NO317572B1 - Fremgangsmate for fysikalsk-kjemisk behandling av avlop, spesielt av overflatevann for konsum - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse angår en fremgangsmåte for fysikalsk-kjemisk behandling av avløp, spesielt av overflatevann for konsum.

Bruk av fysikalsk-kjemiske prosesser er vanlig for de fleste behandlinger utført på forskjellige typer vann. Disse behandlinger består i det vesentlige i: klaring av overflatevann for konsum eller for industriell anvendelse, klaring av kloakk fra byer og tettsteder, stormvann eller industrielt

avvann,

dekarbonisering,

fjerning av fosfater.

Disse typer av fysikalsk-kjemiske behandlinger omfatter alltid de følgende suksessive trinn: Koagulering: et trinn for nøytralisering av kolloidene under anvendelse av et metallsalt, vanligvis en jern(III)- eller aluminiumforbindelse, for å danne mikro-fnokker.

Dette koaguleringstrinn kan utføres i ett eller flere trinn:

Flokkulering: et trinn for agglomerering og vekst av mikrofnokkene. Dette agglomereirngstrinn finner sted som følge av tilsetning av en polyelektrolytt (eller polymer) på nedstrømssiden av koaguleringstrinnet.

Sedimentering: et trinn for separasjon av fnokkene fra porevannet, hvorved det på den ene side fås et slam og på den annen side fås klaret vann.

I løpet av de 30 siste år eller så er teknikken knyttet til slike fysikalsk-kjemiske behandlinger blitt betydelig utviklet som følge av frembringelsen av to tekno-logier: Flokkulering med en kontaktmasse, hvilket har muliggjort en forbedring av kvaliteten av fnokkene, en reduksjon av reaktorvolumet og en forbedring av klaringen. Dette skyldes at mikrofnokkene som dannes under koaguleringen har større sjanser til å agglomerere og å vokse når reaksjonsmediet har en høy tetthet av partikler, idet hastigheten med hvilken fnokkdannelse finner sted er proporsjonal med antallet frie partikler i suspensjonen.

Lamellær sedimentering, utført gjennom innføring av skråstilte plater eller rør i sedimenteringstankene. Denne teknologi har gjort det mulig å redusere sedi-menteringstankenes størrelse med fra 50 til 70 %.

Den teknologiske utvikling går for tiden i retning av å forbedre flokkuler-ingsbetingelsene, hvilke er nøkkelfaktorer for bestemmelse av kvaliteten av det behandlede vann og for oppnåelse av høye sedimenteringshastigheter.

For tiden anvendes i moderne sedimenteirngstanker to typer av kontaktmasser i flokkuleringsreaktoren: 1. resirkulert, forhåndssedimentert slam; et eksempel på denne teknikk er beskrevet i FR-A-2.553.082, 2. findelte ballastmaterialer, som f.eks. mikrosand; et eksempel på bruk av denne teknikk er beskrevet i FR-P-1.411.792 og FR-A-2.627.704.

Fordelene og ulempene med de to ovenfor beskrevne kjente teknikker, hvor det foretas flokkulering med en kontaktmasse for slammet, skal her forklares.

1. Flokkulering ved bruk av slam som kontaktmasse

Den vedføyde figur 1 viser skjematisk et fysikalsk-kjemisk behandlingsanlegg hvor det gjøres bruk av denne teknikk. Figuren viser skjematisk koaguleringsreaktoren A, flokkuleringsreaktoren B og sedimenteirngstanken C. Disse er anlegg som er velkjente for fagfolk på området, og deres anvendelse ved disse betingelser skal ikke beskrives her.

Som det vil ses av figur 1, består således kontaktmassen i flokkuleringsreaktoren B av den resirkulerte del av slammet som er blitt bunnfelt i C. Volumet av resirkulert slam utgjør mellom 0,5 % og 4 % av det behandlede volum. Overskuddet, bestående av konsentrert slam, tas ut og fjernes. Dets volum utgjør mellom 0,1 % og 1 % av det behandlede volum, avhengig av behandlingene.

