NL1004857C2 - Werkwijze en inrichting voor het verwijderen van opgelost ijzer uit grondwater. - Google Patents

Description

Werkwijze en inrichting voor het verwijderen van opqelost ijzer uit grondwater.

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor het verwijderen van opgelost ijzer uit grondwater.

Een conventionele werkwijze voor het verwijderen 5 van opgelost ijzer uit grondwater bevat het beluchten van het gebruikelijke anaerobe grondwater, waarbij het in het grondwater opgeloste ijzer wordt omgezet in ijzerhydroxi-devlokken. Vervolgens worden de ijzerhydroxidevlokken opgevangen in filters. Na verloop van tijd raken de fil-10 ters verzadigd, en worden ze gereinigd door een deel van het gezuiverde grondwater, het zogenaamde spoelwater, in omgekeerde richting door de filters te sturen. Hierbij ontstaat als restproduct een waterrijk slib met een hoog ijzergehalte. Om dit restproduct verder te kunnen verwer-15 ken is een verhoging van het droge stofgehalte gewenst. Hiervoor zijn behandelingstechnieken noodzakelijk en komen vuilwaterstromen vrij die moeten worden geloosd. In sommige gevallen is gedeeltelijke terugwinning mogelijk, doch hiervoor is inzet van extra zuiveringsstappen noodzake-20 lijk.

Hiertoe wordt volgens de uitvinding een werkwij-ze voor het verwijderen van opgelost ijzer uit grondwater verschaft, waarbij de werkwijze de stappen bevat van het in een reactorbuis met een ingangseinde en een uitgangs- '10 0 4 8 S 7 2 einde plaatsen van kristallisatiekiemen geselecteerd uit de groep bestaande uit zand, hematiet en magnetiet, waarbij de grootte van de kristallisatiekiemen geselecteerd wordt in het bereik van bij voorkeur 0,05-0,7 mm, in het 5 bijzonder 0,05-0,35 mm, het inbrengen van grondwater in het ingangseinde van de reactorbuis en het van het in-gangseinde naar het uitgangseinde doen stromen van het grondwater, en het inbrengen van zuurstof in het ingangseinde van de reactiebuis. Het in het grondwater opgeloste 10 ijzer wordt op deze manier aan het oppervlak van deze specifieke kristallisatiekiemen geadsorbeerd en tot ijzeroxide geoxideerd. Het ijzeroxide is op de kiemen aanwezig in kristal- of amorfe vorm. Doordat door adsorptie van ijzer het werkzame oppervlak van de kiemen toeneemt, 15 blijven de in de reactorbuis geplaatste kiemen lange tijd werkzaam. Op deze wijze blijkt meer dan 90% van het opgeloste ijzer uit het grondwater verwijderd te kunnen worden. Doordat de kristallisatiekiemen geselecteerd worden uit de groep bestaande uit zand, hematiet en magnetiet, 20 zijn de korrels of pellets van ijzer bovendien geschikt voor hergebruik als roodkleurende toeslagstof bij de fabricage van bakstenen, als ijzerdrager bij de cementproductie of opwerking tot ferrichloride door middel van aanzuring. Bij gebruik van hematiet en magnetiet is de 25 zuiverheid van de korrels of pellets zodanig dat deze geschikt zijn voor afzet naar bijvoorbeeld een ijzerprodu-cent, of na vermaling tot een fijnere fractie, voor hergebruik als kristallisatiekiemen.

In het Amerikaanse octrooischrift 5.427.691 30 wordt een werkwijze beschreven voor het neutraliseren van zurig water bevattende zware metalen en sulfaat. Echter beschrijft of suggereert dit Amerikaanse octrooischrift niet de soort en grootte van de kristallisatiekiemen.

Ook de Japanse octrooiaanvrage JP-09.001157 35 beschrijft niet de soort en de grootte van de kristallisatiekiemen .

De Internationale octrooiaanvrage WO 96/31442 1004857 3 heeft betrekking op het oxideren van een waterig medium bevattende organische en/of oxideerbare anorganische stoffen bij lage temperatuur en hoge druk, en hierin wordt niet over kristallisatiekiemen gesproken.

