NL9202033A - Werkwijze voor de behandeling van verbrandingsresiduen en de toepassing daarvan als adsorptiemiddel. - Google Patents

Description

Werkwijze voor de behandeling van verbrandingsresiduen en de toepassing daarvan als adsorptiemiddel

De uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor de behandeling van verbrandingsresiduen.

Het is bekend, dat slakken die vrijkomen bij de verbranding van afval, in het bijzonder van huishoudelijk en daarmee gelijk te stellen afval, bruikbaar zijn als funderings- en ophoogmateriaal in de wegenbouw en als grindvervanger in beton (C.R.O.W. (1988): Resten zijn géén afval (meer) - AVI-slakken. Publicatie 15, Stichting C.R.O.W., Ede [1];

Leenders, P. (1984): Management of Solid Waste Incinerator Residues in The Netherlands. In: K.J. Thomé-Kozmiensky (ed.): Recycling International Vol. 2, p. 1420-1441. EF-Verlag, Berlin) [2].

Dit materiaal, kortweg AVI-slakken genoemd, dient, afhankelijk van het toepassingsgebied, te voldoen aan bepaalde civiel-technische en milieuhygiënische kwaliteitseisen. De milieuhygiënische kwaliteitseisen zijn onder te verdelen in eisen aan de samenstelling en eisen aan de uitloogbaarheid van het product. Deze milieuhygiënische kwaliteitseisen zullen, voor wat het Nederlandse grondgebied betreft, worden vastgelegd in het zogenoemde Bouwstoffenbesluit, een Algemene Maatregel van Bestuur (AMVB) in het kader van de Wet Bodembescherming. In deze AMVB, waarvan een ontwerp is gepubliceerd, ligt het accent bij de kwaliteitseisen op de uitloging. Van de civiel-technische kwaliteitseisen die aan toepassingen als funderingsmateriaal worden gesteld [1] zijn in dit kader met name de eisen die aan onverbrand en verteerbaar materiaal worden gesteld, relevant. Voor toepassingen als grindvervanger in beton is ook de pH belangrijk .

Om aan de eisen van het Bouwstoffenbesluit te voldoen is het vereist de uitloging van zware metalen uit AVI-slakken terug te dringen. Dergelijke processen, veelal immobilisatieprocessen genoemd, zijn algemeen bekend en worden onderverdeeld in fysisch-chemische en thermische processen. Fysisch-chemische processen beogen door het gebruik van bindmiddelen en andere toeslagstoffen een harde, weinig poreuze en duurzame matrix te produceren en tegelijk verontreinigingen in de vorm van slecht oplosbare verbindingen vast te leggen.

Het vormen van een harde matrix volgens bekende werkwijzen, waarbij bijvoorbeeld gebruik gemaakt wordt van een bindmiddel is in het algemeen geen probleem. Blijkens uitloogproeven, treedt er echter in veel gevallen geen chemische binding op van de verontreiniging. Na verkleining van de matrix is de uitloging vaak weer op het niveau van het uitgangsmateriaal. Een ander zwak punt van de huidige fysisch-chemische immobilisatieproces-sen, is het gebruik van relatief grote hoeveelheden (typisch 10-50# op gewichtsbasis) dure toeslagstoffen, zoals cement.

Thermische processen beogen verontreinigingen via het sinteren of smelten van het materiaal in een silicaat matrix te incorporeren. Uit proeven blijkt dat de verontreinigingen veelal goed worden vastgelegd. Een nadeel van het proces is dat de kosten als gevolg van de hoge investeringen en het forse energieverbruik, hoog zijn.

Gevonden werd nu een werkwijze, van het in de aanhef beschreven type die daardoor is gekenmerkt dat de residuen met gas, dat 0,1 tot 100 vol·% C02 bevat, worden behandeld, bij voorkeur bij een temperatuur van de omgevingstemperatuur tot 200°C onder een druk van atmosferisch tot 10 bar overdruk. Het gehalte aan C02 is hoger dan het gehalte in de atmosfeer .

De werkwijze kan worden uitgevoerd bij omgevingstemperatuur (circa 0-30°C) en atmosferische druk (circa 1 bar). Verhoging van druk en temperatuur geeft echter een versnelling van de reacties.