Fordelene med denne flokkuleringsteknikk, ved hvilken det benyttes resirkulert, forhåndssedimentert slam som kontaktmasse, er de følgende: Kontaktmassen genereres under prosessen, og den er derfor tilgjengelig uten noen mengdebegrensning, avhengig av prosessbetingelsene.

Kontaktmassen oppviser et meget stort spesifikt overflateareal eller romlig utbredelse på grunn av dens ekspanderte struktur og dens relativt lave tetthet. Eksempelvis vil 1 gram flokkulert slam i 1 liter (midlere konsentrasjon i reaktoren) etter sedimentering i omtrent 5 minutter, oppta et volum på 100 ml.

Dette meget store spesifikke overflateareal eller denne store romlige utbredelse øker i betydelig grad sannsynligheten for kontakt mellom fnokkene og de meget findelte partikler, koagulerte kolloider og mikroorganismer, og dermed sannsynligheten for "oppfanging" av dette suspenderte materiale på en meget effektiv måte.

Ulempene og begrensningene ved denne teknikk er relatert til sedimenteringshastighetene som fås med fortettede slam, hvilke utgjør mellom 30 % og 80 % av hastighetene oppnådd med ballastmateriale.

2. Flokkulering ved bruk av et ballastmateriale som kontaktmasse

I henhold til denne teknikk fås kontaktmassen ved at det på oppstrømssiden av en flokkuleringsreaktor tilsettes et friskt eller resirkulert ballastmateriale etter rengjøring. Innretningene som gjør det mulig å skille ut og regenerere ballastmaterialet som skal resirkuleres til flokkuleringsreaktoren, er innretninger som er velkjente for fagfolk på området, og de vil ikke bli beskrevet her for anvendelse under disse betingelser.

Med denne teknikk utgjøres ballastmaterialet vanligvis av sand, og de kontinuerlig uttatte materialer utgjør omtrent 5 vol% av vannet som behandles i sedimen-teringstanken. Disse uttatte materialer, som inneholder slam som et belegg på mikro-sanden, må behandles for å regenerere sanden. Den rengjorte sand gjeninnføres deretter på oppstrømssiden av flokkuleringsreaktoren, på anleggets fremside. Residuet som fåes ved denne sandballastrengjøringsoperasjon, utgjør overskuddsslammet.

Det skal bemerkes at de eksisterende ballasttypeanlegg som beskrives i litteraturen, og spesielt i FR-P-1.411.792 og FR-A-2.627.704, innbefatter et ballastresir-kuleringstrinn av åpenbare driftskostnadsårsaker. I alle disse dokumenter hvor denne teknologi beskrives, er det dessuten angitt at ballastmaterialet alltid "rengjøres", det vil si regenereres. Dette er fordi ballastmaterialet, som er "belagt" med polymeren, må ha et maksimalt adhesjonsareal for utfelning av fnokker som dannes kjemisk under koaguleringen. En effektiv fysikalsk rengjøring er derfor helt nødvendig for å maksimere det til-gjengelige bindeareal.

Ballastmaterialet er ofte sand, vanligvis med en diameter på mellom 50 ( im og 150 fim. Denne sand betegnes vanligvis mikrosand.

I Journal Water SRT - AQUA, vol. 41, nr.l, s.18-27,1992 presenteres en kurve som viser turbiditeten av det produserte vann som funksjon av diameteren av ballastmaterialets partikler. Kurven viser at denne fremgangsmåte er effektiv når sand-partiklene ikke overskrider 150 fim, og resultatene blir enda bedre med verdier av størrelsesordenen 50 - 100 fim.

Det skal påpekes at fordelen ved denne flokkuleringsteknikk i henhold til hvilken det benyttes en kontaktmasse bestående av et findelt ballastmateriale, ligger hovedsakelig i sedimenteringshastigheten, som kan være fra 20 % til 200 % høyere enn hastighetene oppnådd ved flokkuleringsprosessene hvor det benyttes en kontaktmasse bestående av resirkulert, forhåndssedimentert slam. Ved klaring av elvevann vil således de publiserte hastigheter gjennom de lamellære moduler være mellom 25 og 50 m<3>/m<2>.h, mens utstyret hvor flokkuleringsprosessen utføres under anvendelse av slam som kontaktmasse er begrenset til hastigheter mellom 15 og 30 m /m .h.

De vesentligste ulemper ved denne teknikk skyldes hovedsakelig den kjens-gjerning at ballastmaterialet må utøve to ulike funksjoner: akselerert flokkulering, som følge av bruk av en kontaktmasse med et stort spesifikt overflateareal (eller romlig utbredelse),

øket sedimenteringshastighet, som følge av tilsetningen av ballastmateriale til fnokkene.

Disse begrensninger eller ulemper kan tilskrives de følgende forhold:

For ekvivalent kontaktmasse (på vektbasis) tilveiebringer ballastmaterialet et kontaktoverflateareal eller en prosentvis romlig utbredelse som er meget mindre enn for slammet. Følgende eksempler kan gis: I det tilfelle hvor det foretas "flokkulering med slam", er konsentrasjonen i reaktoren ca. 1 g/l og volumet som opptas av slammet etter 5 minutters sedimentering ca. 10 % av det opprinnelige volum.

I det tilfelle hvor det foretas "flokkulering med ballastmateriale (f.eks. sand)", bør konsentrasjonen med ballastmaterialet i reaktoren nå opp i minst 5 g/l, mens volumet som opptas av slammet etter 5 minutters sedimentering bare er ca. 1 % av det opprinnelige volum.

Økning av mengden av ballastmateriale, hvilket er ønskelig for å oppnå en stor mengde kontaktmasse (og ikke for å oppnå en høy sedimenteringshastighet) fører til en økning av volumet av slam som resirkuleres til systemet for behandling av uttatt slam, hvilken behandling består i å skille slammet fra sanden for derved å regenerere sanden. Denne operasjonen utføres vanligvis ved hjelp av hydrosykloner med tilførsel ved høye trykk, og denne operasjon blir derfor kostbar fra et energiforbruks-synspunkt. For å begrense driftskostnadene blir derfor volumet av resirkulert slam begrenset til mellom 5 % og 10 % av volumet som behandles, og konsentrasjonen av ballastmaterialet i reaktoren tillates ikke å overskrive 5 -10 g/l. Det sier seg selv at dette valg ikke er forenlig med ønsket om å optimalisere flokkuleringen.

En rekke teknikker tar sikte på å kompensere for kontaktmassens ufullkommenhet som følge av de ovenfor beskrevne driftsbetingelser, f.eks.: bruk av ytterligere flokkuleirngsenergi (verdier opp til 100 ganger den konvensjonelle flokkuleirngsenergi kan nevnes), eller

bruk av enda finere ballastpartikler som øker det spesifikke overflateareal (f.eks. partikler med en diameter på mellom 10 og 50 fim) er ikke aktuelt, nemlig på den ene side på grunn av energikostnadene, og på den annen side på grunn av vanskelig-heter med sedimenteringen og med separasjonen av sand og fnokker.

Sammenfatningsvis er ytelsen ved flokkulering med ballastmateriale begrenset av tre faktorer: systemet er ømfintlig for plutselig forurensning forårsaket av manglende tilgjengelighet av bindingsseter på ballastmaterialet (kontaktmaterialet er begrenset til maksimalt 5-10 g/l),

systemet har en lavere ytelse med hensyn til såkalte "sensitive" forurensninger (egg av innvollsormer, mikroorganismer, mikropartikler, spor av komplekse organiske forbindelser, pesticider, osv.),

den lave konsentrasjon av det uttatte slam som en følge av behovet for å rengjøre ballastmaterialet så fullstendig som mulig (denne konsentrasjon er minst 10 ganger lavere enn den som måles i anlegg hvor det benyttes et slam som kontaktmasse),

og som ofte medfører installasjon av en supplerende enhet på nedstrømssiden av sedimenteirngstanken for å fortykke det uttatte slam.

