet af de mikroskopiske partikler, at man renser det granulære 10 medium i det mindste delvis ved at lade det gennemstrømme af den anden strøm af den væske, og som cirkulerer med en større tværsnitshastigheden den første væske, hvilken hastighed ligger mellem 0,25 og 1 m/h, og at man ved den nedre del af laget, set i væskernes strømningsretning, 15 opsamler flokkulerede aggregater (4) af de mikroskopiske partikler og en afgangsstrøm af delvis eller helt renset væske (6).

2. Fremgangsmåde ifølge krav 1, kendetegnet ved, at i det mindste en del af afgangsvæsken (6) recirkuleres til 20 tilførsel af det granulære medium (2).

3. Fremgangsmåde ifølge krav 1-2, kendetegnet ved, at det granulære medium (2) gennemstrømmes nedefra og opefter af den første og den anden væske, der skal behand les.

4. Fremgangsmåde ifølge krav 3, kendetegnet ved, at det granulære lag (2) forbliver i fast lag under gennemførelsen af fremgangsmåden.

5. Fremgangsmåden ifølge krav 3, kendetegnet ved, at det granulære medium (2) under tilstopningsfasen udvider 30 sig højst ca. 30 volumen-%.

6. Fremgangsmåde ifølge krav 1-5, kendetegnet ved. DK 162163 B at det granulære medium (2) består af partikler med en kornstørrelse på mellem 0,005 og 3 cm og en massefylde på ca. 1,1 g/cm3 eller derover.

7. Fremgangsmåde ifølge krav 6, kendetegnet ved, at 5 det granulære medium (2) består af formalet, brændt ler med en kornstørrelse på mellem 3 og 5 mm.

8. Fremgangsmåde ifølge krav 1-7, kendetegnet ved, at det granulære medium (2) er anbragt i en lodret eller skråtstillet, cylindrisk eller spiralformet søjle (1), 10 hvor den del (9'), der er beliggende over mediet (2), har et større tværsnit end den del, der indeholder mediet.

9. Anvendelse af fremgangsmåde ifølge krav 1-8 til rensning af spildevand.