5 De inrichting volgens de Duitse octrooiaanvrage 195.09.253 gebruikt een membraan voor het verwijderen van oxideerbare bestanddelen uit grondwater, en beschrijft geen specifieke kristallisatiekiemen.

In de werkwijze volgens het Amerikaanse octrooi-10 schrift 5.075.010 is er ook sprake van een "membraan" dat zich boven op het, bijvoorbeeld, kwartszand vormt en dat verantwoordelijk is voor het ontijzeren van het water. De grootte en soort van de korrels gebruikt in deze bekende werkwijze is sterk verschillend van die volgens de onder-15 havige uitvinding.

Een uitvoeringsvorm van een werkwijze volgens de uitvinding wordt gekenmerkt doordat de reactorbuis onder een helling wordt geplaatst en het ingangseinde lager dan het uitgangseinde is gepositioneerd. Bij voorkeur wordt de 20 reactorbuis verticaal geplaatst. Hierdoor zakken door absorptie van ijzer zwaarder geworden kiemen, in de vorm van korrels of pellets van ijzer naar de bodem van de reactorbuis, alwaar ze eenvoudig kunnen worden verwijderd. Daar deze korrels of pellets van ijzer een droge stof-25 gehalte van ruim 90% kunnen hebben, zijn ze uitermate geschikt voor veelzijdig hergebruik.

Bij relatief lage ijzergehaltes van het grondwater - hierbij valt te denken aan gehaltes van rond 2 mg Fe per liter - omvat de stap van het inbrengen van zuurstof 30 in de reactorbuis bij voorkeur het inbrengen van rein water in het ingangseinde van de reactorbuis. De in rein water opgeloste hoeveelheid zuurstof is vrijwel constant, ongeveer 10 mg zuurstof per liter rein water, en voldoende voor de oxidatie van het geadsorbeerde ijzer. Het inbren-35 gen van rein water in de reactorbuis is eenvoudiger en goedkoper te realiseren dan het inbrengen van gasvormig zuurstof.

1004857 4

Bij hogere ijzergehaltes van het grondwater verdient het de voorkeur om waterstofperoxide in de reac-torbuis te brengen.

Teneinde in sommige gevallen kristallisatie op 5 de kiemen meer stroomopwaarts in de reactorbuis te stimuleren kan zuurstof, bijvoorbeeld in de vorm van rein water of waterstofperoxide, op extra plaatsen tussen het in-gangseinde en uitgangseinde van de reactorbuis in de reactorbuis ingebracht worden.

10 Daarnaast heeft het voor een gewenste ontijze- ring de voorkeur dat het van het ingangseinde naar het uitgangseinde van de reactorbuis stromen van grondwater tenminste tien minuten in beslag neemt.

Wanneer de opwaartse stroomsnelheid van het 15 grondwater zodanig hoog gekozen wordt dat de kristallisa-tiekiemen in suspensie blijven, worden de kiemen over de gehele reactorbuis verdeeld en vindt ontijzering over de gehele reactorbuis plaats. Bovendien vindt hierdoor een hydraulische stratificatie plaats, als gevolg waarvan de 20 grootste korrels of pellets zich eenvoudig naar de bodem van de reactorbuis verplaatsen. De maximaal haalbare pelletgrootte is daarbij afhankelijk van de hoogte van de reactorbuis, de specifieke dichtheid van de pellet en de opwaartse vloeistofsnelheid.

25 Teneinde de mate van ontijzering nauwkeurig te kunnen volgen wordt bij voorkeur de zuurstofconcentratie en/of de i j zerconcentratie van het grondwater bij het uitgangseinde van de reactorbuis gemeten.

