NO832575L - Fremgangsmaate for flokkulering av mikroskopiske partikler i en vaeskesuspensjon, anvendelse av fremgangsmaaten for oppsamling av fytoplankton-mikroalger og dyreplankton og for vannrensing - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte for flokkulering av mikroskopiske partikler i suspensjon i en væske,

og det særegne ved fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen er at man fører en første væske inneholdende de mikroskopiske partikler i suspensjon gjennom en kornformet masse i fiksert lag (2) inntil hel eller delvis tilstopning av den granulerte masse av de nevnte mikroskopiske partikler og at man i det minste delvis eliminerer tilstopningen av den granulerte masse i det fikserte lag ved at gjennomføring av en annen væske som sirkulerer i den samme retning som den første væske men med en større hastighet enn denne og at man nedstrøms fra laget i strøm-ningsretnigen for de nevnte væsker gjenvinner flokkulerte aggregater (4) av de nevnte mikroskopiske partikler og en væskeut-strømning (6) som helt eller delvis er befridd for de nevnte partikler.

Disse og andre trekk ved oppfinnelsen fremgår av patentkravene.

Oppfinnelsen vedrører således en fremgangsmåte for flokkulering av mikroskopiske partikler i suspensjon i en væske idet fremgangsmåten kan anvendes for oppsamling av levende partikler i suspensjon i ferskvann, brakkvann eller saltvann, og spesielt oppsamling av mikroalger som utgjøres av fytoplankton og mikroskopiske dyr som utgjøres av dyreplankton. Oppfinnelsen er spesielt anvendelig for rensing av avfallsvann.

Mikroalgene frembyr en stor økonomisk interesse da deres cel-ler inneholder molekyler med stor verdi, som medisinsk virk-somme substanser, hydrokarboner, glycerol som i tilfellet med Dunaliella for dyrking i saltvannsdammer, videre proteiner som kan anvendes som næring for dyr og mennesker og de kan også tjene som substrat ved en anaerob gjæringsprosess som fører til brennbar metangass.

I avstengte bassenger som tjener til rensing av avfallsvann finnes høye konsentrasjoner av mikroalger som man. kan støte på i naturen (200 til 600 mg/l tørrprodukt med 2.IO<6>til 4.IO<6>algeceller pr. cm^ ) . Renseprosessen følges av en

primær høy produksjon av mikroalger anslått til 50 til 150 tonn/hektar/år. Dette fytoplankton kan anvendes for fremstilling av dyreplankton i akvakultur (hovedsakelig hjul-dyr, kopepoder og daphhier). Disse dyregrupper utgjør en næringskjede tilstrekkelig for næring av skalldyr- og fiske-yngel men produksjonen er fra denne næringskjede her med hittil anvendt teknikk kostbar, omstendelig og vanskelig å mestre.

Det vanskeligste problem som stilles av disse metoder, som utgjør en utnyttelsesform for solenergien, er oppsamlingen av mikroalgene.

Man illustrerer vanskelighetene med de økonomiske forhold for oppsamlingen ved å vise til teknikken med metanisering av mikrofyter som på området med frembringelse av fornybar energi har medført en livlig interesse i de senere år.

I det gunstigste tilfellet, ved kontroll av samlede arter som høstes ved hjelp av metoder som nødvendiggjør lite energiforbruk og fravær av tørking er det totale energiforbruk ved algefremstillingen (total enthalpi-mengde anvendt for å opprettholde systemet med produksjon og i funksjon fra naturlige utgangsmaterialer) er omtrent 18 MJ/kg. For metanogen-gjæring kan.iman gjenvinne 60% av kaloriinnholdet ved forbrenning hvor det dannede vann befinner seg i damp-tilstand og dette kaloriinnhold utgjør 23,2 MJ/kg slik at 13,9 MJ/kg kan utnyttes. Dette betyr f.eks. at en mengde på 80 kg mikrofyter tillater fremstilling av 1..GJ ved metanisering og da fremstillingen nødvendiggjør 1,44 GJ er den totale energibalanse negativ og dette skyldes hovedsakelig den kompliserte separering av mikrofytene fra den vandige blanding.

På grunn av deres dimensjoner (10 - 30 mikrometer) og deres egenskaper (levende organismer) frembyr de mikroskopiske alger store separasjonsproblemer. Visse metoder er allerede testet og har vist seg lite effektivt eller kreve stort energiforbruk (dette er. tilfellet med sentrifugering eller fIotas jon som er testet i stor målestokk for separasjon av plankton).

Ved drikkevanns-behandling anvendes mikrosikting med hell i flere år med primært formål og fjerne alger. De fjernede suspenderte materialer gjenvinnes i en mer konsentrert tilstand men i form av en væske med forholdsvis lite tørrstoff-innhold (konsentrasjonsgrad 20 til 30).

Virkningsgraden ved visse av de nevnte prosesser kan for-bedres ved tilsetning av kjemiske reagenser som tillater flokkulering av algene. Denne operasjon øker imidlertid i vesentlig grad omkostningene ved produksjonen og kan ned-sette muligheten for utnyttelse av produktet i en næringskjede .

Hvis følgelig en konsentrert suspensjon på noen gram til noen titalls-gram pr. liter er av interesse kan metoder som mikrosikting eller filtrering anvendes. Hvis en høyere konsentrasjon skal oppnås er det hittil ikke foreslåttenoen metode som samtidig er teknisk og økonomisk ;tiifredsstillende.

Den foreliggende oppfinnelse avhjelper disse ulemper og tilveiebringer en metode for flokkulering av mikroalger og andre

organiske partikler med beslektede egenskaper uten tilsetning av reagenser med lite energiforbruk og med en modifi-sering av de fysiske egenskaper av disse mikroalger slik at en enkel sedimentering tillater konsentrasjonsgrader av størrelsesorden 100 uten at de næringsmessige kvaliteter endres.

Man vet at flokkulering er et komplisert fenomen som fører

til dannelse av flokker med fornettet og porøs struktur.

Man omfatter innenfor disse benevnelser fenomener med koagulering og ekte flokkulering som fører til lett sepa-rerbare aggregater. Som eksempel omfatter fysikalskkjemisk behandling av avfallsvann av uvilkårlig opprinnelse en flokkuleringsfase iverksatt ved tilsetning til avfallsvannet av et passende reagens (jernklorid, aluminiumsulfat, polyelektro-lytter eller andre) etterfulgt av en væske-faststoff-separasjon ved sedimentering.

Denne klaring ved flokkulering anvendes spesielt ved behandling av avfallsvann i meget varierende mengder som eksluderer tradisjonelle biologiske metoder. Til gjengjeld frembyr denne type behandling den alvorlige ulempe at den er dyr på grunn .av forbruket av flokkuleringsmidler.

Oppfinnelsen har tilveiebragt en metode for flokkulering av mikroskopiske partikler i suspensjon i væske og som kan anvendes med fordel ved oppsamling av levende mikroorganismer og som ikke krever tilsetning av flokkulerings-midler.

Ved fremgangsmåtens utførelse kan den annen væske også inneholde de mikroskopiske partikler i suspensjon og kan eventuelt være identisk med den første væske som har tjent til å tilstoppe den kornformede masse. Dette er spesielt tilfellet når man anvender en kontinuerlig fremgangsmåte i henhold til oppfinnelsen hvor en del av utstrømningen som eventuelt inneholder flokkulat kan resirkuleres som tilførsel til den kornformede masse.

Hvis man anvender en kontinuerlig utførelsesform av fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen kan den'kornformede masse være anordnet som fiksert lag og utsettes for en ekspansjon på opptil omtrent 30 volum- ved at den kornformede masse da befinner seg i fluidisert tilstand.

Den kornformede masse kan fordelaktig utgjøres av partikler med kornstørrelser mellom omtrent 0,005 og 3 cm og bulkdensitet på omtrent 1,1 g/cm 3 eller mer. De nøyaktig dimensjoner og partiklenes natur;_såvel som deres: hastighet gjennom den kornformede masse er generelt mellom 0,1 og 5 m/h (hastighet i tom kolonne) og velges som funksjon av den be-handlede suspensjon og det ønskede resultat. Som kornformet masse kan enkelt anvendes naturlig sand men man kan også anvende andre partikler med skarpe eller avrundede kanter, f.eks. keramiske partikler eller partikler av kalsinert og malt leire.

Fordelaktig kan denne fremgangsmåte gjennomføres i en vertikal eller hellende kolonne av sylindrisk eller skrueformet type inneholdende den.:kornformede masse. Denne kolonne kan ved bunnen tilføres med den væske som skal behandles idet aggregater av flokkulerte partikler gjenvinnes i niå over den kornformede masse og renset utstrømningsvæske kan tømmes ut i et ennå høyere nivå. Selvom denne utførelsesform av fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen foretrekkes kan fremgangsmåten også gjennomføres med synkende strømning.

For å begunstige konsentrasjonen av' flokkulatet har den del av kolonnen hvor flokkulatet gjenvinnes ved utførelsesformen med oppstigende strøm, et tverrsnittsareal større enn det parti som inneholder den kornformede masse.

Ved anvendelse for oppsamling av mikroalger og dyreplankton

vil fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen omfatte minst et ytterligere trinn med konsentrering av flokkulatet sepa-rert fra den kornformede masse, ved f.eks. sedimentering,

eventuelt som vist i det indre av selve kolonnen hvori fremgangsmåten gjennomføres. Man..:kan også anvende andre midler for konsentrering som er kjent på området som man ikke vanligvis anvender for samling av mikroalger eller dyreplankton i suspensjon på grunn av de lave konsentrasjoner som vanlig-

vis opptrer.

Ved fremgangsmåtens - anvendelse for rensing og klaring av avfallsvann vil det ved oppfinnelsen ikke være nødvendig med tilsetning av flokkuleringsmidler og dette betyr da økonomiske besparelser i forhold til vanlige, .metoder som medfører en flokkuleringsfase.

Oppfinnelsen vil lettere forstås ved hjelp av de vedføyde figurer 1 og 2 som viser skjematiske utførelsesformer av fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen hvor fig. 1 og 2 viser foretrukne utførelsesformer i samsvar med oppfinnelsen og fig. 3 illustrerer en ytterligere utførelsesform av oppfinnelsen.

Det vises først til fig. 1 som viser en kolonne 1 hvori er

anordnet et kornformet lag 2 av et material hvor egenskaper, bulkdensitet og kornstørrelser er valgt som funksjon av det ønskede resultat og den suspensjon som skal behandles. Det kan f>eks. utgjøres av naturlig sand (kvarts og kvartsitt)

med kornstørrelse mellom 0,2 og 4 mm.

Det kornformede lag 2 tilføres væske gjennom en ledning 3 tilknyttet bunnen av kolonnen.

I et første trinn tilføres det kornformede lag 2 gjennom ledningen 3 med en væske inneholdende de mikroskopiske partikler i suspensjon idet væsken kan være identisk eller ikke med den væske som anvendes deretter og man fortsetter med en filtrering av denne væske som strømmer gjennom et fiksert lag av faste partikler. Man frembringer en prog-ressiv tilstopning av laget 2 og konstaterer en økning av trykktapet ved gjennomgangen gjennom laget. Man stanser tilførselen når dette trykktap har nådd en forut bestemt verdi, tilsvarende en delvis tilstopning av laget 2 eller eventuelt etter fullstendig tilstopning av dette lag. Ved gjennomførte forsøk tilsvarer trykktapet en tilfredsstillende tilstopning av laget 2 på omtrent 50 cm vannsøyle pr. meter høyde av det kornformede lag.

Det kornformede lag 2 behandlet på denne måte kan anvendes for å frembringe kontinuerlig flokkulering av en suspensjon av mikroskopiske partikler som mikroalger, idet suspensjonen kan være forskjellig eller lik suspensjonen som tjener til å tilstoppe laget 2.

Suspensjonen som behandles injiseres gjennom ledningen 3 til bunnen av kolonnen 1 med en hastighet større enn for suspensjonen som tidligere var anvendt for tilstopning av det kornformede lag og av størrelsesorden vanligvis melloml0,l og 5 m/time.

Man iakttar overraskende at det ved utløpet av det kornformede lag 2 dannes et flokkulat av mikroskopiske partikler fra suspensjonen. Disse flokker kan ha dimensjoner mellom 1 og 5 mm og ved sedimentering separeres de ved toppen av kolonnen 1 ved dannelse av et lag 4 som intermitterende eller kontinuerlig kan tømmes ut gjennom en ledning 5. Dette lag 4 av flokkulat ligger under et væskelag 6 som idet minste delvis er renset og som tømmes ut gjennom ledningen 7. Minst en.del av denne_flytende utstrømning kan da resirkuleres ved hjelp av en pumpe 8 gjennom ledningen 7a eller til tilførselsledningen 3 for å gjenvinne det flokkulat som det kan inneholde.

Det kornformede lag 2 anvendes etter forbehandling med del

eller delvis tilstopning for kontinuerlig flokkulering av

de mikroskopiske partikler i tilførsels-suspensjonen. Kon-sentrasjonsgraden som forholdet mellom den opprinnnelige suspensjon og flokkulatet utgjør f.eks. noen titallsenheter i tilfellet av mikroalger.

Grunnen til dette fenomen med flokkulering er ikke totalt forstått men det antas at tilstopningen av det kornformede lag og den delvise fjernelse av tilstopningen som følger i det indre av laget skaper kanaliseringer som da utgjør foretrukne veier som tjener til å bryte opp suspensjonen som behandles. Den eneste energi som erJ.nødvendig for ut-øvelse av fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen er den som trenges for å sikre sirkulasjonen av væsken gjennom laget og den er da meget liten.

Alt etter betingelsene ved gjennomføring av fremgangsmåten kan laget 2 forbli fiksert eller utsettes for en svak ekspansjon på opptil 30%. Laget kan da være fiksert, for-fluidisert eller fluidisert.

Flokkulatet som tømmes ut gjennom ledningen 5 kan meget lett konsentreres ved kjente metoder for væske-faststoff-separasjon. En enkel sedimentering tillater oppnåelse' av en konsentrasjonsgrad på flere titallsenheter for mikroalgene. Volumet som opptas av 1 gram tørrstoff etter 10 minutters avsetning i prøverør er omtrent 70 cm<3>som er et megetuinte-ressant resultat.

Fig. 2 illustrerer en foretrukket variant av fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen. I denne figur er de organer som allerede er beskrevet for fig. 1 betegnet med de samme hen-visningstall forsynt med indeks som markering.

Den eneste vesentlige forskjell ovenfor fig. 1 er at kolonnen 1' inneholder det kornformede lag 2' som på toppen er på-montert en kolonne 9' med tverrsnitt større enn tverrsnittet . av kolonnen 1'. Under disse betingelser er den oppstigende hastighet av væsken i kolonnen 9' mindre enn i kolonnen 1' og dette begunstiger konsentreringen av flokkulatet.

Fig. 1 og 2 illustrer en utførelsesform av oppfinnelsen hvori det kornformede lag 2 eller 2' gjennomstrømmes av en oppstigende strøm av væske som behandles.

Oppfinnelsen kan imidlertid også anvendes i forbindelse med et granulert lag som gjennomstrømmes ovenfra og nedover med suspensjonen av de mikroskopiske partikler som skal flokku-leres.

Fig. 3 illustrerer denne utførelsesform.

I denne variant tilføres kolonnen 11 inneholdende et kornformet lag 12 ved hjélp av en ledning 13 i sin øvre del en væske inneholdende mikroskopiske partiker i suspensjon. Ut-strømningen inneholdende flokkene av flokkulerte partikler tømmes ut ved bunnen av kolonnen 11 gjennom en ledning 14

og sendes til den nedre del av en vertikal sedimenteringsinnretning 15. I denne sedimenteringsinnretning 15 løfter utstrømningen fra kolonnen 11 seg i motstrøm med flokkulatet 16 av mikroskopiske partikler som konsentreres i den nedre del av sedimenteringsinnretningen 15 og tømmes ut ved hjelp av en ledning 17. Den delvis rensede væske tømmes ut fra den øvre del av sedimenteringsinnretningen 15 gjennom en ledning 18 og en del av denne væske kan eventuelt resirkuleres som tidligere ved hjelp av en ledning 19 og en pumpe 20 til tilførselsledningen 13 til kolonnen 11.

De etterfølgende eksempler illlustrerer oppfinnelsen.

EKSEMPEL I

Dette eksempel vedrører anvendelse av fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen for samling av fytoplankton-mikroalger i suspensjon i vann.

Forskjellige forsøk ble gjennomført med forskjellige typer av kornfprmet lag i en vertikal kolonne med oppstigende strøm med mikroalger i suspensjon i vannet.

Den etterfølgende tabell oppsamler resultatene fra disse for-søk og illustrerer virkningsgraden av fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen Denne tabell illustrer virkningsgraden av fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen og viser spesielt hvorledes et kornformet lag som utgjøres av malt kalsinert leire til stor partikkelstørrelse (3-5 ..mm) på overraskende måte er spesielt fordelaktig ved utførelsen av oppfinnelsen.

Oppfinnelsen tilveiebringer da en enkel og lett samt billig metode for konsentrering av suspensjoner med meget lave konsentrasjoner av mikroskopiske partikler. Det er klart at metodens anvendelse for oppsamling av mikroalger eller dyreplankton er spesielt interessant da den ikke endrer de fysi-kalskkjemiske egenskaper av de gjenvundne mikroorganismer da disse forblir i levende tilstand i deres naturlige miljø under hele varigheten av konsentrasjonen og oppsamlingen.

EKSEMPEL TI

Dette eksempel vedrører anvendelse av fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen for rensing av avfallsvann fra tett-bebyggelse som er underkastet en forutgående klaring ved enkel sedimentering.

Dette vann som har en konsentrasjon av material i suspensjon mellom 150 og 200 mg/l passerer gjennom det fikserte lag av sand med kornstørrelse 300 mikrometer uten noen tilsét-ning av flokkuleringshjelpemidler.

Det bemerkes en ekspansjonsgrad av sandlaget på 10%.

Man fastslår at 50% av materialene i suspensjon holdes tilbake for en passeringstid på 1 time mens 70% av disse materialer holdes tilbake med en passeringstid på 3 timer.

De tilbakeholdte materialer i suspensjon utgjør et flokkulat som avsettes på overflaten av det kornformede lag. Dette flokkulat kan fjernes periodisk eller kontinuerlig.

Claims (13)

1. Fremgangsmåte for flokkulering av mikroskopiske partikler i suspensjon i en væske, karakterisert ved at man bringer en første væske inneholdende mikroskopiske partikler i suspensjon til å gjennomstrømme en kornformet masse i fiksert lag (2) inntil hel eller delvis tilstopning av den kornformede masse av de nevnte mikroskopiske partikler og at man eliminerer tilstopningen av den kornformede masse av det fikserte lag i det minste delvis ved at:;man. lar det gjennomstrømme av en annen væske som sirkulerer i den samme retning som den første væske med en hastighet større enn denne og at man på nedstrøms-siden av laget regnet i strømningsretningen for væskene gjenvinner flokkulerte aggregater (4) av de mikroskopiske partikler og en væskeutstrømning (6) som helt eller delvis er befridd for de nevnte partikler.

2. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakt e^risert ved at også den annen væske inneholder mikroskopiske partikler i suspensjon.

3. Fremgangsmåte som angitt i krav 2, karakterisert ved at den første og den annen væske er en og samme væske.

4. Fremgangsmåte som angitt i krav 3, karakterisert ved at en del av i det minste den flytende utstrømning (6) resirkuleres til tilførselen til den kornformede masse (2).

5. Fremgangsmåte som angitt i krav 1-4, karakterisert ved at den kornformede masse (2) gjennomstrømmes nedenfra og oppover av den første og den annen væske.

6. Fremgangsmåte som angitt i krav 5, karakterisert ved at den kornformede masse (2) opprettholdes som fiksert lag under gjennomføringen av fremgangsmåten.

7. Fremgangsmåte som angitt i krav 5, karakterisert ved at den kornformede masse (2) underkastes en ekspansjon på opptil omtrent 30 volum%.

8. Fremgangsmåte som angitt i krav 1-7, karakterisert ved at passeringshastigheten for den annen væske gjennom den kornformede masse (2) er av størrelsesorden 0,1 til 5 m/h (hastighet regnet på tom kolonne).

9. Fremgangsmåte som angitt i krav 1-8, karakte:risert ved at den kornformede masse (2) utgjøres av partikler med en kornstørrelse mellom omtrent 0,005 og 3 cm og en bulkdensitet på omtrent 1,1 g/cm <3> eller mer.

10. Fremgangsmåte som angitt i krav 9, karakterisert ved at den kornformede;masse (2) utgjøres av kalsinert og malt leire med kornstørrelse mellom 3 og 5 mm.

11. Fremgangsmåte som angitt i krav 1-10, karakterisert ved at den::kornf ormede-masse (2) er anordnet i en kolonne (1) som er vertikal eller hellende, sylindrisk eller skrueformet, hvor delen (9') som be finner seg over massen (2) har et større tverrsnitt enn den del som inneholder den nevnte masse.

12. Anvendelse av fremgangsmåten som angitt i krav 1-11 for oppsamling av mikroalger og dyreplankton, karakterisert ved at flokkulatet (4) der etter konsentreres ved hjelp av i og for seg kjente væske-faststoff-separeringsinnretninger.

13. Anvendelse som angitt i krav 1-11 for rensing av avfallsvann i fravær av flokkuleringsmidler.