Coagulatie en flocculatie

Principeschema

continue coagulatie-flocculatie in gemengde tanken

continue coagulatie-flocculatie in een buizenflocculator

 

Principe- en installatiebeschrijving

Coagulatie en flocculatie worden vaak in combinatie gebruikt. In sommige gevallen is het gebruik van louter coagulant of flocculant echter voldoende om goed bezinkbare of floteerbare vlokken te vormen.

Het doel van coagulatie is het destabiliseren van een colloïdale oplossing, zodat vervuilende stoffen kunnen samenklonteren tot vlokken.  Colloïdale of zwevende deeltjes hebben een negatieve lading en zijn stabiel in water: ze bezinken niet uit zichzelf. Het coaguleren gebeurt door toevoegen van een coagulant, bijvoorbeeld Fe(III)Cl3, PAC (polyaluminiumchloride) of laag-moleculaire polymeren. Door toevoeging van het coagulant zal de afstoting tussen de colloïdale deeltjes wordt verlaagd (gedestabiliseerd). Coagulant wordt toegevoegd in een volledige gemengde tank met korte verblijftijd (enkele minuten) en hoge turbulentie of in een buizenflocculator (zie figuur). De vlokken die hierbij ontstaan zijn klein en kunnen alleen verder groeien door rustig te roeren zodat deeltjes verder samen kunnen klonteren. Om dit proces te helpen kunnen flocculanten of vlokmiddelen worden toegevoegd. Deze worden toegevoegd in de buizenflocculator of in een volledige gemengde tank bij langere verblijftijd (15-30 min) en lage turbulentie (om vlokken niet kapot te maken).

Flocculanten zijn hoog-moleculaire stoffen (polymeren) met diverse functionele groepen. De geladen deeltjes en/of kleine vlokjes worden aangetrokken tot de ladingsgroepen van het polymeer, waardoor een grotere vlok ontstaat. Deze kan makkelijker worden afgescheiden door flotatie of bezinking. Omdat de deeltjes niet allemaal dezelfde lading bezitten zijn er diverse ladingsgroepen noodzakelijk op de polymeerstructuur. Er bestaan zowel anionische, kationische als non-ionische polymeren. Zeer belangrijk voor een goede flocculatie is een juiste binding tussen het polymeer en de deeltjes. Dit betekent dat naast de aard van de lading ook de spreiding van de lading over het molecuul van belang is, alsmede de lengte van het polymeer. Daarnaast is de mate van cross-linking van het polymeer, het vormen van bindingen met zichzelf, van belang. Door de werking van deze elementen bestaan er enkele honderden verschillende polymeren met elk hun specifieke werkingsgebied. In een aantal gevallen kan het volstaan een flocculant toe te voegen om een goede afscheiding te bekomen. Meestal zal de combinatie van coagulant en vlokmiddel vereist zijn.

De vlokken worden vervolgens in een nabehandelingsstap afgevangen en vormen een hoeveelheid verontreinigd slib dat verder verwerkt dient te worden (indampen, storten, verbranden,…) .

Specifieke voor- en nadelen

Door coagulatie/flocculatie kunnen bepaalde polluenten uit het afvalwater worden verwijderd, wat zonder het toevoegen van deze chemicaliën niet mogelijk is.

De investering voor de tanken en doseerunits is vaak beperkt.  Een belangrijk nadeel van deze techniek is echter de operationele kost. In sommige situaties zijn aanzienlijke hoeveelheden coagulant en flocculant nodig om het uitvlokken voldoende op gang te brengen. Ook wordt een hoeveelheid fysico-chemisch slib gevormd dat meestal extern verwerkt moet worden. Zeker bij afvalwaterstromen met grote debieten kunnen deze kosten hoog oplopen.

De juiste dosering van chemicaliën is tevens van belang voor de goede werking van het proces. Bij sterk variërende samenstelling van het afvalwater is dit niet evident. Een goede buffering van het afvalwater biedt hier een belangrijke oplossing.

Toepassing

Sectoren waarin coagulatie/flocculatie wordt toegepast zijn bijvoorbeeld textiel, voeding, slachthuizen, oppervlaktebehandeling van metalen, enz.

Zonder volledigheid na te streven, worden enkele typische toepassingen aangehaald.