De uitvinding heeft tevens betrekking op een 30 inrichting voor het verwijderen van opgelost ijzer uit grondwater, bevattende een reactorbuis met een ingangseinde en een uitgangseinde, een grondwatertoevoer voor het in het ingangseinde van de reactorbuis inbrengen van grondwater en een zuurstof toevoer voor het in het ingangseinde 35 van de reactorbuis inbrengen van zuurstof, en een kristal-lisatiekiemtoevoer voor het in het uitgangseinde van de reactorbuis inbrengen van kristallisatiekiemen geselec- 1004857 5 teerd uit de groep bestaande uit zand, hematiet en magne-tiet, waarbij de grootte van de kristallisatiekiemen bij voorkeur ligt in het bereik van 0,05-0,7 mm, in het bijzonder van 0,05-0,35 mm, zulks afhankelijk van het soorte-5 lijk gewicht van het kristallijne product.

Een voorkeursuitvoering van een inrichting volgens de uitvinding wordt gekenmerkt doordat de reactor-buis aan het uitgangseinde verwijd is. Hierdoor neemt de stroomsnelheid van het grondwater af, zodat de kristalli-10 satiekiemen niet meer in suspensie blijven, waardoor er geen kiemen meer aanwezig zijn in het aan het boveneinde van het verwijdde deel bevindende ontijzerde grondwater, dat voor eventuele verdere verwerking afgevoerd kan worden .

15 Enige uitvoeringsvormen van een werkwijze en inrichting volgens de uitvinding zullen bij wijze van voorbeeld beschreven worden aan de hand van de tekening. Hierin toont de enige figuur schematisch een inrichting voor het verwijderen van opgelost ijzer uit grondwater 20 volgens de uitvinding.

In de figuur wordt schematisch een inrichting voor het verwijderen van opgelost ijzer uit grondwater getoond. De inrichting bevat een reactorbuis 1 met een ingangseinde 2 en een uitgangseinde 3. In het getoonde 25 uitvoeringsvoorbeeld is de reactorbuis 1 verticaal geplaatst, hoewel het uiteraard ook mogelijk is dat de reactorbuis onder een andere helling is geplaatst waarbij het ingangseinde lager dan het uitgangseinde ligt. Een horizontale plaatsing is ook mogelijk.

30 De inrichting bevat verder een grondwatertoevoer 4 voor het in het ingangseinde 2 van de reactorbuis 1 inbrengen van, in het algemeen anaëroob, grondwater. In de grondwatertoevoer 4 zijn kranen en ventielen aangebracht voor het regelen van de grondwaterafgifte.

35 Een zuurstoftoevoer 5 brengt zuurstof in het ingangseinde 2 van de reactorbuis 1. Hoewel de zuurstof in gasvorm via een spuitmond kan worden ingebracht, heeft het 1004857 6 bij relatief lage ijzergehaltes in het grondwater de voorkeur de zuurstof toevoer te realiseren door het via een rein water-toevoer 6 toevoeren van rein water, met een vrijwel constante hoeveelheid opgeloste zuurstof, van 5 ongeveer 10 mg zuurstof per liter. Voor hogere ijzergehaltes verdient het de voorkeur om alternatief of aanvullend via een waterstofperoxidetoevoer 7 waterstofperoxide in het ingangseinde 2 van de reactorbuis 1 in te brengen. Hiertoe is de waterstofperoxidetoevoer 7 aangesloten op 10 een waterstofperoxidevoorraadvat 8. De zuurstoftoevoer 5, de rein water-toevoer 6 en de waterstofperoxidetoevoer 7 zijn voorzien van kranen en ventielen om naar wens de geschikte hoeveelheid zuurstof in de reactorbuis 1 in te brengen.

15 De inrichting bevat tevens tenminste één zuurstof toevoer (9, 10) voor het naar wens inbrengen van zuurstof in de reactorbuis 1 tussen het ingangseinde 2 en het uitgangseinde 3.

Kristallisatiekiemen worden via een kristallisa-20 tiekiemtoevoer 12, die bij voorkeur gevormd wordt door het uitgangseinde 3 van de reactorbuis 1, in de reactorbuis 1 geplaatst. Wanneer de stroomsnelheid van het grondwater door de reactorbuis 1 voldoende hoog is, blijven de kristallisatiekiemen in suspensie. Om te voorkomen dat uit de 25 reactorbuis 1 stromend ontijzerd grondwater, het effluent, kristallisatiekiemen bevat, is het uitgangseinde van de reactorbuis 1 verwijd tot een verwijd deel 11. Door de verwijding neemt de stroomsnelheid van het grondwater af zodat kristallisatiekiemen in het verwijdde deel 11 bezin-30 ken en niet met het effluent in een afvoer 14 van het effluent overgedragen worden.

De verwijdering van opgelost ijzer uit het grondwater vindt plaats doordat het onbeluchte grondwater in de reactorbuis in contact gebracht wordt met een geli-35 miteerde hoeveelheid zuurstof, waarbij het ijzer op de in de reactorbuis 1 aanwezige kristallisatiekiemen kristalliseert of zich daarop in amorfe vorm afzet. Om een kristal- 1004857 7 lisatie of afzetting te bewerkstelligen moet het opgeloste ijzer, dat als tweewaardig ferro-ion (Fe2+) in het grondwater aanwezig is, eerst adsorberen aan het oppervlak van de kristallisatiekiemen voordat het tot ijzeroxide 5 (Fe203.xH20; Fe304) oxideert. Hiertoe wordt het ruwe grond water niet eerder met zuurstof in contact gebracht dan wanneer het in de reactorbuis wordt geleid. De voor oxidatie aan te bieden hoeveelheid zuurstof dient derhalve gelimiteerd te worden tot de stoechiometrisch benodigde 10 hoeveelheid, dat wil zeggen 1 mol 02 per 4 mol Fe2+ voor kristallisatie tot Fe203 en 1 mol 02 per 3 mol Fe2* voor kristallisatie tot Fe304.

Het volgt dus dat de kristalvorm (of amorfe vorm) bepaald wordt door de hoeveelheid toegevoegde zuur-15 stof. Daarnaast speelt de aard van de kristallisatiekiemen en de pH een rol. Voor adsorptie van Fe2* is een licht zuur tot neutraal milieu noodzakelijk. Bij hogere pH's (basisch milieu) bestaat de kans dat het Fe2* oxideert tot amorf ferrihydroxide (Fe(0H)3) voordat het aan het kiemoppervlak 2 0 is geadsorbeerd. In de aanvoerleiding 4 naar de reactorbuis 1 kan in geval verlaging van de pH nodig blijkt, hetgeen bij het meeste grondwater niet het geval is, een zuur worden gedoseerd.

De reactorbuis 1 wordt opwaarts doorstroomd, 25 waarbij de opwaartse vloeistofsnelheid bij voorkeur zodanig hoog is, dat de kiemen waaraan het ijzer adsorbeert en vervolgens oxideert, geruime tijd in suspensie blijven. Hierbij vindt een hydraulische stratificatie plaats, als gevolg waarvan de door adsorptie zwaarder geworden kris-30 tallisatiekiemen in de vorm van korrels of pellets zich naar de bodem van de reactorbuis 1 verplaatsen, waar ze via de korrelafvoer 13 kunnen worden verwijderd en kunnen worden hergebruikt. De maximaal haalbare pellet- of kor-relgrootte is daarbij onder meer afhankelijk van de hoogte 35 van de reactor, de specifieke dichtheid van de pellet en de opwaartse vloeistofsnelheid.

De kristallisatiekiemen worden volgens de uit- 1004857 8 vinding gekozen uit de groep bestaande uit zand, hematiet of magnetiet, waarbij hun grootte gelegen is in het bereik van bij voorkeur 0,05 tot 0,7 mm, in het bijzonder 0,05-0,35 mm.

5 Voor zand kan gekozen worden indien een korrel of pellet gewenst is met een relatief lage specifieke dichtheid, waardoor een grotere pelletdiameter kan worden verkregen. Het kwartsaandeel is echter aanzienlijk.

