Adsorptietechnieken

Principeschema

Principe- en installatiebeschrijving

Adsorptie is een afvalwaterzuiveringstechniek voor het verwijderen van een breed gamma aan  verbindingen uit industrieel afvalwater. Adsorptie wordt het meest toegepast voor de verwijdering van lage concentraties niet afbreekbare organische verbindingen in grondwater, drinkwaterbereiding, proceswater of als tertiaire zuivering na bijvoorbeeld biologische waterzuivering.

Adsorptie vindt plaats als moleculen in een vloeistof zich vasthechten aan het oppervlak van een vaste stof. Adsorbentia hebben een zeer hoog inwendig oppervlak waar adsorptie kan plaatsvinden. 

Actieve kool wordt veruit het meest toegepast als adsorbens en is vooral geschikt voor verwijdering van apolaire verbindingen.  

Andere adsorbentia worden toegepast voor specifieke toepassingen:

  • natuurlijke of synthetische zeolieten (aluminasilicaatpolymeren)
    • Hebben een zeer homogene poriënverdeling en polaire bindingssites. In vergelijking met actief kool zijn zeolieten veel meer selectief;
  • natuurlijke kleimineralen
    • Worden gebruikt voor adsorptie van zeer polaire organische en anorganische stoffen (ionen);
  • silicagel en geactiveerde alumina
    • Zeer polaire adsorbentia met grote affiniteit voor water, ze worden dan ook meestal gebruikt om water te verwijderen uit een apolair medium;
  • kiezelzuur

Actieve kool wordt onder andere gemaakt uit hout, steenkool en kokos. Elk type wordt gekenmerkt door een specifiek oppervlak, korrelgrootte en poriëndiameter. Actieve kool kan ingezet worden in poedervorm, in granulaire vorm of in geïmpregneerde vorm.

In poedervorm wordt actieve kool toegevoegd in aerobe en anaerobe afvalwaterzuiveringssystemen of als additief bij fysisch-chemische afvalwaterzuiveringsprocessen (zie technische fiche 'Coagulatie en flocculatie'). De toegevoegde actieve kool wordt in dat geval samen verwijderd en behandeld met het geproduceerde slib.

Actieve kool in korrels of pellets wordt meestal toegepast in open of gesloten filters. In de meeste industriële toepassingen worden gesloten filters gebruikt. Deze zijn zo ontworpen dat de te behandelen vloeistof onder druk door de filter en over de actief kool wordt verpompt. Voor drinkwatertoepassingen worden vooral open filters gebruikt waarbij het water gravitair door de actief kool bedden stroomt. Een industriële actieve kool installatie bestaat meestal uit twee kolommen. De beide kolommen worden neerwaarts doorstroomd. Na verloop van tijd raakt de kool verzadigd en vermindert de werking tot de filter uiteindelijk niets meer opneemt. Na verzadiging kan de kool thermisch worden geregenereerd. Dit gebeurt in een reactivatie oven bij hoge temperatuur. Tijdens dit proces worden de geadsorbeerde organische verbindingen vernietigd. Nadien kan de kool opnieuw worden ingezet.

Actief kool kan chemisch geïmpregneerd worden om zijn activiteit te verbeteren. Geïmpregneerde kool werd speciaal ontworpen om chemische stoffen die normaal slecht op standaard actieve kool adsorberen, toch te kunnen capteren. Impregnatie gebeurt onder andere met KOH, K2CO3, H2SO4 en zwavel voor de verwijdering van organische sulfides, ammoniak en amines.

Een adsorptie installatie met andere adsorbentia dan actief kool bestaat ook meestal uit twee kolommen die eveneens na verloop van tijd worden verzadigd. Zeolieten en adsorbentia die anorganische stoffen adsorberen worden geregenereerd met chemicaliën (bv. NaCl-oplossing voor zeolieten).

Specifieke voor- en nadelen

Actief kool adsorptie is een bewezen en veel toegepaste techniek vanwege de lage energie- en onderhoudskosten en zijn eenvoud en betrouwbaarheid. Een actief kool kolom vergt een beperkt toezicht en onderhoud.

Met adsorptie door andere adsorbentia bestaat minder ervaring dan met actieve kool adsorptie.

De effectiviteit van de adsorptiebehandeling hangt af van de aard van de te verwijderen stof. Stoffen met een hoog moleculair gewicht en lage wateroplosbaarheid worden beter geadsorbeerd op actieve kool. Ook de concentratie van de te verwijderen stof, de aanwezigheid van andere organische componenten, temperatuur, pH en de bedrijfsvoering  beïnvloeden de effectiviteit van de adsorptie. Realistische beladingsgraden variëren tussen 10-30% voor actief kool. De beladingsgraad voor andere adsorbentia is lager (1-5%). Hierdoor is een grote kolom en dus een grote hoeveelheid adsorbens nodig. Dit zorgt voor hoge investerings- en operationele kosten. Een voordeel van het toepassen van andere adsorbentia is dat ze meer specifiek zijn en andere stoffen verwijderen dan actief kool.

