TECHNISCHE HOGESGMOQL
Afdeling der Weg- en Waterbouwkunde
Physische technologie
van de
waterzuivering
T E C H N IS C H E H O G E S C H O O L
Afdeling der Weg- en Waterbouwkunde
Physische technologie
van de
waterzuivering
Twintigste vakantiecursus in drinkwatervoorziening
4 en 5 januari 1968
Overdruk uit H 2 0
TiJdschrift voor drinkwatervoorziening en afvalwaterbehandeling
Reeds zijn in onderstaande volgorde in boekvorm verschenen de voordrachten van
de volgende cursussen: l . Filtratie, 2. Vervaardiging van buizen voor transport- en
distributieleidingen, 3. Winning van grondwater, 4. Waterzuivering, S. Hygisnische
aspecten van de drinkwatervoorziening, 6. Het transport en de distributie van leidingwater, 7. Keuze, aantasting en bescherming van materialen voor koud- en warmwaterleidingen, 8, 9 en 10. Enige wetenschappelijke grondslagen der waterleidingtechniek I, LI en 111, 11. Radioactiviteit, 12. Het grondwater, 13. De Rijn, 14. Nieuwe
ontwikkelingen in de waterleidingtechniek op fysisch, chemisch en biologisch gebied,
15. De watervoorziening en de industrie, 16. Gebruik van moderne statistische
methoden, 17. Kunstmatige infiltratie, 18. De biologie van de watervoorziening,
19. Snelfiltratie.
Voorwoord
Bij het vierde lustrum van deze vakantiecursussen zien we in gedachten weer
hoe het begon (1948) en hoe het groeide. De eerste commissie, die deze
cursussen, een nieuw begrip in die tijd, organiseerde bestond uit de heren
prof. W. F. J. Krul, voorzitter, ir. C. Biemond, ir. A. W. Meijer t, ir. J. B.
Leeuwenberg t en P. B. C. D. Tol, secretaris.
De Afdeling der Weg- en Waterbouwkunde wil in prof. Krul en zijn opvolger
prof. Huisman, hen danken, die sedert het begin hun beste krachten gaven
aan deze cursussen.
Deze cursus, een vorm van postdoctorale vorming, heeft temidden van de
inmiddels verschenen vele nederlandse postacademiale cursussen, aan actualiteit
niet ingeboet, integendeel neemt de waardering nog allerwege toe. Zij was en is
nog een stimulans voor de stichting van nieuwe postacademiale cursussen.
De postacademiale vorming is in deze tijd niet slechts nuttig, maar noodzakelijk,
hoewel de Wet op het wetenschappelijk onderwijs er niets over vermeldt;
wellicht is dit slechts nog een kwestie van tijd.
De fundamentele wetenschappen, de kennis der technieken zowel als de vakkennis breiden zich versneld uit en vormen een te uitgebreide stof om deze
in de beschikbare tijd tot haar recht te doen komen.
De overdracht der vakkennis komt daardoor als eerste steeds meer in het
gedrang en neemt af omdat er aan de Afdeling in het onderwijsprogramma
te weinig plaats meer voor is. Zij dient nog slechts als oefenvoorbeeld bij het
toepassen van de fundamentele wetenschappen en technieken.
Hoewel de samenleving aandringt op beperking van de studieduur blijft de
noodzaak tot uitbreiding der leerstof dreigen. Harmonie tussen uitbreiding
van de wetenschap en bekorting van studieduur kan worden gezocht in twee
richtingen, waarbij de afgestudeerden toch de titel van civiel-ingenieur blijven
voeren:
1. in splitsing van de Afdeling in vier hoofdrichtingen, waaraan de Senaat der
Technische Hogeschool haar goedkeuring reeds hechtte;
a. de hoofdrichting der waterbouwkunde
b. de hoofdrichting der verkeerskunde en wegbouwtechniek
c. de hoofdrichting der utiliteitsbouwkunde en bouwtechniek
d. de hoofdrichting der civiele gezondheidstechniek
Het bezwaar is denkbaar, dat in een der genoemde richtingen a, b of c
afgestudeerden, in een werkkring van de richting d worden tewerk gesteld.
Om deze categorie in de gelegenheid te stellen de daartoe nodige aanvullende kennis te vergaren en bij te blijven is
2. het postdoctorale onderwijs ingesteld.
Deze cursus heeft als voorbeeld en stimulans vanaf zijn stichting steeds
meer aan dit doel beantwoord. Zij is gevolgd door meerdere en uitgebreider
cursussen, die steeds meer aan gebleken behoeften voldoen. Een van deze
is de Stichting Postacademiale Cursussen in de Gezondheidstechniek, die
dit jaar met drie cursussen uitkwam.
Ik wil eindigen met de wens dat deze cursussen het volgende lustrum met
succes tegemoet mogen gaan.
De Voorzitter van de Afdeling
der Weg- en Waterbouwkunde,
Prof. ir. L. van Bendegom
IR. K. W. H. LEEFLANG
SUMMARY
Physical Process in Water Porification
Apart from two special filtration processes, viz. microstraining
and diatornite fitration, the course deals with physical processes
as aeration, sedimentation, coagulation, flocculation and adsorbtion. Stiii much research is wanted for the better understanding of
these processes which are of utmost irnportance in the production
of a wholesome water.
Physische technologie van de waterzuivering
algemene inleiding
In zijn inleiding tot de achttiende
vakantiecursus, welke aan de biologie
in het waterleidingbedrijf was gewijd,
wees ir. Biemond erop, dat ondanks
de steeds stijgende waterbehoefte en
de steeds sterkere vervuiling van de
grondstof oppervlakte water, biologische zuiveringsmethoden geenszins als
een afgedane zaak mochten worden
beschouwd. Integendeel, daar waar
aan de biologische processen voldoende ruimte en tijd wordt gelaten, zoals
dat bovengronds in spaarbekkens en
ondergronds bij infiltratie het geval
is, blijven zij een uiterst belangrijke
bijdrage tot de zuivering leveren. De
voorwaarde daartoe is, dat deze processen zich in een natuurlijk milieu
en in het natuurlijke tempo kunnen
af spelen.
Dit houdt ook in, dat - de spaarbekkens eenmaal gebouwd of het infiltratieveld ontsloten zijnde - technische ingrepen in het biologisch
proces tot de uitzonderingen zullen
behoren. Als zodanig staat feitelijk alleen de opheffing van de stratificatie
in diepe bekkens te boek. De hoeveelheid energie, die daarvoor wordt
vereist, is slechts gering.
Met de physische processen, die vandaag en morgen aan de orde zijn, is
het anders gesteld. Zij spelen zich
binnen enkele uren, vaak in minuten
of zelfs onderdelen van seconden af.
Zij laten zich veelal samenpersen in
beperkt bestek en vereisen toevoer van
energie, soms van niet onaanzienlijke
hoeveelheden energie. Hier ziet de
technikus zich voor de opgave gesteld
het proces zodanig te leiden dat op
zo economisch mogelijke wijze een zo
hoog mogelijk rendement wordt verkregen.
Het is in dit verband leerrijk een
vergelijking te trekken met de oudste
methode in de moderne waterzuiveringstechniek, die hoewel in opzet een
physische, in wezen een biologische
was, nl. het langzame zandfilter. Dit
is heden ten dage praktisch nog hetzelfde als toen het bijna 140 jaar geleden voor het eerst werd gebouwd.
Aan het wezenskenmerk, de concentratie van biologische activiteit in een
construeerbare vorm, viel niets meer
te veranderen, de vorm zelf liet alleen
betere constructiemethoden toe. Zodra de langzame filtratie wijkt voor
de snelle, verandert dit beeld. Constructie van de filterbak, opbouw van
het bed, middelen tot periodieke
schoonmaak, om maar enkele aspecten te noemen, vormen even zovele
problemen, die onderzoek en experiment vereisen. De snelfiltratie kon
daardoor het belangrijke en boeiende
onderwerp vormen van de 19e cursus,
het vorige jaar gehouden.
De cursus snelfiltratie sloeg als het
ware een brug tussen de cursus biologie en de huidige. Snelfiltratie is te
beschouwen als een in hoofdzaak
physisch proces, dat samen kan gaan
met chemische (oxydatie van ijzer en
mangaan) zowel als met biologische
processen (nitrificatie). Processen die
zo snel verlopen, dat zij zich binnen
het beknopte bestek en de beperkte
tijdsduur van de snelfiltratie (ev.
droogfiltratie) kunnen realiseren.
De erkenning van snelfiltratie als
physisch proces, werd drijfveer tot
nader onderzoek. De IWSA stelde
daartoe een permanente commissie in,
waarin de onderzoekers van verschillende nationaliteit hun denkbeelden
kunnen uitwisselen. Degenen onder u
die deelgenomen hebben aan de 19e
cursus herinneren zich ongetwijfeld
de magistrale voordracht van dr. Ives.
Wij verheugen ons allen over de belangrijke bijdrage door prof. dr. Lerk
aan het vraagstuk van de snelfiltratie,
speciaal wat de ontijzering betreft,
gewijd.
Filtratieprocessen zijn eveneens in de
huidige cursus aan de orde, zij het
processen van zeer speciale aard.
Deze zijn:
1. De rnikrozeef, gebouwd en ingericht om zeer bepaalde materie
(plankton) uit het water te verwijderen.
Een normaal zeefproces dus, dat zich
onderscheidt door de continue werking, gepaard aan een uiterst fijne
maaswijdte. Welke plaats dit werktuig
in de zuiveringstechniek kan innemen,
zal u door drs. Lips worden uiteengezet.
2. Het diatomeeënfilter, een werkwijze waarbij het filtrerend medium tijdens de filtratie wordt opgebouwd en, nadat het door verstopping
onwerkzaam is geworden, wordt weggeworpen. Tot nu toe uitgevoerd voor
kleine installaties (zwembaden) en
voor industriële toepassingen waar
een volmaakt slibvrij effluent wordt
verlangd, is het m.i. toch niet uitgesloten dat het ook op grotere schaal
toepassing zal kunnen vinden. Wij zijn
zeer benieuwd wat ir. Fikken over
deze filtratiewijze gaat meedelen.
De overige processen, die op het programma staan zijn zeer verscheiden
van werking en bedoeling, maar alle
van physische aard. Dit laatste moet
echter niet al te nauw worden opgevat. De natuur kent geen van de indelingen die wij tot eigen gerief plegen
aan te brengen. Zelf heb ik het voorrecht gehad in deze zaal te mogen
uiteenzetten, dat er geen scherpe
grens te trekken valt tussen dode en
levende materie. Hoeveel minder mag
men dan verwachten, dat physische
processen zich zullen voltrekken, zonder dat de chemie om de hoek komt
kijken. Bij enkele van de besproken
onderwerpen (coagulatie-adsorptie) is
het dan ook zeer duidelijk, dat zij
zich in het grensgebied tussen chemie
en physica bewegen. Indien dus de
thans behandelde processen onder de
titel ,,physische technologie" zijn samengevat, wil dit niet meer zeggen,
dan dat daarin het physische aandeel
overheerst.
De processen, waar het over gaat, zijn
u allen wel bekend: aëratie, bezinking
en de ev. daaraan voorafgaande coagulatie en de adsorptie. Wellicht bent
u geneigd op te merken, dat de praktijk van de coagulatie nog slechts in
weinig Nederlandse waterleidingbedrijven wordt toegepast. Daaruit te
wiilen concluderen dat dit onderwerp
nimmer Nederlandse aandacht zou
hebben getrokken, ware evenwel volmaakt onjuist. Wat te zeggen van de
volgende uitspraken:
,,Hierboven is reeds gesproken van
den reeds voorlang bekenden invloed,
dien eene geringe hoeveelheid aluin
op troebel water uitoefent. De commissie meent echter, om voor de hand
liggende redenen, dit zout niet voor de
zuivering van drinkwater te mogen
aanbevelen, maar heeft beproefd een
ander, dat in werking daarmede overeenkomt en aan minder bedenkingen
uit het oogpunt der gezondheid onderhevig is, in de plaats te moeten stellen, namelijk het chloorijzer (chlorethum ferricum, Fe2C16).
Het is inzonderheid bij het Maaswater,
even boven Rotterdam geschept, dat
de commissie de voortreffelijke uitkomsten dezer klaringsmethode op de
meest in het oog vallende wijze heeft
kunnen constateren. De bovengenoemde hoeveelheid ijzerchloride (namelijk
0.032 wigtje per kan 1) is daarbij gebleken het maximum te zijn, dat men
ook bij de grootste troebelheid, die
het Maaswater vertoont, nodig hebben
kan, en voorts is het praecipitaat zelf
altijd, hoewel natuurlijk in verschillende mate, met organische stoffen
bedeeld gevonden en ontwikkelt met
natronkalk ruime hoeveelheden ammonia. Het geklaarde Maaswater levert,
hetzij met of zonder toevoeging van
koolzuren natron, een welsmakend,
d.i. in ons spraakgebruik 32 mgfl ofwel
l1 mg Feil.
1)
volkomen helder en voor de zintuigen
in elk opzigt aangenaam drinkwater
op, dat door die leden der commissie,
welke zich bepaaldelijk met dit onderwerp hebben bezig gehouden, dikwijls
gedurende eenigen tijd zonder eenig
nadeel is gebruikt."
Uit de ouderwetse bewoordingen hebt
u reeds begrepen, dat dit niet een
citaat is uit een voorstel aan de gemeenteraad van Rotterdam tot oprichting van de Berenplaat, maar
waarschijnlijk verwacht u toch niet,
dat het dit jaar juist honderd jaar geleden is, dat deze regels werden gedrukt. Zij zijn te vinden in het nog
altijd belangwekkende ,,Rapport aan
den Koning van de Commissie benoemd bij zijner Majesteits besluit van
den 16de July 1866, nr. 68, tot onderzoek van drinkwater in verband met
de verspreiding van cholera en tot de
aanwijzing der middelen ter voorziening in zuiver drinkwater", dat in 1868
verscheen.
Het is de betrekkelijke overvloed aan
natuurlijk grondwater, waarin ons
land zich jarenlang heeft verheugd, en
die in het laatste decennium zo gelukkig met kunstmatig grondwater
kon worden aangevuld, die deze stem
van 100 jaar geleden nog zo weinig
weerklank heeft doen vinden. Wij zijn
er evenzeer van overtuigd, dat gezien
de komende verbruiken, die voor het
grootste deel uit oppervlaktewater
zullen moeten worden gedekt - en
dan nog oppervlaktewater van min of
meer bedenkelijke kwaliteit - het
coagulatieproces ook in Nederland op
de voorgrond zal treden.
Dezelfde overvloed aan grondwater
heeft ons daarentegen zeer vertrouwd
gemaakt met het beluchtingsproces.
Het gebruik van oppervlaktewater,
zelfs van oppervlaktewater, dat een zo
grondige zuivering heeft ondergaan
als infiltratie kan uitwerken, heeft ons
in aanraking gebracht met reuk- en
smaakbezwaren en doen grijpen naar
adsorptieve media ter bestrijding.
Aëratie, coagulatie, flocculatie en
daarop volgende bezinking, adsorptie,
het zijn alle zeker geen onbekende
processen, voor velen dagelijkse praktijk. Niet onbekend dan in die zin, dat
wij van hun bestaan op de hoogte zijn,
ze zelfs toepassen. De vraag is evenwel of zij ook bekend zijn in de andere
zin: dat wij weten hoe ze in wezen
verlopen en dat wij ze kunnen beinvloeden anders dan door middelen,
die een misschien slechts half begrepen empirie ons heeft geleerd. Evenals
de snelfiltratie het voorwerp is geworden van grondige bestudering, die
naar wij vertrouwen vruchten zal afwerpen in de vorm van beter en efficiënter werkende filters, zo is er ook
op de gebieden die in deze cursus
worden besproken, nog zeer veel
speurwerk te verrichten. Speurwerk,
dat nodig zal zijn om ook in de toekomst, onder steeds moeilijker omstandigheden wat kwantiteit en kwaliteit betreft, de consument niet alleen
een betrouwbaar, maar ook een aangenaam produkt af te leveren. Het is
immers kenmerkend, dat de eerste opgave van de centrale drinkwatervoorziening, de hygiënische betrouwbaarheid, wel voortdurende waakzaamheid
blijft vragen, maar technisch weinig
problemen meer biedt. Maar met het
voortschrijden van welstand en waterbeschaving is de tweede opgave, die
van de levering van een aangenaam
drinkwater, steeds meer naar voren
gekomen. Deze opgave te miskennen
beschouwen wij thans evenzeer als een
hygiënische fout. De in deze cursus
besproken processen dragen nu in
hoge mate tot het welslagen van deze
tweede opgave bij. Daarmede is het
verwerven van dieper inzicht onmisbaar geworden.
Dit diepere inzicht betreft dan de verschijnselen van aantrekking en afstoting, die zich tussen deeltjes onderling
of aan grensvlakken voordoen. De
voorwaarden van een goede aëratie,
d.w.z. het zoveel mogelijk bereiken
van het thermodynamische evenwicht
tussen gas- en vloeistoffase, zal worden behandeld door prof. Beek, waarna ons uit de voordracht van prof.
Huisman zal blijken hoeveel daarvan
in de praktijk is gerealiseerd. Bezinking en voorbereiding tot een goede
bezinking door coagulatie en flocculatie zullen worden uiteengezet door
twee vertegenwoordigers uit het bedrijf dat in Nederland het langst met
deze processen op grote schaal vertrouwd is: ir. Knoppert en drs. Oskam.
Prof. Heertjes zal ons een inzicht
schenken in de theorie van de absorptie en tenslotte zal dr. Hopf uit Dusseldorf ons deelgenoot maken van zijn
rijke ervaring omtrent absorptie aan
aktieve kool.
De Commissie tot voorbereiding van
deze cursussen is zich zeer wel bewust
dat met deze onderwerpen de physische zuiveringsmethoden nog lang niet
zijn uitgeput. Onder meer dringt het
begrip ontzouting zich onmiddellijk
op. Zij kan echter telkenjare niet meer
dan een greep doen uit de rijke stof
van de waterzuivering en zij kan
slechts hopen, dat zij ook dit jaar weer
een goede greep heeft gedaan.
PROF. DR. IR. W. J. BEEK
Lab. voor Fysische Technologie, TH Delft
Physical-technological aspects of îhe gas absorption
A survey is given of the important factors governing mass transfer
during aeration processes (driving force Ac, mass transfer coefficient kL and surface A). Ac is, arnong others, a function of the
ratio airfwater. This ratio must be much larger for the desorption of COz than for the absorption of 02. kL varies a factor 2
or 3 at most for different apparatus. In one apparatus kL is
hardly influenced by the operating conditions. Under conditions
of equal power input A can differ a factor 10 for different apparatus. The design of absorption apparatus is discussed in terms of
kL and A. Finally a comparison is given of diierent aeration
apparatus on basis of their power consumption.
Fysisch - technologische aspecten van de
gasabsorptie
Samenvatting
maar CO2 niet te desorberen vrijwel
par. 1. Voor stofoverdrachtsprocessen kan worden voldaan indien niet meer
zijn de belangrijkste gegevens: maar ook niet minder dan 0,3 m"
lucht per m3 water wordt gebruikt.
a. het thermodynamisch evenwicht
tussen de betrokken fasen onder par. 3. De kennis over de snelheid
de in het apparaat heersende condivan stoftransport bij gegeven
ties van temperatuur en druk;
drijvende kracht wordt samengevat.
dit evenwicht geeft aan wat men bij Een overzicht van de kennis over stofzeer intens contact en zeer lange con- overdrachtscoëfficiënten wordt gegetacttijden zou kunnen bereiken.
ven, (filmtheorie, penetratie-theorie,
b. de snelheid van het stoftransport verversingstheorie).
dat enerzijds wordt bepaald door Het blijkt dat de stofoverdrachtsde gemiddelde afwijking van het ther- coëfficiënt voor de verschillende apmodinamisch evenwicht in het appa- paraten slechts weinig verschilt (hoograat (ook wel de ,,drijvende kracht stens een factor 2 à 3) en dat de kLvoor het stofoverdrachtsproces" ge- waarden voor één apparaat slechts
noemd), anderzijds door de snelheid weinig zijn te beïnvloeden, zelfs niet
van transport per eenheid van drij- met drastische maatregelen.
vende kracht: kL x A. Laatstgenoemde
snelheid is het product van het totaal par.4. Gegevens over het specifiek
grensvlak van veel voorkomenin het apparaat aanwezige grensvlak
tussen de fasen: A, en de stofover- de contactapparaten zijn verzameld
(put, venturi, bellenzuil, gasbelwassers
drachtscoëfficiënt: kL.
en bassins met kunstmatige opperpar. 2. Uit
het
thermodynamisch vlakteverversing; sproeitorens, cokesevenwicht valt te concluderen bedden en overloopbeluchters). Het
dat aeratieprocessen best kunnen ver- specifiek grensvlak tussen lucht en
lopen bij een kleine verhouding van water blijkt voor de verschillende
luchtdebiet en waterdebiet. Eveneens apparaten nogal te verschillen (bij gevalt uit het thermodynamisch even- lijk vermogensverbruik liggen deze
wicht af te leiden dat voor de desorp- grensvlakken een factor 10 uiteen; zie
tie van fysisch gebonden CO2 een afb. 5 en tabel IV).
veel grotere verhouding van lucht- en
waterdebiet nodig is om enig nuttig par. 5. Het ontwerp voor absorptieapparatuur (of een serieschaeffect te bereiken dan bij 02-absorptie. De eis om naast aeratie gelijktijdig keling daarvan) wordt gegeven in
CO2 te desorberen zal dus noodzake- termen van stofoverdrachtscoëfficiënt
lijk een groter luchtverbruik tot ge- en specifiek grensvlak. De verschillenvolg hebben. Daartegenover staat ech- de apparaten worden op deze basis
ter dat aan de eis om O2 te absorberen vergeleken. Hun fysisch - technologi-
sche merites worden op deze wijze
duidelijk. Ook wordt aangegeven hoe
uit oriënterende proeven deze fysisch
technologische basisgegevens kunnen
worden verkregen, zodat een zakelijk
ontwerp van een vergroot apparaat
mogelijk wordt.
par. 6. Een summiere vergelijking van
de verschillende apparaten op
basis van hun energieverbruik sluit
de voordracht (zie tabel V). Het blijkt
dat de borstelbeluchter, de cokesbedden, de put, de venturi, de bellenzuil
en de gasbelwasser uit fysisch technologisch oogpunt vrijwel gelijkwaardig zijn, maar dat sproeitorens, cascadetrappen (overlopen) en bellenbakken (locale luchtinjectie uit geperforeerde pijpen) in fysisch technologisch opzicht minder geschikt zijn.
1. Inleiding
Voor stofoverdrachtsprocessen zijn de
volgende gegevens van belang:
a. het thermodynamisch evenwicht
tussen de betrokken fasen onder
de heersende temperatuur (T) en druk
P)
b. de snelheid van het stoftransport
in het gekozen apparaat als functie
van de operationele variabelen, zoals
het water- en gasdebiet (OL en 0,) en
het toerental van de rotor (N);
c. het benodigde vermogen als functie van de operationele variabelen.
Het thermodynamisch evenwicht tussen de fasen onder de in het apparaat
heersende condities (T, P) geeft aan
wat men bij zeer intens contact tussen
de fasen en bij zeer lange contacttijden zou kunnen bereiken. Evenwichtsberekeningen zijn het onderwerp van paragraaf 2.
De snelheid van het stoftransport is
echter meestal niet zo groot, dat de
gas- en vloeistofstromen die het apparaat verlaten inderdaad in thermodynamisch evenwicht zijn. Kennis van
de snelheid van stoftransport is dus
noodzakelijk om te kunnen voorspellen in welke mate het evenwicht tussen de uitgaande stromen is benaderd.
In deze inleiding zullen we de formele
beschrijving geven van de stofoverdrachtssnelheid door een grensvlakelement tussen gas en vloeistof.
Nadere gegevens over de in te voeren
fysische grootheden volgen dan later
(stofoverdrachtscoëfficiënt par. 3,
totaal grensvlak par. 4). In afb. 1 is
de concentratieverdeling van de te
absorberen stof aan weerszijden van
het grensvlak getekend. Er zijn con-
l
I
G (gas)
I
L (vloeistof )
I
Afb. I - Coiiceiztratieverdeling van de te
absorberen stof aari weerszijden van het
- -
grensvlak tussen gas en vloeistof (C iri
bijv.).
-
centratiegradiënten in het gas en in
de vloeistof die de absorptiestroom
naar de vloeistof onderhouden. Aan
het grensvlak heersen in het gas en in
de vloeistof concentraties, waarvan
men mag aannemen dat ze in thermodynamisch evenwicht zijn.
Voor de gassen waarmee we bij de
behandeling van drinkwater te doen
hebben is de evenwichtsrelatie een
lineair verband: CLi = mCgi (verdelingswet van Henryl). De grootheid
rr wordt de verdelingscoëfficiënt van
het gas in water genoemd. Hij is een
functie van de temperatuur. Formeel
stelt men nu dat de stofstroom door
In oudere handboeken wordt de verdelmgswet als volgt geschreven:
CLi = He.ps1., waarin pgi de partiaalspanning van het te absorberen gas aan het
grensvlak is. Gebruikmakend van de ideale
gaswet volgt hiemit: m = He.RT (T in "K).
l)
Tabel I - Overzicht vari de relaties voor de s!ofstroonidicl~theid O",, [kg/m2s] door het
grensvlak
Gaszijde: Oum = kg (Cg- Cgi)
Vloeistofzijde: O",,,
=
(1)
kL (CLi - CL)
Evenwicht aan het grensvlak: CLi
=
mCgi
(2)
(3)
Eliminatie van de grensvlakconcentraties CLi en Cgi, die niet a priori bekend zijn en
waarin men meestal niet is geïnteresseerd:
het grensvlak per eenheid van opper( )",
evenredig is met de convlak @
centratieval in één van de fasen; de
evenredigheidsconstante noemt men
de partiële stofoverdrachtcoëfficiëntk.
Dit leidt tot twee uitdrukkingen voor
de stofstroomdichtheid, welke respectievelijk betrekking hebben op de concentratieval in de gas- en in de vloeistoffase. Ze zijn gegeven als vgl. (1)
en (2) in tabel I. Beide uitdrukkingen
voldoen aan de voorwaarde, dat de
absorptiestroom nul wordt als de concentratieval nul wordt. I n dat geval
zijn de fasen in evenwicht, want dan
geldt CL = CLi = mC,, = mC,,
dus overal in het gas heerst de concentratie C, en overal in de vloeistof
de evenwichtsconcentratie mC,.
Nu is het voor berekeningen onpraktisch de beide concentraties aan het
grensvlak (Cgi en CLi) in de beschrijving mee te nemen, omdat ze niet a
priori bekend zijn en men zelden in
deze concentraties geïnteresseerd is.
Met de evenwichtsrelatie kunnen ze
uit (1) en (2) worden geëlimineerd.
Het resultaat is als vgl. (4) ook in
tabel I gegeven. Hieruit volgt dat de
absorptiestroomdichtheid evenredig is
met (mCg-0,dat is met het verschil tussen de concentratie die in de
vloeistof in evenwicht zou zijn met de
concentratie in het gas en de concentratie in de vloeistof. Ook hier is
- natuurlijk - de absorptiestroom
nul als er evenwicht is. De evenredigheidsconstante KL, blijkt samengesteld
te zijn uit de partiële stofoverdrachtscoëfficiënten, kL en k,, en uit de verdelingscoëfficiënt m:
Later zal blijken dat de partiële stofoverdrachtscoëfficiënten
evenredig
zijn met de dif fusiecoëf ficiënt van het
te absorberen gas in de betrokken fase
tot de macht 0,s. Nu zijn de diffusiecoëfficiënten in vloeistoffen van de
orde 10-9 m2/s en in gassen van de
orde 10-6 m2/s, dus in de regel is
k, > > kL. Bovendien zal blijken dat
voor de gassen waar wij mee te
maken hebben m kleiner is dan 2, en
vaak veel kleiner dan 1. Hieruit volgt
met behulp van vgl. (5) dat KL kL;
dus voor de beschrijving van de gasabsorptie is alleen de stofoverdrachtscoëfficiënt in de vloeistoffase van belang. Gegevens over k~ worden gegeven in par. 3.
In par. 4 volgen gegevens over het
grensvlak in verschillende apparaten.
Deze gegevens worden in par. 5 gebruikt om de hoofdafmetingen van de
benodigde apparatuur uit te rekenen,
terwijl in par. 6 summier wordt ingegaan op het vermogen, dat aan de
verschillende apparaten moet worden
toegevoerd om het gewenste grensvlak
te handhaven.
2. Evenwichtsbeschouwingen
In afb. 2 is een apparaat geschetst
waarin een gasstroom (0, m3/s, ingansconcentratie Co kgIm3) door absorptie in evenwicht komt met een
vloeistofstroom (oL m3/s, ingangsconcentratie 0).
Uit een massabalans (stofstroom in
= stofstroom uit) blijkt dat de concentratie in de uitgaande vloeistof
gelijk is aan:
Wil men een zo hoog mogelijke uitgangsconcentratie in de vloeistof dan
zal dus de verhouding mOL/Og zo
klein mogelijk moeten zijn, zeg 0, =
10 m@L. De gewenste verhouding tuswordt derhalve
sen de stromen @g/@L,
bepaald door de verdelingscoëfficiënt.
Waarden van deze coëfficiënt zijn
voor enkele, voor ons belangrijke gassen gegeven in tabel II. Voor slecht
oplosbare gassen, zoals 02, is het voldoende @,/% = 0,3 te kiezen, voor
goed oplosbare gassen, zoals COS,
moet @g/@L 2 10 zijn. Deze op de
thermodynamica gebaseerde uitspra-
.I
L ( vloeistof 1
@g
Afb. 2 - De massabalans voor een apparaat, waarin absorptie-evenwicht wordt bereikt (0 in [ m ? / s ] , in C in
ken zijn geldig ongeacht of het een abof desorptieproces betreft: bij goed
oplosbare gassen is een grote verhouding @,/(dL nodig om a) bij absorptie
het gas niet te veel uit te putten en b)
bij desorptie niet een te grote tegendruk van de te desorberen component
in het gas op te bouwen.
Daar de eerste beslissing bij het kiezen van apparatuur is of men het
water dan wel de lucht zal verdelen
(watervalbeluchters tegenover bellenbeluchters), is het op grond van deze
beschouwing reeds duidelijk dat goed
oplosbare gassen slechts efficiënt kunnen worden overgedragen bij hoge
waarden van @,/(dL, zodat voor de
overdracht van deze gassen (COz!)
bellenbeluchters in het nadeel zijn
t.o.v. watervalbeluchters. Voor het
overdragen van slecht oplosbare gassen (02) is zulk een geringe verversing van het gas nodig dat daaraan
altijd wel te voldoen is, welk apparaat
men ook kiest. Dit betekent echter
ook, dat men bij het aëreren van
drinkwater waarin men de reeds aanwezige concentratie van fysisch opgelost COa wil handhaven, beter bellenbeluchters kan gebruiken dan watervalbeluchters.
Tabel I1 - Verdelingscoëfficiënfe~zvoor verscl~illendegassen
Nz
0,023
0,049
0,055
1,69
4>6
0,016
0,033*
0,034
0,92
2,7
Afb. 3 - Niet-stationaire indringing in een vloeistof (corzcerztratie
CL), indien het grensvlak op t = O op een concentratie mCg wordt
gebracht en gehouden.
3. De StofoverdrachtscoëfficÏènt
in de vloeistoffase, k~
Zoals we reeds zagen wordt de stofstroom per eenheid van oppervlak,
(d",
[kg/mZs], in een vloeistof met
een concentratie CL [kg/m3] van een
gas met oplosbaarheid mCg gegeven
door:
(d",
= kL (mCg- CL)
(4)
Hierin is kL de stofoverdrachtcoëfficiënt in de vloeistoffase, met eenheid
Deze grootheid heeft alleen fenomenologische betekenis. Zelden is hij
theoretisch te voorspellen, doordat hij
afhankelijk is van de meestal onbekende, lokale stromingstoestand. Wel
zijn er inmiddels veel metingen van de
stofoverdrachtcoëfficiënt kL bij gasabsorptie bekend. De gemeten waarden van kL zijn gecorreleerd aan de
fysische grootheden die de stroming
beschijven (snelheid, afmetingen, soortelijke massa, viscositeit, energiedissipatie per volume). Indien deze correlaties met fysisch inzicht zijn opgesteld zijn de metingen van kL in een
klein apparaat te gebruiken voor
voorspellingen in een groot apparaat.
Het is ondoenlijk hier alle metingen
over k=-waarden bij gasabsorptie
samen te vatten; verder is het weinig
zinvol daar uit alle metingen met
water als vloeistof blijkt dat kL %
10-4 m/s. De stromingscondities hebben dus blijkbaar geen grote invloed
op de waarde van kL.
[T].
Dit volgt ook uit de penetratie-theorie,
welke de meest kwantitatieve beschrijving is van het overdrachtsproces tussen bellen en vloeistof of tussen een
gas en stralen of druppels. In deze
theorie nemen we aan dat op tijdstip
*) Hiemit is de oplosbaarheid van 0 2 uit
lucht bij 20' C te berekenen. Lucht bevat
t = O een oppervlakte-element van
0,21/22,4 mol 0211 of 0,21 x 32/22,4 g O ~ / l vloeistof met concentratie CL in aanHiermee is in water in evenwicht bij 20" C:
0,033 x 0,21 x 32/22,4 = 10-2 g0211 = 10 mg raking komt met een gas, dat een oplosbaarheid mCg in de vloeistof heeft.
O?/].
02
cH4
coz
Verder nemen we aan dat er in de
vloeistof geen snelheden loodrecht op
het grensvlak voorkomen (bijv. door
wervels), die het stofoverdrachtsproces kunnen versnellen (hierop komen
we nog terug).
Met het verstrijken van de tijd zal
dan door diffusie een niet-stationaire
indringing (penetratie) van het gas in
de vloeistof plaatsvinden; zie afb. 3.
De wiskunde van dit proces is een
lange som, die we hier niet zullen herhalen, omdat de uitkomst belangrijker
is. Het blijkt nl. dat de concentratieverdelingen in de vloeistof met grote
nauwkeurigheid (3 %) benaderd kunnen worden door rechte lijnen welke
gaan door de concentratie mCg aan
het grensvlak en door de concentratie
CL op een afstand x van het grensvlakvlak. Voor grotere afstanden van
het grensvlak dan x is de concentratie
nog steeds de oorspronkelijke concentratie CL.
De afstand x wordt de penetratiediep
te genoemd. Hij zal toenemen naarmate de tijd t, toeneemt, gedurende
welke het oppervlakteelement aan het
gas bloot staat. Uit de theorie volgt:
waarin D de diffusiecoëfficiënt van
het gas in de vloeistof is (gegevens
over diffusiecoëfficiënten van enkele
gassen in water zijn te vinden in tabel
LII; ze zijn voor alle gassen, die voor
ons van belang zijn vrijwel gelijk en
bij 20" C gemiddeld 1,5.10-Q mZ/s).
Gaat men nu bij de gebruikelijke absorptieprocessen na hoe lang vers gevormd oppervlak blijft bestaan dan
is dat hoogstens enkele seconden en
vaak veel korter. Derhalve is op grond
van vgl. (5) de indringdiepte aan het
eind van het proces hoogstens gelijk
aan 1/ W .1,5.10-9.2 = 10-4m (0,l mm
= 100 p). Hiermee is te begrijpen
Tabel I11 - Diffirsiecoëfficië~ire,~
van enkele
gassen in water*)
*) Voor ieder gas is het produkt DqJT
vrijwel constant (q = dyn. viscositeit van
de vloeistof, T = abs. temperatuur). Dit
geeft de mogelijkheid om diffusiecoëfficiënten op andere temperaturen om te rekenen.
dat een verhoging van de turbulentie
in de ,,bulk" van de voleistof slechts
een zeer geringe invloed op de concentratieverdeling aan het grensvlak
heeft en dus ook op de stofoverdrachtscoëfficiënt en op de stofstroom
per eenheid van grensvlak. Het proces
vindt zo dicht aan het grensvlak
plaats, dat wervels daar niet effectief
kunnen doordringen om aan het overdrachtsproces bij te dragen. Onze veronderstelling over de afwezigheid van
wervels was dus geoorloofd. Wel
wordt door een grotere mate van
turbulentie het grensvlak vergroot (de
bellen of druppels worden kleiner),
zodat hierdoor de stofoverdrachtssnelheid wordt verhoogd (zie de volgende
paragraaf).
Keren we terug tot de penetratietheorie (afb. 3, vgl. (5)), dan blijkt
onze kennis voldoende te zijn om de
stofstroomdichtheid door het grensvlak @,"
als functie van de tijd te
kunnen voorspellen. We maken hierbij gebruik van de definitie van de
diffusiecoëfficiënt:
O", (t)
= D
voor kL is, dan vinden we dat de
penetratie-theorie voorspelt:
Het gaat er nu om voor ieder proces
een goede schatting te maken van de
tijd t,, de een grensvlak maximaal
kan bestaan. Deze tijd heeft in de
regel niets te maken met de verblijftijd van het gas in de vloeistof, zoals
uit de volgende voorbeelden duidelijk
wordt.
Ten eerste denken we aan bellen in
water, waarbij we 2 gevallen onderscheiden: het grensvlak beweegt (bel
groter dan 1 mm) of het grensvlak is
star (bel kleiner dan 1 mm). Indien
het grensvlak beweegt heeft de bel
zich van een nieuwe ,,jasw voorzien,
indien hij één beldiameter is verplaatst. In dat geval is t , = d/v,.,
waarin d de beldiameter is en v, de
snelheid van de bel t.o.v. de vloeistof.
In afb. 4 is de stijgsnelheid van bellen
in water uitgezet als functie van de
beldiameter. Op grond van het voorgaande is daaruit met vgl. (8) de
waarde van kL berekend en ook in
afb. 4 uitgezet. De aldus berekende
waarden komen overeen met de ge-
meten waarden van kL. De grafiek is
aangevuld met gegevens over kL voor
starre bellen (waarvoor de correlaties
hier niet zullen worden herhaald), om
de bewering te staven dat voor bellen
in water (ongeacht hun afmeting) kL
= 1 à 2.10-4m/s.
Tevens is in afb. 4 aangegeven dat er
een meetbaar verschil is tussen v,. (en
dus kL) in gedestilleerd water en in
leidingwater (oppervlakte actieve stoffen), maar dat dit verschil praktisch
te verwaarlozen is. Wel is de invloed
van oppervlakte actieve stoffen op de
belgrootte en dus op het totale grensvlak aanzienlijk, zodat deze stoffen
toch - via de grootte van het grensvlak - het stofoverdrachtsproces beinvloeden; daarop zal niet verder worden ingegaan.
Vervolgens kijken we naar druppels
die in omgevingslucht vallen (diameter
d, valsnelheid v,). De grootste druppel
die nog juist kan bestaan heeft een
diameter van 6 mm*); zijn valsnelheid
Voor grote dnippels zijn de oppervlaktespanningskrachten (+ u d) niet meer
opgewassen
tegen
de traanheidskrachten
.( - 6 P, vZrd2)
Druppels breken tijdens hun val indien de
verhouding pg v2, d2/o d -l 2 is.
2)
Afb. 4 - De relatieve siiellieid vati belle11 irz water en de stofo~~erdractitscoëfficiënt
kL als
frtrlctie vati de beldiarneter (- - - ziriiler water, - leidingwater).
.
-1
x (concentratiegradiënt
aan het grensvlak)
=
D x mC, - CL
/TDt
Indien er nu veel grensvlakelementen
zijn, die leeftijden hebben tussen
t = O x de maximaal mogelijke leeftijd t = t,, dan is de fractie van het
oppervlak met een leeftijd tussen t en
t
dt gelijk aan d t / t , . De gemiddelde stofstroomdichtheid over al deze
grensvlakelementen is dus gelijk aan:
+
=
o.
@/jrn
(t)
dt
-
-
tm
Vergelijken we deze uitdrukking met
vgl. (4), welke de definitievergelijking
beldiameter. d
[mm]
l
is ong. 7 m/s. Valt de druppelzwerm
over een afstand van 3,5 m, dan bevindt zich in de zwerm grensvlak dat
leeftijden bezit tussen O en 0,5 s.
De penetratietheorie voorspelt dan dat
kL
0,7.10-4m/s. Valt de zwerm
over 1,75 m i.p.v. over 3,5 m dan
wordt kL volgens de penetratietheorie
4 - z zo
~ groot, dus kL " 10-4mjs.
Door deze ingreep is dus weer kL
nauwelijks beiïnvloed,maar wel is het
oppervlak van de zwerm door het
halveren van de hoogte met een factor
2 verkleind. Deze voorspellingen van
de penetratietheorie zijn juist en zijn
door experimenten bevestigd door
druppels die star zijn en dus niet circuleren.
Immers, de penetratietheorie gaat er
van uit dat er geen stroming is van
het grensvlak naar de ,,bulk", waardoor het transport van materie wordt
geholpen. Kronig en Brink [l] berekenden de invloed van een volledig
ontwikkelde circulatiestroming in een
druppel op de stofoverdracht en vonden de algemeen geldende uitspraak,
dat de circulatiestroming de ,,stof overdrachtscoëfficiënt volgens de penetratietheorie" met een factor l ,5
vergroot. Ook hier is de invloed van
de extra bewegelijkheid in de vloeistof op kL dus gering.
Beschouwen we nu een forse waterstraal (fontein), die met een beginsnelheid van 10 m/s loodrecht omhoog
wordt gespoten. Laten we aannemen
dat deze straal over vrijwel de gehele
lengte (= 5 m) intact blijft. Bij de
straalpijp is de leeftijd van het grensvlak O s, terwijl op het hoogste punt
van de fontein de leeftijd van het
grensvlak 1 s is. Volgens vgl. (8) is
dan kL "- 0,5.10-4m/s, dus ongeveer
gelijk aan de waarde van kL voor de
druppels die uit de straal worden gevormd.
Als laatste voorbeeld beschouwen we
een met water bevloeid cokesbed
(diameter cokesdeeltjes 3 cm, @"L =
10 kg/s.m2bed). Uit de theorie over
vrij afstromende vloeistoffilms berekenen we hieruit een gemiddelde dikte
d, van de vloeistoffilms van 1,5 10-4m
en een oppervlaktesnelheid, V,,,, van
de film van 0,l m/s 3). De verblijftijd
van de film op één cokesdeeltje is dus
0,3 s 4).
D e indringdiepte is dan volgens vgl. (5)
3.10.6 m, wat veel kleiner is dan de filmdikte, 1,5 l W m. Dit moet natuurlijk ook
het geval zijn wil de penetratietheorie t o e
pasbaar zijn.
4)
Als de vloeistof na het passeren van
één deeltje op de contactplaats met
een onderliggend deeltje goed wordt
gemengd, bezit dus alle oppervlak in
het bed leeftijden tussen O en 0,3 s.
Dus is volgens de penetratietheorie
(vgl. (8)) kL = 0,8 10-4mjs. Wederom wordt dus dezelfde grootte orde
voor kL gevonden, als voor druppels
en stralen, terwijl men zelf kan nagaan dat alle gekozen voorbeelden
realistisch zijn en dat andere realistische bedrijfscondities geen drastische
verhoging of verlaging van kL geven.
Metingen van stofoverdrachtcoëfficienten bevestigen deze berekeningen
van kL; zie bijv. de dissertaties [2].
proces plaatsvindt, indien kL bekend
is. Het vrij algemene resultaat voor
10-4m / s
gasabsorptie in water: k~
kan dus m.b.v. vgl. (9) ook als volgt
worden geformuleerd: bij gasabsorptie
in water is de filmdikte x, 5 1,5.10-6
m.
-
Waar de filmtheorie een gebrekkige
beschrijving van de stofoverdracht is,
die aan de penetratietheorie vooraf
ging, probeert de oppervlakteverversingstheorie van Danckwerts een vervolg op (een verdieping van?) de penetratietheorie te geven. Danckwerts
gaat weer uit van de niet-stationaire
penetratie in de vloeistof (vgl. (6)).
Hij neemt nu echter aan dat er in een
Naast de penetratietheorie zijn nog apparaat grensvlak van alle leeftijden
twee beschrijvingen van het stofover- voorkomt en wel met zulk een verdrachtsproces in gebruik, die echter deling dat de fractie grensvlak met
dt wordt geveel minder geschikt zijn om kwanti- leeftijd tussen t en t
tatieve voorspellingen te doen dan de geven door s exp (-st)dt. Dit is het
penetratietheorie. Zij worden resp. de geval indien een grensvlakelement, onfilmtheorie en de oppervlakteverver- afhankelijk van zijn voorgeschiedenis,
singstheorie (van Danckwerts) ge- op ieder moment een kans sdt heeft
om in een tijd dt te verdwijnen, d.w.z.
noemd.
het grensvlak wordt ververst met een
In de filmtheorie legt men verband gemiddelde frekwentie s. Voor de
tussen de stofoverdrachtscoëfficiënt stofstroomdichtheid in het apparaat
en de dikte van de laag, x,, waarover vindt men dan:
de concentratieval (mC, -CL) plaatsvindt. Men neemt aan dat de concentratie lineair verloopt van de waarde
mC, aan het grensvlak tot CL op een
dÏ% (mC, -CL), waarin gebruik is
afstand x, van het grensvlak. In deze gemaakt van vgl. (6). Deze uitkomst
film van dikte x, vinden geen stromen is ook te lezen als:
loodrecht op het grensvlak plaats, die kL = ~-DX
(1 0)
de stofoverdracht kunnen versnellen.
Het transport in deze laag is dus een Ook hier is een verband gelegd tussen
diffusieproces en wederom gebruik- een a-priori onbekende kL en een amakend van de definitievergelijking priori onbekende andere grootheid:
voor de diffusiecoëfficiënt kunnen we de verversingsfrekwentie s, die niet op
voor de stofstroomdichtheid door het onafhankelijke wijze te meten is. Er
grensvlak schrijven:
zijn wel pogingen gedaan om uit gemeten kL-waarden, s-waarden te berekenen en deze te correleren met het
vermogen dat per massa-eenheid
waaruit met de definitievergelijking vloeistof wordt gedissipeerd, E . Al
voor kL (vgl. (4)) volgt
deze pogingen, die voornamelijk absorptiemetingen aan het vrij oppervlak
van een turbulente stroom betreffen,
tonen aan dat s + d E , dus kL + E % .
Het enige dat we nu bereikt hebben
is dat een verband is gelegd tussen Ook hier blijkt weer dat het vergroeen a-priori onbekende coëfficiënt kL ten van het vermogen om turbulentie
en een a-priori onbekende filmdikte te bewerkstelligen een zeer geringe
x,. Bouwt men nu dit model uit, door verhoging van de stof overdrachtscoëfzich meer in detail voor te stellen wat ficiënt teweeg brengt. Bij een uniforer aan het grensvlak gebeurt, dan kan me dissipatie in water van E = 0,5
men wel onafhankelijke schattingen Wjkg (normale praktijkwaarde) blijkt
van x, maken. Dit is bijv. reeds ge- de stofoverdrachtscoëfficiënt aan het
daan in het penetratiemodel, met als vrije grensvlak kL = 0,5 10-4m/s te
resultaat x, = 0,5 x = 0,5 rDt,. In zijn, hetgeen iets lager is dan de waarde praktijk wordt de filmtheorie den van kL die we in de andere
eigenlijk alleen gebruikt om de laag- situaties vonden.
dikte te schatten waarin het diffusie- De lezer die deze materie bestudeert,
+
zal $hetmisschien op prijs stellen, indien hij zich met de gegevens die tot
dusver geëtaleerd zijn vertrouwd kan
maken door zich te oefenen. Hiertoe
wordt de mogelijkheid in de volgende
vier vraagstukken gegeven.
Vraagstuk l. Op het Velperplein te
Arnhem staat een fontein (geschonken
aan de gemeente door de AKU). Het
bassin bevat ongeveer 360 m3 water.
In de zomer van 1962 (20" C) mat ik
de concentratie zuurstof in het water,
direct nadat de fontein was aangezet,
als functie van de tijd. Ik vond op
t = O 5,O mg02/l, t = l h 6,O mg02/l,
t = 2h 6,7 mgOz/l. Geef een schatting van het totale grensvlak van de
fontein (stralen, druppels en bassin).
Welke concentratie zou ik gemeten
hebben als ik nog een uur had gewacht?
Antwoorden: 220 m2, 7,3 mg02/l.
Vraagstuk 2. Een waterdruppel van
2 mm diameter valt 4 m door omgevingslucht (20" C). Oorspronkelijk bevatte de druppel geen zuurstof. Wat
is zijn gemiddelde zuurstofconcentratie na 4 m? Indien hij oorspronkelijk
5 mgOz/l had bevat, wat zou dan zijn
gemiddelde zuurstofconcentratie na
4 m geweest zijn?
Antwoorden: 1,8 mgOz/l, 5,9 mgO2/l.
Vraagstu1c'3. In een Pasveer-sloot
houdt een hoge concentratie aan actief materiaal de zuurstofconcentratie
laag. Bij een gegeven circulatiedebiet
is de absorptiesnelheid 0,6 mg02/s.m2
slootoppervlak. Indien het circulatiedebiet verviervoudigd wordt, wat
wordt dan de absorptiesnelheid en
met welke factor neemt het benodigde vermogen toe?
Antwoorden: 4 42 x 1.2 = 0,8
mg02/s.m2 slootoppervlak,43 = 64 x!
Vraagstuk 4. Midden op de bodem
van een bak Ligt over de breedte een
pijp met gaatjes waardoor lucht wordt
geblazen. Hierdoor ontstaan twee circulatiestromen in de vloeistof, waardoor het bovenoppervlak van de
vloeistof in de bak wordt ververst.
Het is bekend dat de circulatiestroom
in de vloeistof toeneemt met het gasdebiet tot de macht 113. Met welke
factor wordt de absorptiesnelheid
in het bovenvlak van de vloeistof
vergroot indien het gasdebiet wordt
verdrievoudigd?
Antwoord: 3116 = 1.2 x.
Conclusies
De conclusies van par. 3 zijn de volgende:
1. voor watervalbeluchters (druppels,
stralen, schotels) is kL S! 0,7 10-4
1,5 10-"/s
m/s, voor bellen is kL
en voor een vrij (niet stagnerend)
0,5 10" m/s.
wateroppervlak is kL
-
2. door de operationele condities van
de verschillende apparaten te veranderen is de waarde van de stofoverdrachtscoëfficiënt vrijwel niet te
beïnvloeden.
4. Het specifiek grensvlak in
contactapparaten voor gas
en water
Het is praktisch ondoenlijk hier alle
gegevens over het grensvlak tussen
gas en water voor alle gebruikelijke
apparaten te geven als functie van
hun bedrijfscondities. We moeten ons
tevreden stellen met een globaal overzicht.
Dit overzicht zuilen we als volgt indelen:
4.1 w a t e r v a l b e l u c h t e r s
(sproeiers, schotels, cascaden)
4.2
belbeluchters
4.2.1 niet-nzechanische hchtinvoer
(put, venturi, bellenzuil);
4.2.2 mechanische lzichtinvoer
(bellenwasser, borstels)
4.1 w a t e r v a l b e l u c h t e r s
De watervalbeluchters zijn van fysisch
technologisch standpunt bezien het
eenvoudigst te beschrijven. We zullen
die beschrijving hier geven, opdat
duidelijk wordt hoe het totale grensvlak tussen water en lucht de werking
van het apparaat mede bepaalt.
Doordat het water relatief kort in de
sproei, in een trap van de cascade of
op een schotel verblijft is de concentratieverandering in het water per
passage gering. In dat geval mag men
schrijven dat de gemiddelde concentratie in het water op een schotel (in
een cascadetrap of in de sproei) ongeveer gelijk is aan de uitgangsconcentratie van het water CLli.
De totale massastroom 0 2 naar het
water wordt dan dus gegeven door:
LA (mC, -CLIJ
waarin A het totale grensvlak op de
schotel (etc.) is.
In de stationaire toestand (dus als
de zuurstofconcentratie in de beluchter niet meer stijgt), moet de massastroom 02, die door absorptie in het
water komt, door het water worden
9
afgevoerd. Het water dat de schotel
binnenstroomt voert per tijdseenheid
een massa O2 mee, welke gelijk is aan
OL CLi en evenzo voert het water van
de schotel af een massastroom OL
CLll. Wat het water per tijdseenheid
meer afvoert dan toevoert is de geabsorbeerde hoeveelheid per tijdseenheid, dus:
OL (CL,, - CL^) = LA
(mCg-CL,")
Voert men nu het overdrachtskental
T = kLA/OL (dimensieloos!) in, dan
volgt uit bovenstaande vergelijking:
mits T
< 0,3, opdat CL
CLIl.
Dus, voor iedere serie metingen waarin T constant is (wat praktisch betekent voor iedere serie waarin OL constant is) vindt men een lineaire relatie
.
tussen CL,/mC, en C ~ ~ l m c ,Dit
blijkt in de praktijk ook inderdaad
het geval te zin. We komen daarop in
par. 5 terug.
Het is uit vgl. (11) ook duidelijk dat
men de werking van deze beluchters
a-priori kan voorspellen, indien de
dimensieloze groep T a-priori bekend
is. Van deze groep is alleen A nog
onbekend, zodat we onze aandacht
daarop nu richten.
Het totale grensvlak in een apparaat
is vaak evenredig met zijn volume,
zodat het gebruikelijk is over het
grensvlak per volume-eenheid te spreken. Er zijn dan drie mogelijkheden:
A*
grensvlak per volume-eenheid
apparaat
AL* grensvlak per volume-eenheid
vloeistof
A, * grensvlak per volume-eenheid
gas
Deze drie grootheden hangen natuurlijk samen.
Indien cp de volumefractie vloeistof in
het apparaat is (welke slechts in enkele
gevallen bekend is), geldt:
In een sproeikolom is het totale oppervlak per volume-eenheid vloeistof
gelijk aan AL* = 6/d (d is een gemiddelde druppeldiameter).
Indien de druppels uit forse waterstralen en watergordijnen onstaan is
3 mm, d.w.z. ongeveer de helft
d
van de maximaal mogelijke diameter,
dus AL* = 2000 m213 vloeistof. Men
kan het specifiek grensvlak in de
sproei vergroten door kleinere druppels te verstuiven (uit gaatjes of sleuven kleiner dan 1 mm O), maar dat
is niet aan te raden (drukval, verstopping). De volumefractie vloeistof in
een sproei is echter gering: Q 5 0,1,
dus is het totaal grensvlak per m3
apparaat gering: A* 5 200 rn21m3.
in een cokesbed (schotel) wordt het
totaal grensvlak per m3 apparaat bepaald door de diameter d, van de
cokesdeeltjes en de porositeit E van
het bed: A* = 6 (1 -&)/d,.
Dus voor een normale stapeling van
ongeveer ronde deeltjes (E = 0,5,
d, = 3 cm) is A* = 100 m'/m3. Ook
hier kan men de afmetingen van de
cokesdeeltjes niet ongestraft verkleinen om A* te vergroten (verstopping,
vloeistof - gas contact wordt geringer doordat beide fasen eigen voorkeurskanalen gaan volgen, uitputting
van het gas, etc.).
Van metingen aan een trap van een
cascade zijn mij slechts de resultaten
van J. Zweegnian en H . Vaessen bekend, afstudeerders van prof. ir. L.
Huisman. Zij gebruikten trappen van
1 x 0,5 x 0,s m3, waarbij het water
over de smalle kant stroomde. De valhoogte werd gevarieerd van 0,15 tot
0,8 m en het waterdebiet van 6.10-3
20.10-3 m3/s m overstortrand. Uit hun
metingen is (m.b.v. vgl. (11)) te berekenen het product van kL en het
grensvlak per m2 watergordijn, A" (het
oppervlak van het watergordijn werd
gelijk gesteld aan de breedte van de
bak x de valhoogte). Dit produkt
kLAr' bleek bij hun proeven vrijwel
onafhankelijk van OL en van de valhoogte te zijn en gelijk aan (20 f 3)
10-4 m/s. Bedenkt men zich dat in
bellen en stralen kL = 10-"/s,
dan
blijkt dus dat het totale grensvlak in
een cascadetrap (20
3) x zo groot
is als het oppervlak van het watergordijn, indien dit gordijn als gesloten
wordt voorgesteld en wel is deze factor zo onafhankelijk van het debiet
en van de valhoogte. Het blijkt dus
dat de druppels en de bellen, die door
de waterval worden gemaakt aanzienlijk tot het uitwisselend oppervlak bijdragen. Het is opvallend dat de factor
20 onafhankelijk is van het debiet en
van de valhoogte.
4.2.1 Belbelrrchters (niet-mechanische
luchtinvoer)
Ons uitgangspunt is weer de reeds bekende relatie van het specifiek grensvlak per m3 apparaat A* = 6 (1 - ~ ) / d ,
waarin (l - p) de volumefractie gas
is en d de gemiddelde beldiameter.
Deze relatie is alleen geldig zolang de
bellen vrij uniform over het apparaat
zijn verdeeld. Dit kan het geval zijn
bij putten en venturi-buizen en bij
injectie door geperforeerde platen
(bellenzuil). I n al deze gevallen is
onder normale operationele condities
de turbulentie reeds zo hoog dat de
gemiddelde beldiameter een niet meer
te beïnvloeden waarde van 5 mm
(voor leidingwater) krijgt. We maken
nu onderscheid tussen apparaten inet
geforceerde vloeistofstroming (put,
venturi) en zonder geforceerde vloeistofstroming (belienzuil).
Bij geforceerde vloeistofstrorning
geldt, indien @g/@L< 0,25 en
> 1,s m3/m2s, dat
aNL
Hieruit volgt dat bij put- en venturibeIuchting A* = 600 @g/@L[m2/m31.
Dus voor de maximale waarde van
@s/@L = 0,25 is A* = 150 m21m3.
Ook hier is A* weer te vergroten door
bewust kleine bellen aan te zuigen
(uit gaatjes kleiner dan 1 mm O), met
alle bezwaren die daarbij naar voren
komen.
Bij luchtinjectie door geperforeerde
platen en bij afwezigheid van een geforceerde vloeistofstroming met de
bellen mee of tegen de bellen in (bellenzuil), geldt:
O",
0''
, indien L- 0 2 ,
v,.
v,.
waarin O", het luchtdebiet per eenheid van doorsnede van het apparaat
is en v, de stijgsnelheid van individuele bellen (zie afb. 4, v,. = 0,3 m / s
in water). In deze apparaten is dus
-
A*
=
1200 Q)",/V, (dus voor @",/V,.
= 0,2 is A* = 250 mZ/m3)).
Over de apparaten, waarin de bellen
niet uniform over het volume verdeeld zijn, is weinig te zeggen. In deze
apparaten dient de bellenstroom enerzijds om de vloeistof te circuleren en
het bovenoppervlak van de vloeistof
te verversen, anderzijds draagt de bellenstroom zelf tot de stofoverdracht
bij. Nu is het specifiek grensvlak in
deze apparaten bij afwezigheid van
bellen klein
10 m"m3 (bij vloeistofhoogten > 1 dm), terwijl ook de
stofoverdrachtscoëfficiënt aan het
vrije oppervlak aan de lage kant is
(kL 0,s 10-4 m/s. Daarnaast is de
stofoverdrachtscoëfficiënt voor bellen
wat hoger (1,s 10-4 m/s), terwijl ook
hun bijdrage aan het grensvlak relatief hoog zal zijn. Zo verwacht men in
een bak, die door een schot in twee
gelijke compartimenten wordt gescheiden, bij een vrij uniforme beluchting
o p de bodem van de bak aan één zijde
van het schot, specifieke grensvlakken
in de orde van 60 mz/m3 totale vloeistofinhoud. De bellen dragen dus aanzienlijk meer tot de gasabsorptie bij
dan het vrije oppervlak (verhouding
ongeveer 5 : 1).
<
4.2.2 Bel beluch ters (mechanische
luchtinvoer)
Indien men hevig in de vloeistof
roert, is het specifiek grensvlak te
vergroten, echter met extra energieverlies. In afb. 5 is het specifiek grensvlak uitgezet als functie van het be-
Afb. 5 - De specifieke grensi~lakkeri in gasbelbelrtchters als firnctie vali het veritiogelisverbruik per 7713.
1
2
3
4
5
,lifll11 11'1'
Z
I
t~a b e l 4
bellenzuil
bellenbok
put .venturi
bellenwosser ( T = T
borstels [3]
nodigde vermogen per m3 apparaat,
voor de belbeluchters die we reeds
bespraken (put, venturi, bellenzuil,
beuenbak) en voor de apparaten die
we hier zullen bespreken: de bak
voorzien van een zelfaanzuigende
roerder (bellenwasser) en de bak voorzien van borstels.
Voor de bellenwasser zijn gegevens
gebruikt verkregen aan een cilindrisch
vat (vloeistofhoogte = diameter)
waarin halverwege een 6-bladige turbineroerder draaide (diameter van
roerder = 0,25 vatdiameter).
Voor de bak met borstels ontleende
ik de gegevens aan de bekende proefopstelling van Baars en Muskat [3].
Daarbij maakte ik gebruik van de
volgende ornrekeningsformule voor
het zuurstoftoevoervermogen (oxygenation capacity, OC):
het specifiek grensvlak A* een factor schrijven hier bewust d A (infinitimaal
10 verschillen; zie afb. 5.
klein element), omdat in het apparaat
I n de vorige paragraaf zagen we de drijvende kracht over verschillende
reeds dat de waarden voor de stof- grensvlakelementen verschillend kan
overdrachtscoëfficiënt kL voor de ver- zijn, omdat het gas wordt uitgeput en
schillende apparaten veel minder ver- de vloeistof verzadigd raakt. Indien
schillen (hoogstens factor 2 à 3). De tot dit het geval is (put, venturi, bellendusver verzamelde gegevens van A* zuil) wordt de werking van het appaen kLA* zijn nog eens bijeengezet in raat beschreven door over een klein
tabel IV. Uit deze tabel is duidelijk dat stukje lengte in de stromingsrichting
onder de belbeluchters de volgorde de massabalans voor 0 2 op te schrijvan fysisch technologisch goede naar ven en de aldus verkregen differenminder goede apparaten als volgt is: tiaalvergelijking te integreren. We zulborstels, bellenzuil (geperforeerde len dit wiskundig slavenwerk hier niet
plaat), belienwasser (zelfaanzuigende verrichten, maar hier wel de uitkomst
roerder), put of venturi en bellenbak. noteren (voor het geval CLi = O en
De bellenzuil komt hier relatief goed de uitputting van het gas te verwaarnaar voren, hetgeen juist is als de lozen is):
drukval over de bodemplaat relatief
klein wordt gehouden t.o.v. de hydrostatische hoogte (gebruik van relatief
2
-1 mm O)). Hoe de
OC = kLA* mC,, en van kL = 10-zl grove gaatjes (
PL~L
(1 + P) (L -H)
watervalbeluchters in deze rij thuis
{(l + P) L-PH)
P.., '
mis
horen is pas te zeggen, zodra we ook
Het blijkt dat het verschil in specifiek het energieverbruik van deze apparaoppervlak tussen de verschillende bel- ten hebben bezien (par. 6). In tabel I V
(D,, f D) en
beluchters bij hetzelfde toegevoegde zijn naast kLA* waarden voor de vol- met /3 = D3 (D,-D)2
Cg
d
e
concentratie
0 2 in omgevingsvermogen een factor 10 kan bedragen. ledigheid kLA* mCg (0C)-waarden
De borstelbeluchters in de opstel- opgenomen voor de diverse appara- lucht.
De derde term in het rechterlid van
ling van Baars en Muskat leveren per ten.
vgl.
(13) is alleen van belang voor een
eenheid van vermogen duidelijk meer
diepe put. Voor de ondiepe put, de
grensvlak dan de andere apparaten, 5. Berekening van de
venturi-buis of de bellenzuil kan men
de bellenbak (luchttoevoer door een
hoofdafmetingen van beluchters
volstaan
met de twee eerste termen
geperforeerde pijp in een tank) is
in
het
rechterlid.
De derde term geeft
In
het
voorgaande
is
al
gebleken
dat
duidelijk uit fysisch-technologisch opaan
dat
toenemende
hydrostatische
bij
absorptieprocessen
de
snelheid
van
zicht de minste.
stoftransport wordt gegeven door het druk in een diepe put de onoplosbaarMet de bellenwasser (zelfaanzuigende product: kL x (mC, -CL) x dA, d.w.z. heid verhoogt. Als voorbeeld voor de
roerder) zijn zeer hoge waarden van stofoverdrachtscoëfficiënt in de vloei- berekening is de put van Brzcyn en
het specifiek grensvlak te bereiken, stoffase x drijvende kracht x het op- Tuinzaad [4] genomen, die een lengte
terwijl het benodigde vermogen per pervlakte-element waarover de drij- L had, een inwendige diameter D, een
mQrensvlak zelfs tot een hoog speci- vende kracht (mC,- CL) is. We waterhoogte H als drijvende kracht
fiek grensvlak (bijv. 2000 m"m3) niet
noemenswaard verschilt van het verkLA*[l/s] en OC(= kLA*mCg) [g/msh]
mogen per m', dat in een put-, ven- Tabel IV - Waarde~iifaïi A*[IIZ~/III~],
turi- of bellenzuil-beluchting nodig is.
A*[m2/ m31
kLA*[l /s1
OC[g/m3h1
Dat betekent dat in een bellenwasser
het benodigde grensvlak in een veel A. waterval belucht er^
kleiner volume is onder te brengen
(kL
0,7 10-4 m/s)
zonder dat dit meer aan vermogen
- sproeitorens
200
1,4 10-2
kost dan de put, de venturi of de
- cokesbedden (schotels)
1O0
0,7 10-2
bellenzuil. Uit het oogpunt van in- cascadetrap (overloop)
vestering, onderhoud en plaatsruimte
(1 x l m2, 1 m onder elkaar)
20
0,lZ 10-2
zou het derhalve in sommige gevallen
(alle A*-waarden bij een verbmik van 500 W/m3)
aanbeveling kunnen verdienen de gas- B. Belbelz~cl~ters
belwasser te gebruiken. Op het eerste BI. niet-mech. injectie
gezicht lijkt hij vanwege energiekosten
(kL - 1,5 10-"/S)
oneconomisch t.o.v. de 3 genoemde
- put, venturi
alternatieven, maar dit is schijn: in al
- beilenzuil (geperf. plaat)
deze apparaten is het even duur een
- bellenbak
mQrensvlak in stand te houden.
(plaatselijke injectie)
+
Conclusie
Het specifiek grensvlak loopt in de
verschillende apparaten sterk uiteen.
Bij hetzelfde vermogensverbruik kan
B2. mech. injectie
- bellenwasser (kL = 1,5 l W
m/s) (aanzuigende roerder)
- borstels (kL - 10-4 mis) [3]
aan nog een principiële kwestie te
illustreren is:
voor de stroming en welke uitkwam
in een koker met diameter D,,.
Vanzelfsprekend beschrijft vgl. (13)
mut. mut. ook de Nz-absorptie, zodat
men hiermee ook kan berekenen hoezeer in een put de Nz-concentratie
toeneemt! Stelt men nu een eis aan de
waarde van CL,,/mC, dan kan men
bij verschillende waarden van pLgL.
+
+
P) L -BH)
(1 P) (L - H)/ (:(l
P,,, de vereiste waarde van T- berekenen en aldus tot d e hoofdafmetingen van de put komen voor een gegeven OL. In deze berekening is A
(= A* x Volume put) nog onbekend,
maar zodra men oplegt, welk gasdebiet, @, het water aan moet zuigen,
is met de gegevens van par. 4 het
specifiek grensvlak A* te berekenen.
We richten ons nu naar de andere
apparaten, waarin de drijvende kracht
(mC, - CL) vrijwel niet van de plaats
in het apparaat afhangt. Zoals we
reeds in par. 4 zagen is dit het geval
bij alle watervalbeluchters omdat het
gas in die apparaten vrijwel niet uitgeput wordt en de concentratieverandering in de vloeistof tijdens één passage gering is. Ook in bellenwassers
en doorstroomde bakken met borstels is de drijvende kracht (mC,CL) vrijwel constant, omdat het gas
vrijwel niet uitgeput wordt en de
vloeistof, tijdens zijn vrij lang verblijf
in het apparaat, goed wordt gemengd,
zodat CL in de gehele bak ongeveer
dezelfde waarde heeft. In die gevallen
beschrijft de reeds geïntroduceerde
vgl. (11) de stofoverdracht:
Ook hieruit volgt bij een gegeven ingangsconcentratie CLi en een vereiste
waarde van de uitgangsconcentratie
CLu de vereiste waarde van het stofoverdrachtkental T, waarmee voor
een gegeven waterdebiet @L de waarde van kLA ( z T x OL) vast ligt en
daarmee het volume van het apparaat,
omdat gegevens over kL en het grensvlak per volume-eenheid apparaat A*
voldoende bekend zijn of in semitechnische apparatuur gemeten kunnen worden. Uit vgl. (11) is het ook
duidelijk hoe metingen aan semi-technische apparatuur geïnterpreteerd
moeten worden en hoe men daaruit
m.b.v. de gevonden waarde van T ,
het product kLA* berekent. Indien
het semi-technische apparaat een getrouw schaalmodel is van het industriële apparaat en indien het stromingsregime in het semi-technische apparaat overeenkomt met dat wat men
Afb. 6 - Grafische bepalitzg vali het aanfal
trappet1 i11 eet1 cascade.
in het technische apparaat waarneemt,
zijn de aldus uit schaalproeven gevonden waarden van kLA* te gebruiken voor het ontwerp van grote apparaten [S]. D e reeds genoemde meetgegevens van Baars en Muskat [3] en
van Zn~eegmanen Vaessen heb ik op
deze wijze verkregen.
Vaak zal men ontdekken dat bij gegeven CLi de vereiste CLTIslechts te
bereiken% voor een hoge waarde van
T (T> 0,3). Het is dan meestal praktisch ondoenlijk het vereiste grensvlak
in één apparaat onder te brengen, zodat men overgaat tot een cascadeschakeling van overlopen, een serie
bedden of schotels of een recirculatie
van water door een sproeitoren. Het
effect hiervan op de stofoverdracht
is m.b.v. vgl. (1 1) grafisch te bepalen.
Hiertoe is afb. 6 opgenomen, waarin
CL,,/mC, tegen CLi/mC, is uitgezet.
Ook is in de afb. de lijn CLi = CL,
getrokken. De grafische constructie
gaat nu als volgt: Stel het water komt
met een concentratie 1 de eerste trap
binnen, dan is grafisch de uitgangsconcentratie van de eerste trap eenvoudig te vinden; zie de afb.
Deze uitgangsconcentratie is ook de
ingangsconcentratie 2 van de 2e trap
en de bijbehorende uitgangsconcentratie van deze trap is weer op dezelfde
wijze eenvoudig grafisch te bepalen,
enz. Op deze wijze volgt snel hoeveel
trappen men in een cascade nodig
heeft (of hoeveel schotels, of hoevaak
men moet circuleren) om aan de gestelde eisen te voldoen.
Men behoeft deze berekening niet
grafisch te doen (alhoewel dit wel het
eenvoudigst is), maar kan de uitgangsconcentratie ook analytisch berekenen. We zullen het resultaat van deze
berekening hier noemen, omdat hier-
waarin CL,, de uitgangsconcentratie
van trap n is, CLi de ingangsconcentratie van de eerste trap en
T = kLA/OL per trap! Voert men
nu het aantal trappen op, terwijl men
T,,, = kLA,,,/OL = nT constant
houdt (dus bijv. n borstels werken niet
in één grote bak, maar iedere borstel
werkt in een eigen compartiment,
zodat de vloeistof van compartiment
naar compartiment stroomt zonder
dat hij mengt met de gehele inhoud
van het apparaat), dan gaat vgl. (14)
voor grote waarde van n (n 5) over
in:
Dit is in wezen de uitkomst die we
voor een put, een venturi en een bellenzuil vonden; zie vgl. (13). We hebben dan ook in wezen niet veel anders
gedaan dan daar: het apparaat in de
stromingsrichting van de vloeistof verdeeld in kleine afstanden, voor elk
waarvan we de drijvende kracht opnieuw berekenden.
Het blijkt nu dat de uitgangsconcentratie voor een apparaat dat door
schotjes in compartimenten in onderverdeeld groter is dan de uitgangsconcentratie van dit apparaat zonder
schotten.
De fysische reden hiervoor is dat de
schotjes de menging tegengaan van de
vers intredende vloeistof en de reeds
aanwezige, gedeeltelijk verzadigde
vloeistof, zodat gemiddeld de drijvende kracht (mC, -CL) in het apparaat
met schotjes groter is dan in het apparaat zonder schotjes (waarin CL gemiddeld hoger is). Op fysisch technologische gronden kan het dus aanbeveling verdienen een grote beluchtingstank met eenvoudige middelen in een
aantal kleinere onder te verdelen en
het water van compartiment naar
compartiment te geleiden.
6. Het benodigde vermogen
per m2 oppervlak
Als laatste onderwerp behandelen we
het benodigde vermogen per m2 oppervlak, waarover we reeds iets zeiden
in par. 4. Daar werd afb. 5 geïntroduceerd, die voor belbeluchters reeds
alle informatie over dit onderwerp
geeft. Ook voor de watervalbeluchters
Tabel V
- Nominaal
vermogen per m2 grensvlak
D
A. Watervalbeluchters
- sproeitorens
- cokesbedden
- cascadetrap (arL
= 50 m3/mh)
B. Belbeluchters
- put, venturi
- beuenzuil
- beilenbak
- beuenwasser
- borstels [3]
heb ik het vermogen, dat theoretisch
nodig is voor één m2 grensvlak, berekend. De resultaten zijn vermeld in
tabel V, samen met de gegevens voor
belbeluchters. Het bliikt dat de verschillende apparaten in vermogensverbruik nogal uiteenlopen. Om uit te
maken welke apparaten fysisch technologisch het best voldoen, is in tabel
V ook uitgezet het benodigde vermogen per eenheid van LA*. Immers
met een zo gering mogelijk vermogen
wil men als fysisch technoloog een zo
groot mogelijke waarde van kLA* bereiken opdat het apparaat bij gegeven
vloeistofdebiet
een zo gering mogelijk volume krijgt.
Uit deze tabel blijkt dat:
1. borstelbeluchters, bellenzuilen (geperforeerde plaat), cokesbedden,
bellenwassers (zelfaanmigende roerders) en put- of venturibeluchting
fysisch technologisch allen vrijwel
even goed voldoen, al zuiien op grond
van thermodynamische eisen (par. 2),
economische overwegingen (investering) en praktische overwegingen (vervuiüng, corrosie, etc.) van geval tot
geval voorkeuren uit te spreken zijn.
2. bellenbakken (locale luchtinjectie
door een geperforeerde pijp),
sproeitorens en cascaden van overlopen voldoen om fysisch technologische
redenen minder (slecht gebruik van
de totaal beschikbare ruimte, dus lage
waarden van kLA* ondanks aanzienlijk vermogensverbruik). Om bijkomende redenen (lage investering, gering onderhoud) zal echter van deze
drie apparaten de cascade van overlopen bestaansrecht blijven houden.
Tenslotte zijn in tabel V opgenomen
de waarden van pLc/kLA*mCg[kWh/
kg] voor ieder van de behandelde apparaten; dit bedrag is het nominaal
vermogen dat vereist is om 1 kg 0 2
in vers water te brengen. Deze kolom
in tabel 5 leert ons principieel hetzelfde als de kolom er links naast.
Lijst van voornaamste symbolen
Indices
g
gas (lucht)
L
vloeistof
i, O ingang, ,,interface"
u
uitgang
(") per eenheid van doorsnede
(van grensvlak)
Symbolen
A
A*
c
d
totaal grensvlak
[m2]
specifiek grensvlak
[m2/m31
concentratie
[kg/m31
deeltjesafmeting (bel, drup[ml
pel, etc.)
diffusiecoëfficiënt
zwaartekrachtsversnelling
[m/s2]
lengte (vgl. (13))
[ml
partiële stofoverdrachtscoefficiënt
[dsl
totale stofoverdrachtscoëfficiënt
[m/sI
lengte
[ml
verdelingcoëfficiënt
1-1
aantal trappen
[-l
partiaaldruk
[N/m21
verversingsfrekwentie
[s-ll
tijd van vloeistofelement
aan grensvlak
[s]
maximale verblijftijd van
vloeistofelement aan grensvlak
[s]
(abs.) temperatuur
["c,"K1
kL*/@L
[-l
stijgsnelheid van
individuele bellen
[ds]
penetratiediepte
[ml
f ilmdikte
[ml
volumestroom
[m31sl
volumestroom per eenheid
[m/sl
van doorsnede
absorptiesnelheid
[kglsl
absorptiesnelheid per eenheid van grensvlak
íkg/m2sl
dynamische viscositeit
[kglms]
soortelijke massa
[kg/m31
volumefractie vrije ruimte
[-l
vermogen per eenheid van
[FV/kgl
massa
volumefractie vloeistof
[-l
Literatuur
1. Kronig, R. en Brink, J. C., Appl. Sci. Res. A2 (1950) 143
2. Nijsing, R. A. T. O., diss. Delft 1957.
Westerterp, K. R., diss. Delft 1962.
De Waal, K.J. A., diss. Delft 1965.
Reith, T., diss. Delft 1968 (maart).
3. Baars, J. K. en Muskat, J., Zuurstoftoevoer aan water met behulp van roterende lichamen, Inst. voor Gezondheidstechniek TNO, rapport nr. 28, april 1959.
4. Bmyn, J. en Tuinzaad, H., Wafer 42, 1 (1958) 1-13.
5. Horvilth, I., Third. Int. Conf. on Water Pollution Research München 1966,paper nr. 10.
PROF. IR. L. HUISMAN
Hoogleraar Civiele Ge~ondheidstec~ek
TH - Delft
SUMMARY
The practice of aeration
Aeration serves different purposes, as most important of which
in drinking water practice may be mentioned increase of oxygen
content, decrease of carbon dioxyde content and removal of
various taste and odor producing volatile compounds. Under
specified conditions, each aerator has a fixed efficiency, but these
efficiencies may differ for addition and removal, while the effects
obtained depend heavily on the diierence between the original
and the saturation concentration of the relevant gas.
The intimate contact between air and water necessary Por aeration
may be obtained in diierent ways. On this basis aerators may be
classified in 3 groups, in waterfall aerators, bubble aerators and
in mechanica1 aerators. From each group, the most important
representatives are described and discussed in terms of cost of
constmction and operation, space requirements, operational difficulties, flexibility and so on. In drinking water practice, the cost
of aeration is usually smal1 and the selection of the aerator best
suited for the specified job is cornmonly made on other factors
as financial ones.
Praktijk van de aeratie
1.
Meiding
1.l. Doel en toepassing
Aeratie is het pioces, -waarbij het te
behandelen water in innig- contact
wordt gebracht met lucht, teneinde
de gehalten van in het water opgeloste
gassen te veranderen. Deze verandering kan beogen een verhoging van
het gehalte aan opgeloste zuurstof,
dan wel een verlaging van het gehalte
aan opgelost koolzuur om de agressiviteit van het water weg te nemen, of
een verlaging, van het gehalte aan
opgelost methaan, zwavelwaterstof,
vluchtige organische verbindingen e.d.
voor verbetering van reuk en smaak.
In het buitenland wordt het aeratieproces ook wel voor andere doeleinden gebruikt, zoals voor verhoging
van het koolzuurgehalte na ontharding met overmaat kalk en voor
ozonisering.
Bij de drinkwaterbereiding in Nederland wordt aeratie op grote schaal
toegepast bij de behandeling van
grondwater, dat veelal anaeroob wordt
gewonnen en soms een overmaat aan
koolzuur en andere gassen bevat. Bij
de behandeling van oppervlaktewater
uit meren en rivieren behoort aeratie
eigenlijk niet nodig te zijn. Dit water
is immers reeds geruime tijd in contact met de atmosfeer, waarbij een
evenwichtssituatie moet zijn verkregen
met een zuurstofgehalte nagenoeg gelijk aan de verzadigingswaarde en
slechts geringe gehalten van de bovengenoemde ongewenste gassen. In
West-Europa moet echter op steeds
grotere schaal gebruik worden gemaakt van oppervlaktewater, dat door
lozing van huishoudelijk en industrieel
afvalwater is verontreinigd. Enerzijds
zal hierdoor het zuurstofgehalte dalen,
anderzijds het gehalte van koolzuur
en andere gassen toenemen en wederom wordt aeratie noodzakelijk.
Aeratie is ongetwijfeld het goedkoopste proces bij de bereiding van drinkwater met totale kosten variërend
tussen ongeveer 1/10 en 114 cent per
m3. Aan de andere kant is het effect
van de aeratie slechts beperkt. Voor
de verwijdering van koolzuur uit zacht
water is wel een zeer intensieve beluchting noodzakelijk om de evenwichtslijn van Tillmans te bereiken en
kan in vele gevallen het gewenste
resultaat gemakkelijker en goedkoper
door ontzuring met kalk of loog worden verkregen. Door beluchting is het
niet wel mogelijk het zuurstofgehalte
van het water met meer dan 9 mg11
te verhogen. In droge perioden kan
voor oxydatie van in Rijnwater aanwezige ammoniak en organische stof
wel 50 mg11 zuurstof nodig zijn. Dit
zou niet minder dan 6 beluchtingsinstallaties met tussenliggende oxydatie-inrichtingen vereisen, waardoor
oxydatie met chloor wederom eenvoudiger en goedkoper wordt.
Ook de bij aeratie optredende verbetering van reuk en smaak door verwijdering van vluchtige organische
verbindingen is slechts beperkt, in vele
gevallen kunnen door behandeling met
actieve kool betere resultaten worden
verkregen. Aeratie heeft zelfs nadelen.
Diep grondwater dat hygiënisch betrouwbaar is wordt hiermede aan besmetting blootgesteld, terwijl een stabiel hard water door verlies aan koolzuur kalkafzettend kan worden met
alle moeilijkheden in het distributiesysteem daaraan verbonden.
Beluchting wordt op grote schaal toegepast bij de oxydatief-biologische
reiniging van afvalwater volgens het
actief slib proces, waar enorme hoeveelheden zuurstof aan het water
moeten worden toegevoerd, orde van
grootte enige honderden milligrammen per Liter.
Hiermede zijn aanzienlijke kosten gemoeid, globaal een paar centlm3 en
wordt het interessant om door verbetering van het beluchtingssysteem
een financiële besparing te verkrijgen.
Dit is de reden, dat speurwerk op het
gebied van de beluchting vooral ten
aanzien van het afvalwater wordt verricht. Bij de bereiding van drinkwater
kan van de resultaten van dit speurwerk echter goed gebruik worden gemaakt. Helaas geschiedt dit in de
praktijk nog steeds op beperkte schaal.
1.2. Theoretische beschouwingen
Wanneer water in een hoeveelheid
van Q m3/uur door een aeratieinrichting wordt gevoerd, dan zal het
zuurstofgehalte hierbij toenemen van
Afb. I - Verba~ldtiissen het zur~rstofgehalte
Cl vóór en Cz nà beluchtii~g.
oxydatief-biologische zuivering van
afvalwater vindt naast zuurstoftoevoer
terzelfdertijd zuurstofverbruik plaats,
waardoor het zuurstofgehalte in de
beluchtingsbak laag blijft, slechts één
tot enkele mg per liter. Onder het
zuurstoftoevoervermogen OC (Oxygenation Capacity) wordt nu verstaan de
hoeveelheid zuurstof in grammen per
uur welke de beschouwde aerator in
het water kan brengen wanneer het
zuurstofgehalte hiervan nul is en
blijft. Het is praktisch onmogelijk dit
Afb. 2 - Verband tussen werkingsgraad A zuurstoftoevoervermoeen rechtstreeks
en het specifiek zuurstoftoevoervermogen te
Wanneer
bij aeratie
OClQ van een aerator.
van
water de concentratie
stijgt van cl op c2, dan kan dit verc l op c2 mgll. Uit de in de vorige les mogen worden berekend volgens de
gegeven theorie der aeratie volgt, dat formule:
tussen beide gehalten nog een beoc = Q.c,. In trekking bestaat:
c, - c2
C ~ L- c1 = (cs - ~11.A
Uit deze betrekking volgt voor de
waarin c, de verzadigingsconcentratie samenhang met de reeds eerder gebij de onderhavige druk en tempera- noemde werkingsgraad A:
tuur voorstelt en de factor A voor de
nc
gegeven aeratieinrichting een constante is. Volgens de grafische voorstelling
van bovenstaande formule in afb. 1 welk verband voor c, = 11,33 mg11
wordt door aeratie het aanvangsge- bij een temperatuur van 10" C en een
halte c l met een bepaald percentage A barometerstand van 760 mm kwikvan de oorspronkelijke aanwezige on- kolom grafisch in afb. 2 is weergegederverzadiging (c, -cl) verhoogd. De ven. Uiteraard kan de opgenomen
factor A zou dan ook de werkings- hoeveelheid zuurstof ook rechtstreeks
graad van de aeratieinrichting kunnen in het zuurstoftoevoervermogen worworden genoemd.
den uitgedrukt:
De totaal door de aeratieinrichting
toegevoerde hoeveelheid zuurstof OA
(Oxygen Adsorbed) is gelijk
OA = (c2 - c1I.Q = (C, - cl).AQ
gramluur en zal dus bij dezelfde Bij de beluchting van anaeroob water
aeratieinrichting geringer zijn naar- is c l = O en vereenvoudigt deze formate de aanvangsconcentratie groter mule zich tot
is:
echter
q = O 0,25 0,5 0,75 1,0 x
OA = 1,0 0,75 0,s 0,25 0,O x
c,
c,.AQ
Is eenmaal de factor A als functie welk verband grafisch in afb. 3 is
van Q bekend, dan kan voor de be- voorgesteld. Ook bij gebruik van het
trokken aeratieinrichting bij elke aan- zuurstoftoevoervermogen zijn de bevangsconcentratie c l het gehalte c2 na rekeningen simpel en eenvoudig.
beluchting worden berekend. Voor een Wordt b.v. voor de beluchting van
bepaalde cascade met een totale val- 1000 m3/uur water beschikt over een
hoogte van 2 m b.v. geldt dat bij borstel met een OC van 15000 gram/
hoeveelheden tussen 25 en 100 m3/ uur, dan is OC/Q gelijk 15 mg11 en
ml/uur de waarde van A nagenoeg heeft volgens af b. 2 de werkingsgraad
constant is, globaal gelijk 0,6. Met A een waarde van 0,73. Met een verdeze aerator kan het zuurstofgehalte zadigingsconcentratie van 11,33 mg11
van het doorgevoerde water nu wor- kan deze aerator het zuurstofgehalte
den verhoogd van O tot 60 % verzadi- verhogen van O op 8,3 mg/l, van 4
ging, dan wel van 30 tot 72 %, van op 9,3 mg/l, van 8 op 10,4 mg/l, enz.
60 tot 84 % of van 90 tot 96 % satu- Moet omgekeerd dezelfde hoeveelheid
ratie.
water van O op 85 % verzadiging worIn de praktijk wordt in plaats van de den gebracht, dan is de benodigde
werkingsgraad A vaak een andere zuurstoftoevoer OA gelijk 0,85.11,33.
grootheid gebruikt om de aeratiein- 1000 = 9600 gramjuur, waarvoor
richting te karakteriseren. Bij de volgens afb. 3 een zuurstoftoevoerver-
'
l
Afb. 3 - Verhouding tussen zuurstoftoevoer
OAo en zuursfoftoevoervermogen OC bij
verhoging van het zuurstofgehalte van O tot
p % verzadiging.
mogen OC van 9600/0,45 of rond
21000 gramluur is vereist.
Voor het verwijderen van opgeloste
gassen zoals koolzuur geldt dezelfde
wetmatigheid als hierboven voor de
opname van zuurstof is aangegeven.
Bij het passeren van de aerator daalt
nu het gehalte van cl op c2 volgens de
formule:
C í - C? = (cl - c,) . A l
waarin A l de werkingsgraad voor
desorptie. Zelfs bij geheel gelijk blijvende constructie van de aeratieinrichting behoeft deze werkingsgraad
intussen niet dezelfde waarde te hebben als de factor A voor absorptie.
De bovengegeven formule is nog eens
grafisch weergegeven in afb. 4 en
wederom blijkt het effect uitgedrukt
als verwijderde hoeveelheid gas groter
te zijn naarmate de aanvangsconcentratie c l meer van de verzadigingsconcentratie c, verschilt. Bij de
verwijdering van koolzuur doet zich
intussen nog de moeilijkheid voor,
dat het gewenste resultaat mede van
het bicarbonaatgehalte afhankelijk is.
Bedraagt dit gehalte b.v. 260 mgll,
dan is het bijbehorende koolzuurgeAfb. 4 - Verband tussen koolzuurgehalte Cl
vóór en C2 nà beluchting.
halte volgens de kromme van Tilimans gelijk 20 mgll. Met een aanvangsgehalte cl van 50 mg/l, een werkingsgraad A van 0,6 en een verzadigingsconcentratie c, van 1 mg/l wordt
bij aeratie het koolzuurgehalte verlaagd met 0,6 (50 - 1) = 29,4 mg/l
tot 20,6 mg/l, hetgeen net voldoende
is. Is het evenwichtskoolzuurgehalte
echter slechts 4 mg/l groot (bicarbonaatgehalte 150 mg/l), dan moeten 3
aeratieinrichtingen als bovengenoemd
in serie worden geschakeld om het
gewenste resultaat te verkrijgen. De
eerste trap verlaagt het koolzuurgehalte dan van 50 tot 20,6 mg/l, de
tweede van 20,6 tot 8,8 mgli en de
derde van 8,8 tot 3,9 mg/l.
Volgens de afb. 1 en 4 is het zowel
bij absorptie als desorptie onder normale omstandigheden onmogelijk de
verzadigingsconcentratie te bereiken
en bijzonder moeilijk om deze concentratie te benaderen. Bij verhoging
van het zuurstofgehalte is dit ook niet
nodig; doorgaans is een waarde van
70 à 80 % van de verzadigingsconcentratie meer dan voldoende. Reuk
de
en
en smaak ~ ~ m ~ r z a k e ngassen
vluchtige organische stoffen kunnen
echter in uiterst geringe concentratie
nog moeilijkheden veroorzaken. Er
moet dus wel naar worden gestreefd
om de verzadigingsconcentratie zoveel
mogelijk te benaderen.
Waar volgens afb. 5 het effect van in
serie geschakelde aeratieinrichtingen
met elke volgende trap kleiner wordt,
zijn nu een groot aantal trappen nodig
hetgeen hoge kosten van aanleg en
exploitatie met zich mee brengt. Dit
is de reden dat in vele gevallen reuk
en smaakbestrijding door toevoeging
van aktieve kool eenvoudiger en goedkoper is.
l .3. Onderverdeling
Het voor aeratie benodigde contact
tussen lucht en water kan op verschillende manieren worden verkregen.
Naar de wijze waarop dit geschiedt
worden de aeratieinrichtingen in drie
klassen verdeeld:
a. watervalbeluchters, waarbij het
water in druppels of in dunne
lagen door de lucht valt;
b. bellenbeluchters, waarbij de lucht
in bellen door het water omhoog
stijgt;
c. oppervlaktebeluchters, in het engels
mechanica1 aerators genoemd,
waarbij zowel de lucht als het water
fijn worden verdeeld en de luchtbellen van een waterfilm, c.q. de waterdruppels van een luchtfilm worden
voorzien.
(OC) van 1000 gram per uur. Bij de
in de volgende paragrafen gegeven
cijfers is in dit energieverbruik het
rendement van pomp, motor, compressor, transmissie e.d. zo goed
mogelijk begrepen en heeft het kwhgetal dan ook betrekking op de energie
aan het electriciteitsnet onttrokken.
In de vorige paragraaf is er reeds op
Afb. 5
- Effect
Afb. 6
- Sproeiinstallatie
gewezen, dat de werkingsgraad van
een aerator voor absorptie en desorpO"tgasSi"gsinStallaties.
tie niet dezelfde behoeft te zijn. Dit is
wel het geval met watervalbeluchters,
Bij verschillende aeratieinrichtingen waarbij de aeratie uitsluitend en alleen
treedt intussen een combinatie van plaatsvindt bij de val van de waterbovengenoemde beluchtingswijzen OP, druppels door de lucht (sproeiers).
Beílenbeluchters daarentegen kunnen
waardoor de indeling in één van
bovengenoemde drie klassen slechts een hoog rendement hebben voor
zuurstofopname, doch zijn voor de
historische betekenis heeft.
verwijdering van koolzuur in het alUiteraard dienen beluchtingsinrichtin- gemeen minder geschikt. Bij het opgen steeds zodanig te worden ontwarstijgen van de luchtbel door het water.
pen, dat bij minimaal energieverbruik neemt namelijk het zuurstofgehalte
een hoge gasuitwisselingscapaciteit
van de lucht af en het koolzuurgehalte
wordt verkregen. Volgens de theorie daarvan toe. De daling van het zuurvan de aeratie, in de eerste les door stofgehalte is slechts gering, bv. 5 %,
prof. Beek ontwikkeld, kan dit wor- waardoor het effect van de zuurstofden bereikt door een groot contact- overdracht slechts onbetekenend veroppervlak, een lange contacttijd en mindert. De toeneming van het koolvooral door een voortdurende verzuurgehalte is echter zeer groot, waarnieuwing van het lucht-water grens- door reeds spoedig het koolzuurgevlak. De uitwisseling is immers groot
halte van de lucht in de bel in evenop het moment dat het grensvlak wicht is met dat van het omringende
wordt gevormd, doch neemt met de water. Bij 10" C en atmosferische
leeftiid van het nrensvlak sterk af.
druk is 1 mg11 koolzuur in de lucht
De laatste factor is van doorslagge- in evenwicht met 0,84 mg/l koolzuur
vende betekenis en juist door een in het water, waardoor bij een verkunstmatige vergroting van de turbu- houding van 0,s m3 lucht per m"
lentie is het de laatste decennia moge- water zelfs de allerbeste bellenbeluchlijk gebleken het rendement van de ter het koolzuurgehalte van het water
aeratie aanzienlijk te verbeteren. In met niet meer dan 113 kan vermindede praktijk wordt dit rendement uit- ren. Betere resultaten kunnen nu algedrukt als het aantal kilowatts nodig leen worden bereikt door de luchtvoor een zuurstoftoevoervermogen waterverhouding drastisch te verhogen.
van in serie geschakelde
van de ZWGL te Noord-Bergzotn.
Bij de in 3 .l te bespreken Inka Intense
beluchters varieert deze verhouding
van enkele tientallen tot enkele honderden m3 lucht per m3 water en is
het wel mogeiijk om zelfs hoge koolzuurgehalten tot enkele mg/] te reduceren. Smaak- en reukverwekkende
gassen en vluchtige verbindingen kunnen nu ook tot uiterst geringe concentraties worden weggeblazen.
Het verschil in effect bij zuurstofopname en koolzuurafvoer behoeft intussen geen nadeel te zijn. Duinwater
heeft een tamelijk hoog CO*-gehalte,
doch dit koolzuur is met het bicarbonaat in evenwicht. Aeratie blijft nodig
om het zuurstofgehalte te verhogen.
doch teneinde daarbij een verschuiving naar het kalkafzettende gebied
te verhinderen, dient deze aeratie nu
zodanig te worden uitgevoerd, dat
geen koolzuur verloren gaat. Door de
infiltratie van rivierwater is het mengsel van natuurìijk en kunstmatig duinwater thans een weinig agressief geworden en verschillende duinwaterleiding bedrijven zijn er dan ook reeds
toe overgegaan hun aeratieinrichtingen zodanig te veranderen, dat nu wel
een bescheiden afvoer van koolzuur
wordt verkregen.
2. Watervalbeluchters
2.1. Sproeiers
De klassieke sproeiinstaliatie bestaat
uit een systeem van buizen, voorzien
van sproeiers, waardoor het water fijn
verdeeld verticaal of schuin naar
boven in de lucht wordt gespoten
(afb. 6). Door de fijne verdeling is
het contactoppervlak met de lucht
groot. De contacttijd is echter slechts
gering, niet meer dan 2 seconden bij
een sproeihoogte van 5 m, terwijl bij
de val van de waterdruppel door de
lucht geen vernieuwing van het grensvlak plaats vindt. De werkingsgraad,
gelijk voor adsorptie en desorptie, is
dan ook maar bescheiden.
De constructie van de sproeiers zelf
moet zodanig zijn, dat zonder nauwe
openingen of bewegende delen een
fijne verdeling van het water wordt
verkregen en schoonmaak gemakkelijk
mogelijk is. In het verleden zijn hiervoor verschillende oplossingen gevon den, waarvan afb. 7 enkele voorbeelden laat zien. De afstand tussen de
sproeiers onderling moet zo groot
worden gekozen, dat geen of slechts
weinig interferentie tussen de verschillende delen mogelijk is, waardoor
immers de fijne druppels zouden
samensmelten en het contactoppervlak met de lucht geringer wordt. De
benodigde plaatsruimte is hierdoor
Afb. 7a - Ar~lsterdamse sproeier.
A f b . 76. - Talfordse sproeier.
groot, reden waarom sproeiinstallaties
veelal in de open lucht worden opgesteld. Een wand voorzien van jalouzieën blijft dan echter gewenst om te
verhinderen dat de wind de vallende
druppels buiten het ontvangbassin
blaast. Is gevaar van bevriezen aanwezig of moet de kans op besmetting
zoveel mogelijk worden gekeerd, dan
is opstelling in een gesloten gebouw
noodzakelijk. Een krachtige ventilatie,
zo nodig onder tussenschakeling van
luchtfilters, is nu nodig om te verhinderen dat de partiële druk van de
zuurstof teveel daalt of die van het
koolzuur teveel stijgt. Met het oog
op de corroderende werking van de
zeer vochtige atmosfeer is een goede
materiaalkeuze noodzakelijk om excessief onderhoud te voorkomen.
Moet het te aereren water onder druk
blijven, dan kan de beluchting in
drukketels geschieden (afb. 8). Wederom is een intensievere luchtverversing
noodzakelijk om een daling van het
beluchtingseffect te verhinderen. Voor
deze luchtverversing zijn nu echter
compressoren noodzakelijk.
Het energieverbruik van sproeiinstallaties is tamelijk hoog en bedraagt
zelfs bij goed ontwerp en uitvoering
al gauw 0,s kwh per kg zuurstoftoevoervermogen, terwijl bij minder geslaagde constructies waarden van 1,5
en 2 kwh/kg OC geen uitzondering
zijn. Ook de benodigde plaatsruimte
is groot, 100-200 m2 per 1000 m3/uur,
waardoor tesamen met het leidingwerk nodig voor aanvoer en verdeling
van het water de aanlegkosten hoog
zullen zijn.
Afb. 8 -Beluchting onder druk.
watertoevoer
dervangen door de cokesbedden terugspoelbaar te maken (afb. ll), terwijl
het droogfilter (afb. 12) de uiterste
ontwikkeling in deze richting voorstelt. Behoeft echter geen ijzer te worden verwijderd, dan kan goedkoper
het eerstgenoemde principe worden
gevolgd en de bakken, zonder vulling,
op korte onderlinge afstand worden
geplaatst, dan wel door een kruisgewijze stapeling van latten of pijpen
worden vervangen (afb. 13). Zowel
hier als bij het droogfilter is de
natuurlijke luchttoevoer onvoldoende
en zal door een geforceerde ventilatie,
in gelijk- of tegenstroom moeten worden vervangen.
Door de vrij grote waterdruppels en
het relatief geringe contactoppervlak
is het rendement van schotelbeluchters intussen niet zo groot als uit
bovenstaande beschrijving mocht worden verwacht en moet toch op ener, kwh/kgOC
gieverbruiken van 0,6-1O
worden gerekend. Voor ontzuring bestaat er echter geen betere methode
om het overtollige koolzuur te verwijderen. De benodigde plaatsruimte
varieert sterk, van 10 tot 100 mQer
1000 m3/uur, waarbij het laatste getal
op droogfilters betrekking heeft.
Afb. 9 - Dresdener sproeier.
De moderne sproeiinstallaties spuiten
het water intussen niet omhoog, doch
laten dit in dikke stralen omlaag vallen. Op korte afstand onder de uitstroomopening is een cirkelronde
schijf van glas op plastic gemonteerd,
welke de straal in een paraplu-vormige film uiteentrekt (afb. 9).
Aan de randen desintegreert deze
film in druppels, welke met grote
snelheid in het met water gevulde
opvangbassin plonsen. Tijdens de val
door de lucht is de werking dezelfde
als van de bovenbeschreven klassieke
sproeiinstallatie, met aileen een geringer effect door de kortere contacttijd. Wanneer de druppels echter in
het opvangbassin vallen, zijn zij omhuld met een laagje lucht, dat mede
omlaag wordt genomen en het is
vooral uit deze lucht dat zuurstof
wordt opgenomen (oppervlakte beluchting). Ten aanzien van zuurstofopname is de werking dan ook aanzienliik beter dan van de klassieke
sproeiinstallaties, ten aanzien van
koolzuurverwijdering echter geringer.
Het energieverbruik van Dresdener
sproeiers varieert weer van installatie
tot installatie. Een waarde van 0,3
kwh/kgOC is bijzonder gunstig, doch
zal in de praktijk doorgaans hoger
liggen, ongeveer 0,5-0,8 kwh/kgOC,
afhankelijk van de gewenste verzadigingswaarde aan zuurstof. Het plaatsgebruik is wat geringer dan bij de
klassieke sproeiinstallaties, globaal
100-150 m2 per 1000 m3/uur, terwijl
de atmosfeer ook iets minder vochtig
is. Tegen opstelling in een gesloten
ruimte bestaan nu minder bezwaren.
2.2. Schotelbelzichters
Wanneer een aantal bakken met geperforeerde bodem op elkaar worden
gestapeld en hierboven het te aereren
water wordt versproeid, dan zal elke
bak de val van het water onderbreken
(afb. 10). Hierbij wordt het luchtwater grensvlak vernieuwd, hetgeen
tesamen met de lange contacttijd een
hoge werkingsgraad geeft. Deze werkingsgraad kan nog worden verbeterd
door het aantal bakken per m l hoogte
te vergroten, dan wel door deze bakken met gebroken materiaal te vullen.
Het laatstgenoemde is het eerst toegepast, waarbij vooral cokes als vulmateriaal zeer populair was, daar
hierbij het afgezette ijzer katalytisch
de ontijzering versnelt. Aan de andere
kant trad nu een snelle vervuiling en
verstopping op en werden deze cokesbedden tot broedplaats van wormen
en andere onaangename organismen.
In Zuid-Beveland is dit bezwaar on-
2.3. Cascadebeluchting
Oorspronkelijk werden cascades volgens dezelfde beginselen als de hierboven genoemde schotelbeluchters gebouwd, met slechts dit verschil dat de
verschillende trappen niet onder doch
naast elkaar waren geplaatst, terwijl
door het aanbrengen van obstakels
werd getracht de turbulentie d.w.z. de
vernieuwing van het luchtwatergrensvlak nog verder te verbeteren (afb.
14). Met deze constructie worden nog
Afb. 10
- Sc!~ofelbeluchter.
l
Afb. 11
- Cokesfilters Zuid-Beveland (De Ingenieur 1952).
l
Afb. 14
Afb. I2
- Droogfilter.
Afb. I3 - Schotelbeluchter met kruisgewijze stapeling van plastiekenbuizen (Waterleiding
mij. Over~selN.V.).
-
Cascade met treden.
altijd goede resultaten verkregen, zowel wat betreft zuurstofopname als
verwijdering van koolzuur.
De moderne cascade laat echter een
serie van naast elkaar geplaatste bakken zien, waarin het water uit elke
voorgaande bak valt (afb. 15).
Tijdens de val door de lucht is het
contactoppervlak gering, de contacttijd klein en treedt geen vernieuwing
van lucht-watergrensvlak op. De gasuitwisseling is dan ook slechts gering.
Bij het vallen van de straal in de
benedenstrooms gelegen bak, sleurt
het water door zijn impuls echter
lucht mede en wanneer deze bak nu
maar voldoende diepte en verblijftijd
heeft, vindt hierin de opname van de
zuurstof plaats. In totaal wordt een
goede zuurstofopname verkregen,
doch de verwijdering van koolzuur is
slechts gering. Dit is echter juist de
reden dat deze cascades bij de duinwaterleidingbedrijven zo populair zijn.
Ten aanzien van de constructie van
deze cascades kan nog worden opgemerkt, dat de valhoogte per trap gewoonlijk 0,2-0,4m bedraagt en het aantal trappen tussen 4 en 10 varieert.
De belasting kan wisselen tussen 20
Afb. l 5 - Cascade met naast elkaar geplaatste bakken (Gemeente waterleidingen te
Leiduin).
en 100 m"m~/uur zonder het effect
wezenlijk te beïnvloeden. Wanneer bij
geringe stroomsterkte gevaar voor
kleven van de straal bestaat, moet
deze straal worden onderbroken, hetgeen ook wel bij grotere stroomsterkten wordt toegepast om een beter
doordringen van de straal in de ontvangbak te verzekeren, om de hierin
plaats vindende oppervlaktebeluchting
te versterken.
Dit laatste kan intussen eveneens worden verkregen door de valhoogte per
trap te vergroten tot 0,s à 1 m en een
evenredig geringer aantal trappen toe
te passen. Op het Laboratorium voor
Civiele Gezondheidstechniek aan de
TH Delft worden reeds geruime tijd
systematische metingen verricht om
na te gaan hoe een optimaal resultaat
kan worden verkregen. Eind 1968 zullen de resultaten van deze onderzoekingen worden gepubliceerd. Door
hun grote capaciteit per strekkende
meter nemen cascades maar weinig
ruimte in, terwijl de gladde straal
slechts een geringe hoeveelheid vocht
in de atmosfeer brengt, waardoor een
beperkte ventilatie reeds voldoende
is om een droog gebouw te verzekeren. Cascades zijn ook fascinerend om
naar te kijken en laten niet na een
diepe (en gunstige) indruk op het bezoekende publiek te maken.
Bij de allermodernste vorm van cascades is weer tot de opstellingswijze
van schotelbeluchters teruggekeerd en
worden de bakken onder elkaar geplaatst (afb. 16). Uit het voorgaande
zal echter wel duidelijk zijn geworden,
dat de wijze van aeratie totaal verschillend is, hetgeen vooral in de geringe afvoer van koolzuur tot uitdrukking komt.
Bij de moderne cascades varieert het
energieverbruik van 0,s tot 0,7 kwh/
kgOC. Zoals reeds opgemerkt is de
benodigde plaatsruimte gering, slechts
15-30 m"er
1000 m3luur capaciteit.
3. BeUenbeluchters
3 .l. Met gecoilipriil~eerdeluclit
Bellenbeluchters bestaan in het algemeen uit een langgerekte tank van
gewapend beton, met ongeveer vierkante dwarsdoorsnede en een waterdiepte van 3 à 4 m, waarin door middel van geperforeerde of poreuze platen of buizen de samengeperste lucht
wordt geïnjecteerd (afb. 17). Bij de
oudere uitvoeringen werd de lucht
min of meer gelijkelijk over het
bodemoppervlak van de tank verdeeld
in het water gebracht. De opstijgende
Venicale doorsnede A A
A f b . 16 - Cascade met onder elkaar geplaatste bakken (PWN te Castricitin).
Afb. I7 - Bellet~belrtc/~termet
verdeelde Iitchti~~persirtg.
l
gelijkinatig
l
Afb. l8
- Beller~belircl~ters
met
retoitrstroniiiigt
lucht neemt water mede, waardoor
retourstromingen ontstaan, welke bij
dit systeem echter geheel willekeurig
zijn en van tevoren niet kunnen worden voorspeld. De plaats van deze
retourstromingen kan worden gefixeerd, door het inblazen van lucht
tot smalle stroken te beperken (afb.
18 links) dan wel aan de zijkant van
de tank te concentreren (afb. 18
rechts).
I n beide gevallen ontstaan spiraalstromen, welke bij de oxydatief biologische behandeling van afvalwater onmisbaar zijn om bezinking van de
aktief slibvlokken te verhinderen. Ten
aanzien van het rendement van de
beluchting zijn deze spiraalstromen
echter een tweesnijdend zwaard. Enerzijds neemt hierdoor de stijgsnelheid
van de luchtbellen toe en wordt de
contacttijd kleiner, anderzijds zal een
deel van de bellen niet aan het wateroppervlak ontsnappen, doch met het
circulerende water weer omlaag wor-
den genomen, waardoor voor deze
beilen de contacttijd groter wordt.
Wanneer bij drinkwaterbereiding geen
spiraalstromingen nodig zijn om bezinking van gesuspendeerde stof te
verhinderen, is het nog zeer de vraag
of de bij rioolwaterbehandeling gevonden oplossingen wel de meest gunstige resultaten geven.
Bij het opstijgen van de luchtbel door
het water wordt het lucht-water grensvlak voortdurend vernieuwd. De gasuitwisselings coëfficiënt is hierdoor
hoog, terwijl de opname van zuurstof
nog verder kan worden vergroot door
toepassing van fijne luchtbellen met
een geringe stijgsnelheid en een grote
contacttijd en met een groot contactoppervlak. De diameter van de luchtbel is echter 10 maal zo groot als de
opening waaruit hij ontsnapt. Voor
fijne luchtbellen, met een diameter
van 2 mm b.v., zijn dus zeer nauwe
openingen nodig en moet van poreuze
platen of buizen gebruik worden ge-
met eenvoudige centrifugaal ventilatoren kan worden volstaan en een
eenvoudiger en goedkoper bedrijf
wordt verkregen. Wordt bovendien de
in afb. 19 getekende geleidewand aangebracht, dan wordt de pompwerking
van de grote luchthoeveelheid nog
verder versterkt.
De circulatiesnelheden zijn nu zo
hoog, dat de luchtbellen van de luchtuittredeopeningen worden afgeschoven alvorens zij hun uiteindelijke
grootte hebben bereikt, waardoor met
relatief grotere openingen toch fijne
luchtbellen kunnen worden verkregen.
Bij deze z.g. Inka beluchting varieert
het energieverbruik tussen 0,4 en 0,6
kwh/kgOC. Om water van O tot 80 %
verzadiging te brengen is rond 2 m3
lucht per m3 water nodig, terwijl de
benodigde plaatsruimte tussen 50 en
100 m2 per 1000 m3/uur varieert.
Hoewel bij het laatstgenoemde Inka
systeem een wat grotere lucht-water
verhouding wordt toegepast, is het
effect ten aanzien van het uitdrijven
van opgeloste gassen toch gering.
Speciaal voor de verwijdering van
koolzuur uit drinkwater is het in afb.
20 weergegeven Inka Intense beluchtingssysteem ontwikkeld, waarbij per
Afb. 19 - Inka beluchti~ig.
Afb. 21 - Beluchti~igspuf (Leidsche
wafermaafschappijN.V.).
1. Aanzuigbuis
2. Lagedruk ventilator
3. LuchtterugvoerpUp
Afb. 20
4. Regelklep
5. Geperforeerde plaat
6. Luchtinvoer
7. Waterdistributiebuis
8. Waterafvoer
- Iiika Iiitense beluchter.
maakt, welke ook bij tussenschakeling van luchtfilters gemakkelijk verstoppen. Om deze bedrijfsmoeilijkheden te ondervangen kunnen geperforeerde buizen of platen met grotere
openingen aantrekkelijker zijn. Het
energie- en luchtverbruik is dan echter groter, doch bij de bereiding van
drinkwater speelt dit geen grote rol.
Bij fijnblazige beluchting bedraagt de
benodigde energie 0,5-0,6 kwh/kgOC,
terwijl om drinkwater van O tot 80 %
verzadiging te brengen rond 0,5 m3
lucht per m3 water nodig is. Bij middel- en grofblazige beluchting is het
energieverbruik hoger, rond 1 kwh/
kgOC en moet voor hetzelfde resultaat ook weer lucht worden ingeperst,
globaal 1 m3 lucht per m3 water. Hoe
langer het water in de beluchtingstank verblijft, hoe hoger bij beide
systemen het rendement zal zijn. In
de praktijk varieert de plaatsruimte
tussen 50 en 150 m2 per 1000 m3/uur
capaciteit.
l
UORIZONTALE
DOORSNEDE.
Zolang de drukverliezen bij aanvoer
en verdeling van de lucht kunnen
worden verwaarloosd, is het energieverbruik van de luchttoevoer evenredig aan het product van luchthoeveelheid en inblaasdiepte. Dit betekent dat het evenveel energie kost om
1000 m3 lucht op een diepte van 4 m
in het water te persen als 5000 m3
lucht op een diepte van 0,8 m. Waar
de contacttijd tussen lucht en water
primair evenredig is met de inblaasdiepte, verandert hiermede het product van contactoppervlak en contacttijd niet. Wel wordt door de grotere
luchthoeveelheid een sterkere turbulentie en een meer frequente vernieuwing van lucht-water grensvlak verkregen, waardoor het energieverbruik
per kgOC een weinig zou kunnen
dalen. Veel belangrijker is echter, dat
bij de geringe inblaasdiepte de totale
samendrukking minder dan 1 m
waterkolom bedraagt, waardoor geen
echte compressoren nodig zijn, doch
VERTICALE
wonanem
Duin-
-pl
l
Afb. 22 - Rotorbeluchti~tg.
m3 water niet minder dan 25 tot 500
m3 lucht worden gebruikt. Het water
wordt hierbij boven een geperforeerde
roestvrij stalen plaat versproeid, waardoor de met een eenvoudige ventilator
(opvoerhoogte 70 mm waterkolom)
voortgestuwde lucht omhoog stijgt.
Boven de plaat ontstaat een enkele
decimeters dikke schuimlaag, door
een mengsel van luchtbellen en waterdruppels, waarvan de grensvlakken
door de sterke turbulentie voortdurend worden vernieuwd (oppervlaktebeluchting). De gasuitwisselingscoëfficiënt is hierdoor hoog, waardoor zowel een goede zuurstofopname als
een goede verwijdering van koolzuur
wordt verkregen. Als nadelen moeten
worden genoemd het grote energieverbruik, 1-1,s kwh/kg 02 en het gevaar van verstoppen van de openingen
in de roestvrij stalen plaat door afzetting van ijzer en kalk.
De menselijke fantasie is intussen onbeperkt en dit geldt ook ten aanzien
A f b . 23 - Spargerbeluchting.
van het aantal systemen voor bellenbeluchting met gecomprimeerde lucht.
Als voorbeelden hiervan laat afb. 21
de Leidse beluchtingsput zien, waarbij door recirculatie, door een intensiever contact tussen lucht en water
de benodigde plaatsruimte is beperkt
tot 60 m2 per 1000 m3/uur. Het energieverbruik is echter minder gunstig.
globaal 1 kwh/kgOC, terwijl om
water van O tot 80 % verzadiging te
brengen rond 1 m3 lucht per m3
water nodig is. In afb. 22 is de rotorbeluchting getekend, waarbij de uit de
beluchtingsring opstijgende grove bellen langs mechanische weg fijn worden verdeeld, terwijl dit bij het Spargersysteem van afb. 23 geschiedt door
de waterstraal welke met grote snelheid lang de luchtuitblaas openingen
strijkt.
Bellenbeluchting met gecomprimeerde
lucht heeft bij de behandeling van
rioolwater de grote charme, dat door
vergroting van de luchttoevoer hoge
zuurstoftoevoervermogensin klein bestek kunnen worden ondergebracht.
Bovendien wordt de voor beluchting
vereiste energie, hier al gauw overeenkomende met een opvoerhoogte
voor het te behandelen water van 50
à 100 m waterkolom, van buiten af
toegevoerd. Bij de bereiding van
drinkwater is de voor aeratie benodigde energie echter veel geringer en
komt met een opvoerhoogte van het
te beluchten water voor slechts een
paar meter overeen, hetgeen gemakkelijk door de ruwwaterpompen kan
worden geleverd, terwijl de aanwezigheid van luchtcompressoren met bij-
behorende leidingen en verdeelinrichtingen steeds een ongewenste complicatie van de mechanische inrichting betekent. De voor beluchting
nodige opvoerhoogte is intussen meestal niet aanwezig wanneer aeratie
achteraf bij een bestaande installatie
moet worden verwezenlijkt, en dan
komt bellenbeluchting wel degelijk in
aanmerking. Als verdere voordelen
hiervan kunnen nog worden genoemd,
dat kans op bevriezing bijna uitgesloten is en opstelling in de open
lucht dus zeer wel mogelijk. Bij de
beluchting van hygiënisch betrouwbaar grondwater kan door gebruik
van luchtfilters besmetting vergaand
worden geweerd, terwijl in andere
installaties de bellenbeluchting tevens
kan worden gebruikt om voor waterbehandeling nodige chemicaliën hiermede te mengen. Met uitzondering
van het Inka Intense beluchtingssysteem is het effect ten aanzien van
desorptie echter gering en kunnen
hiermede slechts bescheiden hoeveelheden koolzuur worden verwijderd.
3.2. Met aangezogen lucht
De energiehoogte van het door een
leiding stromende water bestaat uit
drie delen: de plaatshoogte, de drukhoogte en de snelheidshoogte. Volgens
deze beluchting kan de drukhoogte
worden verkleind door vergroting van
de plaatshoogte en door vergroting
van de snelheidshoogte. Het laatste
kan geschieden door in de leiding een
vernauwing aan te brengen en mits
slechts de oorspronkelijke drukhoogte
niet te groot is, kan ter plaatse van
deze vernauwing gemakkelijk een
onderdruk ten opzichte van de atmosfeer worden gecreëerd (afb. 24).
Worden nu in het vernauwde buisgedeelte openingen aangebracht, dan
wordt buitenlucht aangezogen, welke
zich met het water vermengt en hierdoor wordt afgevoerd (waterstraal
luchtpomp). Om na de vernauwing
de snelheidshoogte weer zo goed
mogelijk in drukhoogte om te zetten en het energieverlies te beperken, wordt doorgaans een venturivormige verwijding toegepast.
Venturibeluchters werken geheel volgens het bovenvermelde principe,
waarbij aueen voor toepassing van
luchtfilters en om lekkage bij stilstand
te verhinderen een wat andere constructie wordt gebruikt (afb. 25). De
in de keel aangezogen lucht wordt in
de venturi-vormige verwijding intensief met het water vermengd, waarbij
een emulsie van fijne luchtbellen
l
drukhwgle
l
1
,-------------
IUcht
/
onderdruk
emulsie
water
van
lucht en water
Afb. 24
- Principe
van de aeratie met aaiigezogeiz Iricht.
wordt verkregen, welke door het
water worden meegevoerd, zelfs wanneer de waterstroom omlaag is gericht. Het contactoppervlak en de
contacttijd lucht-water zijn dan ook
groot. Door de gelijke snelheid van
water en luchtbellen is de vernieuwing
van het lucht-water grensvlak echter
gering en het energieverbruik toch
tamelijk hoog.
Door de geringe lucht-waterverhouding, is de verwijdering van koolzuur
uitermate gering.
Als voordelen kunnen hiertegenover
nog worden vermeld, dat de benodigde plaatsruimte gering is, aanleg- en
onderhoudskosten laag zijn, terwijl
weinig vocht in het gebouw wordt gebracht.
Een bijzonder interessante en ingenieuze ontwikkeling van het beginsel
der venturibeluchting toont de in afb.
26 weergegeven beluchtingsput van de
Duinwaterleiding van 's-Gravenhage.
Wederom wordt de lucht door het
creëren van een onderdruk aangezogen, maar het lucht-watermengsel
wordt daarna op grote diepte, 5-20 m,
gebracht. In paragraaf 1.2 is voor de
stijging van het zuurstofgehalte bij de
aeratie de betrekking gegeven:
- CI = (C, - CI).A
waarin de werkingsgraad van een gegeven constructie een constante is. De
verzadigingsconcentratie c, is echter
Afb. 25
-
niet constant, doch neemt recht evenredig met de druk toe. Dit betekent,
dat wanneer het water tot op 20 m
diepte wordt gebracht en de druk van
de lucht in de bellen tot 3 atmosfeer
stijgt, bovenstaande vergelijking zich
transformeert tot
c2 - c l = (3cs - cl).A
Volgens deze vergelijking zou anaeroob water (cl = 0) geheel met zuurstof kunnen worden verzadigd (ce =
c 3 bij een A gelijk aan slechts 113.
Waar het water slechts kort op een
diepte van 20 m blijft is een hogere
waarde van A nodig om verzadiging te
bereiken, doch dit blijft zeer wel mogelijk en zelfs kan oververzadiging met
zuurstof worden verkregen. In het
laatste geval zal het water intussen
niet alleen met zuurstof, doch ook
met stikstof oververzadigd zijn. Wordt
nu de beluchting door filtratie gevolgd, dan wordt zuurstof verbruikt
doch stikstof niet. Bij deze filtratie
treedt een drukverlaging op, waarbij
stikstof kan vrijkomen, dat zich dan
in belletjes tussen de zandkorrels afzet. Deze belletjes belemmeren de
neerwaartse waterstroming met een
snelle toeneming van de filterweerstand als gevolg.
Ten aanzien van de vormgeving kan
nog worden opgemerkt, dat de conus
verstelbaar is om de luchthoeveelheid
aan de waterhoeveelheid aan te pas-
Verztr~ribelz~cliter
(International Water Sz~pplyAssociation 1955).
sen. De lucht wordt aangezogen door
een krans van plastiek buisjes en de
luchtbelletjes worden mee omlaag genomen door de neerwaartse snelheid
in de binnenbuis groter dan ongeveer
0,5 m/sec. te kiezen. Stijgt de snelheid
boven 1,s mlsec., dan zouden hydraulische verliezen het rendement
der beluchting ongunstig beïnvloeden.
Het regelbereik moet bij voorkeur dan
ook niet groter dan 1 op 3 worden
gekozen. Hoe geringer de opwaartse
snelheid in de ringvormige ruimte
tussen binnen- en buitenbuis, hoe hoger het aeratie rendement zal zijn.
Gewoodijk wordt deze snelheid op
113 tot 213 van de neerwaartse snelheid in de binnenbuis gesteld.
In termen van plaats- en energiegebruik is voor zuurstofopname geen
beter beluchtingssysteem beschikbaar.
Het plaatsgebruik is verwaarloosbaar.
niet meer dan 0,s m2 per 1000 m3/
uur, terwijl het energieverbruik varieert van 0,15 kwh/kgOC bij een diepte
van 20 m en een beperkte verhoging
van het zuurstofgehalte, tot 0,4 kwh/
kgOC bij een diepte van 5 m en een
sterke verhoging van het zuurstofgehalte. De verwijdering van koolzuur
en andere opgeloste gassen is wederom uiterst gering.
4. Oppervlaktebeluehters
4.1. BorstelbeIuchting
De borstelwals, zoals deze in de jaren
1955-58 door het Instituut voor Gezondheidstechniek TNO is ontwikkeld, bestaat uit een horizontale staAfb. 26 - Putbeluchting van de Duinwaterleiding van gravenh ha ge.
lucht
I
I
water
len as, waarop in radiale richting
tanden zijn gemonteerd (afb. 27). De
wals draait met ongeveer 100 tot 150
omwentelingen per minuut en is zodanig aan de rand van (afb. 28) of
loodrecht op het beluchtingsbassin (afb.
29) opgesteld, dat de tanden voor ongeveer een kwart van de totale diameter zijn ondergedompeld. Bij de rotatie wordt nu enerzijds lucht in het
water geslagen en anderzijds het water
in druppels door de lucht weggeslingerd
met als gevolg een sterke turbulentie,
een intensieve vernieuwing van het
lucht-water grensvlak en een hoog
rendement voor zuurstofopname. De
verwijdering van koolzuur is slechts
matig, maar toch aanzienlijk beter
dan met bellenbeluchters kan worden
verkregen. De borstel stuwt het water
ook voort, hetgeen bij het actief-slibproces nodig is om bezinking van de
vlok te voorkomen, terwijl bij de bereiding van drinkwater nu met een
negatieve opvoerhoogte kan worden
volstaan.
Afb. 27 - Borstel~>als
(Iiistituzrt voor Gezo~idheidstech~tiek
TNO,rapport nr. 28).
De tandvorm blijkt grote invloed te
hebben op het rendement en de grootte van het zuurstoftoevoervermogen,
dat voorts door verandering van toerenfal en indompeldiepte aan de omstandigheden kan worden aangepast.
Onder optimale omstandigheden bedraagt het energieverbruik slechts 0,3
kwh/kgOC. In de praktijk zal echter
ook onder minder gunstige bedrijfsomstandigheden moeten worden gewerkt, waardoor het energieverbruik
tot 0,4 à 0,8 kwhjkgOC zal toenemen.
Het zuurstoftoevoervermogen per ml
borstel is groot, één tot enkele kg
per uur, waardoor de benodigde
plaatsruimte gering is, orde van grootte tot 20 tot 60 m2 om 1000 m3/uur
drinkwater van O tot 80 Q/o verzadiging te brengen.
De borstelbeluchting is ontwikkeld
voor de oxydatief-biologische zuivering van afvalwater en wordt daarbij
op ruime schaal toegepast. Gebruik
voor beluchting van drinkwater is nog
slechts zeer beperkt, doch is door het
hoge rendement en de geringe plaatsruimte wel degelijk aantrekkelijk.
Voor bestaande installaties heeft borstelbeluchting nog het voordeel, dat
geen energie aan het water wordt
onttrokken, maar zelfs hierdoor het
water kan worden voorgestuwd.
4.2 Schijf beluchters
Wanneer de in afb. 30 weergegeven
schijf om de verticale as draait, nemen
de aan de onderzijde gemonteerde
tanden het water mede. Door cen-
Afb. ~d - Borstelbelrtchtii~g van een actief-slib iìwtallatie (Rioolwaterzzriverizigsi~~stallatie
Ei~tdltoileri).
Afb. 29
- Borstelbeluclitiìtg vati
een oxydatie sloot.
I
l
r
borstelwals
oxydatiesloot
2
1
trifugaalwerking daalt de waterstand
ter plaatse van de schijf en zullen de
tanden net als bij de borstelwals van
de vorige paragraaf enerzijds lucht in
het water slaan, anderzijds waterdruppels door de lucht wegslingeren. Wederom wordt een grote zuurstofopname met hoog rendement en een bescheiden koolzuurverwijdering verkregen. De opstelling is echter eenvoudiger (hoewel bijzonder kritisch
ten aanzien van de diepte) en in het
bijzonder kan een defecte installatie
gemakkelijk en snel worden vervangen. Ook hier heeft variatie van vorm,
van tanden en
grootte en
schijf een belangrijke invloed op de
grootte en het rendement van de zuurstoftoevoer. Nog voortdurend worden
door constructieve wijzigingen verbeteringen verkregen, die dan onder allerlei merknamen in de handel worden
gebracht.
Simplex-HL- reise el, TYP 6
Simplex-C.Kreisel, Typ 6
Simplex-$L.Krcisel,
'ryp6
A f b . 31 - Doorsiiede over Siïrzplexbelrrcliters.
A f b . 32 - Siiriplesbelucliters riter zuigbitis.
--
p
i
Energieverbruik, benodigde plaatsruimte en toepassingsmogelijkheden
bij de drinkwaterbereiding zijn nagenoeg gelijk aan de in de vorige paragraaf beschreven borstelbeluchters.
4.3. Pomp beluchters
Reeds meer dan 40 jaar wordt in de
Angelsaksische landen een oppervlaktebeluchting toegepast, die eigenlijk
bestaat uit een ter hoogte van de
waterspiegel opgestelde centrifugaalpomp met verticale as, voorzien van
een open waaier en leidschoepen (afb.
31). Het aan de onderzijde aangezogen water wordt door deze pomp
in druppels over het wateroppervlak
weggeslingerd. Evenals bij de moderne
cascadebeluchting van paragraaf 2.3,
is aeratie niet zozeer het gevolg van
de val door de lucht, maar meer van
de omstandigheid dat de waterdruppels omgeven door een luchthuidje
diep in het ontvangbassin doordrin-
-
gen. Dit betekent intussen dat wel een
goede zuurstofopname kan worden
verkregen, doch dat de verwijdering
van koolzuur gering zal zijn. Bij het
actief-slibproces wordt de pomp aan
de onderzijde van een zuigbuis voorzien (afb. 32) om zo een goede watercirculatie te verkrijgen en bezinking
van de actief-slibvlokken te verhin-
A f b . 30 - Schijfbelircliter (oiiderdoriipeliiig S is critiscli afliaiikelijk ilaii D ei? vaii de
oiritreksiielheid vari de schijf).
P
-
-
aandr~~ving
2
--
l
B
waterniveau (bi, e t t ~ s t a n d ~
I
L
O
i
deren. Deze circulatie mengt het zuurstofrijke water na aeratie met het
zuurstofarme ruwe water en geeft zo
een verhoging van het beluchtings
rendement.
Evenals bij de schijfbeluchters wordt
nog voortdurend speurwerk verricht
om tot betere constructies te geraken,
die dan onder verschillende merknamen in de handel worden gebracht.
Thans is het energieverbruik reeds gedaald tot 0,25 kwh/kgOC voor de
grote eenheden en 0,5 kwh/kgOC
voor kleinere installaties. Het plaatsgebruik is wederom gering en ook
hier kan een defecte installatie gemakkelijk en snel worden vervangen.
Een interessante toepassing is nog de
beluchting van oppervlaktewater in
meren en rivieren door drijvende installaties, (afb. 33). Hiervoor is echter
veel energie nodig, voor rivierwater
in een hoeveelheid van 10 m3/sec bij
een verhoging van het zuurstofgehalte
van 20 op 70 % verzadiging rond 150
kwh, dus energiekosten van rond
f 100.000 per jaar!
4.4. Turbirsebeluchters
Aan de zuigzijde van de in de vorige
zuigzijde b.v. door middel van een
holle aandrijfas met de buitenlucht in
verbinding gebracht, dan wordt lucht
aangezogen welke door de waaier intensief met het water wordt vermengd
(afb. 34). De betreffende fabrikant
verwacht hiervan een nog betere aeratie.
Ook bij waterkrachtwerken en pompstations kan het bovengenoemde principe worden toegepast en ten koste
van een geringe verlaging van het
rendement van turbine of pomp een
redelijke aeratie van het doorstromende water worden verkregen.
I
Afb. 33
- Drijvende Sintplexbelicchter.
Afb. 34
- Tzlrcrbinebe
lucl,ter
5.
Bastaardbeluchters
Bij verschillende waterleidingbedrijven
worden constructies aangetroffen, welke het uiterlijk van beluchtingsinrichtingen hebben, inderdaad ook het
water beluchten, doch hier eigenlijk
niet voor bedoeld zijn. De werkelijke
reden voor hun aanwezigheid is een
geheel andere, waarvan als voorbeeld
kunnen worden genoemd:
a. decoratie. Vooral een fonteinbeluchting maakt een gunstige indruk op het publiek en laat niet na
de verwachting te wekken dat het afgeleverde water ook wel van een
goede kwaliteit zal zijn;
b. vernietiging van overtollige druk.
De aanvoerleiding die het water
van een hoger gelegen winplaats aanvoert moet op maximum verbruik
worden berekend, waardoor onder
normale omstandigheden een overschot aan druk aanwezig is. I n plaats
van deze druk met regelafsluiters te
vernietigen, kan dit gemakkelijker en
nog enigermate nuttig met een aeratieinrichting worden gedaan;
c. Onderbreking van de waterstroom
teneinde bij wegvalien van de aandrijvende kracht een stroomomkering
te verhinderen. Moet b.v. het water
voor bereiding of opslag naar een
hoger gelegen plaats worden gepompt,
dan is een terugslagklep nodig om bij
stilstaande pomp terugstromen te
voorkomen.
Terugslagkleppen werken echter niet
altijd feilloos en kunnen de kans op
ongelukken door waterslag vergroten.
Door de aanvoerleiding nu boven het
niveau van het ontvangbassin te laten
uitmonden, kan terugstroming met
zekerheid worden verhinderd (afb.
35).
Afb. 35 - Watervalbeluchter voor beveiligirtg tegen terugstrorrten.
I
IR. P. L. KNOPPERT
adjunct-directeur Drinkwaterleidimg der gemeente Rotterdam
SUMMARY
Sedimentation
Sedimentation is the process of solid-liquid separation by gravity
from a suspension of a liquid and solids with a higher density than
the liquid. Its place in the waterpurification process. Theoretica1
considerations about sedimentation in still water of discrete particles and flocculent particles. Continuous sedimentation in an
ideal basin with horizontal flow. Overflow rate. Disturbing factors ; Reynolds- and Froude number. Design of rectangular settling
tanks with horizontal flow and of circular tanks. Upflow sedimentation in clarifiers with a sludge blanket.
Bezinking
1.
Inleiding
Wanneer een vloeistof vaste deeltjes
bevat, kunnen die in het algemeen
daaruit worden verwijderd door de
vloeistof gedurende een bepaalde tijd
in een bekken te laten staan of de
vloeistof dit bekken langzaam te laten
doorlopen. De vaste deeltjes scheiden
zich dan van de vloeistof af onder
invloed van de zwaartekracht.
Is de dichtheid (het gewicht) van de
deeltjes groter dan van de vloeistof,
dan zakken de deeltjes naar beneden
en spreken we van bezinking (sedimentatie). Is daarentegen de dichtheid
geringer dan van de vloeistof, dan
drijven de vaste deeltjes op en spreken
we van flotatie. In de waterleidingtechniek komt flotatie van vaste deeltjes sporadisch voor. Deze zal in het
volgende dan ook niet meer in de
beschouwing worden opgenomen, hoewel de theoretische principes geheel
dezelfde zijn als van de bezinking.
Bij de behandeling van afvalwater is
de bezinking een zeer veel voorkomend onderdeel van het zuiveringsproces. We komen deze daar tegen
bij:
1. de zandvanger, waarin de zwaarste vaste delen uit het binnenkomende
rioolwater worden verwijderd;
2. de vóórbezinking, waarin zoveel
mogelijk bezinkbare stof uit het afvalwater wordt verwijderd;
3 . de nabezinking, waarin de vaste
stof, die zich bij een biologische of
chemische behandeling in het water
heeft gevormd, wordt verwijderd teneinde een zo zuiver mogelijk effluent
te verkrijgen.
I n de Nederlandse techniek van de
drinkwaterzuivering is het bezinkingsproces echter veel minder gemeengoed. Hoewel in elk snelfilter en langzaam zandfilter sedimentatie voor-
komt, speelt deze bij het ontwerp
nauwelijks enige rol. Alleen die bedrijven kennen derhalve de sedimentatie van nabij, die oppervlaktewater
moeten zuiveren en daarbij gebruik
maken van het proces van coagulatie
en flocculatie. Dit zijn er tot nog toe
maar enkele. Dit in tegenstelling tot
vele landen buiten Nederland, waar
de chemisch-physische zuivering van
oppervlaktewater algemeen gebruikelijk is en waar met name in tropische
en subtropische gebieden vaak het
water bovendien moet worden onttrokken aan rivieren, die incidenteel
zo veel vaste stof bevatten (t.g.v.
erosie), dat een vóórbezinking gewenst
kan worden. Ook in Nederland zal in
de naaste toekomst met het schaarser
worden van het grondwater het oppervlaktewater een steeds belangrijker
rol gaan spelen in het zuiveringsproces. En daarmede ook de bezinking,
aangezien om economische redenen
de chemisch-physische zuivering in
veel gevallen aangewezen zal zijn.
Vanuit dit vooruitzicht lijkt het mij
dan ook ten zeerste gewenst om in
deze voordracht vrij ruime aandacht
te schenken aan de theoretische achtergronden van de bezinking om van
daaruit nog enige beschouwingen te
kunnen wijden aan de technische uitvoering en de praktische toepassing.
Er zal in eerste instantie worden uitgegaan van het bezinken in een stilstaande vloeistofkolom van deeltjes,
die tijdens het bezinkingsproces onveranderd blijven, z.g. discrete deeltjes,
en die elkaar bovendien niet beïnvloeden.
Het ligt voor de hand, dat de bezinking sneller zal gaan naarmate de
deeltjes groter zijn en hun dichtheid
meer verschilt van die van de vloeistof. Daarnaast zal ook de vorm van
de deeltjes van invloed zijn op de be-
zinksnelheid. Komen de deeltjes in
een grote hoeveelheid in de vloeistof
voor, we spreken hierbij van een
dichte suspensie, dan kunnen ze elkaar
gaan hinderen bij de bezinking. Bij
de zuivering van afvalwater komt
deze gehinderde bezinking veelvuldig
voor. Bij de drinkwaterzuivering is
de hoeveelheid vaste stof in het water
nooit zo groot, dat gehinderde bezinking optreedt. Slechts in een bepaald
soort bezinkbekkens, werkend met opwaartse stroming en een vlokkendeken, is daar sprake van.
Naast de bezinking van discrete deeltjes kennen we ook de bezinking van
deeltjes, die tijdens het bezinkproces
groter worden, doordat ze aan elkaar
gaan zitten, uitvlokken. Veel suspensies vertonen reeds uit zichzelf de
neiging tot uitvlokken. Dit kan worden ingeleid en bevorderd door het
toevoegen van een speciaal flocculatiemiddel. De vlokken kunnen nog weer
verzwaard worden door toevoeging
van bijvoorbeeld klei of bentoniet. We
spreken in al deze gevallen van flocculente bezinking. Wiskundig is deze
flocculente bezinking veel moeilijker
te benaderen dan de discrete bezinking. Het is dan ook gebruikelijk van
deze laatste uit te gaan en voor de
flocculente bezinking correctiefactoren in te voeren.
Discrete bezinking treedt op bij zand,
glaskorrels en dergelijk inert materiaal
en ook wanneer door voorafgaande
coagulatie en flocculatie het uitvlokkingsproces reeds volledig heeft plaats
gehad.
I n de praktijk zal bezinking in stilstaande bekkens zeer zelden voorkomen. Zo goed als altijd zullen we te
maken hebben met bekkens, die horizontaal of verticaal worden doorstroomd. Hierbij worden storingsmogelijkheden geïntroduceerd, met name
wandeffecten, turbulente stroming,
kortsluitstromen, uitschuring van reeds
op de bodem afgezette deeltjes door
te grote horizontale snelheid. Het rendement van de bezinking wordt door
deze zaken ongunstig beïnvloed.
Het ontwerp van het sedimentatiebekken zal dan ook zodanig moeten
zijn, dat de storende factoren tot een
minimum worden
teruggebracht.
Helaas zal het echter blijken, dat
sommige een aan elkaar tegengestelde
uitwerking op het ontwerp hebben en
dat het beste compromis economisch
onaantrekkelijk is. Voor de ontwerper
verhoogt dit slechts de noodzaak om
te kunnen beschikken over inzicht en
ervaring.
Dit is een intermitterende bezinking.
Water met vaste deeltjes wordt in een
bekken gelaten* staat daar een bepaalde tijd stil, gedurende welke het
bezinkingsproces zich voltrekt en
wordt daarna afgelaten. Hierop vindt
opnieuw een vulling plaats.
Het karakter van de bezinking kan
worden bestudeerd in het toestel van
afb. 1, bestaande uit een lange kolom,
liefst van glas of doorzichtig plastic,
met op verschillende hoogten tappunten voor monsterneming.
Teneinde convectiestromen t.g.v. temperatuursverschillen met de omgeving
te voorkomen, verdient het aanbeveling de kolom te plaatsen in een tweede kolom, gevuld met water van dezelfde temperatuur.
2.1 Bezinking van enkele gelijke
discrete deeltjes
Een enkel discreet deeltje, dat zich in
een vloeistof bevindt zal onder invloed van de zwaartekracht bezinken.
Het ondervindt daarbii de weerstand
van de vloeistof, de stuwdruk, die toeneemt naarmate de bezinksnelheid
groter wordt. Wanneer de stuwdruk
gelijk is geworden aan het schijnbare
gewicht van het deeltje, zakt het met
éénparige snelheid verder.
Voor het gewicht, de aandrijfkracht,
K,, geldt:
Kd = (pa - P ) g V
(1)
De stuwdruk of weerstand K, werd
reeds door Newton als volgt vastgesteld:
K,, = Ca .A i / , p S2
p, en p zijn de dichtheid van resp.
deeltje en vloeistof, V en A resp. volume en geprojecteerd oppervlak van
het deeltje, C, een dimensieloze weerstandscoëfficiënt en S de bezinksnelheid.
.
Afb. 1
- Toestel voor statische sedintenfatie analyse's.
Door (1) gelijk (2) te steilen krijgen
we:
S =
v
f$.A
. g . p a -Pp
(3)
P
Voor een bol-met diameter D is V
= '/67T D3 en A = l14r D2
Dit in (3) geeft:
gekarakteriseerd door het getal van
Reynolds.
SR
Re = is de kinematische viscositeitscoëfficiënt en R de hydraulische straal.
Voor een bol is R (nat volume gedeeld door het oppervlak) = D, zodat
SD
Re = -11
v
Newton meende, dat Ca een constante
was. Uit vele metingen is gebleken,
dat dit niet het geval is. De grootte
van Cd is afhankelijk van het stroombeeld rond het bezinkende deeltje,
.
Afb. 2
Het verband tussen Ca en Re voor
boilen is weergegeven in afb. 2. Voor
kleine waarden van Re tot aan Re
24
=
geldt Ca =-Re
- De weerstandscoëffici2nt voor bollen als een functie van het getal
van Reynolds.
De vloeistofstroming rond het deeltje
is laminair.
Bij waarden van Re die groter zijn
van 2 x 103 is het stroombeeld geheel
turbulent en heeft C, de constante
waarde van 0,4.
Tussen Re = 1 en Re = 2.103 ligt
een overgangsgebied waarvoor bij benadering geldt:
(De discontinuïteit bij Re = 2.105
wordt daardoor veroorzaakt, dat bij
deze waarde van Re de plaats waar
de stroom rond het bolletje dit bolletje loslaat plotseling verandert. Het
is dan ook zo, dat een C,-lijn voor
een deeltje met een zodanige vorm,
dat de stroom altijd op dezelfde plaats
loslaat (bijv. een schijfje), deze discontinuïteit niet vertoont).
Vullen we nu C, in vergelijking (4)
in dan levert dit voor laminaire bezinking:
(5) (Stokes)
en voor turbulente bezinking:
In het overgangsgebied moet S door
proberen worden bepaald.
In afb. 3 zijn een aantal met deze
formules berekende bezinksnelheden
gegeven voor bolvormige deeltjes van
verschillende dichtheid in water van
10" C.
Uit de formules blijkt tevens, dat de
temperatuur van het water geen invloed heeft op de bezinksnelheid bij
turbulente bezinking, maar wel bij
laminaire bezinking.
Bij t = O" C is v = 1,79 . 10-6m2/sec.
Bij t = 10" C is v = 1,31 . 10-0mvsec.
Bij t = 20" C is v = 1,01 . 10-6m2/sec.
De bovenstaande gegevens hebben betrekking op deeltjes met een bolvorm.
In werkelijkheid zal de vorm der
deeltjes hiervan afwijken. Bij hetzelfde
volume zal het oppervlak steeds groter zijn, waardoor de stuwdruk toeneemt. Ook zal de C, in het turbulente gebied groter zijn. De werkelijke
bezinksnelheid zal dan ook steeds
lager zijn dan afb. 3 aangeeft.
Uit afb. 3 zien we tevens, dat zandkorreltjes met een diameter kleiner
dan 0,l mm laminair bezinken. Geflocculeerde deeltjes zijn over het algemeen ruimschoots groter dan 1 mm
en bezinken derhalve hoofdzakelijk in
-
i
Afb. 3
DIAMETER
-
- De
-
p
-
p
-
bez.i~zksrzelheidvan bolleii in stilstaand water van 10" C als functie va11 diameter
en specifieke dichtheid
P
-S-.
P
van de verticale waterbeweging kunnen we ons de vaste deeltjes dus voorstellen als een met een snelheid S,
zakkende staaf met een doorsnede van
I / ~ TD2 . n2 (per eenheid van oppervlakte). De ruimte, die door het zakken van de staaf vrijkomt, moet door
water worden aangevuld, dat een opwaartse snelheid V heeft. Derhalve
moet
D2n2)
S, . 1 / 4 ~D2n2 = V (1 (8)
het overgangsgebied of in het turbulente gebied. De bezinksnelheid is hier
Hier volgt uit, dat
evenredig met (3.
het ver doorvoeren van de uitvlokking
niet zo'n grote invloed heeft.
Tot nog toe spraken we over de bezinking van enkele deeltjes. Hierbij
was de verticale waterverplaatsing, die
het gevolg is van het zakken der deeltjes, verwaarloosbaar. Dit is niet meer
zo, wanneer de deeltjesconcentratie
zeer groot wordt. In dat geval komt
er een reële opwaartse watersnelheid,
waarmee de berekende relatieve bezinksnelheid moet worden verminderd
om te komen tot de effectieve bezinksnelheid. Hier geldt dus:
Hieruit is V te elimineren. Substitutie
in (7) geeft:
S, = S (1 -II47t D"n2)
(9)
S,=
S, =
S =
V =
(7)
Invoering van de volumetrische concentratie C,, in vgl. 9 geeft tenslotte
s, = s (l - 1,2 Cv2/3)
(10)
Welk verband bestaat er nu tussen
S en S,.
Stel de deeltjes hebben een diameter
D en het aantal deeltjes per eenheid
van lengte is in alle richtingen n.
De volumetrische concentratie C, is
nu:
D3 . n3
C, = I / ~ T
Per eenheid van oppervlakte is de
totale oppervlakte ingenomen door de
deeltjes = 1/47 D? .n2. Ter bepaling
Tengevolge van afwijkingen in de bolvorm zal de factor 1,2 in werkelijkheid groter zijn. Metingen hebben uitgewezen, dat deze varieert van 1,5
voor afgeronde zandkorrels tot 2,s
voor uitgevlokte deeltjes.
Afb. 4 geeft een voorbeeld van de afname van de bezinksnelheid als functie van de deeltjesconcentratie voor
deeltjes met een dichtheid = 1,2 en
een getal van Reynolds = 0,76.
Bij de bezinking van rivierslib is zelfs
S-v
effectieve bezinksnelheid
relatieve bezinksnelheid
opwaartse watersnelheid
ken en dus een bezinksnelheid heeft
60
groter dan
x 1.20 = 4,80 m/h.
15
Alle deeltjes die een bezinksnelheid
hebben kleiner dan 4,80 m/h komen op
een diepte van 1,20 m na 15 min. nog
onveranderd in concentratie voor. Na
30 min. is op 1,20 m diepte nog
81
aanwezig. 19
van de deeltjes
heeft dus een bezinksnelheid groter
60
dan - x 1.20 = 2,40 m/h. D e deel30
tjes met een kleinere bezinksnelheid
komen na een half uur op 1,20 m nog
onveranderd voor. Door de meting
voldoende lang door te zetten kunnen
we dus een volledig inzicht krijgen in
de verdeling van de bezinksnelheden
van de suspensie. Door de homogeniteit van de suspensie en de eenparigheid van de bezinksnelheid levert het
monsterpunt op 2,80 m in wezen dezelfde gegevens. Na bijv. 90 min is
de deeltjesconcentratie op deze diepte
70
Dit wil dus zeggen dat 30
van de deeltjes een bezinksnelheid
heeft die groter is dan
-
l
-
VOLUMETRISCHE CONCENTRATIE
Afb. 4 - Aftiatti: vati de bez.inkstiellieid als firtictie vati de coticetltratie der gesusperldeerde
deeltjes.
bij zeer sterke slibconcentraties de invloed nog te verwaarlozen. Immers,
stel het slibgehalte op 5000 mg11 met
een s.g. van 2,65, dan is
5000
C , = 2 , 6 5 X 10-6 111 = 0,002
T
z.
S, = S (1 - 2,o x 0,0022V3) =
S ( l - 0,032).
De effectieve bezinksnelheid is dus
met ruim 3
gedaald.
Wel kan in een vlokkendeken van
daadwerkelijke gehinderde sedimentatie worden gesproken.
Ook bij de actief slibbezinking in de
afvalwaterzuivering is sprake van
sterk gehinderde bezinking. Zie afb. 5.
2.2 Bezinking van suspensies
I n de voorgaande paragraaf is steeds
gesproken over deeltjes die allen dezelfde diameter hebben. In werkelijkheid zullen we echter steeds te maken
hebben met suspensies, waarin deeltjes
van verschillende diameter voorkomen. Hoe groter de diameter, hoe
sneller de deeltjes bezinken. Voor de
veel voorkomende laminaire bezinking is: de bezinksnelheid evenredig
met het kwadraat vdn de diameter,
voor turbulente bezinking met de wortel uit de diameter. Voor de bestudering van het bezinkkarakter van een
suspensie gebruiken we weer het toestel van afb. 1.
We gaan uit van een suspensie van
20
!!
L.1I
,
f
'
1
B O
Y L M
3s'
16
1
UnI.XLIWXV(I)E SLlS
1
1
1
$0
MINUTEN
d
- Beot,kitlg
ac~ef
rlibsi,spelisie niet oorsprot~kelijke hoeveelheid vaste stof vati 2000 ttlgll.
discrete deeltjes, zorgen er voor dat
deze volkomen homogeen in de kolom komt en dat de temperatuur niet
verandert. De beginconcentratie van
de deeltjes is bekend en wordt gesteld
op 100
Op verschillende hoogten
worden nu op gezette tijden monsters
aan de kolom onttrokken en hiervan
wordt de deeltjes-concentratie bepaald. Door de voortgaande bezinking zal de concentratie steeds minder
worden naarmate de tijd verstrijkt.
I n de onderstaande tabel zijn gegevens
van 2 monsterpunten verzameld.
Beschouwen we eerst het monsterpunt
op 1,20 m. Na 15 min. is hier nog
96
van de deeltjes aanwezig. D.W.Z.
al voorbij dit punt is gezondat 4
z.
I n afb. 6 zijn de bezinksnelheden aan
de hand van de bovenstaande meetgegevens in een frequentieverdeling
uitgezet. Met een
zijn de meetgegevens van het monsterpunt op 1,20 m
aangegeven en met een O die op 2,80
m.
Wat is nu het totale bezinkrendement
van een suspensie die gedurende een
tijd T staat in een tank met een hoogte H?
Alle deeltjes die een bezinksnelheid
+
H
hebben groter dan -bezinken
voor
T
100
Deze bezinksnelheid noemen
we de kritische bezinksnelheid S, ook
wel genoemd oppervlaktebelasting.
Uit de frequentieverdeling gegeven in
afb. 7 stellen we vast welke concentratie po behoort bij S,. (De concentratie is niet meer in
uitgedrukt
maar in een verhoudingsgetal waarbij
de uitgangsconcentratie 1 is). l-p, is
dus volledig bezonken. De deeltjes
met een kleinere bezinksnelheid dan
S, zijn in de tijd T niet volledig bezonken. Zij zijn slechts bezonken voor
S
zover ze zich een afstand
x H
x.
s0
-
diepte van
het monsterpunt onder
water
1-20 m
2,80 m
concentratie van de deeltjes na verschillende bezinktijden
15 min
30 min
45 min
60 min
90 min
180 min
96 %
81 %
97 %
62 %
93 %
46 70
86 q0
23 %
70 %
6%
32 %
boven de bodem bevonden.
Het rendement van de bezinking van
deeltjes met een bezinksnelheid S is
S
dus .
De aanvangsconcentratie van
s0
deze deeltjes met bezinksnelheid S be-
-
Afb. 8 Rendement van de bezinking van
discrete deeltjes als functie van de opperi:laktebelasting.
Afb. 6
- Frequentieverdeling voor de
bezinksnelheden van discrete deeltjes.
draagt dp. Het bezinkrendement is
S
dus - dp. Het bezinkeffect van alle
S"
deeltjes met snelheden kleiner dan S,
bedraagt dus
O
totaal rendement van de gehele bezinking bedraagt dus:
oppervlakte van het schuin gearceerde
gebied in het linker deel van afb. 7.
In het rechter deel van afb. 7 is dit
gebied rechthoekig van vorm gemaakt
door de oppervlakken A en B aan
elkaar gelijk te maken. Het quotient
van
/;'dp
en S. is dus gelijk
o
aan a en het totaal rendement van de
gehele bezinking is r = 1 - p,
a.
Het blijkt dus, dat het rendement van
de bezinking van een bepaalde suspensie geheel bepaald wordt door de
kritische bezinksnelheid of opperH
vlaktebelasting S, =
. Naarmate
T
de S, daalt neemt het rendement toe
(zie afb. 8). We zien tevens, dat het
rendement niet in absolute zin beinvloed wordt door de diepte. Een
+
De grootte van de integraal kan op
eenvoudige wijze uit de frequentie
grafiek worden afgeleid.
,-PO
r PO
Sdp is de
O
'(
Afb. 7
- Frequentieverdeling voor de
O
S.
-
bezinksnelheden van discrete deeltjes.
mlh
bepaalde hoeveelheid Q van een suspensie staat een tijd T in een tank
met een hoogte H en bereikt daar
door een bepaald bezinkrendement.
In dezelfde tijd T kan in een tank van
de halve hoogte hetzelfde rendement
worden bereikt door in dit vat tweemaal gedurende een tijd 112 T een
hoeveelheid
Q te laten bezinken.
Wanneer we dus een bepaalde hoeveelheid Q willen behandelen in een bepaalde tijd T wordt het effect in het
geheel niet door de tankdiepte beinvloed. Zie afb. 9.
Houden we echter de verblijftijd constant en laten we de tankdiepte afnemen, dan neemt het rendement toe.
De hoeveelheid behandeld water per
tijdseenheid neemt evenwel in dezelfde mate af.
Zoals gesteld geldt de bovenstaande
beschouwing alleen voor discrete deeltjes. Bij de bezinking van flocculente
deeltjes heeft de tankdiepte een absolute invloed. Deze deeltjes worden
tijdens de bezinking steeds groter en
gaan dus voortdurend sneller bezinken. Bij flocculente bezinking kunnen
we dan ook geen frequentieverdeling
van de bezinksnelheid maken, die onafhankelijk is van de diepte. Elke
diepte heeft zijn eigen frequentieverdeling. Afb. 10 is hiervan een voorbeeld. Duidelijk is te zien, dat de bezinksnelheden toenemen met de diepte. Bij het bepalen van het rendement
van de bezinking van een bepaalde
suspensie t.o.v. de oppervlaktebelasting moet hier nu dus de tankdiepte
als parameter worden ingevoerd. Hoe
het rendement bij eenzelfde oppervlakte belasting toeneemt met de diepte laat afb. 11 zien. Beschouwen we
in afb. 12 het rendement t.o.v. de
verblijftijd dan zien we nu, anders dan
in afb. 9, dat het rendement in een
4 m diepe tank na 8 uur verblijftijd
groter is dan in een 2 m diepe tank
na 4 uur.
Afb. 9 - Rendement van de bezinking van
discrete deeltjes als functie van de verbliifrijd voor verschillende diepten van de bezjnktank.
d
BEZINKSNELHEID
Wanneer we derhalve bij flocculente
bezinking betrouwbare gegevens Uit
bezinkproeven willen verkrijgen zullen
we er zorg voor moeten dragen, dat
de diepte van de proeftank tenminste
even groot is als de diepte van het
werkelijke bezinkbekken.
3. Continue bezinking
De discontinue bezinking in stilstaande bekkens, zoals die in het vorige
hoofdstuk is besproken wordt in de
praktijk zeer weinig toegepast. Meestal laat men de bezinking continu verlopen in bekkens die horizontaal of
verticaal doorstroomd worden.
We beperken ons in dit hoofdstuk tot
de horizontaal doorstroomde bekkens,
en wel die met een rechthoekige plattegrond. Afb. 13 toont een dergelijk
bekken in principe. Het bestaat uit
een inlaatzone waarin de suspensie
zo goed mogelijk over de doorsnede
van het bekken wordt verdeeld, een
waar het bezinkingsproces plaats vindt, een slibzone
en een uitlaatzone. Terwijl het bekken
door de suspensie horizontaal doorlopen wordt, zakken de vaste deeltjes
Afb. 10
-
S
Gemeten frequentieverdeling voor de bezinksnellteid van flocculente deeltjes.
0.5
3 tlìIUUR
>
%;H
Afb. 11 - Reiidenient van de bezinking van flocculerzte deeltjes als functie van de oppervlaktebelasting voor verschillende diepten van de bezinktank.
Afb. 13
- Sedimentatiebekken met horizontale doorstroming.
I
-
F
Afb. 12 - Rendement van de bezinking van
flocculente deeltjes als junctie van de verbliiftiid voor verschillende diepten van de
2.5
1.5
lNFLuENdl~~~~
~
IL
I~
:=
E
,:-/
-
C F F L W
T
3
1
1
4 z$
--!
F s m w N r ~ ~ i E
H
l
I
LANGS DOORSNEDE
H
L
B
Q
BOVENAANZICHT
= Effectieve hoogte van het bekken
= Effectieve lengte van het bekken
= Breedte van het bekken
= Doorstroom debiet
doorstroomsnelheid bedraagt V,
=
-.Q
BH
De afgelegde weg van deeltjes met
een bezinksnelheid S, en S is ingetekend. Aíle deeltjes met een bezinksnelheid groter dan S, bezinken voor
100
Uit de op de eerder aangegeven wijze bepaalde frequentiekromme
voor bezinksnelheden zien we weer
dat de totale concentratie hiervan
1 - p, bedraagt.
De deeltjes met bezinksnelheid S beh
zinken voor een gedeeltehetgeen
H
S
gelijk is aan -.
S"
Het totale bizinkrendement is dus
volkomen gelijk aan het in vergelijking 11 gevonden rendement voor
stilstaande bezinking
z.
Afb. I 4
- ~ezinkingvan discrete deeltjes in een ideaal bezinkbekken.
naar beneden. De grove deeltjes be- de theorie zullen we ons in eerste inzinken vóór in het bekken, naarmate stantie weer beperken tot discrete
de deeltjes fijner worden bezinken ze deeltjes en daarbij uitgaan van een
over een langer stuk van het bekken. ideaal bassin. Dit is een bassin waar
De sliblaag zal zich in het algemeen de suspensie volkomen regelmatig
dan ook niet horizontaal maar hellend doorheen stroomt en waarin de beafnemend naar het eind van het bek- zinking op dezelfde wijze plaats vindt
ken opbouwen. Het verwijderen van als in een stilstaand bassin van dede sliblaag kan continu geschieden, zelfde diepte.
bijv. door mechanisch bewogen schra- Het moet daartoe voldoen aan deze
pers, zoals gebruikelijk is bij de afval- voorwaarden:
waterzuivering waar de belasting 1. De concentratie van gesuspendeerd
zwaar is. Het kan ook discontinu
materiaal van elke grootte is gelijk
plaats vinden door het bekken leeg in alle punten van de dwarsdoorte laten lopen en de sliblaag te ver- snede t.p.v. de inlaat.
wijderen. Deze methode wordt nogal 2. De stroomrichting is horizontaal
eens gevolgd bij de drinkwaterzuiveen de snelheid is overal gelijk. De
ring waar de belasting niet groot is. verblijftijd van elk waterdeeltje is dus
Terwille van de continuïteit in het gelijk aan de theoretische verblijftijd.
bedrijf moeten dan uiteraard meer3. Een deeltje is blijvend aan de
dere bekkens parallel werken.
suspensie onttrokken als het de
bodem van het bekken heeft bereikt.
3.1 Bezinking in een ideaal bekken
Afb. 14 toont een ideaal bassin met
Ten behoeve van het uitwerken van bezinking van discrete deeltjes. De
Afb. 15
- Eorizontale
doorstroming.
i
INFLUENI
SEDIMENWIE ZONE
I
EFFLUENT
:,h
,
,
SEDIMENTATIE ZONE
en kan op de eerder beschreven manier worden bepaald uit de frequentieverdeling voor de bezinksnelheden.
Het is dus geheel bepaald door de
kritische bezinksnelheid of oppervlaktebelasting S,.
De grootte hiervan is weer gemakkelijk te bepalen.
LHB
T =--
Q
14 ingevuld in 13 geeft
Q
H.Q - Q s, = ----LHB
LB o m . v.h. bekken
De benaming ,,oppervlaktebelastingw
voor S, krijgt hier een duidelijker betekenis dan bij de bezinking in stilstaand water. Het bezinkingsrendement van een ideaal bekken dat horizontaal doorstrooriid wordt door een
bepaald suspensiedebiet wordt dus alleen bepaald door de grootte van de
oppervlakte van het bekken. De diepte oefent hierop geen invloed uit. Afb.
15 laat dit nog eens zien. De drie
bekkens krijgen hetzelfde debiet Q
te verwerken. Het bovenste bekken
heeft een hoogte H en het daaronderstaande bekken heeft een hoogte
H.
In beide gevallen is het rendement
S, =
Q
DOORSTROOMDEBIET
V
r DOORSTROOMSNELHEIO
~ORIZONUAL
TUSSMSCHOI
S*
KRITISCHE BEZINKSNELHEID
H
EFFEKTIEVE DIEPTE VAN HET BEKKEN
Q
en dus gelijk.
BL
Het is ook meetkundig te zien door
de kritische bezinkweg in te tekenen.
I n het bovenste bekken is de horizontale snelheid = V en in het daaronderstaande bekken = 2V. Hieruit
volgt dat S, in beide gevallen even
-
ter
v is de kinematische viscositeitscoëfficiënt.
[Er dient uitdrukkelijk op gewezen te
worden dat hier van een ander getal
van Reynolds sprake is dan in hoofdstuk 2. In hoofdstuk 2 karakteriseerde Re het stroombeeld rondom
het bezinkende deeltje als gevolg van
de bezinking. Thans karakteriseert Re
het gehele stroombeeld in het doorstroomd wordende bekken. Het eerste
zouden we het mikrogetal van Reynolds kunnen noemen, het tweede het
makrogetal van Reynolds].
3.2 Storende factoren in werkelijke
bekkens
In de praktijk voldoen bezinkbekkens
nooit geheel aan de voorwaarden voor
een ideaal bekken. Er is een aantal
storende factoren waarvan de voornaamste zijn:
Bij dit type bekkens (regelmatig van
vorm, geen plaatselijke discontinuïteiten en storingen geldt, dat het stroombeeld laminair is zolang Re < 2000.
In het algemeen is dus een klein getal
van Reynolds vereist. Vullen we V,
en R in Re in, dan krijgen we
groot is. Het onderste bekken heeft
weer een hoogte H, maar heeft op
H
een hoogte y een tussenbodem. De
-
horizontale snelheid is nu weer V.
De kritische bezinksnelheid is nu ech- , de helft van de eerste twee
2
bekkens. Het bekken is als het ware
twee maal zo groot geworden, de oppervlaktebelasting derhalve teruggevallen tot de helft waardoor het rendement aanzienlijk is verhoogd.
storing door turbulente stroming
storing door uitschuring
storing door kortsluitstromen
storing door samengroeien van de
deeltjes.
De eerste drie factoren verkleinen het
bezinkrendement, de laatste factor vergroot dit. Zij zullen achtereenvolgens
nader besproken worden.
1
Q
V
BH
Re=-x-x
V, is de gemiddelde horizontale snel-
heid: V, =
Q
-
BH
R is de hydraulische straal van het
BH
bekken: R =
2H
B
+
+ 2H
-
Dit eist dus brede en diepe bekkens.
De horizontale stroomsnelheid V, zal
hierin laag zijn. Wordt nu van een
gewenste oppervlaktebelasting uitgegaan, dan betekent een grote breedte,
dat de lengte kort zal zijn. Korte,
brede, diepe bekkens zijn duur en
werken storingen door kortsluitstromen in de hand.
Aan storingen door turbulentie zal
in het algemeen dus moeilijk zijn te
ontkomen. Het is daarom van belang
te weten wat de invloed van de V,
op het bezinkrendement zal zijn en
als dit rendement onvoldoende zou
blijken te zijn, hoe dit dan verbeterd
kan worden. De door de Amerikaan
a.
b.
c.
d.
a. Storing door turbulente stroming
In het ideale bekken werd de bezinking in het geheel niet beïnvloed door
de horizontale stroming door het
bassin. Deze bezinking vereist een
laminair stroombeeld. Wanneer echter het stroombeeld turbulent is wil
dit zeggen dat er ook stroming in
verticale richting voorkomt, neer- en
opwaarts gericht. De bezinkweg van
de deeltjes zal hierdoor beïnvloed
worden en niet meer recht verlopen,
maar gebogen zijn. Afb. 16 geeft hiervan enige voorbeelden. Het rendement
van de bezinking zal achteruit gaan.
Immers van alle deeltjes die bijvoorbeeld nog juist geheel in het ideale
bekken zouden bezinken (bezinksnelheid S,) is er een deel dat sneller bezinkt, hetgeen het rendement niet verhoogt en een deel, dat niet meer tot
bezinking komt hetgeen rendementsverlaging betekent.
Het stroombeeld in het bekken wordt
bepaald door het getal van Reynolds
V,.R
Re= -
BH
B
EFFLUENT
I
Afb. I 6
- Het
Afb. 17
- Rendement
I
effect van turbulente strotnimg bij sedimentatie.
varz bezinking van discrete deeltjes bij turbulente stroniing.
I
T. R. Camp opgestelde grafieken van
afb. 17 geven hierin een inzicht. Stel
we sturen een bepaald debiet van een
suspensie van gelijke deeltjes met een
bezinksnelheid S door een bepaald
bekken. De oppervlaktebelastin; (of
kritische bezinksnelheid) bedraagt
s, =
B.L. . StelS is 'leiner dan 0' .
De bezinking kan dus niet volledig
zijn en wanneer het bekken ideaal
S
was zou het rendement - bedragen.
SO
Stel dit is 0,8. In de grafiek kunnen
we nu zien, dat het bezinkrendement
metterdaad het maximaal haalbare
S
van 0,8 zal zijn als
2 0,4 D.W.Z.
-Q
v,
-
als V, s 2,s S. Wordt V, groter, bijv.
S
= 0,l of V, = 10 S dan daalt
VO
het rendement tot 0,77 enz.
S
Doordat overigens de - schaal
v0
logarithmisch is, is de invloed van de
turbulentie niet zo bijzonder groot.
Bij het bovenstaande voorbeeld van
S
= 0,8 hebben we gezien dat
s0
-
de diepte van het bekken gekozen,
S
dan is dus - bekend. Willen we nu
v0
een bepaald bezinkrendement halen,
dan kunnen we uit de -grafiek aflezen
S
hoe groot - moet zijn. Doordat S
S"
bekend is is nu ook S,, de oppervlaktebelasting, bekend en kunnen we met
de reeds vastgestelde B de L van het
uitrekenen.
b. Storing door uitschuring
In het ideale bekken zijn we ervan
uitgegaan, dat deeltjes die eenmaal
de bodem hadden bereikt definitief
bezonken waren. we hebben berekend, dat de werking van dit ideale
bekken slechts door de oppervlakte-wordt bepaald,
B.L.
onafhankelijk van de diepte. Laten
we nu echter de diepte afnemen, dan
neemt de horizontale snelheid V,
evenredig toe en op een bepaald
moment is deze zo groot, dat niet
meer aan de voorwaarde, dat eenmaal
bezonken deeltjes op de bodem blijven liggen, wordt voldaan. Ze zullen
door de te grote V, weer worden opgenomen, uitschuring treedt op en het
bezinkrendement vermindert. De kritische snelheid waarmee dit gebeurt
wordt de sleepsnelheid V, genoemd.
Volgens Camp is deze gelijk aan
belasting S, =
Q
het rendement 0,8 (maximaal) is bij
V, = 2,5 S. Bij V, = 10 S is het 0,77
en bij V, = 100 S is het 0,65. Vanaf
het maximaal haalbare betekent dit
een achteruitgang van ca. 20
voor
een 40-voudige snelheidsverhoging.
Hebben we overigens uit andere overwegingen voor een bekend debiet van 3!, = vormfactor, variërend van 0,04
een suspensie van deeltjes met een be- voor uniforme zandkorrels tot 0.06
kende bezinksnelheid S de breedte en voor platte deeltjes.
Afb. 18 - De sleepsnelheid van bolvormige deeltjes als functie vari diameter en specifieke
dichtheid.
mlh
f = wrijvingscoëfficiënt; gerniddelde waarde 0,03.
D = diameter van het deeltje.
Afb. 18 geeft de sleepsnelheden t.o.v.
de deeltjes diameter bij verschillende
relatieve dichtheden en waarden van
,!3 = 0,05 en f = 0,03. Voor zandkorrels (p,/p = 2,65) van 1 mm is
deze ca. 2000 m/h en van 0,l mm
ca. 600 m/h.
Om uitschuring te voorkomen moet
V,
s
S, =
Q
V,. Daar V, = BH
Q
kan deze voorwaarden
BL
worden omgezet in:
-
Ook dit vraagt dus om korte diepe
bekkens, die om aan de vereiste oppervlaktebelasting te komen, een grote
breedte moeten hebben.
c. Storing door kortstluitstromen
Bij het ideale bekken zijn de stroomsnelheden op alle punten van de
dwarsdoorsnede gelijk. De verblijftijd
is voor alle deeltjes gelijk
B-L
H
T = --
Q
In werkelijke bekkens zal dit niet het
geval zijn. De verblijftijd zal niet voor
alle deeltjes gelijk zijn. Afb. 19 geeft
een voorbeeld van een frequentieverdeling van de verblijftijd van deeltjes
in een ideaal bekken en in een werkelijk bekken. De gemiddelde verblijftijd
in het werkelijke bekken is echter
gelijk aan die in het ideale bekken.
De ongelijke snelheidsverdeling kan
in de eerste plaats optreden over de
I
I
1
Afb. 19 - Frequentieverdeling voor de verbiijftijdeti in een ideaal en in een werkelijk
bezinkbekken zonder kortsluiting.
16'
10"
DEELTJES GROOTTE d
16'
S'
i
10
W' mm
verticaal. Afb. 20 geeft hiervan een
voorbeeld. Stromingspatroon I1 is van
een ideaal bekken, stromingspatroon I
is van een werkelijk bekken.
Stel dat de suspensie alleen bestaat
uit deeltjes met bezinksnelheid S. Bij
stromingspatroon I bezinken alle
deeltjes die zich binnen hoogte h,'
boven de bodem bevinden en bij stromingspatroon I1 die zich binnen een
hoogte h, boven de bodem bevinden.
Het gebied van de deeltjes, die niet
tot bezinking komen, is bij patroon I
dus dunner dan bij patroon II, de horizontale snelheid is echter evenredig
groter dan bij patroon 11, zodat het
totale rendement gelijk blijft.
Dat dit exact juist is kan als volgt
worden berekend.
Stromingspatroon 11, rendement is r
L
l
Afb. 20 - Afgelegde wegen bij bezinking van discrete deeltjes bij verschillende stromingspatronen.
Stromingspatroon I, rendement is r'
Vergelijking 17 is ook te schrijven:
I
h,
B
-Q =-h,
V,
H -Q
BV,
Is r nu variabel dan wordt dit:
ho
SEOICIEIIWIE ZONE
I
-
I
-
HET SAMENGROEIEN VAN TWEE MELTJES
0J
Voor stromingspatroon I geldt dus
h,'
B
r'
Q o
dx
dy
V = -, S = - d u s v d y = sdx
dt
dt '
terwijl y loopt van h,' tot 0, loopt x
van O tot L
I
-1
INFLUENT
1
.,
(17) = (18) dus voor beide stromingspatronen is het rendement gelijk.
Dit geldt alleen als de genziddelde verblijftijd gelijk is aan de ideale verblijffijd en als er homogeniteit is in
dwarsrichting.
In het algemeen is deze homogeniteit
er niet. Langs de wanden is de stroomsnelheid minder dan in het midden
van het bassin. Dit heeft wel enige
invloed op het rendement. We kunnen
ons het bekken verdeeld denken in
een aantal stroken met verschillende
oppervlaktebelasting. Aangezien de lijn
die het verband aangeeft tussen het
rendement en de oppervlaktebelasting
over het algemeen echter een slechts
weinig hol gekromd beeld vertoont
(zie afb. 8) is de storing op het gemiddelde rendement gering.
Dit is echter bepaald niet het geval
wanneer in het bekken kortsluitstromen, dode hoeken en neren voorkomen. De gemiddelde verblijf tijd
wordt nu korter dan de theoretische.
Bepaalde gedeelten van het bekken
EFFLuEN1
I
INFLüíNT
I
EFFLWNT
k.
I
HET CONTINUE AANGROEIEN VAN EEN DEELTJE
-
A f b . 21 Sedintetztatie van niet-discrete deeltjes.
doen niet mee, waardoor de oppervlakte-belasting van het overige deel
toeneemt. Dit heeft een belangrijke
daling van het rendement tengevolge.
Deze kortsluitstromen kunnen in het
algemeen worden voorkomen door
een zo goed mogelijke verdeling van
watertoevoer en -afvoer over de
breedte van het bekken en door de
verhoudingen tussen lengte, breedte
en diepte van het bekken zodanig te
kiezen, dat de storende invloeden zo
weinig mogelijk kans krijgen, dus dat
de stroming zo stabiel mogelijk is. De
stabiliteit van een stroming wordt
beter naarmate de verhouding tussen
de traagheidskrachten en de zwaartekracht groter is. Deze worden weergegeven door het dimensieloze getal van
Froude.
V, = gemiddelde hor. snelheid
R = hydraulische straal
Naarmate dit getal dus groter is, is
de stabiliteit van het bekken groter.
Dus:
+
Q2
B
2H
g
B3 .H3
Om een groot Froude-getal te krijgen
Fr=
-
moeten B en H dus klein zijn. Teneinde de vereiste oppervlaktebelasting
te verkrijgen wordt L dus lang. Bovenstaande ontwerpeis is helaas tegengesteld aan de reeds geformuleerde ontwerpeisen i.v.m. turbulentie en uitschuring. Dat wil zeggen, dat het
Froude-getal toch weer zo klein
mogelijk gehouden moet worden. Het
is nog niet nauwkeurig bekend, bij
welk minimum Froude-getal de stroming nog stabiel is. Ervaring wijst
naar een waarde van 10-5.
d. Storing door samengroeien
Bij de continue bezinking in horizontaal doorstroomde bekkens zijn tot
nu toe slechts suspensies van discrete
deeltjes besproken. De behandelde
storende invloeden hadden hierbij
slechts een negatief resultaat op het
rendement.
In afb. 21 is een storing aangegeven,
die positief werkt op het rendement.
Dit is het samengroeien van deeltjes.
Dit kan discontinu gebeuren wanneer
twee deeltjes aan elkaar blijven zitten
en de bezinkweg zich ontwikkelt als
in de bovenste tekening is aangegeven.
Of het kan continu gebeuren zoals op
de onderste tekening is weergegeven.
We kunnen nu spreken van floccu-
lente bezinking. De flocculente bezinking wordt door de turbulentie in
de hand gewerkt. Het is nu niet meer
alleen de oppervlaktebelasting die het
rendement bepaalt (afgezien van storingen) maar ook de diepte krijgt een
belangrijke invloed. Overigens kan
verwezen worden naar hetgeen hierover in hoofdstuk 2 is behandeld. In
het algemeen kan gesteld worden dat
bij de drinkwaterzuivering elke bezinking wel in meer of mindere mate
flocculent zal verlopen. Wanneer bij
het ontwerp dus uitgegaan wordt van
discrete bezinking, zit hierin een
reserve.
4.
Ontwerp van bezinkbekkens met
horizontale doorstroming
De voorgaande theoretische beschouwingen zijn geheel gebaseerd geweest
op bekkens met een rechthoekige plattegrond. In de praktijk komen deze
veelvuldig voor, met name daar waar
bij de zuivering van drinkwater de
bezinking een onderdeel van het proces uitmaakt. Vooral bij de zuivering
van afvalwater worden echter ook
zeer vaak ronde bekkens toegepast.
aan uit de praktijk bekende vergelijkbare gegevens. Hiermede is de oppervlakte van het bekken bepaald, immers:
Q
oppervlaktebelasting = S, = BL
Nu komt het er nog op aan om breedte en lengte, waarvan het produkt
bekend is zodanig te kiezen, dat zo
weinig mogelijk negatieve storingen in
de vorm van turbulentie, uitschuring
en kortsluiting zullen optreden. We
hebben gezien dat deze worden beheerst door het getal van Reynolds en
het getal van Froude en dat deze
getallen zo mogelijk respectievelijk
kleiner moeten zijn dan 2000 en groter
dan 10-5. Dus:
2 m en ligt zeer vaak tussen 3% en
4 m. Tesamen met de oppervlaktebelasting bepaalt de diepte de verblijftijd in het bekken. Deze ligt meestal
tussen 1 en 3 uur voor bezinking van
vaste stof en tussen de 2 en 4 uur voor
de bezinking na coagulatie.
Bij de bovenstaande afmetingen en
verhoudingen komt men tot te lage
Froude-getallen en te hoge getallen
van Reynolds. Door in de bekkens
schotten te plaatsen kan dit worden
verbeterd. Dit is in afb. 22 aangegeven. Het kunnen zijn onderbroken
Schotten in langs- of dwarsrichting,
dan wel doorlopende schotten in
langsrichting. Door deze maatregelen
neemt de horizontale snelheid toe en
B H
de hydraulische straal R = B 2H
wordt kleiner. In het getal van Reynolds werken deze effecten tegen
elkaar in, zodat het maar weinig groter wordt. Bij het Froude-getal werken
de effecten in dezelfde richting, de
vergroting van de snelheid zelfs kwadratisch. Het Froude-getal neemt dus
belangrijk toe en het totale rendement
wordt duidelijk verhoogd. Er dient wel
op te worden gelet, dat de sleepkracht
niet wordt overschreden. Door deze
maatregelen kan nu zonder gevaar de
oppervlaktebelasting worden vergroot
van de genoemde 1 à 2 m/h tot 2 à
2,5 m/h. Een andere methode tot rendementsverhoging is aangegeven in
afb. 23.
+
We kunnen deze beide getallen op hun
grenswaarde zetten en voor v een
gemiddelde waarde kiezen, bijvoorbeeld die van 10" C, d.w.z. V = 1,31 x
10-6 mvsec. V, en R zijn nu de enige
onbekenden en kunnen worden uitgerekend. Dit geeft V, = 6,4 mm/sec
4.1 Rechthoekige bekkens
Wanneer het debiet van de installatie en R = 0,41 m (Voor t = 5" wordt
bekend is, is de oppervlaktebelasting V, = 5,5 mm/sec en R = 0,55 m).
het eerste wat moet worden vastge- Aan deze voorwaarden volcfoen slechts
steld. Deze kan aan de hand van het de bovenaan in afb. 22 getekende zeer
gewenste bezinkingsrendement en van brede platte korte bekkens met een
de frequentieverdeling van de bezink- diepte van ongeveer O,4S m of zeer
snelheden worden gekozen en getoetst hoge smalle lange bekkens met een
breedte van ongeveer 0,90 m. Dergelijke afmetingen zijn economisch zeer
Afb. 22 - Vorïitgei3iig van rechthoekige
onaantrekkelijk en zullen nooit worhorizoiitaal doorstroomde beziiikbekkens
den gemaakt.
met inacht~iaineva11 gunstige waarden valt
Bij de theoretische beschouwingen
Re en van liet getal van Froude.
hebben we overigens al gezien, dat bij
de praktisch toegepaste snelheden uitschuring niet zo vaak voorkomt en dat
de rendementsachteruitgang door turbulentie niet zo groot is, bij flocculente bezinking door de optredende
ONDERBROKEN HORIZONTAAL LANGSSCHOT
*de
vlokvorming zelfs in de hand
dz
werkt en dus positief beïnvloedt.
DWRLOPENDE HORIZONTALE LANGSSCHOTTEN
De invloed van kortsluitstromingen,
gekenmerkt door een slecht Froude- Afb. 23 - Vormgeving vaft rechthoekige
getal, werkt in veel sterkere mate ren- horizontaa! doorstroontde bezinkbekkens
i~zachtita~iie
vali gicnstige waardett van
dementsverlagend. Hier moet dus in met
Re en van het getal vali Froude.
de eerste plaats op worden gelet.
In de praktijk komt men de volgende
ontwerpuitgangspunten het meeste Hier is het bekken horizontaal verdeeld door een onderbroken of door
tegen.
De oppervlaktebelasting ligt meestal doorlopende langsschotten. In het
tussen 1 m/h en 2 m/h, waarbij 1 m/h eerste geval is de V, vergroot en de
toch wel bepaald als laag moet wor- R verkleind en in het tweede geval is
den beschouwd. De verhouding tussen alleen de R verkleind. Dit op zich
lengte en breedte ligt meestal tussen zelf werkt reeds rendementsverhogend,
3 en 5 en is soms nog zelfs beduidend doch in veel hogere mate wordt het
hoger. De diepte is zelden kleiner dan rendement opgevoerd, doordat de
I
ONDERBROKEN VERIIIULE UNGSSCWlIEN
I
oppervlaktebelasting in het eerste geval tot de helft en in het tweede
geval zelfs tot 113 is teruggebracht.
De bezinkoppervlakte is immers resp.
2 en 3 x zo groot geworden.
Met dit type bekken kan per eenheid
van terreinoppervlakte een zeer groot
vermogen worden bereikt. Ze hebben
het nadeel, dat de slibverwijdering
moeilijker wordt. Bij de afvalwaterzuivering, waar de belasting zo hoog
is, dat mechanische slibverwijdering
nodig is, worden ze dan ook weinig
toegepast. Bij de drinkwaterzuivering
is de slibaanval meestal veel minder
groot, waardoor de slibverwijdering
op eenvoudiger wijze kan plaats vinden, bijv. door discontinu spoelen.
Dan biedt deze bekkenvorm een aantrekkelijke oplossing. Vooral daar,
waar de terreinoppervlakte beperkt is,
de grondkosten hoog zijn, of door
klimatologische omstandigheden een
opstelling in de openlucht onmogelijk
is. I n verschillende nieuwe bedrijven
in Zweden en rondom Parijs zijn bezinkingsbekkens van dit type toegepast.
fl-
fiqI
>
- b- [
0
Afb. 24
- Z~ilaatco~istrztcties.
Afb. 25 - Afvoergofetl.
OVERSTORI
EFFLUENT
AFTAP
4.2 Inlaat- ei1 uitlaatconstructies
Uit de voorgaande beschouwingen is
gebleken, dat bij de inlaat een regelmatige verdeling van de suspensie
over de gehele dwarsdoorsnede van
het bekken ten zeerste gewenst is,
doch dat hierbij in de allereerste
plaats een zo gelijk mogelijke verdeling in breedterichting noodzakelijk is.
Onregelmatigheden hierin verlagen het
rendement, terwijl snelheidsverschillen
over de vertikaal van weinig invloed
op het rendement zijn. Dit leidt ertoe,
dat bij het ontwerpen van inlaatconstructies dus vooral aandacht moet
worden geschonken aan deze horizontale verdeling. In afb. 24 zijn hiervoor
verschillende methoden aangegeven.
De bekkens worden praktisch altijd
gevoed vanuit een enkel kanaal of een
enkele leiding. I n nr. 1 is de leiding
zodanig vertakt, dat de weerstanden
naar de verschillende inlaatpunten gelijk zijn en dus ook de debieten. I n
de nrs. 2, 3 en 4 zijn de intreeweerstanden in het bekken groot gehouden
t.o.v. de aanvoerweerstanden. De snelheden in de aanvoerleidingen zijn
meestal laag. Een gelijkmatige verdeling over de inlaatpunten kan hierdoor worden bewerkstelligd. Door
achter de inlaten in het bassin stootplaten of een geperforeerd schot te
plaatsen kan de regelmaat van het
intreepatroon nog verder worden verbeterd.
D e uitlaat vindt in het algemeen plaats
INTERMITTERENDE SLIBVERWIJDERING
-&w-
INFLUENT
EFFLUENT
CONTINUE SLIBVERWIIDERING
-.1
-
Afb. 26 - Sediwieiztatiebekkeiis. Horizotifale doorsfro~~zi~zg.
via een overstort. Als deze over de
volle breedte van het bekken wordt
geplaatst, is een gelijkmatige afname
over de breedte van het bassin verzekerd, hetgeen ten goede komt aan
de stabiliteit van de stroming. Terwille hiervan moet ook de afvoer per
meter overstortlengte niet te groot
zijn. Een maximum van circa 10 m3/h
wordt hiervoor opgegeven. Deze waarde is hoofdzakelijk afkomstig uit het
bedrijf van bezinkbekkens in gebruik
bij de behandeling van afvalwater. I n
de drinkwaterzuivering accepteert men
bij bezinkbekkens na een chemische
coagulatie en flocculatie meestal hogere afvoerwaarden. Achter deze bekkens komen altijd nog snelfilters voor
de verwijdering van de laatste vlokjes.
Bij niet te krap gedimensioneerde bezinkbekkens en een goede vloeiende
vorm van de overlaat worden met
overlaatdebieten van 70 tot 100 m3/h
per meter overlaatlengte de mee-
komende vlokjes niet zodanig kapot
gemaakt, dat enigerlei moeilijkheid
ontstaat met het verwijderen van deze
laatste vlokjes in de achterliggende
snelfilters. Op diverse manieren is de
overstortlengte desgewenst te vergroten. Afb. 25 geeft hiervan enige voorbeelden.
4.3 Slib verwijdering
De slibverwijdering kan in het algemeen op twee manieren plaats vinden.
a. Intermitterend, door het bekken
buiten dienst te stellen en het leeg
te laten lopen. Hierna kan het slib
met de hand worden verwijderd. Het
bekken moet een hellende bodem hebben. Aangezien het meeste slib vlak
bij de inlaat bezinkt wordt d e helling
daar soms steiler gemaakt dan in het
tweede deel van het bekken (zie afb.
26). Deze slibzak wordt veelal toegepast bij bezinking na coagulatie, wan-
neer de belasting niet al te zwaar is.
Tijdens het leeglopen van het bekken
loopt een groot deel van het slib al
mee.
De rest kan meestal eenvoudig worden
weggespoten. Bij deze wijze van slibverwijdering moet wel gerekend worden op een behoorlijke ruimte voor de
slibberging. De looptijd bedraagt enige
weken tot enige maanden, in sommige
gevallen bij zeer grote bekkens meer
dan een jaar. Bij lange looptijden behoort men er wel zeker van te zijn,
dat geen rotting van het slib kan gaan
optreden. De spoelverliezen zijn gering en bedragen meestal tussen 0,s %
en 1,O
b. Continu met behulp van mechanische slibverwijderingsinstallaties.
De meest voorkomende hiervan zijn
de kettingschrapers, die het slib naar
het einde van het bekken schuiven,
vanwaar het wordt afgevoerd via een
leiding. Daarnaast zijn er de enkele
bodemschrapers, die zijn verbonden
aan een zich dwars over het bekken
bevindende brug, die langzaam in
langsrichting van het bekken rijdt. Bij
de teruggang is de schraper meestal
boven water geheven. De bodemschraper heeft het voordeel, dat zich geen
bewegende delen onder water bevinden. Dit is wel het geval met de kettingschrapers, die over het algemeen
vrij veel onderhoud vragen, waarvoor
het bekken weer buiten dienst gezet
moet worden. Het spoelverlies ligt
hier zelden beneden 3
Bij de afvalwaterzuivering komt men praktisch
alleen mechanische slibverwijdering
tegen.
A
t
-3
SUBAFVOER
SEOIMENIATIE
.
SEOIHENIATIE
B
BOVENAANZICHT
7----
DOORSNEDE A-A (sedimentatie)
x.
fl.
i
i
1
i
INFLVEWT 7
SLIB
AFVOER
L
/
/
/
\
ROERWERK
\
L-
I n afb. 26 zijn enkele voorbeelden gegeven van een eenvoudig sedimentatiebekken. I n afb. 27 is het sedimentatiebekken direct verbonden aan het flocculatiebekken en door een onderbroken langsschot in twee delen verdeeld.
In afb. 28 is een sedimentatiebekken
getekend met een tussenbodem en omkerende stroomrichting, zoals uitgevoerd in de drinkwaterzuiveringsbedrijven van de stad Stockholm. Het
werkt dus als een bekken van ongeveer dubbele lengte. In afb. 29 is het
principe van een drielaags sedimentatiebekken gegeven, zoals die o a.
voorkomen bij de zuiveringsbedrijven
Méry sur Oise en Choisy Ie Roi in de
omgeving van Parijs.
4.5 Bezinkhekkens inet ronde
doorsnede
Naast de bekkens met rechthoekige
plattegrond treft men ook veelvuldig
P
,
l
Afb. 27 - Flocculatie en sedinre~rtatiebekken afvalwaterzi<ii~eri~ig
eti o~itharditig.Horizo~i!ale doorstror~iii~g.
x.
4.4 V o o r b e e l d e n
l
E E R M I
DOORSNEDE B-B (flocculatie)
Afb. 28 - Sedirtieritatiebekke>i (Stockholrtr). Horizo~itnledoorstroniiiig.
Afb. 29 - Drielaags sedir>ie~riatiebekken.
1
ronde bekkens aan. De aanvoer vindt
in het centrum plaats en de afvoer
aan de buitenrand. Hydraulisch zijn
deze tanks bepaald in het nadeel t.o.v.
rechthoekige bekkens. Vooral in ronde bekkens met grote diameter is
geen stabiele stroming te bewerkstelligen en in bekkens met kleine diameter is de ruimte, die door aan- en
afvoerzone wordt ingenomen, relatief
groot t.o.v. de bezinkingszone. Ook
zijn de bouwkosten van kleine ronde
tanks hoger dan van rechthoekige. Bij
grote afmetingen (boven 40 m diameter) zijn de bouwkosten van ronde
tanks echter lager dan van rechthoekige. Een duidelijk voordeel van
ronde tanks is de grotere bedrijfszekerheid van het slibverwijderingsmechanisme. Het kan robuust worden
opgezet en de rondgaande beweging,
waarbij het slib naar het centrum
wordt geschoven, is eenvoudig. Vooral
in de afvalwaterzuivering is deze siibverwijdering een zeer belangrijk punt.
Ronde tanks zijn bovendien gemakkelijk in grote eenheden te bouwen. Om
deze redenen ontmoet men daarom
waarschijnlijk juist bij de afvalwaterzuivering zoveel ronde tanks. In de
afb. 30 en 31 zijn enige voorbeelden
getekend.
CONTINUE SLIBAFVOER
Il
Afb. 30
- Flocc~ílatieen
sediinentatiebekken Degrénioizt. Horizontale doorsfro?ning.
- -.
DOORSNEDE A - A
DRUVING ROERWERK
I
5.
Bezinkbekkens met verticale
doorstroming
Bij discrete bezinking geven bekkens
met een vertikale doorstroming duidelijk een lager rendement dan de bekkens met horizontale doorstroming.
Immers, wanneer het debiet Q is en
de oppervlakte is A, dan is de oppervlaktebelasting
-.AQ
De opwaartse snelheid is echter ook
Q
gelijk aan - en alléén die deeltjes
A
zullen bezinken, die een grotere bezinksnelheid hebben dan
i
BOVENAANZICHT
l
- Floccrílatie en sedinzeirtnfiebassin Walton & Key, Cleanfier. Spiraalvormige
horizontnle doorsiroining.
Afb. 31
Afb. 32 - Sedinzentafie en flocculatietank. Tlte Caridy Filter Conip. Verticale doorstroming.
l
A
.
-
Alle
andere worden meegenomen. Het
maximale rendement is gelijk aan de
oppervlaktebelasting.
Bij horizontale doorstroming bezinkt ook nog een belangrijk deel van
de deeltjes met een lagere bezinksnelheid dan de oppervlaktebelasting.
Voor flocculente bezinking ligt dit
echter anders. De lichte vlokjes met
een bezinksnelheid lager dan de opwaartse watersnelheid worden door
het water meegevoerd en botsen op
hun weg tegen zwaardere bezinkende
vlokken aan. Zij verenigen zich daarmee en bezinken zo tesamen met toegenomen bezinksnelheid. Inmiddels
worden steeds nieuwe vlokken aangevoerd en na korte tijd ontstaat een
toestand van gehinderde bezinking.
De volumeconcentratie wordt op de
duur zó hoog, dat een gehinderde bezinking ontstaat met een stromingstoestand, die voldoet aan de hydrodynamische principes van een gefluïdiseerd bed van vlokken.
De karakteristieke eigenschappen van
een gefluïdiseerd bed in een vloeistof
zijn:
l e een duidelijke bovenbegrenzing;
2e menging in het bed;
3e toename van de ruimte tussen de
vlokken bij toenemende snelheid.
Tussen de open ruimte E in een gefluïdiseerd bed ( E = 1 - p, als p de
volumeconcentratie van de vlokken is)
en de opwaartse snelheid, bestaat het
volgende verband:
BOVENAANZICHT
SLIBAFVOER
SLIBAFWER
VLOKKENDEKEN
ROERWERK
I
DOORSNEDE A - A
Afb. 33
- Flocculatie
Afb. 34
- Pulsator (Degrémont). Verticale doorstroming.
en sedimentatiebassin DWL Rotterdam. Verticale doorstroming.
Afb. 35 - Sedimentatietank met vlokrecirculatie Boby-Graver-reactivator William Boby &
Co. Ltd. Verticale doorstrotning.
\UL,SLIBAFVOER
V = opwaartse snelheid
S = bezinksnelheid van de deeltjes
cx = coëfficiënt
cu is afhankelijk van het getal van
Reynolds en van de vlokvorm.
a! ,
" 2,5 voor turbulente stroming
en CV > 5 voor laminaire stroming.
Metingen op Al- en Fe-vlokken leverde cr = 4.
De bovenbegrenzing van het gefluidiseerde bed is in de meeste gevallen
duidelijk waarneembaar.
Het gefluïdiseerde bed als geheel
wordt vlokkendeken genoemd. De
vorming en de stabiliteit van de vlokkendeken wordt bevorderd door de
bekkens naar boven toe wijder te maken, waardoor de opwaartse snelheid
regelmatig afneemt. Deze verwijding
is echter voor het verschijnsel niet
principieel. Een nadeel van de verwijding is het ontstaan .van een onstabiel stromingsbeeld.
Door Bond zijn metingen verricht
t.a.v. de toelaatbare opwaartse snelheid. Voor een vlokkendeken van
aluminiumvlok kwam hij tot de conclusie, dat een volkomen veilige opwaartse snelheid V, t.p.v. de vlokkendeken I/S S is, wanneer S de bezinksnelheid van de afzonderlijke deeltjes
is. Voor S vond hij een snelheid van
S - 6,5 m/h.
Bij V, = 0,55 S komen er plaatselijk
erupties in de vlokkendeken en gaan
er kleine deeltjes mee omhoog en bij
V, = 0,65 S is er geen duidelijke begrenzing van de vlokkendeken meer.
In Rotterdam zijn metingen aan de
ijzervlokken gedaan die hogere waarden aangeven.
Vlokdiameter
in mm
Bezinksnelheden bij
verschillende temp.
VWKKENOEKEN
De dichtheid van de vlok p, = 1,003
De maximale opwaartse snelheid t.p.v.
de vlokkendeken bedraagt bij het in
Rotterdam gebruikte type klaarbekken 4,s à 5,O m/h.
I n de winter moet een coagulatie-hulpmiddel ter vergroting van de vlok
worden toegevoegd. Bij deze opwaartse snelheid is de vlokkendeken niet
meer volledig in rust. Erupties treden
regelmatig op en continu worden
enige vlokken mee omhoog gevoerd.
Deze worden echter gemakkelijk door
de achterliggende snelfilters opgevangen.
De waterhoogte boven de vlokkendeken moet zodanig zijn, dat het
water zoveel mogelijk met verticale
stroomlijnen uit de vlokkendeken
komt. Wanneer de onderlinge afstand
tussen de aan de oppervlakte gelegen
afvoergoten 1 bedraagt en de waterhoogte boven de vlokkendeken h, dan
geldt h > X 1.
De opwaartse snelheden mogen ook
niet te laag zijn, anders gaat plaatselijk
bezinking optreden met kans op verstoppingen.
Samenvattend zijn voordelen van een
sedimentatiebekken met vlokkendeken:
l e Het grote sedimentatierendement
(oppervlaktebelasting tussen 2,s m/h
en 4,s m/h;
2e Betrekkelijke korte verblijftijd ( X
uur tot 1% uur).
Als nadelen gelden t.o.v. horizontale
doorstromingsbekkens:
1. Hydraulisch labieler;
2. Gevoeliger voor zich wijzigende
omstandigheden, waardoor een accuratere chemicaliëndosering en een
nauwkeuriger controle nodig is.
De slibverwijdering vindt praktisch
steeds plaats door bezinking aan de
zijkanten of in het centrum van het
bekken en door discontinue afvoer.
Het sedimentatiebekken wordt meestal
in één eenheid gecombineerd met de
flocculatieruimte. Dit biedt tevens de
mogelijkheid tot recirculatie van een
gedeelte der vlok, wat een snelle ontmoetingskans van kleine nieuwe vlokken met grote oude vlokken vergroot.
Er komen zowel ronde als rechthoekige bekkens voor.
-
Afb. 36
- Sediinentatietaiik
met vlokrecirctllatie (Degréntont). Verticale doorstronting.
danks dat, is de toepassing echter juist
door hun grotere economie terecht in
belangrijke mate toegenomen.
Nu zijn een eenvoudige exploitatie en
6. Nabeschouwing
een grote economie in de bouw geIn de techniek van de drinkwaterzui- combineerd in het systeem van meervering komen bezinkbekkens hoofd- laags horizontale doorstromingssedizakelijk voor bij de behandeling van mentatiebekkens.Echter op voorwaaroppervlaktewater na een chemische de, dat geen mechanische slibverwijdecoagulatie en flocculatie. In het ver- ring vereist is. Zoals boven vermeld,
leden werden hoofdzakelijk éénlaagse wordt aan deze voorwaarde bij de
bekkens met horizontale doorstroming drinkwaterzuivering praktisch steeds
gebruikt. Deze zijn bij goede dimen- voldaan, met name onder de ~ e d e r sionering betrouwbaar gebleken en landse omstandigheden.
zeer eenvoudig in exploitatie. Daar Ik meen dan ook, dat, wanneer bij de
waar de slibbelasting niet te hoog is drinkwaterzuivering een bezinking na
(dus in veruit de meeste gevallen) be- chemische coagulatie en flocculatie
hoeft geen continu werkende mecha- in het zuiveringssysteem wordt opgenische of hydraulische slibverwijde- nomen, in de eerste plaats een oplosring te worden aangebracht. Een na- sing met een systeem van verticaal
sedimentatiebekkens
deel van deze bekkens is echter het doorstroomde
met vlokkendeken of een oplossing
grote oppervlak, dat ze innemen.