Goede ervaringen zijn opgedaan met gas met C02-gehalten van ten minste 1, bijvoorbeeld circa 5“20, in het bijzonder ongeveer 8 vol. %, een temperatuur van ten hoogste 100°C, bijvoorbeeld circa 20-70*0, meer in het bijzonder ongeveer 20-50*0 en een overdruk van ten hoogste 1 atmosfeer.

De onderhavige werkwijze heeft overeenkomsten met de bekende fy-sisch-chemische immobilisatieprocessen, maar verschilt ervan in dit opzicht dat geen harde matrix wordt gevormd. Een ander verschil is dat tevens gebruik wordt gemaakt van microbiologische reacties. De werkwijze is daarom te omschrijven als een chemisch immobilisatieproces waarvan de effectiviteit vergroot wordt door microbiologische omzettingen.

De bestaande immobilisatieprocessen kenmerken zich door een onvoldoende vastlegging van verontreinigingen en/of een relatief hoog kostenniveau, waardoor behandeling van reststoffen die in bulkhoeveelheden worden geproduceerd, praktisch niet haalbaar is.

De reactie van C02 met de basische AVI-slak resulteert in de vorming van carbonaten, er is dus sprake van een (re-)carbonatatieproces. Voor de vastlegging van zware metalen en metalloïden is echter niet alleen de vorming van carbonaten van belang. Belangrijk is ook dat de pH van het materiaal zodanig wordt beïnvloed, dat de oplosbaarheid van de betreffende componenten minimaal is. Deze pH-regeling is voorts van belang voor het optimaliseren van microbiologische reacties. Bij de sterk basische pH-waarde, die de onbehandelde AVI-slakken kan bezitten, kunnen de meeste micro-organismen (met name bacteriën) niet groeien. Een afname van de pH tot licht-basische waarden, bijvoorbeeld 7“8.5. vergroot niet alleen de toepasbaarheid van de slakken als toeslagstof voor beton en dergelijke, maar ook de mogelijkheden voor de groei van micro-organismen in sterke mate. Additioneel kan de activiteit van micro-organismen verbeterd worden door toevoeging van nutriënten en enting met micro-organismen (zoals bacterie- en schimmelcultures). De gunstige werking van de micro-organismen berust op de afbraak van niet-verbrand organisch materiaal en stikstof, bijvoorbeeld ammoniumgroepen bevattende stoffen. Afgezien van de bijdrage van deze stoffen als zodanig aan de uitloging, spelen deze ook een rol bij de uitloging van metalen. Zowel organische stof (zuren, humusstoffen en dergelijke) als ammoniumgroepen kunnen metalen complexe-ren.

Een gunstig en belangrijk effect van de behandeling is dat ook de civiel-technische kwaliteit van de slak aanzienlijk wordt verbeterd. Door de verlaging van de pH wordt de kans op destructieve expansie, zoals de omzetting van stukjes metallisch aluminium in aluminiumhydroxyde, aanzienlijk kleiner. Verder wordt het materiaal veel geschikter voor gebruik als grindvervanger in beton.

Aan het te gebruiken C02 en het gasmengsel waarin zich het C02 bevindt, worden geen bijzondere eisen gesteld, behalve dat het gasmengsel bij voorkeur zuurstof bevat en met water verzadigd is. Het zuurstof is nodig voor het verloop van de microbiologische reacties. Toepassing van waterdamp dient ter voorkoming van uitdroging van de slak. Wegens gebrek aan water kunnen de micro-organismen worden geremd of zelfs afsterven.

Het C02 kan worden betrokken van een leverancier en met lucht worden verdund. Een (gezuiverd) rookgas of afgas van een biologisch proces is echter ook geschikt als C02-bron. Aan deze gasmengsels moet wel als eis worden gesteld dat de eventueel in het gas aanwezige verontreiniging niet zodanig mag zijn dat de kwaliteit van de slak via adsorptieprocessen significant afneemt.

Indien afgassen worden gebruikt als C02-bron, levert de behandeling een directe bijdrage aan de vermindering van de C02-emissie. De werkwijze is daarom in deze variant ook te beschouwen als een C02-verwijderings-proces. De AVI-slakken kunnen in dit geval als een adsorbens worden beschouwd, hetgeen een nieuwe toepassing is voor dit materiaal.

De tijd dat de slakken met C02-rijk gas behandeld moeten worden, is afhankelijk van de procescondities die aangelegd worden (druk, temperatuur, C02-gehalte). Deze tijd varieert van één uur (bij verhoogde druk en temperatuur) tot circa acht weken. Onder een druk van ongeveer 1 atmosfeer en bij een temperatuur van ongeveer 20°C zal een verblijftijd van twee tot vier weken in het algemeen voldoende zijn.

Zoals vermeld varieert de druk in het algemeen tussen atmosferisch en 10 bar overdruk. In een typische uitvoering van het proces, waarbij micro-organismen worden toegepast, wordt gewerkt met een overdruk van 0,01-0,1 bar.

Een mogelijke inrichting waarin de werkwijze volgens de uitvinding kan worden uitgevoerd, wordt schematisch weergegeven in figuur 1. In deze figuur is: 1 - de toevoerleiding van een C02-rijk gasmengsel; 2 - geperforeerde buizen; 3 - een laag grind en grof zand of vergelijkbaar materiaal, waarin de geperforeerde buizen zijn ingebed; 4 - een berijdbare, geperforeerde vloer; 5 - een laag AVI-slakken van 0,5-5 ® dik; 6 - een betonnen bak die aan de bovenzijde kan worden afgesloten met bijvoorbeeld zeildoek.

Het C02-rijke gas stroomt via het verdeelsysteem, gevormd door 2 en 3, door de slakkenlaag omhoog. Het ontwijkt aan de bovenzijde van de slakkenlaag en zal dan, afhankelijk van de samenstelling, gerecirculeerd, direct geloosd, geloosd via een filter of gebruikt worden als verbrandingslucht voor een vuurhaard.

Afhankelijk van de omvang van de te behandelen slakkenstroom, dient de betonnen bak in secties te worden verdeeld. Voor semi-continu werken dienen altijd minimaal twee secties aanwezig te zijn, waarbij afwisselend in de ene sectie materiaal wordt behandeld of de sectie wordt leeg gemaakt, terwijl de andere sectie wordt gevuld.

Tijdens het vullen van de secties en tijdens de behandeling kunnen desgewenst entmateriaal en nutriënten worden toegevoegd.

Een continue bedrijfsvoering is mogelijk door gebruik te maken van horizontaal opgestelde trommels, waardoor de slak met behulp van een ronddraaiende beweging getransporteerd wordt. Het C02-rijke gas wordt door de trommel geblazen. Een alternatief is het gebruik van een verticaal opgestelde silo, die aan de bovenzijde wordt gevuld en aan de onderzijde wordt geleegd. Het C02-rijke gas wordt opwaarts door de silo geblazen.

Aangezien het gebruik van grote volumina aan C02-rijk gas kenmerkend is voor het proces, worden toepasbare gasstromen in figuur 2 en 3 nader beschouwd.

Een voldoende gezuiverd rookgas, bijvoorbeeld een rookgas dat voldoet aan de eisen van de Nederlandse "Richtlijn verbranden 1989" kan gebruikt worden als C02-bron. In figuur 2 is deze gasstroom aangeduid met 7. In figuur 2 betekenen verder: 8 - een compressor; 9 ~ een warmtewisselaar (optioneel, alleen noodzakelijk als de tempe ratuur van het rookgas te hoog is); 10 - de slakkenbehandelingsunit (conform figuur 1); 11 - een recirculatiestroom; 12 - de retourstroom van het verbruikte rookgas; 13 - een alternatief voor 12, waarbij het verbruikte rookgas als ver brandingslucht naar de vuurhaard l4 wordt gevoerd; 15 - een ketel; 16 - een rookgasreiniging; 16a - een schoorsteen.

De afweging tussen afvoer van het gas via 12 of 13 is primair een technisch/economische en kan per installatie verschillen. Indien uit de slakken ontoelaatbare hoeveelheden vluchtige verontreinigingen zouden vrijkomen, is afvoer via 13 noodzakelijk.

In beide gevallen kan de gasstroom van de slakkenbehandelingsunit volledig worden geïntegreerd in de gasstroom door de AVI.

Indien de kwaliteit van het door de AVI geproduceerde rookgas onvoldoende is en geen andere schone, C02-rijke afgasstroom beschikbaar is, kan een C02-rijke gasstroom gecreëerd worden door C02 (technische kwaliteit) te mengen met lucht. Eventueel kan ook 100 vol./li's C02 als gasstroom worden gebruikt. Het C02 kan betrokken worden van een gasleverancier of ter plaatse uit het rookgas worden afgescheiden.

Het alternatief waarbij zuiver C02 wordt gebruikt, is schematisch weergegeven in figuur 3· Hierin is: 17 - het voorraadvat met C02; 18 - een gasmenginstallatie, waarin C02 en lucht worden gemengd; 19 - de toevoerleiding van het C02-rijke gas; 10 - de slakkenbehandelingsunit (conform figuur 1); 13 - de afvoer van gas naar de vuurhaard 14.

Deze afvoer is alleen nodig als uit de slak ontoelaatbare hoeveelheden vluchtige verontreinigingen zouden vrijkomen. Anders is directe lozing van het afgas (eventueel via een eenvoudig biofilter) mogelijk.

Naast de in figuur 1 toegelichte opstelling voor batchgewijze uitvoering van het proces kan de werkwijze volgens de uitvinding continu worden uitgevoerd door het te behandelen residu in een mengtrommel, silo of vergelijkbaar procesapparaat met het C02-rijke gas in contact te brengen.

Uit de bovenstaande beschrijving zal duidelijk zijn dat de werkwijze zowel met als zonder toegevoegde micro-organismen kan worden toegepast. In de typische uitvoering van het proces worden echter micro-organismen toegepast. Opgemerkt wordt, dat micro-organismen reeds van nature in het te behandelen materiaal aanwezig kunnen zijn. Het is echter ook mogelijk het te behandelen materiaal te "enten" met materiaal, dat reeds een behandeling heeft ondergaan en waarin zich micro-organismen bevinden. Deze micro-organismen verbruiken veelal zuurstof.

Het al dan niet toepassen of aanwezig zijn van micro-organismen is bepalend voor de te kiezen omstandigheden bij de werkwijze volgens de uitvinding. Zo is de aanwezigheid van water bij toepassing van micro-organismen essentieel en zal bij voorkeur een waterdamp bevattend gas worden toegepast, bij voorkeur gas dat niet alleen kooldioxide in de bovengenoemde hoeveelheden bevat, maar tevens verzadigd is met waterdamp. De temperatuur zal bij toepassing van micro-organismen in het algemeen niet hoger zijn dan ongeveer 70°C. Er zal onder de bovengenoemde lichte overdruk van maximaal 1 bar worden gewerkt.

Indien zonder toepassing van micro-organismen wordt gewerkt, kan de temperatuur wel 200°C of hoger bedragen, bijvoorbeeld 300°C of 400*0, maar om praktische redenen wordt hier in het algemeen van afgezien. De aanwezigheid van waterdamp kan voordelig zijn, maar is niet vereist. Voor de druk geldt eveneens dat extreme omstandigheden kunnen worden toegepast, waarbij een druk van 3 of 4 bar wenselijk kan zijn maar drukken van 10, 20 of 50 bar ook wel kunnen worden toegepast, maar waarbij de hogere drukken om praktische redenen vaak niet wenselijk zijn.

Het spreekt vanzelf dat de verbrandingsresiduen, die volgens de werkwijze van de uitvinding kunnen worden behandeld, bij voorkeur in fijnverdeelde vorm aanwezig zijn, bijvoorbeeld in de vorm van deeltjes met een grootte in het gebied van 0-4 cm.

Zoals hierboven reeds is vermeld kan verbrandingsresidu ook worden toegepast voor de verwijdering van C02 uit C02-rijke afgassen. De uitvinding betreft daarom tevens de toepassing van verbrandingsresiduen als absorptiemateriaal voor de verwijdering van C02 uit C02-rijke afgassen, zoals rookgassen, biogas, stortgas of afgas van composteerinstallaties.

Opgemerkt wordt, dat aan de onderhavige uitvinding de vondst ten grondslag lag, dat voordelige C02-absorptie door verbrandingsresiduen plaats vindt. Derhalve voldoen zowel de hierboven beschreven werkwijze voor de behandeling van verbrandingsresiduen als ook de toepassing van onbehandelde residuen voor absorptiedoeleinden aan het wezen van de uitvinding.

In het kader van de bovenstaande beschrijving worden onder verbrandingsresiduen verstaan: vaste residue die ontstaan bij de verbranding van afvalstoffen in ovens. Hierbij is onderscheid te maken tussen slakken, grovere bestanddelen die in de oven achterblijven, en vliegassen, fijne bestanddelen die met de rookgassen ontwijken en in elektrostatische filters worden afgevangen. De slakken ondergaan na het blussen vaak een nabewerking in de vorm van ontijzeren en breken en/of afzeven van grove bestanddelen. Hierdoor ontstaat een gradering van bijvoorbeid 0-k cm.

Voorbeeld 1

Gewerkt werd met een proefopstelling op laboratoriumschaal. Een hoeveelheid AVI-slakken van circa 1 kg bevond zich in een kolom met een hoogte van 0,5 m. Deze kolommen werden opwaarts doorstroomd met lucht (referentie) respectievelijk met C02-verrijkte lucht (circa 8 vol. procent). Het gasdebiet werd ingesteld op 5 1/uur, de temperatuur was circa 25*0 en de overdruk circa 0,1 bar. De behandeling werd gedurende 10 weken voortgezet. Voor en na de behandeling werd de uitloging van de slak bepaald met behulp van een schudtest. Het materiaal werd gedurende 23 uur geschud met demiwater (aangezuurd met salpeterzuur tot een pH van 4), bij een vloeistof/vaste stof (L/S) verhouding van 10 (methode conform NEN 73^3)·

Uit tabel 1 wordt duidelijk dat de uitloogconcentraties van de belangrijkste zware metalen onder beide condities zijn gedaald, maar dat het effect door de toevoeging van C02 aanzienlijk wordt versterkt. Zo geldt voor koper dat de afname bij een verhoogde C02-concentratie 84% is, tegen 58/( bij doorstroming met lucht. De afname van de molybdeen-uitloging neemt toe van 57% tot 81%. Zonder C02-toevoeging stijgt de aluminium-uitloging iets (+ 6%), met C02 daalt de aluminium-uitloging met 95%' De behandeling is niet effectief voor antimoon en zink. De toename van de zinkconcentratie is echter niet verontrustend.

Duidelijk is ook dat de pH aanzienlijk daalt (tot circa 8), hetgeen gunstig is voor de civiel-technische kwaliteit.

Voorbeeld 2

Na afloop van het in voorbeeld 1 beschreven experiment zijn aantallen bacteriën en schimmels bepaald in het materiaal. Hiervoor zijn verdunningsreeksen gemaakt van de schudvloeistof die door 23 uur schudden bij L/S 10 was verkregen. Deze verdunningen zijn aangebracht op PCA-pla-ten en maltose-agarplaten. Het aantal kolonies op deze platen werd geteld na 2 (PCA) respectievelijk 3 (maltose-agar) dagen. Uit het resultaat (zie tabel 2) blijkt dat door behandeling met C02 een gunstig milieu is ontstaan voor bacteriën. Bacteriën zijn in de referentiekolom niet aantoonbaar. Een meer diverse microflora is gunstig voor de afbraak van resterende (onverbrande) organische stof. De ontwikkeling van een bacteriepopulatie is in overeenstemming met de geconstateerde grotere afname van de CZV-uitloging (zie tabel 1) van het materiaal dat met extra C02 is behandeld.

Voorbeeld λ

Deze proef is uitgevoerd volgens de in voorbeeld 1 beschreven methoden. Doordat om de twee weken monsters uit de kolom zijn genomen, wordt een beeld verkregen van het verloop in de tijd. Dit verloop is weergegeven in figuur 4. Hieruit blijkt dat het grootste deel van de afname van de koper- en molybdeenuitloging van de AVI-slak binnen een behandelingstijd van twee weken wordt gerealiseerd. Afhankelijk van de beginkwaliteit van de slak (soort verontreiniging en concentraties) en het vereiste eindkwaliteitsniveau, is een verblijftijd van twee weken of eventueel korter voldoende. In sommige situaties zal een langere verblijftijd noodzakelijk zijn.

Voorbeeld 4

In dit experiment zijn slakken gedurende één uur met een C02/ luchtmengsel behandeld bij een verhoogde druk (3,5 bar) en temperatuur (150eC). Het gasmengsel bevatte bij aanvang van de proef circa 30 vol.-procent C02. De kwaliteit van de slak voor en na het experiment is bepaald volgens de in voorbeeld 1 beschreven uitloogtest. De resultaten van dit experiment zijn weergegeven in tabel 3· Uit deze tabel wordt duidelijk dat de bovengenoemde behandeling leidt tot een aanzienlijke reductie (orde van grootte 50# of meer) van de uitloging van koper, lood en aluminium. De uitloging van de (in dit voorbeeld) belangrijke component molyb-deen neemt toe. Deze behandelingswijze is daarom alleen geschikt voor slakken waarvan de molybdeenuitloging niet van substantieel belang is.

(1) referentie; behandeling gedurende 10 weken; (2) behandeling gedurende 10 weken.

Claims (13)

1. Werkwijze voor de behandeling van verbrandingsresiduen, met het kenmerk. dat men de residuen met gas, dat 0,1 tot 100 vol. % C02 bevat, behandelt.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat men de behandeling uitvoert bij een temperatuur van de omgevingstemperatuur tot 200°C onder een druk van atmosferisch tot 10 bar overdruk.

3· Werkwijze volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat men de werkwijze uitvoert met gas, dat 5“20 vol.# C02 bevat bij een temperatuur van ten hoogste 100°C en een overdruk van ten hoogste 1 atmosfeer.

4. Werkwijze volgens een of meer der conclusies 1 of 2, met het kenmerk. dat men tijdens of voor de behandeling met C02 micro-organismen toevoegt,

5· Werkwijze volgens een of meer der conclusies 1-4, met het kenmerk. dat men bij aanvang of tijdens de behandeling met C02, nutriënten toevoegt teneinde de groei van micro-organismen te stimuleren.

6. Werkwijze volgens een of meer der conclusies 1-5, met het kenmerk. dat men het benodigde C02 geheel of gedeeltelijk in de vorm van rookgassen of andere C02-rijke afgasstromen toevoert.

7· Werkwijze volgens conclusie 6, met het kenmerk, dat men rookgassen afkomstig van de afvalverbrandingsinstallatie gebruikt.

8. Werkwijze volgens een of meer der conclusies 1-7, met het kenmerk. dat men het benodigde C02 afscheidt uit biogas, rookgassen of andere C02-rijke gassen en vervolgens met lucht mengt tot de gewenste samenstelling.

9. Werkwijze volgens een of meer der conclusies 1-8, met het kenmerk. dat men een gas toepast dat waterdamp bevat.

10. Werkwijze volgens een of meer der conclusies 1-9, met het kenmerk. dat men het proces ladingsgewijs uitvoert door het te behandelen residu in een afgesloten ruimte met het C02-rijke gas te doorstromen.

11. Werkwijze volgens een of meer der conclusies 1-10, met het kenmerk. dat men het proces continu uitvoert door het te behandelen residu in een mengtrommel, silo of vergelijkbaar procesapparaat, met het C02-rijke gas in contact te brengen.

12. Werkwijze volgens een of meer der conclusies 1-11, met het kenmerk. dat men de pH van de verbrandingsresiduen door de behandeling met C02 bevattend gas instelt op 7-8,5.

13. Toepassing van verbrandingsresiduen als absorptiemateriaal voor de verwijdering van C02 uit C02-rijke afgassen, zoals rookgassen, biogas, stortgas of afgas van composteerinstallaties.