Toepassing

Actief kool filtratie

Adsorptie met actieve kool wordt veelvuldig ingezet als tertiaire zuivering voor het verwijderen van organische micropolluenten en CZV, en in mindere mate ook metalen in organische complexen, uit afvalwater.

De adsorptiegraad hangt af van verschillende groepen en verbindingen van de te verwijderen stoffen. Enkele algemene regels, telkens in afnemende adsorptiegraad per reeks:

Enkele voorbeelden van het gebruik worden aangegeven, zonder volledigheid te willen nastreven:

  • Actieve kooladsorptie wordt vaak ingezet bij grondwaterzuivering in het kader van bodemsanering, voor de verwijdering van onder andere BTEX, gechloreerde koolwaterstoffen en PAK. Vooral voor de zuivering van lage debieten of bij tijdelijk (kortlopend) oppompen geniet de techniek vaak de voorkeur;
  • In de textielveredeling wordt actieve kool gebruikt voor de verwijdering van moeilijk afbreekbare verbindingen, zoals kleurstoffen;
  • In de chemische procesindustrie wordt actief koolfiltratie ingezet voor de verwijdering van toxische stoffen (bestrijdingsmiddelen) uit deelstromen, onder meer om remming van de werking van de eigen biologische afvalwaterzuiveringsinstallatie te voorkomen;
  • Actieve kooladsorptie kan gebruikt worden voor de verwijdering van PER uit afvalwater uit de droogsector.

Andere adsorbentia

Andere adsorbentia worden toegepast voor relatief lage concentraties en wanneer selectiviteit gewenst is. Voorbeelden zijn de toepassing van zeolieten voor verwijdering van ijzer, ammonium, nitraat, mangaan of zware metalen.

Randvoorwaarden

Om verstopping van de filter te vermijden moet het zwevende stof gehalte in het influent beperkt zijn en bij voorkeur niet hoger dan 1 mg/L. Daarom dient eventueel eerst een voorfiltratie te gebeuren. Bij dalende influentconcentraties is desorptie mogelijk, waarbij het effluent steeds meer vervuiling uit de kolom opneemt.

Ionen zoals ijzer, mangaan, calcium, carbonaat,.. kunnen in de kolom neerslaan en de adsorptiecapaciteit in sterke mate verlagen. Voorbehandeling is dan aangewezen.

De hoeveelheid specifieke component die een kolom kan adsorberen, hangt o.a. af van het type adsorbens, de vervuiling, de concentratie en de temperatuur. De werking kan vooraf vrij nauwkeurig bepaald worden op basis van laboratoriumtesten.

Werkingsgraad

Actief kool adsorptie kan toegepast worden voor de verwijdering van o.a. de volgende parameters (verwijderingsrendementen aangegeven tussen haakjes):

  • BTEX (80-99,9 %)
  • PAK (98-99,8 %)
  • AOX (>90 %)
  • CZV
  • kleurstoffen
  • alcoholen, xylenen
  • fenolen (60 – 90 %)
  • zeoliet adsorptie
  • NH4-N (stromen met maximum 40 mg/L, 99%)

Hulpstoffen

Actief kool, adsorbens

Milieu-aspecten

Actieve kool moet geregeld op hoge temperatuur geregenereerd worden. Indien dit niet economisch rendabel is, wordt de actief kool vernietigd in een verbrandingsoven.

Ook andere adsorbentia moeten geregenereerd worden of indien dit niet mogelijk is elders worden verwerkt.

Kosten

De kostprijzen variëren sterk en zijn afhankelijk van opgelegde lozingsnormen, beladingsgraad en debieten. De prijs van actief kool varieert van 1,28 €/kg voor bruinkool tot 2,06 €/kg voor geregenereerde actief kool. Voor de afvoer van actief kool wordt gemiddeld 0,1 €/kg gerekend bij storten en 0,5 €/kg bij afvoer als chemisch afval. De techniek is duidelijk duurder als de influentconcentraties hoog zijn of als de beladingsgraad van de actieve kool laag is. De gemiddelde totale kosten kunnen variëren tussen 0,05 en 4 €/m³ behandeld water.

Opmerkingen

/

Complexiteit

/

Automatiseringsgraad

Een adsorptiekolom wordt meestal volautomatisch bedreven en vergt slechts een beperkt toezicht.

Referenties

  • BBT bij het uitvoeren van bodemsaneringsprojecten en bij grondreinigingscentra, VITO, 2007
  • EIPPCB, Reference Document on BAT in Common Waste Water and Waste Gas Treatment / Management Systems in the Chemical Sector, draft februari 2009 (herziening in uitvoering)
  • VITO-SCT, herwerking technische fiches WASS, 2009
  • http://www.chemvironcarbon.com/nl/
  • www.desotec.be
  • www.zeolite-products.com

Versie : februari 2010