Het voordeel van hematiet en magnetiet als 10 kristallisatiekiem, is dat de hergebruikmogelijkheden worden vergroot, vanwege het hoge ijzergehalte. Magnetiet-kiemen stimuleren het kristallisatieproces in de richting van magnetiet (Fe304), een kristalvorm waarbij het ijzerge-halte maximaal is. De pellets kunnen dan bijvoorbeeld als 15 ijzererts gebruikt worden.

De onderhavige uitvinding verschaft een uiterst efficiënte ontijzering van grondwater, waarbij het effluent een gering percentage gehydrateerde ijzeroxide bevat, van minder dan 10%. Indien nodig kan dit gehydrateerde 20 ijzeroxide eenvoudig met behulp van een zand/antraciet-filter worden afgevangen. Als gevolg van de geringe ijzer-belasting van dit filter zal het spoelwaterverbruik zeer laag zijn in vergelijking met dat van een conventioneel ontijzeringsfilter. Daarnaast verschaft de onderhavige 25 uitvinding de mogelijkheid om het verwijderde ijzer eenvoudig her te gebruiken, doordat de uit de reactorbuis verwijderde korrels of pellets van ijzer een droge stof-gehalte van ruim 90% hebben. Dit gehalte is in geval van een conventionele werkwijze slechts te bereiken na aanvul-30 lende indikkings-, ontwaterings- en droogtechnieken.

Een voldoende ontijzering blijkt plaats te vinden wanneer de verblijftijd van het grondwater in de reactorbuis minimaal 10 minuten is. Door meting van de zuurstof- en/of ijzerconcentratie van het effluent, kunnen 35 de verhoudingen grondwater/zuurstof continu bijgesteld worden om een optimale werking te verkrijgen. Eventueel kan de pH van het grondwater continu gemeten worden.

1004857 9

Bij een duurproefopstelling met een reactorbuis met een hoogte van 4,5 m, een doorsnede van 15 cm, waardoorheen ongeveer per uur 200 1 grondwater met ongeveer 1-3 mg Fe2+ per liter en ongeveer 30 1 rein water per uur 5 gevoerd werd (verblijftijd ongeveer 15 minuten), en in welke reactor ongeveer 80 kg kiemzand aanwezig was, bleek gedurende enkele maanden de ijzerverwijdering 90-95% te zijn. Toevoeging van kristallisatiekiemen of verwijdering van korrels bleek in die periode niet nodig te zijn.

1004857

Claims (22)

1. Werkwijze voor het verwijderen van opgelost ijzer uit grondwater, welke werkwijze de stappen bevat van: het in een reactorbuis met een ingangseinde en 5 een uitgangseinde plaatsen van kristallisatiekiemen geselecteerd uit de groep bestaande uit zand, hematiet en magnetiet, waarbij de grootte van de kristallisatiekiemen geselecteerd wordt in het bereik van bij voorkeur 0,05-0,7 mm, in het bijzonder 0,05-0,35 mm, 10 het inbrengen van grondwater in het ingangseinde van de reactorbuis en het van het ingangseinde naar het uitgangseinde doen stromen van het grondwater, en het inbrengen van zuurstof in het ingangseinde van de reactiebuis.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de reactorbuis onder een helling wordt geplaatst en het ingangseinde lager dan het uitgangseinde is geposi tioneerd.

3. Werkwijze volgens conclusie 2, met het ken-20 merk, dat de reactorbuis verticaal wordt geplaatst.

4. Werkwijze volgens conclusie 1, 2 of 3, met het kenmerk, dat de stap van het inbrengen van zuurstof in de reactorbuis het inbrengen van rein water in het ingangseinde van de reactorbuis omvat.

5. Werkwijze volgens conclusie 1, 2, 3 of 4, met het kenmerk, dat de stap van het inbrengen van zuurstof in de reactorbuis het inbrengen van waterstofperoxide in het ingangseinde van de reactorbuis omvat.

6. Werkwijze volgens een der voorgaande conclu-30 sies, met het kenmerk, dat de werkwijze verder de stap omvat van het op tenminste één plaats tussen het ingangseinde en het uitgangseinde van de reactorbuis inbrengen van zuurstof in de reactorbuis.

7. Werkwijze volgens conclusie 6, met het ken- 1004857 merk, dat de verdere stap van het in de reactorbuis brengen van zuurstof het inbrengen van rein water in de reactorbuis omvat.

8. Werkwijze volgens een der voorgaande conclu-5 sies, met het kenmerk, dat de verdere stap het op tenminste één plaats tussen het ingangseinde en het uitgangsein-de van de reactorbuis inbrengen van waterstofperoxide in de reactorbuis omvat.

9. Werkwijze volgens een der voorgaande conclu-10 sies, met het kenmerk, dat de stap van het van het ingangseinde naar het uitgangseinde van de reactorbuis stromen van grondwater tenminste tien minuten in beslag neemt.

10. Werkwijze volgens een der conclusies 2 tot 15 en met 9, met het kenmerk, dat de opwaartse stroomsnelheid van het grondwater zodanig hoog gekozen wordt dat de kristallisatiekiemen in suspensie blijven.

11. Werkwijze volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de werkwijze de stap bevat van 2. het bij het uitgangseinde van de reactorbuis meten van de zuurstofconcentratie van het grondwater.

12. Werkwijze volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de werkwijze de stap bevat van het bij het uitgangseinde van de reactorbuis meten van de 25 ijzerconcentratie van het grondwater.

13. Inrichting voor het verwijderen van opgelost ijzer uit grondwater, bevattende een reactorbuis met een ingangseinde en een uitgangseinde, een grondwatertoevoer voor het in het ingangseinde van de reactorbuis inbrengen 3. van grondwater, een zuurstof toevoer voor het in het in gangseinde van de reactorbuis inbrengen van zuurstof, en een kristallisatiekiemtoevoer voor het in het uitgangseinde van de reactorbuis inbrengen van kristallisatiekiemen geselecteerd uit de groep bestaande uit zand, hematiet en 35 magnetiet, waarbij de grootte van de kristallisatiekiemen ligt in het bereik van bij voorkeur 0,05-0,7 mm, in het bijzonder 0,05-0,35 mm. 1004857

14. Inrichting volgens conclusie 13, met het kenmerk, dat de reactorbuis onder een helling is geplaatst en het ingangseinde lager dan het uitgangseinde ligt.

15. Inrichting volgens conclusie 14, met het 5 kenmerk, dat de reactorbuis verticaal is geplaatst.

16. Inrichting volgens conclusie 13, 14 of 15, met het kenmerk, dat de zuurstof toevoer een rein watertoevoer is.

17. Inrichting volgens conclusie 13, 14, 15 of 10 16, met het kenmerk, dat de inrichting een waterstofpe- roxide-toevoer bevat voor het in het ingangseinde van de reactorbuis inbrengen van waterstofperoxide.

18. Inrichting volgens een der conclusies 13 tot en met 17, met het kenmerk, dat de inrichting tenminste 15 één zuurstoftoevoer bevat voor het tussen het ingangseinde en het uitgangseinde van de reactorbuis in de reactorbuis brengen van zuurstof.

19. Inrichting volgens een der conclusies 13 tot en met 18, met het kenmerk, dat de inrichting tenminste 20 één waterstofperoxidetoevoer bevat voor het tussen het ingangseinde en het uitgangseinde van de reactorbuis in de reactorbuis brengen van waterstofperoxide.

20. Inrichting volgens een der conclusies 13 tot en met 19, met het kenmerk, dat de reactorbuis aan het 25 uitgangseinde verwijd is.

21. Inrichting volgens een der conclusies 13 tot en met 20, met het kenmerk, dat de inrichting meetinstrumenten bevat voor het bij het uitgangseinde van de reactorbuis meten van de ijzerconcentratie en/of zuurstofcon- 30 centratie van het grondwater.

22. Inrichting volgens een der conclusies 14 tot en met 21, met het kenmerk, dat de reactorbuis nabij het ingangseinde voorzien is van een korrelafvoer. -o-o-o-o-o-o-o-o- AS/KP 100485?