Med bakgrunn i ulempene og begrensningene som knytter seg til de ovenfor omtalte konvensjonelle fremgangsmåter, er siktemålet med oppfinnelsen å tilveiebringe en ny fremgangsmåte som gjør det mulig å kombinere fordelene med den høye virkningsgrad ved flokkulering under anvendelse av en kontaktmasse bestående av fortettet, resirkulert slam, med fordelene knyttet til de høye sedimenteringshastigheter som fås ved en flokkuleringsprosess hvor det gjøres bruk av et ballastmateriale.

Med denne oppfinnelse tilveiebringes således en fremgangsmåte for fysikalsk-kjemisk behandling av avløp, spesielt av overflatevann for forbruk, omfattende de suksessive trinn koagulering, flokkulering og sedimentering. Fremgangsmåten er kjennetegnet ved at det under flokkuleringstrinnet innføres i slammet et ballastmateriale for å gjøre slammet tyngre, og som innlemmes i kontaktmassen anvendt under flokkuleringstrinnet, og denne kontaktmassen består av en del av det fortettede slam som kommer fra sedimenteirngstrinnet og som uten noen behandling resirkuleres (Pl) kontinuerlig til flokkuleringstrinnet, og en andre del (P2) av det overskytende fortettede slam som ikke resirkuleres til flokkuleringstrinnet og som tas ut i sedimenteringstrinnet, utgjør et utrensningsvolum på 0,1 % til 1 % av volumet av behandlet vann, og dette overskytende fortettede slam som ikke resirkuleres, behandles uten å bli renset for å gjenvinne ballastmaterialet, og ballastmaterialet som således skilles fra slammet føres på nytt inn i kontaktmassen under flokkuleringstrinnet.

I henhold til oppfinnelsen benyttes det således et ballastmateriale, men det benyttes på en annen måte enn ved den ovenfor beskrevne fremgangsmåte ved såkalt "flokkulering med ballastmateriale". I henhold til oppfinnelsen har ballastmaterialet bare én rolle, nemlig den å belaste, og kontaktmassens flokkuleringsfunksjon utøves bare av det resirkulerte slam. Ballastmaterialet utgjør ikke lenger noen overflate for adhesjon som frembys til partiklene, men utgjør ganske enkelt en belastende masse som blir innlemmet i slammet som resirkuleres til flokkuleringsreaktoren, og dette resirkulerte slam utgjør da kontaktmassen.

I en utførelsesform av den foreliggende oppfinnelse består ballastmaterialet av et materiale med en partikkelstørrelse på mellom 50 og 500 fim, fortrinnsvis mellom 100 og 300 nm.

I henhold til en foretrukket utførelsesform av oppfinnelsen er dette ballastmateriale et tett, uorganisk materiale (med en partikkeldensitet på mellom 2 og 8 g/ml), spesielt sand, granat eller magnetitt.

I henhold til den foreliggende oppfinnelse kan overskuddet, fortettet slam som ikke resirkuleres, tas ut uten behandling, eller det kan behandles for å gjenvinne ballastmaterialet, hvilken behandling ikke inkluderer noen grundig rengjøring av ballastmaterialet som skilles ut fra slammet. I det tilfelle hvor det foretas uttak uten behandling, oppviser det fortettede slam forbedret sedimenteirngsevne.

I henhold til oppfinnelsen gjenvinnes ballastmaterialet fortrinnsvis ved gravitasjonssedimentasjon, enten i eller utenfor sedimenteirngstanken, hvoretter det gjenvundne ballastmateriale resirkuleres til flokkuleringstrinnet.

Andre trekk og fordeler ved den foreliggende oppfinnelse vil fremgå av den nedenstående beskrivelse med henvisning til de vedføyde tegninger som illustrerer én fremgangsmåte for utøvelse av oppfinnelsen.

Det vises til tegningene, hvor:

figur 1 skjematisk viser prinsippet for den kjente fysikalsk-kjemiske behandlingsprosess som er beskrevet ovenfor, hvor kontaktmassen utgjøres av resirkulert, forhåndssedimentert slam,

figur 2 er et diagram, likeartet med figur 1, som illustrerer prinsippet for fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen.

Som det vil ses av figur 2, utgjøres kontaktmassen i flokkuleringsreaktoren B av en kontinuerlig resirkulert del Pl av det fortettede slam, etter sedimentering og fortykning i sedimenteirngstanken C, men uten noen separasjons- eller regenereringsoperasjon. I henhold til en foretrukket utførelsesform av denne fremgangsmåte utgjør det resirkulerte volum mellom 0,5 % og 4 % av det behandlede volum.

En overskytende fraksjon P2 av det fortettede slam må selvsagt fjernes, f.eks. med et rensningsvolum på mellom 0,1 % (klaring) og 1 % (avvann med et meget høyt innhold av oppslemmet materiale) av det behandlede vannvolum. På dette trinn skal to kommentarer gjøres: Avhengig av graden av rensning og kostnadene for ballastmaterialet kan overskuddsslammet enten ganske enkelt tas ut eller behandles for å gjenvinne ballastmaterialet.

Slambehandlingen, for gjenvinning av sanden, er forskjellig fra den som foretas ved flokkulering frembrakt med ballastmateriale (FR-P-1.411.792 og FR-A-2.627.704). Dette skyldes at sanden som anvendes ved fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen, gjenvinnes uten rengjøring, det vil si uten regenerering, og at behandlingen utføres på konsentrert slam, fordi det ikke er nødvendig å rengjøre sanden grundig under separasjonsfasen.

Figur 2 viser skjematisk ved E innretningene som tilveiebringes for gjenvinning av ballastmaterialet. Bemerk at det lille volum av slam som skal tas ut, nemlig fra 0,1 % til 1 % av vannvolumet som behandles (det vil si fra 5 til 50 ganger mindre enn i det tilfelle hvor det foretas flokkulering med ballastmateriale), gjør det mulig eventuelt å anvende separasjonsteknikker som er mer sofistikerte og gir bedre ytelse, blant hvilke spesielt skal nevnes:

- separasjon med hydrosyklon,

- separasjon ved luftblåsning,

- separasjon ved oppslemning,

- separasjon ved sentrifugering,

- separasjon ved hjelp av ultralyd,

eller å redusere energikostnadene for denne separasjonsstasjon.

Gitt at ballastmaterialet kun har en enkel belastende rolle og ikke skal funksjonere som en kontaktmasse, kan størrelsen av partiklene i dette belastende ballastmateriale, i motsetning til hva tilfellet er ved flokkulering frembrakt med ballastmateriale, med fordel velges henimot større diametre. Således er det mulig å anvende tyngdegivende partikler med en diameter på mellom 50 fim og 100 fim, fortrinnsvis mellom 150 ( im og 300 fim, mens det i tilfelle av flokkulering under anvendelse av en kontaktmasse bestående av et ballastmateriale er nødvendig å benytte en partikkelstørrelse for sistnevnte som er mindre enn 150 pm og fortrinnsvis er mellom 50 fim og 100 ( im.

Denne diameter på ballastmaterialet er, ved fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen, et grunnleggende karakteristisk trekk med henblikk på: å øke sedimenteringshastighetene (dersom d = 100 ( im, er ballastmaterialets sedimenteringshastighet 30 m/h, mens den ved d = 250 pm er 115 m/h),

å gjenvinne ballastmaterialet fra det uttatte slam.

Det er å merke at i enkelte tilfeller - dersom ballastmaterialets partikkeldiameter er tilstrekkelig stor - kan enkel gravitasjonsseparasjon, i eller utenfor sedimente-ringstanken, være aktuell for gjenvinning og resirkulering av ballastmaterialet.

Fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen, utført med flokkulering under anvendelse av en kontaktmasse bestående av resirkulert, fortettet slam, medfører spesielt de følgende fordeler: 1. Den gir en meget høy prosentvis romlig utbredelse av binde-materialet, og følgelig blir behandlingen meget effektiv, nemlig gjennom: stabilitet i renseytelsen, selv ved signifikant økning av den tilførte mengde råvann, mulighet for grundig fjerning av såkalte "sensitive" forurensninger (mikropartikler, mikroorganismer, spor av komplekse organiske forbindelser, pesticider, egg av innvollsorm). 2. Ballastmaterialet har utelukkende en belastende/tyngdegivende funksjon. Dets midlere partikkelstørrelse kan derfor være større enn den som kreves ved flokkulering frembragt med ballastmateriale (f.eks. 250 ( im i stedet for 100 ( im). Denne mulighet medfører to fordeler: sedimenteringshastighetene øker betraktelig, hvilket gjelder desto mer jo større partikkeldiameteren av det belastende materiale er,

gjenvinningen av ballastmaterialet blir desto enklere jo større dets partikkeldiameter er.

Dersom ballastmaterialets partikkeldiameter er tilstrekkelig stor, vil det i enkelte tilfeller være mulig å overveie en enkel gravitasjonsseparasjon i eller utenfor sedimenteirngstanken. 3. Det gjenvunne ballastmateriale trenger ikke å rengjøres, fordi det ikke er behov for å regenerere "rene" seter for koaguleringen/flokkuleringen. Følgelig er det mulig, og fordelaktig, å gjenvinne ballastmaterialet fra sterkt konsentrert slam. Denne mulighet medfører de følgende fordeler: Fordi det uttatte slam er grovt regnet ti ganger mer konsentrert, kan volumet av fortyknings- og lagringsenheten installert på nedstrømssiden av sediment-eringstanken reduseres i samme grad.

Systemet for gjenvinning av sand drives med mindre volumer i de samme proporsjoner (f.eks. ti ganger mindre), og også i dette tilfelle kan utstyrets størrelse og energiforbruket reduseres. 4. Adskillelsen av funksjonene ballast og slammasse for å fremme flokkuleringen gjør det mulig å overveie drift med en lavere gjennomstrømning (mellom mindre enn 20 % og 80 % av den maksimale mengde Q, alt etter tilfellet) uten tilsetning eller resirkulering av ballastmaterialet, hvorved det blir mulig å redusere driftskostnadene ytterligere.

Den nedenstående tabell sammenfatter ytelsene som oppnås med fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen sammenlignet med ytelsene med de ovenfor omtalte kjente fremgangsmåter. Tabellen viser resultatene av disse prosesser utført på elvevann, idet behandlingsvolumene er de samme ved hver utførelse.

Claims (5)

1. Fremgangsmåte for fysikalsk-kjemisk behandling av avløp, spesielt av overflatevann for forbruk, omfattende de suksessive trinn koagulering, flokkulering og sedimentering, karakterisert ved at det under flokkuleringstrinnet innføres i slammet et ballastmateriale for å gjøre slammet tyngre, og som innlemmes i kontaktmassen anvendt under flokkuleringstrinnet, og denne kontaktmassen består av en del av det fortettede slam som kommer fra sedimenteirngstrinnet og som uten noen behandling resirkuleres (Pl) kontinuerlig til flokkuleringstrinnet, og en andre del (P2) av det overskytende fortettede slam som ikke resirkuleres til flokkuleringstrinnet og som tas ut i sedimenteringstrinnet, utgjør et utrensningsvolum på 0,1 % til 1 % av volumet av behandlet vann, og dette overskytende fortettede slam som ikke resirkuleres, behandles uten å bli renset for å gjenvinne ballastmaterialet, og ballastmaterialet som således skilles fra slammet føres på nytt inn i kontaktmassen under flokkuleringstrinnet.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at ballastmaterialet utgjøres av et materiale som har partikkelstørrelse mellom 50 fim og 500 /im, fortrinnsvis mellom 100 pm og 300 fim.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 2, karakterisert ved at ballastmaterialet er et tett uorganisk materiale hvor partiklenes densitet er mellom 2 og 8 g/ml, spesielt sand, granat eller magnetitt.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 1-3, karakterisert ved at volumet av fortettet slam som utgjør kontaktmassen, og som etter sedimentering og fortykning resirkuleres kontinuerlig til flokkuleringstrinnet, utgjør mellom 0,5 og 4 % av volumet av behandlet avløp.

5. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at ballastmaterialet gjenvinnes ved gravitasjonssedimentering, enten i eller utenfor sedimenteirngstanken C, og at det gjenvunne ballastmateriale deretter resirkuleres til flokkuleringstrinnet.