NO313133B1 - Fremgangsmåte for rensing av avfallsvann - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår behandling, særlig rensing, av avfalls- og annet urent vann, herefter kalt avvann. Særlig tilveiebringer oppfinnelsen en fremgangsmåte for rensing av avvann som er spesielt effektiv i kolde klimaområder, for eksempel de alpine områder eller de nordlige områder, om vinteren.

Avvann produseres i store mengder over hele året og i hvert lokalsamfunn. Med uttrykket "avvann" menes sanitære avfalls-vann, det vil si strømmen fra sanitære kloakker, industrielt avløp og så videre, det vil si strømmen fra fabrikker, møller, raffineri og andre brukere av vann i industrielle henseende, kommersielt avløp og så videre, strømmen av vann fra service-industrier som resturanter og rengjørings-industrier. I de industrielt utviklede land er det ønskelig at 100 % av det produserte avvann behandles på en eller annen måte for å sikre minimal negativ miljøbelastning. For dette formål har de fleste byer bygget store kloakk- og avvannsbehandlingsanlegg. Disse anlegg er ekstremt kostbare å bygge, operere og å opprettholde og de har også begrensede kapasi-teter .

Planlagt på riktig måte arbeider avvannsbehandlingsanlegg effektivt på en gjennomløpsbasis og er i stand til å behandle alt avvannet som produseres i et gitt tidsrom. Imidlertid er effektiv drift på en slik basis vanskeligere i vintermånedene når avsetningstankene kan fryse, kloakk-lagunene kan fryse, elvene fryses og tildekkes mens kloakk fortsetter å renne inn. Mange anlegg blir overbelastet om våren og man skjønner at på tidspunktet for vårflommen har det ofte vært nødvendig å slippe ut ubehandlet eller kun partielt behandlet avvann til omgivelsens (det vil si resipientene).

Videre er enkelte samfunn lokalisert i nordlige klimaområder eller områder der kloakk- og avvannsbehandling i det vesentlige er umulig fordi mengden som må lagres i de månedene alt fryser langt overskrider den mengde som i praksis kan behandles under de mildere måneder i et konven-sjonelt behandlingsanlegg. På samme måte er det samfunn som ski- og vinterferieområder som har relativt små befolkninger på permanent basis men som har en meget stor vinterbefolk-ning. Disse områder har enten ikke noe behov for høy kapasitet om sommeren når det gjelder vannbehandlingsanlegg eller de må underkaste de eksisterende anlegg sterkt fluktuerende som belastninger.

Det er også industrielle prosesser som gjennomføres i de nordlige områder, for eksempel oljeutvinning fra oljesand som benytter store mengder vann som ikke er lett å behandle med konvensjonell teknologi. Næringsmiddelindustrien har videre ofte en maksimalproduksjon i frysemånedene efter innhøsting og gir derfor store mengder avvann i disse måneder.

Det er 4 hovedprinsipper i forbindelse med behandling av vanlig sanitær-avvann.

For det første må man ta hensyn til volumet av avvannet som behandles. Dette er den faktor som i størst grad påvirker omkostningene, formålet er å behandle det størst mulige volum avvann ved separering av avfalls- og næringsstoffer fra vannet til lavest mulige omkostninger.

For det andre må man ta hensyn til å redusere nitrogeninn-holdet i avvannet for å oppnå et behandlet vann som i det vesentlige er nitrogenfritt. Nitrogen som vanligvis er tilstede som NH3, NH4<+>, N03~ eller N02", er en potent forurenser fordi nitrogen utgjør en vesentlig næringskilde for mange mikroorganismer som kan foreligge i det vann som er ment for bruk av mennesker.

For det tredje er det vesentlig å redusere bakteriepopula-sjonene i behandlet avvann til under gitte grenseverdier, verdier som vanligvis ligger i størrelsesorden 100 til 1000, pr. 100 ml.

Til slutt og av estetiske grunner er det nødvendig å redusere fosfornivået i avvannet. Fosfor er generelt tilstede som oppløselige fosfat-ioner i avvann og mengden bør fortrinnsvis holdes under 1 ml/l og aller helst under 0,05 mg/l for å redusere veksten av alger og planter fordi alger vil redusere Og-nivået i respipientene.

Av kjent teknikk på dette området skal det henvises til

US 5.400.619 som beskriver en metode og et anlegg for å behandle avvann ved hjelp av fryseteknikk. Det beskrives et anlegg som blant annet omfatter et isgitter som har en varmeveksler overflate slik at is kan produseres og i tillegg innehar anlegget spray dyser slik at avvannet kan forstøves utover hulrommene i isgitteret.

JP 03-52685 beskriver en metode for å behandle fotografisk avløpsvann ved bruk av forstøvning. Avløpsvannet forstøves ved bruk av en oscillator hvor også dråpene varmes opp.

Ingen av disse publikasjoner antyder imidlertid noe om at forstøvningen skal kunne gjennomføres med en atmosfærisk temperatur på mindre enn 0°C for den våte massen.

Foreliggende oppfinnelse som har et ikke-biologisk basis-konsept oppstår hvert av de ovenfor oppskisserte mål og tilveiebringer en omkostningseffektiv metode for behandling av store mengder avvann fra residensielle, kommersielle eller industrielle kilder, i kolde klimaområder, for å produsere rent vann uten behov for å lagre avvann til mildere vær gjør behandling mulig.

Foreliggende oppfinnelse har identifisert og benytter med fordel et antall fenomener som manifesteres under forstøvning og faseendring fra flytende til fast fase for avvann under betingelser med lav temperatur (under 0). Videre gjør oppfinnelsens dette ved hjelp av en fremgangsmåte som skiller den fra tidligere forsøk, alle relativt lite vellykket, på å benytte psychromekaniske elementer i avvannsbehandlingen. For eksempel tiar Zapf-Gilge, Russell og Mavinic i en studie kalt "Low-Temperature Sewage Disposal Through Snowmaking" diskutert virkningen av å konsentrere urenheten i den ikke-frossede iel av en ispellet eller en lignende struktur. Zapf-Gilge et al. oppnådde imidlertid ikke brukbare resultat idet de fant ikke-aksepterbart høye konsentrasjoner av nitrogen og fosfor i det resulterende snesmeltingsvann. Deres studie ble så rettet mot forslag for behandling av de kronologiske smeltefraksjoner av en snepakke. Mangelen ved en slik tilnærming er at den ikke gir noen metode for behandling av avvann, den konsentrerer kun urenhetene i avvannet og resulterer i et problem i utsiippsvannet.

Foreliggende oppfinnelse tilveiebringer imidlertid en behandlingsmåte som ikke bare konsentrerer næringsstoffer og forurensninger. Oppfinnelsens fremgangsmåte fjerner i det vesentlige alt nitrogen fra avvann mens samtidig fosfatet presipiteres som håndterbare uoppløselige alkalisalter. I tillegg resulterer fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen i i det vesentlige fullstendig eliminering av bakterier i avvannet.

I henhold til dette angår foreliggende oppfinnelse en fremgangsmåte for rensing av avvann omfattende forstøvning av avvannet under valgte atmosfæriske betingelser for å oppnå en i det vesentlige fullstendig fase forandring i vannet, og fremgangsmåten karakteriseres ved at forstøvningen gjennomfø-res ved en atmosfærisk temperatur på mindre enn 0°C våtule-temperatur.

I et ytterligere generelt aspekt angår oppfinnelsen en fremgangsmåte for omdanning av oppløselige fosfationer i avvann som inkluderer fosfationer, ammoniakk-gass, ammoniumioner, kalsiumioner og magnesiumioner, og som karakteriseres ved at den omfatter forstøvning av avvannet under atmosfæriske betingelser som egner seg for i det vesentlige fullstendig faseendring for avvannet til is-krystaller eller vanndamp, hvorved ammoniumioner under innvirkning av øket pH-verdi i avvannet fra ammoniakk-gass, og fosfationer i avvannet, bindes med kalsium- eller magnesiumioner som kalsium- og magnesiumfosfat og precipiterer som uoppløselige salter.

I de vedlagte tegninger illustreres oppfinnelsen ved hjelp av et eksempel: figur 1 viser skjematisk fremgangsmåten ifølge opp finnelsen; og

figur 2 er et f lytskjema/sammenligningsdiagram som illustrerer fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen og sammenligner den i relative, kvantitative termer med enkelte typiske, konvensjonelle avvannsbehandlingsmetoder.

Under henvisning til tegningene vises i figur 1 skjematisk en typisk installasjon og anvendelsen av oppfinnelsen. Et reservoar 4 av ikke-behandlet eller partielt behandlet kloakk som eventuelt kan ha vært tillatt en viss avsetning, alt avhengig av densiteten av faststoffer, og de lokale mulig-heter for deponering av slam, pumpes via en rørledning 3 til et behandlingsanlegg ifølge oppfinnelsen. Det er tilveiebragt en dyse 1, fortrinnsvis men ikke nødvendigvis på et tårn 2. Dysen er av typen vannforstøvning med pressluft som beskrevet i US 5.135.167-A. Disse dyser er modifisert sammenlignet med de som brukes ved kommersiell snefremstilling for å sikre fullstendig utfrysning, og finner utmerket anvendelse ifølge oppfinnelsen på grunn av evnen til på fin måte å forstøve den totale fluidstrøm som løper gjennom dysen. Når fluidet sprøytes ut fra dysen under høyt lufttrykk, 7,0 x IO<4> til 3,5 x IO<5> i kg/m<2> (100-500 psia) eller mer, vil fluidet undergå et hurtig trykkfall fra rundt 3,5 x IO<5> til rundt 1,1 x IO<4 >kg/m<2> (500 psia til rundt 15 psia), noe som forårsaker forstøvning og umiddelbar fordampning av opp til 8 til 10 % av vanninnholdet. I tillegg vil karbondioksyd og noe ammoniakk-gass, H2S, og så videre, som er flyktige under disse betingelser, strippes fra de forstøvede avvannsdråper før vannet danner iskrystaller.

Når ammoniakk-gassen forflyktiges vil likevekten mellom ammoniakk, NH3 og ammoniumioner skifte som følger:

Når videi^e CO2 strippes fra det forstøvede avvann skjer følgende: der HCO3- er den vanlige form for CO2 i vandige oppløsninger. Når derfor CO2 strippes av vil den vandige oppløsning bli mer basisk. :rordi 1 ikevektskonstanten Kb for ammoniakk, 1,8 x IO-<5>, beregnes ved

når [0H~] øker, det vil si når pH-verdien øker, vil, når Kb skal opprettholdes, [NH4<+>] synke og [NH3] vil synke absolutt men synke noe i oppløsning på grunn av en fortsatt for-flyktigeise av NH3.

En første signifikant observasjon er derfor at fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen resulterer i en reduksjon av NH4<+->konsentrasjonen i avvannet. Det er NH4<+> som oppløseliggjør P04~~ og P03~" og i avvannet. Når NH<4> .synker vil disse fosfat-ioner ha en tendens til å binde seg med Ca<++> eller Mg<+ >som finnes i avvannet og precipitere ut og forbli som uoppløselig salt på bunnmatriksen.

Fremgangsmåten ifølge oppfinelsen er derfor effektiv for å redusere NH3, NH4<+>, P03~~ of PO4-- samtidig og ved å arbeide selektivt under betingelser som resulterer i idet vesentlige total utfrysning av iskrystallene, oppnås dette mål. I tillegg er det et vesentlig trekk ved oppfinnelsen i det vesentlige fullstendig å fryse ut avvannskrystallene, noe som skiller foreliggende oppfinnelse fra de mislykkede forsøk som har vært gjort tidligere på dette området. Hvis utfrysningen ikke er total vil en flytende, vandig fraksjon fortsette å eksistere under hele flukten for den delvis frosne iskrystall. En slik flytende fraksjon vil inneholde reaktivt COg, NH4<+> og fosfater som så må tas vare på på hakken. I det vesentlige er resultatet: Ubehandlet vann opp, ubehandlet vann ned. Resultatet av oppfinnelsens fremgangsmåte er imidlertid ubehandlet vann opp, i det vesentlige rent vann ned, noen skadlige faste salter, uskadelig ammoniakk-gass frigitt og CO2 frigitt.

Når det gjelder bakterier vil fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen, ved hjelp av hvilken man oppnår en fullstendig utfrysning av det forstøvede vann, være letal for i det vesentlige alle bakterier. Bakterier som finnes i avvann er unicellulære, vandige organismer. Ufullstendig utfrysning av avvannet slik resultatet var tidligere, resulterte i at en stor fraksjon bakterier avsatt i snepakken, redusert i aktivitet men fremdeles i live. Ved fremgangsmåten ifølge oppfinnnelsen resulterer imidlertid fullstendig utfrysning gjennom iskrystall i en fullstendig avlivning av de resi-derende bakterier, enten ved direkte frakturering av celleveggene på grunn av den ekspansive art av fryse-prosessen, eller ved osmotisk trykk som bryter celleveggene, så vel som temperaturen, under hvilken mange typer bakterier ikke vil overleve. Kun ved oppfinnelsens 100 tilstands-endring kan disse betingelser oppnås.

Man vil forstå fra det foregående at et vesentlig trekk ved oppfinnelsen er i det vesentlige utfrysning gjennom iskrystallene som dannes ved omhyggelig forstøvning og kjernedannelse av en avvannsstrøm.

Under henvisning til figur 1 oppnås dette ved:

i) å gjennomføre fremgangsmåten kun ved relativt lav temperatur. En våtkuletemperatur under 0°C er vesentlig. Under -5°C er foretrukket og områder -10° C og lavere er aller best.

ii) For maksimal fryseeffektivitet og hastighet bør krystallene som slynges ut fra dysen 1 ha en resultantflyveret-ning på ca. 45° fra horisontalplanet. Dette kan bestemmes på en hvilken som helst gitt dag ved å bestemme vind-hastighet og å justere dysevinkelen. Vindhastigheter på større enn 0 til 70 km/t og fortrinnsvis 5 til 70 km/t er ønskelige slik at krystallene og biproduktene faller innenfor et kjent område for derved å danne en snepakke 7 som vist i figur 1. Dysevinkler fra horisontalplanet kan variere fra 0 til 90° og velges slik at den kombinerte virkning av vind og elevasjon er lik 45° elevasjon under betingelser med rolig vind. 45° er foretrukket for å sikre en lang flyvetid, fullstendig utfrysning og optimal utspredning av snepakken.

iii) Det benyttes en pressluftdyse som beskrevet ovenfor. Det skal påpekes at en hydraulisk eller luftfri dyse kan benyttes men med mindre tilfredsstillende utfrysnings-resulltater og vil i tillegg kreve spesielle kjerne-dannilngsmidler. Bruken av trykkluftdyser vil resultere i fremstillingen av et betydelig antall meget små dråper, noe Jsom vil gi bedre luftstripping, bedre fordamping 8, bedre forstøvning og relativt hurtig dannelse av et stort antall små til middels store iskrystaller 5 som fullstendig vil fryse ut før de lander i og danner snepakken 7. 1 tilllegg .vil det dannes en fin tåke av meget små

ispartikler 6 som ikke vil falle hurtig på grunn av lav vekt, bedre aerodynamikk og lavere terminal hastighet. Denne krystalltåke vil gi en sone av kjernedanningsseter

for alle større vanndråper som kan falle og som ennu ikke har begynt å fryse.

Under henvisning til figur 2 sammenlignes typiske resultater som kan oppnås ved oppfinnelsens fremgangsmåte med alterna-tive metoder. Likeledes viser den lille forskjell i utslipps-vannkvaliteten ved bruk av foreliggende oppfinnelse, mellom overflateutslipp eller avrenningsvann, og exfiltreringsvann, det vil si vann som har percolert gjennom bakken.

Ytterst til høyre er råkloakk-parametrene kvantifisert. Behandlingen i en kloakk-lagune uten beluftning eller spraying eller filtrering er vist i den neste linje der typiske resultater som oppnås med sprayirrigering og til slutt med storskalafiltrering vises i de neste to linjer. Man vil se at de sistnevnte to resultater vanligvis er tilstrebet og hvis disse oppnås anses dette som tilfredsstillende for sekundærnivåbehandlingsstandarder. De følgende to linjer for data angir resultatene som oppnås fra overflate-avrenning og grunnfiltrering av avvann som behandles ifølge oppfinnelsen, man ser at i hvert aspekt tilfredsstiller eller overskrider resultatene ifølge oppfinnelsen de resultater som er oppnådd ifølge oppfinnelsen de resultater som er oppnådd ifølge konvensjonell avvannsbehandling (bedre enn tertiær-behandling).

Til venstre og i bunnen av diagrammet er fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen illustrert sammen med virkningene av de naturlige krefter som vil virke inn på avvannet når det behandles ifølge oppfinnelsen. Det vil si at oppfinnelsen i det vesentlige omfatter den kontrollerte forstøvning av avvann under valgte, atmosfæriske betingelser. Virkningene av naturen som inntrer efter at oppfinnelsen er gjennomført kan ikke kontrolleres men søkeren har tatt hensyn til disse ved utvikling av oppfinnelsen. For eksempel vil det inntre en naturlig aldring av snepakken. Søkeren kan og har vist de fordelaktige virkninger som inntrer som et resultat av denne naturlige prosess men som ikke er en del av oppfinnelsen.

Claims (5)

1. Fremgangsmåte for rensing av avvann omfattende forstøvning av avvannet under valgte atmosfæriske betingelser for å oppnå en i det vesentlige fullstendig fase forandring i vannet, karakterisert ved at forstøvningen gjennomføres ved en atmosfærisk temperatur på mindre enn 0°C våtkuletemperatur.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at forstøvningen gjennomføres ved spraying av avvann til atmosfæren ved bruk av trykkluft.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 2, karakterisert ved at forstøvningen gjennomføres ved spraying av avvannet til atmosfæren i en retning mellom 0 og 90° til horisontalplanet.

4 . Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av kravene 1-3, karakterisert ved at forstøvningen gjennomføres ved spraying av avvannet fra en dyse montert på et tårn nær et oppfangingsområde for samling av iskrystaller som dannes ved faseendringen av forstøvet vann til iskrystaller.

5. Fremgangsmåte ifølge krav 4, karakterisert ved at forstøvningen gjennomføres når det hersker vindtilstander som tillater at iskrystallene faller i behandlingsområdet på på forhånd bestemt måte.

<6. > Fremgangsmåte for omdanning av oppløselige fosfater fra avvann som J inneholder fosfationer, ammoniakk-gass, ammoniumioner, kalsiumioner og magnesiumioner, karakterisert ved at den omfatter forstøvning av avvannet under atmosfæriske betingelser som er egnet for i det vesentlige fullstendig faseendring av avvannet til is-krystaller eller vanndamp hvorved ammoniumioner under innvirkning av øket pH-verdi i avvannet danner ammoniakk-gass, og fosfationer i avvannet bindes med kalsium- eller magnesiumioner som kalsium- eller magnesiumfosfat og precipiterjer som uoppløselige salter.