  • behandeling van afvalwater in de textielsector. Coagulatie/flocculatie wordt toegepast voor de zuivering van het totale bedrijfsafvalwater, maar heeft een hogere efficiëntie bij zuivering van meer geconcentreerde stromen, bijvoorbeeld van verfprocessen, bedrukken of het aanbrengen van backinglagen.
  • voorzuivering van afvalwater in de voedingssector, onder andere in de vleesverwerking, slachthuizen, suikerraffinage, oliën en vetten.
  • behandeling van ontvettingsbaden of zuivering van het spoelwater in de sector van de oppervlaktebehandeling en automobielindustrie. Het proces van coagulatie/flocculatie kan hier samengaan met fosfaatverwijdering en metaalprecipitatie.
  • voorzuivering van het afvalwater dat vrijkomt bij vatenreiniging of tankcleaning.

Randvoorwaarden

Vaak zal een bezinking en/of egalisatie toegepast worden als voorbehandeling voor de fysico-chemische zuivering. Deze hebben als doel het chemicaliënverbruik en de variaties in concentraties te beperken. In vele gevallen is ook een pH-aanpassing vereist vóór de coagulatie

Het selecteren van de juiste chemicaliën en dosering voor verwijdering van een bepaald polluent is van essentieel belang. Dat betekent dat op laboratoriumschaal, op pilootschaal of in de praktijk de werking van verschillende coagulanten en flocculanten dient te worden onderzocht. Hierbij bepalen factoren als deeltjesgrootte, aard van het water, snelheid van coaguleren/flocculeren en kostprijs van de verschillende chemicaliën de uiteindelijke keuze.

Werkingsgraad

De techniek kan toegepast worden voor de verwijdering van verschillende componenten. De werking is sterk afhankelijk van een groot aantal factoren in het afvalwater. Algemeen kan een goede verwijdering van ZS (80-95%) worden verwacht. Reductie in CZV, P en metalen zijn afhankelijk van de toepassing. Indien gekozen wordt voor deze techniek kan voor deze toepassingen een rendement > 60% worden gehaald.

Hulpstoffen

Er zijn een groot aantal coagulanten en flocculanten commercieel verkrijgbaar. Enkele voorbeelden van coagulant zijn ijzerchloride, ijzerchloridesulfaat, polyaluminiumchloride, polyamiden en polytannines. Flocculanten zijn in de vormen kationisch, anionisch en non-ionisch verkrijgbaar. Eventueel moeten zuur en base toegevoegd worden om in het werkbare pH-gebied van het product te komen.

Milieu-aspecten

Er komt een fysico-chemisch (verontreinigd) slib vrij dat vaak extern verwerkt moet worden.

Kosten

De installatie bestaat uit reactietanken en buffervaten, polymeeraanmaakinstallatie, lamellenseparator of bezinkingsbekken, slibopslagtank en eventueel filterpers. Daarnaast zijn er nog kosten voor leidingen, elektriciteit en automatisatie.

Werkingskosten worden in hoofdzaak gemaakt door chemicaliënverbruik. Deze zijn afhankelijk van de dosering en de kostprijs per kilogram product. Kengetallen voor deze producten zijn 0,15 tot 5 €/kg. Het doseerniveau ligt meestal in de range van 0,5 tot 100 mg/l water. Afvoerkosten voor het slib bedragen ~ 500 €/ton droge stof. Voorts zijn er energiekosten, onderhouds- en personeelskosten.

Case studie (2007) debiet 70 m³/uur, DAF installatie met pijpflocculator, poly elektrolyt aanmaakunit en doseerpomp en slibpomp: 105 000 € investeringskost.

Case studie (2008) debiet 30 m³/dag, DAF installatie met doseerpompen, meet- en regelapparatuur, slibtank en sturing, 75 000 € investeringskost.

Opmerkingen

De praktijk leert dat de keuze van chemicaliën en benodigde dosering sterk afhankelijk is van het afvalwater. Dit maakt laboratoriumonderzoek en/of pilootonderzoek steeds aangewezen.

Complexiteit

De vereiste nauwkeurigheid bij doseren van de chemicaliën maakt het proces complex.

Automatiseringsgraad

Het proces is goed automatiseerbaar.

Referenties

  • Baeyens J., Hosten L. en Van Vaerenbergh E., Afvalwaterzuivering, Stichting Leefmilieu - Kluwer Editorial, 1995
  • 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

Versie : februari 2010

Producten en diensten: