Fysico-chemische afvalwaterzuivering
Inleiding
In tegenstelling tot een biologische waterzuivering zal een fysico- chemische waterzuivering (hierna afgekort als FCWZ) over het algemeen gebaseerd zijn op het onoplosbaar maken en neerslaan van de aanwezige polluenten. Bij een biologische zuivering zal het doel in de meeste gevallen zijn de organische belasting van het afvalwater (bijgevolg de BOD/COD) te verwijderen. In sommige gevallen, wanneer de aanwezige vervuiling zich daartoe leent, kan organisch belast afvalwater ook fysico- chemisch gezuiverd worden. Bijvoorbeeld wanneer er veel latex in het afvalwater aanwezig is (verffabrieken, tapijtindustrie, behangpapier, kartonnage...) kan een FCWZ economischer en betrouwbaarder zijn dan een biologische behandeling. Het gebeurt ook dat organisch belast afvalwater niet biologisch kan gezuiverd worden, bijvoorbeeld omdat het toxisch is: productie van biocides, pesticiden, geneesmiddelen, soms ook in de voedingsindustrie, wegens het gebruik van “harde” ontsmettingsmiddelen (quaternaire ammoniumzouten...). In sommige gevallen worden een FCWZ en een biologie gecombineerd: de eerste verwijdert het grootste deel van de vervuiling en eventuele aanwezige toxische componenten, de tweede verwijdert de rest COD en BOD.
Maar meestal zal een FCWZ bedoeld zijn om anorganische vervuiling te verwijderen: we denken aan zware metalen (chroom, lood, zink, koper, nikkel...), giftige anionen (fluoride, cyanide...), sterke zuren en basen (pH correctie), oxiderende/reducerende chemicaliën (chroom VI) enz. Dikwijls volstaat een eenvoudige neutralisatie, gevolgd door een coagulatie en bezinking om het afvalwater aan de lozingsnormen te conformeren. Soms is een extra voorbehandeling nodig (oxidatie/reductie), soms ook een extra nabehandeling (filtratie, selectieve ionenwisseling, pH correctie enz.). Bijna altijd wordt tijdens het zuiveringsproces slib (bezinksel) geproduceerd. Dit dient ontwaterd te worden vooraleer het kan afgevoerd worden, hetzij voor hergebruik, hetzij naar een stortplaats. Men spreekt soms over een ONO installatie: Ontgiften-Neutraliseren- Ontwateren.
Het zuiveringsproces dat in de FCWZ zal aangewend worden, zal niet alleen bepaald worden door de aard van de vervuiling, maar ook door de lozingsnormen (lozing in oppervlaktewater of riool) en in sommige gevallen door waterkwaliteit die men voor het proces nodig heeft (bij closed-loop systemen). Zie in dat verband ook Vlarem II.
Het spreekt vanzelf dat een FCWZ een laatste redmiddel is: vooraleer een waterzuivering te overwegen, zal men eerst alle mogelijke middelen aanwenden om de productie van afvalwater te voorkomen. Bijna altijd zijn dit proces-gerelateerde ingrepen die buiten het bestek van deze verhandeling vallen. Als er toch al afvalwater geproduceerd wordt, zal men door proces-optimalisatie en “good housekeeping” pogen de hoeveelheid te minimaliseren.
Hierna worden de technieken en installaties die typisch zijn voor een FCWZ nader toegelicht en worden de praktische aspecten ervan besproken.
Pompen
In elke waterzuivering zijn pompen nodig: voor het oppompen van afvalwater, voor het transport van slib, voor het doseren van chemicaliën, als filterpers voedingspomp enz.
Enkele algemene beschouwingen:
- perslucht gedreven membraanpompen zijn zeer geschikt voor het verpompen van corrosieve of abrasieve stoffen, maar zijn heel duur in gebruik (perslucht!) en nogal gevoelig aan slijtage. Daarom is het beter ze alleen te gebruiken voor toepassingen waar ze weinig moeten draaien. Hou er bovendien rekening mee dat bij membraanbreuk het medium met de perslucht naar buiten kan verstoven worden. Dit is een potentieel gevaarlijke situatie.
- Zelfaanzuigende centrifugaalpompen durven nogal eens falen bij het aanzuigen, zeker als het medium gemakkelijk schuim vormt. Bij dergelijke pompen dient er dus steeds een debietbewaking of droogloopbeveiliging voorzien te worden.
- Vanzelfsprekend dient het materiaal van de pomp compatibel te zijn met het medium. Gietijzer is geschikt voor neutraal en alkalisch afvalwater, maar is niet geschikt voor zure media. De meeste inox-soorten zijn wel geschikt voor verdunde en voor sommige geconcentreerde zuren, maar niet in aanwezigheid van hoge chloride concentraties en ze zijn zeker niet bestand tegen zoutzuur, zelfs in verdunde vorm. Heel goede ervaringen werden bekomen met elektro-gepolijst inox: deze pompen zijn ook tegen verdund zoutzuur bestand. De firma Packo in Diksmuide levert dit soort pompen tegen voordelige prijzen.
- Dompelpompen kunnen soms toegepast worden als geen droog opgestelde pompen geïnstalleerd kunnen worden. Hou er rekening mee dat de levensduur van een dompelpomp meestal veel korter is dan die van een droog opgestelde pomp. Anderzijds vindt men soms heel voordelige dompelpompen die toch een redelijke kwaliteit bieden (bvb Ama Drainer van KSB).
- Voor het doseren van chemicaliën worden meestal electromagnetisch of motorgedreven membraandoseerpompen toegepast. Voor debieten tot ongeveer 10 l/h zal men meestal elektromagnetisch gedreven pompen kiezen, daarboven motorgedreven pompen. Denk eraan dat een driefasige motor meestal langer meegaat dan een monofasige motor. Analoge aansturing (0/4...20mA) is meestal een overbodige luxe, vermits men bijna altijd een goede regeling kan bereiken d.m.v. pulsduurmodulatie (PWM). Vanzelfsprekend is de bestendigheid van de materialen die in contact staan met het medium geval per geval te controleren. Een van de betere leveranciers van doseerpompen is de firma Prominent (Tubeke).
- De dosering van kalkmelk is een speciaal geval: vermits dit een suspensie is die snel uitzakt wanneer ze niet constant geroerd wordt, kan een klassieke doseerpomp niet toegepast worden. Goede resultaten worden bereikt door de kalkmelksuspensie d.m.v. een klassieke centrifugaalpomp continu via een ringleiding rond te pompen. De dosering gebeurt dan door ter hoogte van de reactor een aftakking met een pneumatisch gestuurde membraanafsluiter te voorzien. Ook hier is pulsduurmodulatie-aansturing aangewezen.
- Wetenswaardig is dat bij centrifugaalpompen de motorstroom bijna recht evenredig is met het opgevoerde debiet en totaal onafhankelijk van de geleverde druk. Als men dus wil weten of een centrifugaalpomp haar normale debiet levert, volstaat het de motorstroom te meten. Op die wijze kan trouwens eenvoudig gecheckt worden of de motor in de juiste richting draait. Als men de motorstroom meet voor beide draaizinnen, dan zal in bijna alle gevallen de draaizin waarbij de opgenomen stroom het hoogste is, de juiste zijn (want het geleverde debiet is in die richting hoger).
- Voor het voeden van slib naar een filterpers kunnen verschillende types pompen toegepast worden: pneumatische membraanpompen, al dan niet uitgerust met een drukvermenigvuldiger, wormpompen, slangenpompen, (hydraulisch aangedreven) pistonpompen en tenslotte pistonmembraanpompen. Alhoewel het laatste type merkelijk duurder is dan de andere, verzekert alleen dit pomptype een lange levensduur, lage werkingskosten en een (relatief) lage onderhoudskost. De 3 meest toegepaste merken zijn: Emmerich, Abel en Feluwa, in die volgorde van kwaliteit en prijs. Alle 3 worden in Duitsland gebouwd.
Buffertanks
Slechts zeer uitzonderlijk zal men het afvalwater rechtstreeks naar de reactor kunnen opvoeren. Over het algemeen zijn buffertanks nodig om pieken in debiet en samenstelling te kunnen opvangen. Bovendien laat een tussenopslag ook toe om de FCWZ kortstondig stil te leggen voor onderhoud, herstelling enz. Het benodigde aantal buffertanks zal bepaald worden door de verschillende soorten afvalwater. Meestal zal men zure en alkalische afvalwaters gescheiden bufferen omdat bij menging neerslagen kunnen ontstaan. Verder zullen ook geconcentreerde stromen veelal apart opgeslagen worden. Dikwijls vergen deze een afzonderlijke behandeling, indien ze al met het verdunde afvalwater tezamen kunnen verwerkt worden, zal dit meestal gedoseerd moeten gebeuren. Soms kunnen concentraten als reagens ingezet worden. Verder zal men afvalwaterstromen met bepaalde polluenten, die een bijzondere behandeling moeten ondergaan (Cr6+ reductie, cyanide afbraak...) afzonderlijk houden om deze behandeling niet op de totale stroom te moeten uitvoeren. Soms kunnen verschillende afvalwaterstromen met elkaar een gevaarlijke reactie teweegbrengen: denk aan cyanide-houdende en zure afvalwaters).
Qua materialen wordt meestal voor kunststof gekozen omdat hier meestal weinig compatibiliteitsproblemen te verwachten zijn. Uitzonderlijk zal men voor metalen (staal, inox) of voor betonnen (al dan niet gecoat, gepolyesterd of gelined) reservoirs kiezen. Indien de benodigde volumes bescheiden zijn (max. 15 m3), zijn de rotatiegegoten LLD-PE tanks van Fusion (Deventer, Nl) voordelig. Grotere tanks in HD-PE (wikkelbuistank: Allibert) worden op maat gemaakt en zijn een stuk duurder. Hou er rekening mee dat volgens de Vlarem wetgeving alle tanks die gevaarlijke stoffen bevatten, ofwel dubbelwandig moeten zijn, ofwel in een inkuiping moeten geplaatst worden. In het laatste geval mogen stoffen die met elkaar een gevaarlijke reactie kunnen geven, niet in dezelfde inkuiping staan.
Qua volume kiest men er gewoonlijk voor het afvalwater van een paar uur productie te kunnen opslaan. Als in de productie soms een tank of een bad in een keer moet geleegd kunnen worden, zal de buffertank vanzelfsprekend minstens dit volume moeten kunnen opvangen. In het bijzonder voor concentraatstromen zal deze regel in acht genomen worden.
Ook het type reactor waarvoor gekozen wordt, speelt een belangrijke rol bij de bepaling van het volume van de buffertanks: een FCWZ kan over ofwel in een continue (doorloopinstallatie) of in een discontinue (batch) installatie gerealiseerd worden. Beide systemen hebben hun voor en nadelen. Over het algemeen zal men als criterium het afvalwaterdebiet beschouwen: als er meer dan 1 m3/h afvalwater moet behandeld worden, kiest men gewoonlijk voor een doorloopinstallatie, daaronder voor een batch systeem.
Indien het afvalwater zwevende stoffen bevat, kan men deze in suspensie houden, ofwel door een menger te installeren (dompelmixer of “top entry” mixer), ofwel door een geperforeerde buis op de bodem van de tank te monteren, waar men van tijd tot tijd wat perslucht in blaast. Soms wordt een aftakking gemaakt op de persleiding van de opvoerpomp en woelt men daarmee de tankinhoud om.
In verband met het risico op bodemverontreiniging zal ten alle prijze vermeden worden om afvalwater door goten in de vloer (caniveau) te laten stromen of het in ondergrondse tanks op te slaan. Het is aangewezen om het afvalwater van aan de plaats waar het geproduceerd wordt, direct weg te pompen via bovengrondse leidingen naar bovengrondse buffertanks. Indien ondergrondse leidingen of tanks onvermijdelijk zijn, zal men alle mogelijke maatregelen nemen om lekken te vermijden: dubbelwandige leidingen, tanks met continue lekdetectie (bvb isolatiemeting tussen wapening en tankinhoud bij een met lining beklede betonnen tank).
Neutralisatie
In bijna elke FCWZ komt minstens 1 neutralisatie-reactor voor. Deze reactor kan “stand-alone” zijn, maar in de meeste gevallen wordt hij met een ontgiftingsreactor (chroom-6 reductie, cyanide-oxidatie, soms ook een flocculatie-stap) en een coagulatie-reactor (=vlokvorming)gecombineerd. Soms kan een dubbelzijdige pH-correctie vereist zijn (zuur/base), dikwijls is alleen een zuur- of een baseregeling nodig. Als pH verlagend reactief (zuur) kunnen de klassieke anorganisch zuren (zoutzuur, zwavelzuur, salpeterzuur...), soms ook organische zuren (mierenzuur, azijnzuur...) of soms koolzuur (CO2) toegepast worden. In de praktijk kiest men meestal voor zwavelzuur (goedkoop, echter opletten met lozingsnorm voor sulfaat en geconcentreerd zuur is heel gevaarlijk om mee te werken) of voor zoutzuur (duurder, meestal is er geen lozingsnorm voor chloriden, nadeel is de corrosieve damp). CO2 kan aangewezen zijn voor sommige kationen die zich beter laten verwijderen als carbonaat, maar het is over het algemeen een duur reactief.
Als base worden bijna uitsluitend natronloog (natriumhydroxide, diverse concentraties) of kalkmelk toegepast. Het laatste is beduidend goedkoper dan natriumhydroxide, maar vergt een complexere opslag en doseerinstallatie omdat het in feite een suspensie is. De concentratie varieert van 10% (eigen aanmaak) tot 30% (aankoop kant-en-klaar product). Niet alleen het prijsverschil is belangrijk, de reactiviteit is verschillend. Zo zal natriumhydroxide een meer gelatineus en moeilijker filtreerbaar, slechter bezinkend slib vormen. Bij neutralisatie met kalkmelk bekomt men een goed bezinkend slib, maar ook kalkafzettingen die op lange termijn leidingen kunnen laten verstoppen. Bij de verwijdering van zware metalen, biedt kalkmelk het voordeel dat men lagere restconcentraties aan metalen in het effluent terugvindt. Verder is bij gebruik van kalkmelk de pH band waarbinnen metalen worden neergeslagen breder, waardoor dikwijls verschillende metalen in 1 procesgang kunnen verwijderd worden, terwijl daar bij gebruik van natronloog verschillende pH correcties en bezinkfasen voor zouden nodig zijn. Tenslotte worden met kalkmelk ook een aantal anionen geheel of gedeeltelijk mee neergeslagen (fluoride, fosfaat, sulfaat...), wat niet gebeurt met NaOH. Oa daardoor zal men bij gebruik van kalkmelk beduidend meer slib vormen.
Om een snelle menging van de reagentia met het afvalwater te bewerkstelligen, is een roerwerk noodzakelijk. Behalve in extreem grote installaties, zal steeds voor een “top entry” mixer gekozen worden. Zeker voor kleine FCWZ (tot 20 m3/h) speelt het rendement van het roerwerk weinig rol en wordt meestal gekozen voor een traaglopend roerwerk met een roerelement bestaande uit 4 stukken plat onder 45° op de as bevestigd. De diameter zal afhangen van het gekozen toerental en van de inhoud van de reactor. Toerental en diameter bepalen het benodigde motorvermogen. De reactorinhoud hangt dan weer af van het afvalwaterdebiet en het soort reactie. Bij een eenvoudige neutralisatie met zoutzuur of natronloog volstaat een reactietijd van 15 min ruimschoots. Wordt echter met kalkmelk geneutraliseerd, dan dient de reactietijd minstens 20 min te bedragen. Een voorbeeld: een afvalwaterstroom van 10 m3/h dient met zoutzuur op pH gebracht te worden. De neutralisatietank dient een waterinhoud van 2,5 m3 te hebben.
Van belang is ook dat de vloeistof diagonaal door de tank dient te stromen om kortsluitstromen te vermijden. Praktisch zal de vloeistof meestal gravitair uit de tank stromen, de inlaat zal dus (m.b.v. een dompelbuis) nabij de bodem moeten gebeuren. Het is aangewezen om in deze dompelbuis, net onder de bovenplaat van de tank, een opening te voorzien om terughevelen te voorkomen.
Bij ronde tanks dient het roerwerk excentrisch geplaatst te worden (tussen 1/3 en ¼ van de tankdiameter) om vortexen te voorkomen. Bij een vierkante of rechthoekige tank is dit niet noodzakelijk.
Voor de dimensionering van een roerwerk kan men volgende vuistwaarden aanhouden:
Inhoud reactor | <0,3 m3 | 0,3...0,6 | 0,6...1,2 | 1,2...1,8 | 1,8...2,5 | 2,5...3,5 |
---|---|---|---|---|---|---|
Toerental | 200 | 200 | 200 | 200 | 200 | 200 |
Vermogen motor | 0,25kW | 0,37kW | 0,55kW | 0,75kW | 1,1kW | 1,5kW |
Er wordt gekozen voor traaglopende roerwerken omdat die over het algemeen veel robuuster zijn dan snellopers. Bovendien kan een traaglopend roerwerk zonder enig nadeel drooglopen, terwijl een snelloper dan dikwijls begint te trillen en de kans op schade reëel is. Tenslotte zal het roerelement van een snellopend roerwerk goed uitgebalanceerd en “aerodynamisch” moeten afgewerkt zijn, terwijl voor een traagloper gewoon 4 stukken plat inox onder 45° aan een as kunnen gelast worden.
Qua materiaalkeuze voor het roerwerk, zal in de meeste gevallen AISI316L volstaan. Vanzelfsprekend zal het toevoegmateriaal dezelfde kwaliteit hebben en een grondige beitsing is noodzakelijk. In uitzonderlijke gevallen (neutralisatie zoutzuur), zal een met kunststof (PP) bekleed roerwerk noodzakelijk zijn.
De injectie van de chemicaliën zal praktisch altijd bovenaan gebeuren, maar met het oog op eventuele corrosieve dampen (zoutzuur) en het risico op spatten, zal een dompelbuis tot net onder de vloeistofoppervlakte voorzien worden. Bovenop de reactor wordt - tenminste als het reagens middels een doseerpomp aangevoerd wordt - een veerbelaste injectieklep voorzien om terughevelen tegen te gaan.
Als code van goede praktijk worden reactoren altijd gesloten uitgevoerd, maar een scharnierend deeldeksel laat inspectie toe. Omwille van veiligheidsredenen wordt het scharnierend deksel uitgerust met een veiligheidseindeloop, zodat het roerwerk en de doseerpompen gestopt worden bij het openen van de reactor.
De reactor zelf wordt meestal in PP uitgevoerd, hetzij uit wikkelbuis opgebouwd (maximaal 2 compartimenten), hetzij uit PP platen (onbegrensd aantal compartimenten). In het laatste geval zal de reactor uitwendig worden versterkt met kokerprofielen, die op hun beurt weer met PP worden omkleed. Ook onder het vaste deksel worden met PP omklede kokers voorzien, voor de montage van het/de roerwerk(en).
Meertraps reactor
In de meeste gevallen zal een enkele behandeling, bijvoorbeeld enkel een neutralisatie niet volstaan om alle gewenste behandelingen op het afvalwater te realiseren. Dikwijls dient in een eerste trap een chroomontgifting of een coagulatie gedaan te worden, in een tweede trap een neutralisatie en tenslotte in de derde trap een flocculatie. Alle 3 deze behandelingen benodigen een reactor met roerwerk, doseerpompen, eventuele instrumentatie enz. Wanneer de respectievelijke verblijftijden voor de 3 behandelingen samengeteld worden, kan men - rekening houdend met het totale afvalwaterdebiet - het benodigde reactorvolume bepalen.
Een constructie die praktisch al dikwijls haar voordelen heeft bewezen, omvat een rechthoekige tank, opgebouwd uit gelaste en uitwendig versterkte PP platen, bovenaan voorzien van een doorlopende roerwerkbrug en van een scharnierend deeldeksel over de volledige lengte. Inwendig zijn 2 scheidingsplaten gemonteerd, zodat er 3 compartimenten gevormd worden. Het afvalwater wordt onderaan in het eerste compartiment aangevoerd (dompelbuis) en stroomt diagonaal door het eerste compartiment om dan via een opening in de scheidingswand naar het tweede compartiment te vloeien. Bij het vullen (eventueel ook bij het ledigen) dient men erop te letten dat het vloeistofniveau aan weerszijden van de eerste scheidingswand niet teveel verschilt omdat de wand daardoor zou kunnen begeven. Vanuit het tweede compartiment stroomt het afvalwater vervolgens via een opening onderaan in de tweede scheidingswand naar het derde compartiment en vervolgens bovenaan via een overloopaansluiting naar de bezinktank.
De inhoud van de verschillende compartimenten bedraagt gewoonlijk 35/50/15% van de totale reactorinhoud, De vulhoogte in het eerste compartiment wordt meestal op 85% van de reactorhoogte genomen (= overloop over eerste scheidingswand. In het tweede en derde compartiment is dat meestal zo'n 80% (= uitlaat naar bezinktank). De eerste scheidingswand is meestal vlak, maar gezien de kleine inhoud van het derde compartiment wordt de tweede scheidingswand gebogen uitgevoerd, zodat er toch een roerwerk in het derde compartiment kan gemonteerd worden.
Het toerental van de roerwerken die gebruikt worden in coagulatie, redox- en neutralisatiereactoren is niet kritisch: van belang is het roereffect (het aantal keren dat de reactorinhoud per tijdseenheid rondgepompt wordt). Bij een gelijk roereffect, zal het benodigde motorvermogen ook gelijk zijn. Echter een snellopend roerwerk zal een veel kleiner roerelement nodig hebben dan een traagloper om hetzelfde roereffect te bereiken. Bij flocculatie-reactoren (waar het poly-elektrolyt wordt gedoseerd) is de snelheid van het roerwerk wel degelijk van belang: bij toerentallen boven 100 rpm worden de vlokken immers kapotgeslagen, dus dient hier steeds een traaglopend roerwerk voorzien te worden.
Voor de bepaling van de flocculatieroerder, kan men volgende vuistwaarden gebruiken:
Inhoud reactor | < 0,3 m3 | 0,3...0,6 m3 | 0,6...1,2 m3 | 1,2...1,8 m3 | 1,8...2,5 m3 |
---|---|---|---|---|---|
Toerental | 90 | 90 | 90 | 90 | 90 |
Vermogen motor | 0,25kW | 0,37kW | 0,55kW | 0,75kW | 1,1kW |
Batch reactor
Bij een batch reactor worden de verschillende bewerkingsstappen van een FCWZ niet fysiek maar in de tijd van elkaar gescheiden. In een doorstroomreactor gebeurt elke behandelingsstap in een separate tank: ontgifting/neutralisatie/flocculatie/bezinking... In een batch systeem gebeuren al deze stappen in een en dezelfde tank, maar na elkaar. Dit biedt verschillende voordelen:
- de duur van elke behandeling kan onafhankelijk van de andere ingesteld worden
- als een behandeling niet goed is uitgevoerd (bvb chroomontgifting), kan ze gewoon opnieuw worden gedaan
- al naar gelang de aard van het afvalwater, kan de behandeling aangepast worden. Het is niet noodzakelijk alle stappen te doorlopen.
- vermits er slechts 1 tank nodig is, zal de installatie veel kleiner en bijgevolg goedkoper zijn
Anderzijds is de capaciteit vrij beperkt.
Wegens de specifieke eigenschappen van het batch-proces, zal de reactor aan een aantal voorwaarden moeten voldoen:
- traaglopend roerwerk (want ook flocculatie in dezelfde tank)
- niveaumeting (want vullen/ledigen). Meestal wordt een analoge niveaumeting (geleideradar van Vega is betrouwbaar en betaalbaar) gecombineerd met een hoog- en laag niveaudetectie (Vega trilvorken).
- schuine bodem: om de reactor helemaal te kunnen ledigen
- minstens 3 automatische afsluiters voor de gescheiden aflaat van geklaard water en slib
- verticaal cilindrische tank (want slecht 1 compartiment nodig)
- ingeval een redox reactie dient uitgevoerd te worden (chroom/cyanide ontgifting) dienen zowel een pH als een redox-meting voorzien te worden.
Anderzijds is er ook slechts 1 set instrumenten nodig.
Instrumentatie
De instrumentatie en meer bepaald de elektrochemische meetkringen, zijn in elke waterzuivering van groot belang. Waar in een biologische waterzuivering voornamelijk de zuurstofmeting het proces zal aansturen, is dit in een FCWZ de pH meting, soms aangevuld met een redoxmeting.
Om goede resultaten te behalen, is de goede werking van de elektrochemische meetkringen onontbeerlijk. Omdat het signaal van een pH/redox elektrode heel hoogohmig is, is deze meetkring (meer bepaald de verbinding tussen de elektrode en de meetomvormer) zeer gevoelig aan storingen. Een recente ontwikkeling van de firma Endress & Hauser maakt komaf met deze problemen. Hun “memosens” technologie laat toe op eenvoudige wijze een bedrijfszekere pH/redox meetkring te realiseren.
Omdat elektrochemische meetkringen regelmatig moeten gekalibreerd en onderhouden worden (zeker in een FCWZ, en speciaal als met kalkmelk wordt geneutraliseerd), is het voordelig als de meetomvormer in de nabijheid van de elektroden wordt gemonteerd. De meting wordt dan als een 4..20mA aan de PLC toegevoerd.
Alhoewel de meeste meetomvormers (transmitters) tegenwoordig met een massa toeters en bellen zijn uitgerust en dus heel wat mogelijkheden bieden voor het aansturen, cq regelen van een proces, zal men er steeds voor opteren om alleen een analoog signaal, aangevuld met een alarmcontact naar de PLC te sturen. De eigenlijke regeling wordt volledig door de PLC gerealiseerd. Dit biedt oneindig veel meer mogelijkheden qua processturing, bewaking, visualisatie enz.
Decanter
Bij een doorloop-FCWZ zal het afvalwater van de reactor naar de bezinktank vloeien. Hier gebeurt de eigenlijk scheiding tussen de polluenten (die in de reactor onoplosbaar werden gemaakt) en het gezuiverde water. In de meeste gevallen gebeurt deze scheiding door bezinking, soms, voornamelijk bij organisch belast afvalwater, door flotatie. Bij gebruik van kalkmelk in de neutralisatie, zal bijna altijd een bezinking volgen.
De bezinking (sedimentatie) kan op verschillende manieren gebeuren:
- in een lamellen-afscheider: het afvalwater stroomt verticaal door een tank waarin een groot aantal platen (lamellen) parallel zijn geplaatst onder een hoek van 65°. Voordeel van dit type bezinktank is dat de benodigde vloeroppervlakte beperkt is. Nadelig zijn de gevoeligheid voor kalkafzettingen (waardoor de afstand tussen de platen verkleint en de kwaliteit van het effluent verslechtert) en voor piekdebieten: door de kleine waterinhoud, zal een kortstondig groter debiet snel slibdoorslag tot gevolg hebben. Bovendien is het volume van de slibberging beperkt, waardoor een externe slib buffertank en -pomp nodig zijn.
- in een verticale cilindrische bezinktank gebeurt de doorstroming van onder naar boven. Het behandelde afvalwater wordt in een centrale valpijp met diffuser toegevoerd, het stroomt via een overstortrand rondom de tank over. Het watervolume en de slibberging zijn groter dan bij een lamellendecanter, maar nog steeds beperkt. Dit type bezinktank wordt dikwijls toegepast voor organisch belaste afvalwaters omdat de verblijftijd van het slib kort genoeg is om geen rotting (en opstijgende gasbellen die de bezinking storen) te bekomen. De hellingshoek van de schuine (trechtervormige) bodem bedraagt 65°: dit is de minimale hoek die nodig is om het bezonken slib met zekerheid naar de centrale afvoer te laten afglijden. Meestal zal het slib rechtstreeks vanuit de bezinktank naar de filterpers-voedingspomp afgevoerd worden, dus niet via een slib-buffertank. Dit type decanter wordt vooral toegepast in kartonnages, behangpapier fabrieken, in de chemische industrie enz. De waterinhoud bedraagt meestal 2 a 3 keer het uurdebiet.
- In een rechthoekige bezinktank met grote waterinhoud gebeurt de doorstroming horizontaal. De tank is over de gehele lengte voorzien van een V-vormige bodem (65°), waarin om de meter onderaan een automatische afsluiter is aangesloten. Via deze afsluiters wordt het bezonken slib naar een collectorleiding gevoerd, welke direct aan de aanzuig van de filterpers- voedingspomp is aangesloten. De inlaat van het behandelde afvalwater gebeurt via een verdeelplaat om een laminaire stroming te bewerkstelligen. De uitlaat gebeurt via een 3-tal overstortranden. Gezien de grote waterinhoud en dito slibberging, is een afzonderlijke slibtank overbodig en is de decanter ook goed bestand tegen piekdebieten. Nadelig zijn de benodigde vloeroppervlakte en het feit dat er steeds een deel van het slib in de tank aanwezig blijft, waardoor deze bezinktank ongeschikt is voor slib met veel organisch materiaal (rotting). Dit type decanter is daarom typisch voor de metaalsector en de sector van de bouwmaterialen, waar het gevormde slib puur anorganisch is. Meestal wordt deze tank uit 5 mm staalplaat in een kooi uit UPN 100 opgebouwd en tegen corrosie beschermd d.m.v. een 2-componenten epoxy of PU coating. Een voordelige constructeur van dit soort tanks is de firma Wicom in Kachtem (Izegem). Een voorbeeld van de afmetingen van een dergelijke bezinktank: voor een debiet van 10 m3/h zal de decanter (netto) 10 m lang zijn, 2 m breed en 2,7 m hoog. Van de hoogte is 1,7 schuin (65°) en 1 m verticaal. De buitenafmetingen worden dan: 10.100 x 2.200 x 2.900 mm (L x B x H). De water (en slib) inhoud bedraagt ruim 35 m3. Wanneer de doorstroomreactor en eventueel enkele doseervaten bovenop een dergelijke bezinktank worden geplaatst, valt de benodigde vloeroppervlakte best mee, omdat dan in 2 bouwlagen wordt gewerkt.
Chemicaliën dosering
Zoals hierboven al aangehaald zullen in een FCWZ een aantal reagentia aan
het afvalwater toegevoegd worden teneinde de gewenste chemische omzettingen
te bewerkstelligen.
Deze chemische stoffen kunnen zijn:
- zuren of basen t.b.v. pH instelling
- oxiderende of reducerende stoffen t.b.v. redox-potentiaal regeling
- coagulantia t.b.v. breken van emulsies of suspensies
- flocculantia t.b.v. het bevorderen van de bezinking
- varia zoals bvb sulfiden of organische zwavelverbindingen om het restgehalte aan zware metalen te verlagen of bvb BaCl2 om een teveel aal sulfaten neer te slaan
Deze stoffen zullen allemaal op de een of andere manier moeten bewaard en gedoseerd worden. In sommige gevallen dienen ze door de klant zelf opgelost te worden voor gebruik. Denken we aan poly-elektrolyt, wat net voor gebruik dient opgelost te worden in water omdat het slechts in verdunde vorm zijn werk kan doen, maar eens opgelost is de houdbaarheid beperkt. Vergelijkbaar is kalkmelk: dit laat zich het gemakkelijkste doseren onder vorm van kalkmelk, maar is het meest courant verkrijgbaar als poeder (gebluste kalk).
Andere stoffen, zoals de meeste zuren en basen, redox-reagentia enz. worden als een kant-en-klare oplossing aangekocht. Zeker wanneer het verbruik beperkt is, zal men verplicht zijn deze chemicaliën uit de handelsverpakking over te gieten in een doseervat, waarop dan een doseerpomp is gemonteerd. Een laag-niveau detectie op dit vat laat toe een alarm te geven wanneer de voorraad uitgeput is. Het spreekt vanzelf dat de manipulatie van chemische stoffen uitsluitend door ter zake goed opgeleide personen, die de nodige persoonlijke beschermingsmiddelen (PBM) gebruiken, mag uitgevoerd worden. Conform de Vlarem II wetgeving zullen alle gevaarlijke stoffen (vanaf een zekere hoeveelheid) in dubbelwandige vaten moeten gestockeerd worden.
Bij een iets groter verbruik, kan overwogen worden de chemicaliën in cubitainers (multibox) aan te kopen. In dat geval worden de chemicaliën via een soepele leiding aangezogen. Een aanzuig-armatuur met ingebouwde niveaudetectie geeft een alarm wanneer de cubitainer leeg is. Nadeel is de benodigde vloeroppervlakte: volgens Vlarem II dienen deze containers in (op) een inkuiping geplaatst te worden.
Is het verbruik nog groter, dan kan bulkopslag overwogen worden. Hierbij is de manipulatie (en zijn dus de risico's) minimaal, zijn er geen verliezen van chemicaliën en zijn de prijzen het laagste. Vanzelfsprekend is er een zekere investering vereist i.v.m. de (Vlarem II conforme) opslagtanks. Voor reagentia die door de gebruiker zelf moeten opgelost worden, dient een gepaste aanmaaktank voorzien te worden. Voor het aanmaken van een poly- elektrolyt oplossing kan - als het verbruik gering is - een aanmaaktank (van 300 tot 500l) met een roerwerk voorzien worden. Daarin kan de nodige hoeveelheid polymeer in water opgelost worden. Als het flocculant verbruik hoog is, kan beter voor een continu aanmaakstation gekozen worden. In dat geval kan immers poedervormig polymeer gebruikt worden, wat voordeliger is in het gebruik dan het vloeibare polymeer dat vereist is voor de kleine aanmaakstations.
Op analoge wijze kan men een voorraadtank van 1.000 a 3.000l voorzien voor de bereiding van kalkmelk. Middels een zakkenstort kan men de nodige hoeveelheid gebluste kalk (10% op de hoeveelheid water) toevoegen zonder al te veel stofontwikkeling. Zoals hoger geschetst, zal men de kalkmelk middels een centrifugaalpomp (met dubbele gespoelde asafdichting) over een ringleiding rondpompen en ter hoogte van de reactor doseren door middel van een pneumatische membraanafsluiter. Indien het verbruik groot genoeg is (meer dan 250 kg droge kalk per dag), is een bulktank interessant. Dit is een verticale cilindrische stalen tank van 30 m3 , uitgerust met een 5,5kW traaglopend roerwerk met 2 roerelementen, waarin een volledige tankwagen kan gelost worden. De firma's Lhoist en Carmeuse leveren daartoe 30% kant- en- klare kalkmelk. Hou er rekening mee dat de kalkmelk dikwijls zeer heet is wanneer ze toegeleverd wordt (tot 80°C), maar eens afgekoeld, kan kalkmelk bevriezen vanaf 0°C, dus als de tank buiten staat, zal deze (evenals de leidingen) dienen getraced en geïsoleerd te worden. Voor alle andere reagentia kan men terecht bij de firma Brenntag in Deerlijk.
Polijsten
Het gebeurt dikwijls dat de kwaliteit van het effluent na een FCWZ niet aan de lozingsnormen voldoet, zeker wanneer deze 0,5 mg/l bedragen voor Cu, Zn, Pb, Ni en Cr. Vooral de metalen Zn en Ni zijn op dit vlak berucht. Indien een kleine vuilvracht wordt geloosd in een riolering die op een municipale waterzuivering is aangesloten kan een versoepeling van de normen voor zware metalen tot 2 mg/l worden aangevraagd. Maar wanneer dit niet mogelijk is of toegestaan wordt en er zink of nikkel in het afvalwater aanwezig is, zal veelal een bijkomende behandeling nodig zijn om aan 0,5 mg/l te komen. Deze behandeling kan bestaan uit:
- doseren van speciale reagentia (dikwijls organische zwavelverbindingen) in de reactor. Alhoewel in principe de benodigde installatie heel eenvoudig is, blijft de uitbatingskost belangrijk wegens de kostprijs van de chemicaliën. Bovendien verhogen deze de CZV van het effluent en zijn ze soms giftig. De firma Brenntag zal u hier zeker verder over informeren.
- gebruik van een selectieve ionenwisselaar (TP207 van Lanxess): door het afvalwater over een kolom, gevuld met deze harsen te sturen, worden de zware metalen preferentieel verwijderd en is gemakkelijk aan de 0,5 mg/l norm te voldoen. Na regeneratie wordt een geconcentreerde oplossing bekomen, die vervolgens in de FCWZ kan behandeld worden. Het grootste deel van de zware metalen wordt hier verwijderd, de restconcentratie kan terug door de ionenwisselaar geabsorbeerd worden.
Automatisering
Een moderne en betrouwbare automatisering kan in hoge mate de efficiëntie, de bedrijfszekerheid en het gebruiksgemak van een FCWZ bevorderen. Omdat Siemens PLC's tegenwoordig in de meeste industriële bedrijven gemeengoed zijn, is het aangewezen deze ook voor de FCWZ toe te passen. Zoals hoger beschreven, is het aangewezen alle meetsignalen (debiet, niveau, pH, redox- potentiaal...) als een analoge waarde aan de PLC toe te voeren, zodat de regelkringen hierin kunnen geprogrammeerd worden. Verder is een lokaal operator paneel aangewezen om de werkingstoestand, alarmen... van de installatie in detail te kunnen weergeven. Aanvullend of alternatief kan een SCADA systeem voorzien worden, zodat de ganse FCWZ vanaf een PC kan bediend en gevisualiseerd worden. Dit biedt bovendien de mogelijkheid om de installatie vanop afstand (via internet) op te volgen en te bedienen. Bovendien kan de werkingstoestand van de installatie gelogd worden, kunnen verschillende paswoordniveaus worden ingesteld en wordt de bediening sterk vereenvoudigd door de schematische voorstelling. Tenslotte laat de remote acces functie toe om de FCWZ van overal (zelfs m.b.v. een smartphone) op te volgen. Ook opvolging door een buitenfirma of automatische bestelling van reagentia behoort tot de mogelijkheden.