NO172487B - Fremgangsmaate og anordning for rensing av vann - Google Patents

Description

Denne oppfinnelse angår rensing av vann, særlig vann beregnet på bruk i anlegg for fiskeoppdrett. Nærmere bestemt angår oppfinnelsen en fremgangsmåte for rensing av vann, hvor vannet som skal renses, under tilføring av luft bringes til å sirkulere til et kammer, inn i et tilgrensende basseng av vesentlig større volum enn kammeret, og tilbake til kammeret, idet lufttilførselen skaper bobler som virker til at det på vannoverflaten i kammeret dannes et skum som inneholder urenheter og som fjernes etterhvert som det dannes.

En fremgangsmåte av ovennevnte art er kjent fra norsk patent nr. 58 996. Ifølge dette patentskrift frembringes vannsirkulasjonen ved hjelp av en ekstern vannpumpe hvor også luften tilsettes vannet før dette slynges ut i et øvre parti av kammeret, like under skummet som dannes på grunn av luftboblene.

Det skal her generelt bemerkes at vannrensing basert på i vannet oppstigende luftbobler skjer ved to virkningsmessig helt forskjellige fenomener eller mekanismer som i fagspråket nevnes henholdsvis fIotasjon og fysisk adsorpsjon og som, avhengig av boblestørrelsen, tar seg av ulike former for urenheter i vannet. Således benyttes fIotasjon for fjerning av partikkelformet organisk og uorganisk materiale som er suspendert i vannet, mens fysisk adsorpsjon tar hånd om oppløste organiske stoffer i vannet.

Ved fIotasjon utnyttes de suspenderte partiklers evne til

å stige mot overflaten i en væske. Betingelsen er at partiklene har lavere tetthet enn væsken eller de kan løftes til overflaten av luftbobler som omslutter eller hefter seg til materialet. Derved dannes et slam som legger seg som et sjikt på vannoverflaten og derfra kan fjernes. En forutsetning er imidlertid at vannoverflaten er relativt rolig da slammet ellers vil desintegrere.

Ved fysisk adsorpsjon vil luftboblene knytte til seg polariserte forbindelser oppløst i vannet og bringe disse til overflaten hvor de samles i et voluminøst bobleskum som lett kan fjernes.

Flotasjonsprosessen foregår ved hjelp av luftbobler i et størrelsesområde fra ca 0,03 mm opp til ca 0,12 mm, mens adsorpsjonsprosessen stort sett skjer via bobler av en størrelse omkring 0,8 mm.

Luftbobler for fIotasjon frembringes normalt ved at luft oppløses i vann under et trykk på flere atmosfærer, hvoretter trykket avlastes slik at det pga overmetning dannes saktestigende gassbobler i ovennevnte størrelsesorden. Som eksempel på denne fIotasjonsteknikk kan nevnes SE patentskrift 169 561 som krever bruk av pumper, ventiler, vannrør og trykkammer. I forbindelse med fiskeoppdrett vil dessuten denne konvensjonelle flotasjons-metode kunne virke til å forgifte vannet dersom luft nyttes som gassmedium, idet vannet overmettes med nitrogengass.

Boblene som anvendes ved fysisk adsorpsjon frembringes vanligvis ved hjelp av en luftdiffusor, dvs et rør, slange e.l. med luftgjennomtrengelige vegger, plassert i bunnen av en søyle av forurenset vann. En nærmere beskrivelse av fysisk adsorpsjon finnes i boken "Seawater Aquariums" av Stephen Spotte, John Wiley & Sons, 1979, side 208 - 217.

Ut fra beskrivelsen til ovennevnte norske patent nr.

58 996 vil det bli klart at selv om det ikke er direkte nevnt er det som der foregår i alt vesentlig fysisk adsorpsjon av de oppløste stoffer og ikke flotasjon av partikkelformet materiale. Således angis det at boblene i overflateskummet lett brister og skummet kollapser, hvilket er typisk for skum dannet ved fysisk adsorpsjon med store bobler; og videre at de små luftblærer (som gir flotasjon) betraktes som et problem og søkes fjernet ved hjelp av et svampfilter i kammeret samtidig som man har et eksternt mekanisk filter for fjerning av partikkelformet materiale. Endelig vil den omstendighet at vannet slynges ut i kammeret nær vannoverflaten skape en turbulens som ødelegger det som eventuelt måtte forekomme av flotasjonseffekt. Det heter da også i patentskriftet at skummet må fjernes hurtigst for å hindre at forurensningene går tilbake i vannet. (Fysisk adsorpsjon er i motsetning til kjemisk adsorpsjon en reversibel prosess som anvender svake bindinger slik som de som dannes av van der Waals krefter). Denne kjente vannrensemetode, som ifølge patentskriftet ble foreslått for mer enn 50 år siden,

gir følgelig ikke vannrensing av særlig høy kvalitet, og tilfredsstiller derfor ikke de krav som stilles ved moderne

oppdrettsanlegg i full målestokk, ettersom oppholdstiden for det partikkelformete materiale i systemet er for lang samtidig som materialet har lett for å akkumuleres i fiskebassengene. Dessuten vil også ammoniakk akkumuleres i systemet.

Formålet med foreliggende oppfinnelse er å komme frem til en forbedret vannrensemetode som i tillegg til at den er billigere enn den kjente metode ifølge ovennevnte norske patentskrift, også gir et vesentlig bedre resultat med hensyn til vannkvalitet.

Dette formål oppnås ved en fremgangsmåte av den innledningsvis nevnte art, karakterisert ved at lufttilførselen og sirkulasjonen skjer ved anvendelse av en luftdiffusor som nær bunnen av kammeret avgir luftbobler stort sett i området fra 0,03 mm til 1 mm, idet de større av boblene virker til å danne skummet ved toppen av kammeret, mens de øvrige, mindre bobler sammen med partikkelformet materiale følger med vannstrømmen til bassenget for å danne et flotasjonsslam inneholdende partikulære forurensninger på vannoverflaten i bassenget, hvoretter slammet fjernes fra bassenget.

I motsetning til det som skjer ved den kjente metode ifølge det norske patent, vil således ved foreliggende oppfinnelse det partikkelformete materiale bli kontinuerlig tjernet etterhvert som det dannes og ikke tillates å desintegrere eller akkumulere i fisketankene eller -bassengene.

Ytterligere fordeler i forhold til ovennevnte kjente teknikk, er at man slipper å ha noen særskilt pumpe for sirkulering av vannet samt for å sette vannet under trykk med sikte på flotasjon, og at vannsjiktet øverst i bassenget der det forurensningsinneholdende slam dannes ikke utsettes for turbulente strømninger som forstyrrer fIotasjonsprosessen. Ved at det øvre vannsjikt i kammeret får anledning til å strømme over i det tilgrensende, vesentlig større basseng, optimeres fIotasjonseffekten under de rolige strømningsforhold som hersker i bassenget, og skummet fjernes fortrinnsvis først etter at det har nådd frem til den andre siden av bassenget motsatt kammeret.

Ved en foretrukket utføringsform av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen bringes vannet i kammeret til å strømme oppad gjennom et biologisk filtermedium (biofilter) som virker til å fjerne oppløste organiske stoffer i vannet og omdanne ammonium til nitrat. (Den sistnevnte effekt er i dette tilfelle den viktigste, ettersom de oppløste organiske stoffer som ovenfor forklart fjernes gjennom fysisk adsorpsjon.) Dessuten fjernes ammoniakk ved hjelp av biofilteret.

Det er riktignok kjent å anvende slikt biofilter i forbindelse med vannrensningsanlegg, hvor det på filteret avsatte lag, når det har nådd en viss tykkelse, vil rives løs i form av større eller mindre biter som følger med vannstrømmen for senere delvis å sedimenteres på bunnen av en egnet beholder eller liknende, hvorfra de kan fjernes sammen med andre sedimenterte fremmedpartikler i vannet. I et konvensjonelt anlegg blir imidlertid 70 - 90 % av biofilterets kapasitet anvendt til å nedbryte oppløst organisk materiale mens 10-30

% brukes til å fjerne ammonium. Endel av det løsrevne materialet vil imidlertid ikke sedimentere og derfor følge med det utstrømmende vann til mottakeren, eller føre til dårligere vannkvalitet i fisketankene. Ved å anvende et biofilter i kombinasjon med den ovenfor omtalte adsorpsjons- og flotasjons-prosess ifølge oppfinnelsen, anvendes størstedelen av biofilterets kapasitet til å fjerne ammonium, og følgelig kan filter-størrelsen minskes i betydelig grad. Videre oppnås biofilterets renseeffekt uten behov for særskilt sedimenteringsbasseng, idet alt materiale som løsrives fra filteret vil følge med det oppadstrømmende vann og følgelig samles i skummet og flotasjons-slammet som senere fjernes.

Det er i og for seg kjent å anvende luftdiffusorer av angjeldene type i forbindelse med vannbehandling, men bare med sikte på oksygenering og avdriving av uønskete gasser såsom CO2 og nitrogengass samt for løsriving av mattevekst på biofilteret. Eksempler på konvensjonell biologisk filtrering finnes forøvrig

i SE patentskrifter nr. 169 561, 442 744, 386 658 og 382 321, men ingen av disse skrifter antyder biofiltrering anvendt i en fordelaktig kombinasjon med andre vannrenseprosesser, slik som ved foreliggende oppfinnelse.

Oppfinnelsen bygger på den erkjennelse at man ved bruk av en spesiell luftdiffusor av i og for seg kjent type, som avgir luftbobler over et relativt vidt område, vil oppnå fysisk adsorpsjon i tillegg til oksygenering, gassavdriving og mattevekst-løsrivelse, samtidig som diffusoren også virker til å fremskaffe den nødvendige sirkulasjon av vannet. Ved den foretrukne utførelse av oppfinnelsen, hvor vannet bringes til å strømme gjennom et biofilter, vil diffusoren også automatisk søke å minske belastningen på biofilteret med hensyn til nedbryting av organisk stoff på grunn av fysisk adsorpsjonseffek-ten og samtidig sørge for den nødvendige fjerning av mattevekst på biofilteret. Utstrømning av vannet fra kammeret inn i et større basseng fører til den ytterligere fordel at også de forurensete biter som rives løs fra biofilteret vil følge med den naturlige vannstrøm og bringes til å flyte i bassenget slik at bitene kan fjernes ved konvensjonell overløp-teknikk, istedenfor at vannet må pumpes til en separat behandlingsenhet for separering, dvs ved sedimentering eller mekanisk filtrering. Dette vil i sin tur føre til lavere pumpeenergibehov enn i et konvensjonelt vannrenseanlegg basert på separate prosesser hvor vann pumpes mellom de forskjellige prosesser. Her bør det også nevnes at den renseeffekt som oppnås ved flotasjon av denne type partikler (mattevekst-partikler og knuste organiske småpartikler) er overordentlig høyt sammenliknet med f.eks. konvensjonell sedimentering, og et sedimenteringsbasseng som gjør noe nær det samme vil normalt måtte være 10-20 ganger større. Oppfinnelsen tilveiebringer således et enkelt, kompakt og effektivt vannrensesystem som i hovedsaken består av en enkelt behandlingsenhet, med usedvanlig lave investerings- og driftskostnader, sammenliknet med kjente vannrensesystemer av nyere type basert på den normale bruk av i rekkefølge anordnete prosessenheter.

De vannrenseanlegg av sirkulasjonstypen som hittil er benyttet for fiskeoppdrett er basert på særskilte enheter for biofiltrering, oksygenering, avgassing av C02 og nitrogengass og partikkelseparasjon gjennom mekanisk dukfilter eller ved sedimentering. Installasjonskostnadene for disse anlegg er meget høye og energiforbruket pga pumpingen relativt stort. F.eks. kan nevnes at Europas største resirkulerings-fiskeoppdrettsanlegg av denne art (bygd i Farsund 1985 - 86), med effektivt fiskebasseng-volum på 1000 m3 , kostet 28 millioner NOK og krever et energiforbruk på ca 3 - 400 kW for drift.

Til sammenlikning vil et anlegg basert på foreliggende oppfinnelse, som for tiden er under oppføring med et effektivt fiskebassengvolum på 2500 m<3> (dvs ca 2,5 ganger større enn nevnte kjente anlegg) koste ca 11 millioner NOK og ha et energiforbruk på ca. 50 kW.

Oppfinnelsen omfatter også en anordning for utførelse av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen, som nærmere angitt i de etterfølgende patentkrav.

Oppfinnelsen skal i det følgende beskrives nærmere i tilknytning til vedlagte delvis skjematiske tegning som på fig. 1 viser et grunnriss av et anlegg for oppdrett av piggvar, basert på fremgangsmåten og anordningen ifølge oppfinnelsen, mens fig. 2 i større målestokk viser et tverrsnitt gjennom anlegget langs linjen II-II på fig. 1.

Anlegget vist på fig. 1 er hensiktsmessig satt sammen av f.eks. fire stort sett identiske, rektangulære, vannfylte bassenger 2 som hvert utgjør en selvstendig oppdrettsenhet. I tilknytning til hvert basseng 2 er det fortrinnsvis ved bassengets ene langside, anordnet et kammer generelt betegnet med tallet 4. I den viste utføringsform avgrenses kammeret 4 sideveis hensiktsmessig av bassengets ene langsidevegg og to endevegger, samt en selvstendig, langsgående, vanntett skillevegg 6, men det kan selvsagt om ønskelig avgrenses av fire selvstendige vegger uavhengig av bassengveggene. Skilleveggens 6 øvre og nedre endekanter ligger i en viss avstand fra bassengets 2 hhv øvre overflate og bunn, slik at kammeret 4 kommuniserer med bassenget 2 både oventil og nedentil.

Ved bunnen av kammeret er det, som et vesentlig trekk ved oppfinnelsen, anordnet en luftdiffusor 8, f.eks. bestående av et antall rør eller slanger hvis vegger er perforert, eller på annen måte forsynt med et stort antall meget små åpninger eller porer innrettet til å avgi luftbobler over hele området fra 0,03 mm til ca 1 mm. Åpningene i diffusorveggen bør således være mikroskopiske, dvs 0,1 - 03 pm, hvilket normalt krever at luften som blåses gjennom diffusoren forfiltreres for ikke å tette igjen åpningene eller porene. Som eksempel på en diffusor som er velegnet for bruk ved oppfinnelsen kan nevnes den som selges under varebetegnelsen "Oxyflo", som bl.a.

leveres av Gardentec, Sverige, og som består av strukkete og orienterte polyetylenfibre sammenføyet i et vilkårlig mønster.

Kammeret 4 er fortrinnsvis fylt med et biologisk filtermedium 12 (antydet med skravering i figurene) som holdes på plass ved hjelp av bæreelementer 10, f.eks. i form av en rist. Filtermediet 12 har størst mulig overflate i forhold til volum, med sikte på mikrobiologisk vekst. Fortrinnsvis er filtermediet 12 av en type som innbefatter oppadgående kanaler som krysser hverandre ("cross flow system") for å oppnå optimale forhold for fysisk adsorpsjon for å hindre at de minste luftboblene fester seg på biofiltermediet, og for å sikre tilførsel av vann og luft til alle deler av filteret. Som eksempel på egnet filtermedium kan nevnes produktet som selges under varemerket "Munters" og leveres av AB Carl Munters, Sverige eller "Terrapac" som leveres av Terracon, Tyskland.

Bassenget 2 har som oppgave dels å gi det forurensete vann tilstrekkelig oppholdstid til at forurensningskomponenter skal fjernes i ønskelig grad, dels å tjene for biprosessformål og dels å fungere som oppdrettsbasseng etc. Volumet i bassenget vil være avhengig av vannkvalitetskarakteristikk, ønsket restkonsentrasjon etc og må dimensjoneres spesielt i hvert enkelt tilfelle. Formen vil avhenge av formålet, om bassenget er ute eller inne, i eksisterende bygninger eller om prosessen skal plasseres i eksisterende bassenger etc. Selv om bassenget 2 vist på tegningen har rektangulær form, kan det også brukes en sirkulær utføringsform, idet kammeret 4 da normalt også vil være sirkulært og sentralt plassert i bassenget. Ved anvendelse for intern vannbehandling i fiskeoppdrett vil vannbassenget 2 normalt fungere som oppdrettsbasseng.

I selve kammeret 4 foregår noe forenklet følgende:

Forurenset og oksygenfattig vann suges pga luftdiffusoren

8 (ved hjelp av "mammutpumpe"- eller ,lluftpumpe"-prinsippet)

fra bunnen av bassenget 2 under skilleveggen 6 og inn i bunnen av kammeret 4. Vannet passerer opp gjennom kammeret og gir næring for en mikroorganisme-flora på filtermediets 12 overflate. Denne mikroorganisme-flora omdanner biologisk nedbrytbart

oppløst organisk materiale til en mattevekst på mediets overflate og overfører ammonium til nitratform. De mikroskopiske luftboblene fra diffusoren 8 oksygenerer vannet og gir god oksygentilførsel til mikroorganisme-floraen samt river av matteveksten når denne har nådd en viss tykkelse. (God oksygentilførsel og liten tykkelse på mattevekst er vitalt for å oppnå maksimal mikrobiologisk vekst.) Det oppnås fysisk adsorpsjon av oppløste organiske forbindelser (i henhold til det innledningsvis omtalte litteratursted mest effektivt på bobler av størrelse 0,8 mm) slik at det dannes et bobleskum 14 som inneholder oppløste stoffer fra vannet. Skummet 14 føres på grunn av tyngdekraften inn i en kanal 15 som antydet med pilen Sl, og blir deretter fjernet fra anlegget for ytterligere slambehandling. Den kraftige vannluft-strømmen som dannes (som river av matteveksten og forøvrig inneholder de partikulære forurensninger som er sugd inn ved bunnen som antydet med pilen V i fig. 2) vil også inneholde en stor andel av bobler med optimal størrelse for flotasjon (0,03 - 0,120 mm). Også inne i kammeret vil en del av disse boblene feste seg til det partikkelformete materiale, mens resten av de ultrafine boblene vil følge med vann/partikkel-strømmen ut i bassenget 2. Her vil resten av de ultrafine boblene feste seg til partikkelformet materiale 13 og her er det dessuten rolige hydrauliske forhold ideelle for flotasjon av de partikulære forurensninger som til slutt vil danne et fIotasjonsslam 16 som, på grunn av den naturlige vannstrømmen i bassenget, vil flyte til et sted der det kan avskummes ved overløp-teknikk som antydet med pilen S2. Når vannstrømmen (skapt av luftboblenes pumpevirkning) når en veggflate i bassenget 2, vil den følge veggen ned mot bunnen (se fig. 2) og på samme måte følge bunnen tilbake til kammerets 4 innløp under skilleveggen 6. Denne bunnstrømmen vil dra med seg partikler som er sedimentert på bunnen og transportere dem inn i kammeret 4 hvor de pga de ovenfor beskrevne prosesser tilslutt opptas i overflateskummet. Det skal også bemerkes at som følge av den fysiske adsorpsjon av oppløste organiske stoffer vil det være mulig å oppnå en betydelig reduksjon av biofilterets størrelse, ettersom belastningen på biofilteret vil minske. Som ovenfor forklart blir normalt 70 - 90 % av biofilterets kapasitet brukt til å nedbryte organisk materiale, mens bare 10 - 30 % brukes til å omdanne ammonium til nitrat.

Alt i alt er det en rekke biologiske og fysisk/kjemiske fenomener som samvirker i denne metoden og gir et samlet renseresultat som ingen tidligere kjent enhetlig prosess hittil har kunnet oppvise.

Oppfinnelsen kan anvendes på praktisk talt alle typer vann hvor man ønsker å fjerne biologisk nedbrytbart oppløst organisk materiale, ikke nedbrytbart oppløst organisk stoff, og organiske og/eller uorganiske, suspenderte partikler (selv om disse er mikroskopiske og ikke lett kan sedimenteres). Prosessen fører i tillegg toksiske ammonium-forbindelser over på den mer ikke-toksiske nitratform. Vannet bør imidlertid ikke inneholde noen forbindelser som er giftige for bakterier. Vannrensingen ifølge oppfinnelsen er egnet for intern eller ekstern vannrensing i fiskeoppdrettsanlegg og ved behandling av kommunalt og industrielt avløpsvann.

Claims (7)

1. Fremgangsmåte for rensing av vann, hvor vannet som skal renses under tilføring av luft bringes til å sirkulere til et kammer, inn i et tilgrensende basseng av vesentlig større volum enn kammeret, og tilbake til kammeret, idet lufttilførselen skaper bobler som virker til at det på vannoverflaten i kammeret dannes et skum som inneholder forurensninger og som fjernes fra kammeret etterhvert som det dannes, karakterisert ved at lufttilførselen og sirkulasjonen skjer ved anvendelse av en luftdiffusor som nær bunnen av kammeret avgir luftbobler av varierende størrelse fra 0,03 mm til 1 mm, idet de større av boblene virker til å danne skummet ved toppen av kammeret, mens de øvrige, mindre bobler sammen med partikkelformet materiale overføres til bassenget i vannstrømmen for å danne fIotasjonsslaminneholdende partikulære forurensninger på vannoverflaten i bassenget, hvoretter slammet fjernes fra bassenget.

2. Fremgangsmåte ifølge krav l, karakterisert ved at vannet bringes til å strømme gjennom et i kammeret anordnet, biologisk filtermedium.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at fIotasjonsslammet fjernes nær bassengets ende motsatt kammeret.

4. Anordning for utførelse av fremgangsmåten ifølge krav 1 - 3, for rensing av vann, omfattende et oventil åpent kammer (4) som ved en skillevegg (6) er avgrenset fra et basseng (2) av vesentlig større volum enn kammerets og innrettet til å gjennomstrømmes av vannet som skal renses, midler (8) for tilsetting av luft i det gjennom kammeret strømmende vann, samt midler (15) for fra vannoverflaten i kammeret å fjerne skum som er dannet av de ved lufttilsettingen frembrakte luftbobler, karakterisert ved at lufttilsettingsmidlene utgjøres av en i bunnen av kammeret (4) beliggende luftdiffusor (8) som er innrettet til å avgi luftbobler av varierende størrelse fra 0,03 mm til 1 mm, at kammeret (4) ved sin topp og bunn kommuniserer med det tilgrensende basseng (2), og ved at midler (16) er anordnet for fjerning av partikulære forurensninger fra vannet i bassenget.

5. Anordning ifølge krav 4, karakterisert ved at luftdiffusoren (8) er i form av en slange med poreåpninger på 0,1 - 0,3 um.

6. Anordning ifølge krav 4 eller 5, karakterisert ved at et biologisk filtermedium (12) er anordnet i kammeret (4).

7. Anordning ifølge krav 6, karakterisert ved at det biologiske filtermedium (12) er av en type med oppad forløpende kanaler.