Sedimentatiebekkens met verticale met een systeem van meerlaags horidoorstroming en een vlokkendeken zontale doorstromings-bezinking als
zijn in dit opzicht veel economischer, gelijkwaardige mogelijkheden moeten
doch de exploitatie is moeilijker. On- worden onderzocht.
In de afb. 32 t / m 36 zijn enige uitvoeringstypen als voorbeeld gegeven.
Literatuur
1. Camp, T. R., Sedimentation and fhe design of settling ta~iks.ASCE Transactions.
April 1945, blz. 895-959.
2. AWWA, Capacity and loadings of suspe~idedSolids Contact Units. Joumal AWWA.
April 1951, blz. 263-292.
3. Camp, T. R., Studies o f Sedimentation Basin Desigri. Sewage and Industrial Wastes.
Jan. 1953, blz. 1-15.
4. Ingersoll, A. C., McKee, J. E., Brooks, N. H., Fundamental Concepts o f rectangular
settli~lgtanks. ASCE Sanitary Engineering Division. Jan. 1955.
5. Fischerstrom, Claes N. H., Sedimentation in rectangular basins. ASCE Sanitary
Engineering Division. Mei 1955.
6. AWWA, Mixing aiid Sedimentatioii Basins. Journal AWWA. Augustus 1955, blz.
768-791.
7. Fair, G. M. and Geijer, J. C., Elentents of Water Supply aiid wastewater disposal.
John Wiley & Sons, inc. New York 1958.
8. Huisman, L., I~iterriatio~tal
Course in Saititary Engi~teen~~g.
Collegedictaat.
9. Bond, A. W., Behaviour of suspensions. Joumal of the Institution of Water Engineers.
1961, blz. 494-517.
10. MilIer, D. G., Sedinteittation. Water Research Association. Technica1 Paper, nr. 23.
Mei 1962.
11. Bond, A. W., Water-solids separation in an upflow: wit11 particular reference 10 the
use of a slurry pool for solids contact in water freatment. Joumal of the Institution
of Water Engineers. Okt. 1966, blz. 477-490.
12. Stenhouse, J. I. T., Settling of Particles in Dilute Suspensions. Filtration & Separation.
Sept./Okt. 1967, blz. 477-483.
13. Tesarik, Igor, Flow in sludge-blanket clarifiers. ASCE Journal of the Sanitary Engineering Division. Dec. 1967, blz. 105-121.
DRS. G. OSKAM
Drinkwaterleidmg der Gemeente Rotterdam
SUMMARY
Coagulation and Flocculation
The object of this paper is to review current theories of coagulation and flocculation, in order to arrive at conclusions, which are
applicable in water treatment practice.
ï h e stabity of colloidal particles and their interactions are
explained in accordance with the Verwey-Overbeek treatment of
the electrical double layer theory.
Coagulant metal ions hydrolyze in aqueous solution and polymerize by olation and oxolation reactions to polynuclear species (the
charge and structure of which are governed bij pH and ionic composition of the solution) and ultirnately to the insoluble hydroxydes
or hydrous oxides.
The conflicting views of diierent authors on the mechanism of
destabilization by hydrolyzing coagulants are discussed and the
practica] conditions for efficient turbidity and color removal are
constdered.
The second part of the paper deals with the kietics of flocculation.
The perikinetic flocculation of particles of submicron size is
promoted primarily by Brownian motion, whereas orthokietic
flocculation of larger particles is governed by velocity gradients.
The von Smoluchowski relationships are the basis for modem
extensions of the theory, from which conclusions may be d r a m
for the design of flocculators.
Coagulatie en flocculatie
Inleiding
In natuurlijke wateren komen naast
opgeloste anorganische en organische
stoffen en gesuspendeerd materiaal
vrijwel altijd verbindingen voor, die
op grond van hun afmetingen (5 mp
tot 0,2 p) colloidaal genoemd worden.
De voor de waterleidingpraktijk belangrijkste typen van colloidale stoffen in oppervlakte wateren zijn:
a. troebeling veroorzakende anorganische kleirnineralen, waaraan
meestentijds organische stoffen geadsorbeerd zijn.
b. kleurvormende bestanddelen van
organische aard, die echter niet
allen een colloidaal karakter hebben.
c. complexe organische verbindingen,
als gevolg van de lozing van industrieel en huishoudelijk afvalwater.
flocculatie met behulp van ijzer- of
aluminiumzouten, maar de onder c
genoemde stoffen zijn hiervoor dikwijls minder gevoelig, zodat bij hoge
concentraties een oxydatieve of adsorptieve zuiveringsfase niet achterwege kan blijven.
Reuk- en smaakstoffen hebben in het
algemeen geen coiloidaal karakter.
Juist hun waarneembaarheid is onverenigbaar met de molecuulgrootte, die
voor colloiden kenmerkend is. Het
effect van een coagulatie op reuk- en
smaakverwijdering is meestal gering.
In de literatuur worden de begrippen
coagulatie, flocculatie en vlokking op
verwarrende wijze gebruikt voor uiteenlopende begrippen. In navolging
van Packham worden de termen coagulatie en flocculatie als volgt omschreven:
De negatief geladen kleirnineralen behoren tot de groep van hydrofobe
colloiden, die gekenmerkt zijn door
de aanwezigheid van een fase grensvlak en over het algemeen anorganisch van aard zijn. Zij hebben het
karakter van discrete deeltjes. De onder b en c genoemde hydrofiele colloiden worden tot de colloiden gerekend op grond van hun molecuulgrootte. Een fase grensvlak ontbreekt
en hun eveneens negatieve lading
wordt veroorzaakt door ionisatie.
1. de coagulatiefase omvat het destabiliseringsproces van de colloidale
deeltjes door middel van chemicaliëndosering.
Door keuze van de juiste omstandigheden kunnen troebeling en kleurveroorzakende substanties efficiënt verwijderd worden door coagulatie en
Stabiliteit hydrofobe coiioidale
deeltjes
Van groot belang voor de stabiliteit is
de verhouding van oppervlak en massa
2. in de flocculatiefase vindt aangroeung plaats van colíoidale deeltjes tot sedimenteerbare enlof affiltreerbare vlokken onder invloed van
transportprocessen. Botsing en verkleving vinden plaats onder invloed
van diffusie (Brownse beweging) en
snelheidsgradiënten.
van een deeltje. Bij grote deeltjes is
dit quotiënt klein en massa-effecten
(i.c. sedimentatie) overheersen. Voor
een zeer klein partikeltje is de verhouding groot en de eigenschappen,
die samenhangen met het oppervlak,
zoals lading en adsorptie, kunnen belangrijk worden.
Reeds in 1809 ontdekte Reuss, dat in
water gedispergeerde kleideeltjes in
een electrisch veld naar de positieve
electrode bewogen.
Dit verschijnsel van de electroforese
gaf de eerste indicatie over de oorzaak van de stabiliteit van coiloiden,
nl. wederzijdse afstoting van deeltjes
op grond van de aanwezigheid van
een electrische lading aan het oppervlak. Daar een colloidale oplossing
als geheel electrisch neutraal is, dient
deze oppervlaktelading gecompenseerd
te worden door een tegenlading aan
of in de omgeving van het deeltje. Zo
ontstaat het beeld van de electrische
dubbellaag. Het zijn vooral Gouy,
Chapman en Stern geweest, die het
inzicht in de structuur van de dubbellaag ten zeerste verdiept hebben. Het
grensvlak van een vast deeltje en een
electroliet draagt een electrische
lading, veroorzaakt door adsorptie en l
of ionisatie. Ionen van tegengestelde
lading worden aangetrokken en rangschikken zich in 2 lagen. Aan het
grensvlak zelf bevindt zich een gefixeerde laag van specifiek geadsorbeerde ionen. In deze Sternlaag valt
de potentiaal steil van JI, tot JId over
een afstand ter grootte van de dia-
E
k
T
de dïèlectrische constante
de constante van Boltzmann
de absolute temperatuur
Voor vlakke deeltjes op korte afstand
van elkaar geldt:
De dikte van de dubbellaag,l, geeft
K
de gemiddelde afstand van de tegenionen tot de Sternlaag.
Het effect van electroliettoevoeging
kan uit de formules (1) en (2) worden
afgelezen. Vergroting van de electrolietconcentratie resulteert in het indrukken van het diffuse gedeelte van
de dubbellaag en verlaging van 9.
O
AFSTAND
X
Afb. 1 - Diagram van de electriscl~edubbellaag van het potentiaal verloop als fuiictie
vali de afstand X .
meter der ionen. De Gouy-Chapman
laag is de diffuse laag van beweeglijke tegenionen, waarvan de concentratie geleidelijk afneemt.
Zoals in afb. 1 schematisch weergegeven neemt in deze laag de potentiaal
exponentieel af tot 0.
De Sternpotentiaal 9, is nauw verwant met de potentiaal ter plaatse
van het afschuifvlak, de z.g. electrokinetische of zetapotentiaal (5 in afb.
l), die uit electrokinetische metingen
berekend kan worden.
Beide potentialen zijn sterk afhankelijk van de ionensterkte van de oplossing, die tevens bepalend is voor de
verdeling van de potentiaalval in Stern
en Gouy-laag.
Het verloop van de potentiaal in het
diffuse gedeelte van de dubbellaag
wordt gegeven door:
Wisselwerking tussen colloidale
deeltjes
Verwey en Overbeek (1948) en Derjaguin en Landau (1940, 1941) hebben
theorieën ontwikkeld over de wisselwerking van colloidale deeltjes. Beide
theorieën berusten op de berekening
van de wisselwerkingsenergie van
twee deeltjes als functie van hun afstand.
De wisselwerkingsenergie is opgebouwd uit een repulsie-energie als gevolg van de lading der deeltjes en een
attractie-energie tengevolge van Van
der Waals krachten.
v,,,
+
= VR
VA
(3)
De grootte van VR wordt bepaald
door vorm en afmetingen van de
coIloidale deeltjes, de ionensterkte, de
Sternpotentiaal JI, en de afstand der
deeltjes.
Door Verwey en Overbeek is voor
VR in benaderde vorm afgeleid:
VR =
64 n k T
. y2 e
-KH
, waarin y
Potentiaakomme opgebouwd uit
repulsie en attractie
Combinatie van formule (4) en formule (7) levert de totale wisselwerkingsenergie van twee vlakke deeltjes
als functie van hun onderlinge afstand H. Voor grote H zal de e-macht
van de repulsie sneuer naar nul nade1
ren danvan de attractie, zodat de
H2
attractie dan overheerst.
-KH
Voor zeer kleine H nadert e
tot
1
een bepaalde constante waarde, H,
nadert daarentegen tot co. Ook voor
zeer kleine afstand H overheerst dus
de attractie. In een tussengebied kan
echter de repulsie de boventoon voeren.
De vorm van de wisselwerkingskromme hangt af van 9, en dus van K.
Uit de zo berekende krommen (zie
afb. 2) blijkt, dat de repulsie groter
is bij kleine electrolietconcentratie.
Een colloidale oplossing zal instabiel
zijn, als de potentiaalberg in de kromme zo laag is, dat de deeltjes deze
door middel van hun kinetische energie kunnen overwinnen.
Als belangrijke conclusie komt uit het
werk van Verwey en Overbeek naar
voren, dat de ionensterkte bepalend is
voor de potentiaalverdeling over de
=-
-KX
9
= 9a.e
(1)
in het geval dat z+, < 25 m V en
slechts symmetrische electrolieten aanwezig zijn.
Hier is
9 de potentiaal op afstand x van de
Sternlaag;
K de reciproke dubbellaagdikte;
z de valentie van de (tegen)-ionen in
de dubbellaag.
voor
K
geldt de betrekking:
Hierin is
e
de lading van het electron
n
het aantal ionen per ml
Xnz2 de ionensterkte van de oplossing
Hierin is H de afstand der deeltjes.
Een andere schrijfwijze vindt men
door teller en noemer met K te vermenigvuldigen en KZ te substitueren:
electrische dubbellaag. Een verhoging
van de electrolietconcentratie heeft
een indrukken van het diffuse gedeelte
van de dubbellaag tot gevolg, waardoor de deeltjes elkaar zo dicht kun-
Deze formules gelden slechts voor het
geval, dat het oppervlak van de deeltjes vlak wordt verondersteld.
Derjaguin (1940) heeft de repulsieformules berekend voor bolvormige
deeltjes, terwijl Gregory (1964) de interactie van een bolvormig deeltje met
een vlak deeltje heeft doorgerekend.
Voor de attractie-energie van 2 deeltjes op afstand H is afgeleid
, waarin 1 5 n 5 6
v* = - constante
H"
(6)
Afb. 2 - Wisselwerkingsenergievan colloidale
deeltjes als functie van hun afstand en de
electrolietconcentratie van de oplossing.
+
1.1 ELECTROLIET
'+'o: 100mV
X- 2.10~
x:3.!Q6
DEELTJESAFSTAND H
x:5.106
,
L
-
nen naderen, dat de Van der Waals
attractie-krachten kunnen gaan overheersen en verkleving mogelijk wordt.
Voor deze wijze van destabiliseren
geldt, dat het effect van een bepaalde
dosis electroliet onafhankelijk is van
de concentratie van de colloidale fase.
TABEL I - Gre~iswaardeitnriio?~envoor positieve solen vari Fe(OHJ3 e11 AI (0H)s
Destabilisatie is ook mogelijk door
wederzijdse beïnvloeding van twee
tegengesteld geladen solen. De deeltjes
trekken elkaar aan en vormen complexen, waardoor flocculatie optreedt.
D e flocculatie zal alleen dan volledig
zijn als de totale lading van beide
colloiden aan elkaar gelijk is. Wederzijdse coagulatie van solen als destabiliseringsmechanisme impliceert dus
evenredigheid van dosis coagulans en
colloidconcentratie.
Dit
van
K ,
Het
Onder bepaalde omstandigheden kunnen colloidale deeltjes via een instabiele ongeladen fase omgeladen worden.
Bij de omlading kunnen we twee
typen onderscheiden:
1. Het omladende ion is potentiaalbepalend en behoort tot de bouwstenen van het colloidale deeltje.
2. D e omlading wordt bewerksblligd
door hooggeladen (gehydrolyseerde) ionen, bv. van Al en Fe, die binnen de Sternlaag door sterke specifieke adsorptie gebonden worden.
Is ladingsvermindering door deze specifieke adsorptie de destabiliserende
factor, dan is de noodzakelijke dosis
evenredig met het oppervlak en dus
met de concentratie van de colloidale
deeltjes.
Het destabiliserend vermogen van een
ion voor tegengesteld geladen coiloidale deeltjes is omgekeerd evenredig
met de zesde macht van zijn valentie.
Deze uitkomst gebaseerd op theoretische berekeningen stemt goed overeen met de experimentele ,,vlokwaarden" van Schultze en Hardy.
I n tabel I worden over een aantal
ionen gemiddelde grensconcentraties
(in mmol/l) gegeven voor de destabilisatie van positief geladen colloidale
Verband tussen valentie en
coagulerend vermogen
Door Schultze en Hardy waren reeds
vóór 1900 langs experimentele weg
regels afgeleid voor de ,,vlokwaarden"
van één-, twee- en driewaardige ionen.
De belangrijkste conclusies waren, dat
coagulatie veroorzaakt wordt door de
ionen, die een aan het colloidale deeltje tegengestelde lading bezitten en
wel in een des te kleinere concentratie,
naarmate de valentie hoger is. De
experimenteel bepaalde verhouding
voor één-, twee- en driewaardige
kationen bedroeg 600 : 8 : 1.
Terugkerend naar afb. 2, wordt verondersteld dat het sol instabiel zal
zijn, als het maximum in de energiekromme juist de H-as raakt (de curve
voor K = 5.106).
De hierbij behorende grenswaarde
wordt met K, aangeduid. I n het raakpunt met de abscis geldt:
Anion
Fe(0H)s
ratio
Al (OH)s
ratio
theoretisch(z-0)
1.O
0.018
52
0.63
0.08
1.O
0.012
0.0015
1.O
0.016
0.0013
-
éénwaardig
tweewaardig
driewaardig
11.8
0.21
uitgewerkt onder gebruikmaking
( 5 ) en (7) levert:
H = ~
(8)
energiemaximum ligt dus op een
2
afstand van H =
-
wezige electrolieten een belangrijke
oorzaak is voor vele op het eerste
gezicht tegenstrijdige waarnemingen,
die tot verschillende inzichten in het
mechanisme van de destabilisering geleid hebben.
Kg
Substitutie van (8) in V = O geeft:
z' K, = constant, en daar K, N z d n ,
wordt het resultaat:
2 [Fe (Hz01 OHI2+ + [(H~o)A~e <:)~e
2 HaO H
+
oplossingen van Fe (0H)s en Al
(0H)s.
Voor kationen liggen de vlokwaarden
voor negatieve colloidale deeltjes in
dezelfde orde van grootte.
Tweewaardige ionen hebben grenswaarden, die in oppervlaktewater heel
normaal zijn. Een SOP--gehalte van
50 tot 100 mg/l komt overeen met
0,s à 1 mmol/l, terwijl de in Rijn en
Maas voorkomende Ca'+-gehalten van
60 tot 100 mg11 equivalent zijn met
1.5 à 2.5 mmol/l.
Het is dus aan te nemen dat het electrolietgehalte van het water mede bepalend is zowel voor de stabiliteit van
de aanwezige coiloidale deeltjes als
voor het gedrag van de als coagulans
gebruikte hydrolyserende Fe(II1)- en
Al-zouten. De invloed van de aanwezigheid van HC03- en S042- op
de coagulatie en flocculatie van
F e (OH)3 is o.a. door Lerk (1965)
zeer duidelijk aangetoond in de vorm
van een verbreding van de pH-range
voor snelle flocculatie. Het is waarschijnlijk, dat het verwaarlozen van
de invloed van de in het water aan-
Chemie van hydrolyserende Fe (IQAl-zouten
I n sterk zure oplossingen is Fe3+
gehydrateerd met 6 coördinatief gebonden H2O-moleculen (liganden) in
octaëdrische omringing.
Afhankelijk van de p H treden de volgende hydrolyse-stappen op (van der
Giessen 1966):
F e (H20)$+ $ [Feí,H20)5 OH]'+ $
[Fe O-IzO)d (OH)zl+ $ Fe (H2013
(OW3 e [Fe WK92 (OWAI-.
De ferri-hydroxylionen hebben een
sterke neiging tot polymeriseren door
middel van olatie- en oxolatiereacties:
(H2O)r
+ 2H+
/o\
Fe \o/
z+
Fe ( ~ z ~ ) r ]
olatie = dehydratatie
oxolatie = dehydrering.
Een opeenvolging van deze reacties
leidt via polymere ferri-hydroxylstructuren, waarvan de ladingen bepaald worden door de pH, tot het
neerslaan van F e (OH)3 (,,ijzervlok").
Afb. 3 (ontleend aan Yao (1967)) geeft
een vereenvoudigd diagram van de
stabiliteitsgebieden van enkele primaire hydrolyseproducten als functie van
de F e 3+-concentratie en de pH. Uit
de afb. blijkt, dat het I.E.P. van
Fe(OH)3 ca. 8 bedraagt. Bij pH's lager
dan 8 overheersen positief geladen
complexen; boven een pH van 8
leidt de polymerisatie tot negatieve
complexen.
Het mechanisme van de hydrolysereacties van Al @&O)$+
is vrijwel
identiek aan dat van F e (H-O)$+.
Voor de samenstelling van de voornaamste hydrolysecomplexen is een
verhoudingsformule van Al (0H)i.s
gepostuleerd. Op grond van onderzoekingen van Brosset (1954), Matijevic
(1961) en Biedermann (1964) wordt
de bij oplopende p H in afb. 4 ge-
2. d.m.v. specifieke adsorptie binnen
L
Afb.
geven reactie sequentie verondersteld.
De pH-afhankelijkheid kan weer geillustreerd worden met een concentratie, pH-diagram, ontleend aan Black
en Chen (1967) (afb. 5).
Het I.E.P. van Al (Om3 ligt tussen
pH 6.5 en 7. Bij vergelijking van de
afb. 5 en 6 blijkt de oplosbaarheid van
Al (Oms groter te zijn dan die van
Fe (Oma.
Het onderzoek van deze hydrolyse- en
polymerisatiereacties is uitgevoerd met
zuivere Fe (IQ- en Al-oplossingen.
Reeds eerder is opgemerkt, dat de
flocculatie van Fe (III) en Al sterk
beïnvloed wordt door de samenstelling van de oplossing, waarin de flocculatie plaatsvindt.
Bij aanwezigheid van anionen met
sterke neiging tot coördinatiebinding
(zoals S04*- en PO+),
nemen zij
deel aan de liganden-uitwisseling in
de coördinatiesfeer van het metaalion.
Dit effect is des te sterker, naarmate
de OH--concentratie kleiner en de
p H dus lager is. De aldus gevormde
complexen precipiteren bij lagere pH
dan de overeenkomstige hydroxylcomplexen. Het gevolg is een verbreding
van de vlokrange door SO4% of zelfs
een verschuiving van het gebied van
optimale vlokvorming naar lagere pH
door PO4& (Packham 1963, Lerk
1965).
Aan deze ligandenuitwisseling met als
gevolg neerslagvorming is ook de fosfaatverwijdering in de coagulatie te
danken. Daar POJ3- en OH- bij deze
uitwisseling elkaars concurrenten zijn,
zal de optimale pH voor dit proces
lager zijn dan voor de Fe (Oma- en
Al (OH)a-v~rming.(Stumm en Morgan, 1962).
Sturnm en Morgan hebben tevens aangetoond, dat ook organische verbindingen met anionisch karakter door
ligandenuitwisseling zowel oplosbare
als onoplosbare complexen kunnen
vormen met Fe (111) en Al. Bij de verwijdering van de kleur zal {hier nog
op terug gekomen worden.
de Sternlaag wordt de negatieve
lading van de kleideeltjes geneiltraliseerd. Een te hoge concentratie coagulans resulteert in omlading en restabilisering.
3. Wederzijdse coagulatie van de door
polymerisatie colloidaal geworden
positieve hydroxylcomplexen en de
negatief geladen kleideeltjes. Tussen
de dosis coagulans en de troebeling
dient ook hier een stoechiometrische
relatie te bestaan.
Deze drie mechanismen hebben gemeen, dat zij de potentiaalverdeling in
de dubbellaag beïnvloeden. D.m.v.
electrokinetische metingen is studie
van dit potentiaalverloop mogelijk. In
de laatste 10 jaar is vooral in de V.S.
de meting van de electroforesesnelheid
in zwang gekomen, ter bepaling van
de zetapotentiaal (zie afb. 1).
Het verband tussen electroforesesnelheid vE en zetapotentiaal 5 is:
1. de metaalhydroxylcomplexen of de
metaalionen zelf fungeren als normale electrolyten en drukken de dubbellaag zover in, dat attractie gaat
overheersen. De vereiste dosis is onofhankelijk van de concentratie der
colloidale deeltjes. Ondanks eventuele overdosering is restabilisering niet
mogelijk.
Hierin is E de electrische veldsterkte;
7 de viscositeit en
f ( ~ a )is Henry's functie, die afhankelijk van de vorm en grootte van het
deeltje en de dikte van de dubbellaag
varieert van 1 tot 1.5 (Ka is groot -+
f = 1,s).
Bovendien is bij gemiddelde grootte
van Ka (0,l-100) ook nog een relaxatiecorrectie noodzakelijk t.g.v. deformatie van de dubbellaag tijdens de beweging (Overbeek 1952).
Het omrekenen van VE naar 5 middels een constante factor is daarom af
te raden; voor routinebepalingen dient
de electroforesesnelheid zelf als maatstaf voor de lading van het deeltje
gehanteerd te worden. Overbeek merkt
bovendien op, dat het begrip zetapotentiaal problematisch wordt bij elec-
Afb. 4 - Hydrolyse- en polymerisatiereacfies
van Al (III).
Afb. 5 - pH, coricentratiediagram valt verschillende hydrolyseproducten van Al (III).
Coagulatiemechnismen
Troebeling
De voor destabilisering voorgestelde
mechanismen kunnen als volgt samengevat worden:
200
E
.C
O
N
I
-
120
Ö
(10
m
ON
I
'D
40
Y.
U)
O
N
z
o
4
5
7
6
8
9
10
PH
Afb. 6 - Coagrtlatie en flocculatie van 50 mg/l kaoliniet met Al
(111) zo#tte?l.
troforese van organische macromoleculen, waar een afschuifvlak met een
min of meer constante potentiaal nauwelijks voorstelbaar is.
I n de Amerikaanse literatuur zijn een
groot aantal publicaties verschenen,
(vooral van Black en medewerkers)
waarin m,b.v. metingen van de electroforesesnelheid getracht werd inzicht
te verwerven in het mechanisme van
de coagulatie.
De drie genoemde mogelijkheden
komen daar allen wel op één of
andere manier in voor, zonder dat
duidelijk wordt aan welke nu het
grootste belang moet worden toegekend.
Door Riddick (1961 en 1964) en Bean
c.s. (1964) zijn waterwerken beschreven, waarin zetapotentiaalmetingwordt
gehanteerd als controle op de dosering van het coagulans. Riddick stelt
categorisch, dat reductie van de zetapotentiaal tot O + 5 m V een essentiele voorwaarde is voor een optimale
verwijdering van zowel hydrofobe als
hydrofiele colloidale verontreinigingen.
Lijnrecht hiertegenover stond de opvatting van Packham (1963).
Op grond van modelproeven met verdunde kleidispersies in een oplossing
met een electrolietconcentratie van
5 meq/l) kwam Packham tot de volgende conclusies:
De z.g. stabiliteit van troebeling veroorzakende kleideeltjes in natuurlijke
wateren is niet het gevolg van hun
negatieve lading, maar wordt veroorzaakt door ongunstige flocculatie
kinetiek. De dosering van coagulans
dient slechts om de voor uitvlokking
gunstige kinetische voorwaarden te
scheppen, waarbij de kleideeltjes in de
massa van flocculerende hydrolyseproducten worden ingesloten.
Afb. 7 - Coagulatie en flocculatie van 50 mg11 kaoliniet met
(lil) zouten.
Packham baseerde zich hierbij op de
volgende waarnemingen:
1. de coagulatie van troebeling hangt
sterker af van het coagulans en de
watersamenstelling, dan van de aard
van de gedispergeerde deeltjes.
2. Al- en Fe (111)-zouten hebben een
optimale werking onder omstandigheden, die hun snelste hydrolyse
en precipitatie veroorzaken.
3. coagulatie en flocculatie van geconcentreerde kleisuspensies treedt
op, onafhankelijk van de aanwezigheid van Fe (111)- of Al-zouten, m.a.w.
de vereiste dosis coagulans is kleiner
naarmate de kleiconcentratie "
moter is.
4. reductie van de zetapotentiaal correspondeert op generlei wijze met
het al of niet optreden van flocculatie
(Haii 1963).
In de afbeeldingen 6 en 7 zijn enige
van de flocculatiecu~envan Packham weergegeven.
Uit de curven valt af te lezen, dat de
optimum pH voor Alz(S04)s en Al Cl3
ca. 7 bedraagt (bij een electrolytconcentratie van 5 meal1
Na+. Cl- en
-,
HC03), terwijl het pH-gebied van
snelle flocculatie veel nauwer begrensd is dan voor Fe (111)-zouten.
De aanwezigheid van S042- in het
coagulans is blijkbaar al voldoende
om een vooral voor Fe (In) zeer
duidelijke verbreding van het vlokgebied teweeg te brengen.
Recente ontwikkelingen
In een recente publicatie heeft Black
(1967) de resultaten van een onderzoek beschreven, waarvan de conclusies redelijk aansluiten bij een door
Packham in 1965 geformuleerd rninder extreem standpunt. Black en Chen
hebben kaoliendispersies in gedestil-
leerd water onderworpen aan coagulatie en flocculatie bij pH 3, 5 en 8,
waarbij de Al-dosering de enige variabele was.
De resultaten van het experiment bij
pH 3 zijn samengevat in afb. 8.
Het effect van de bij deze pH aanwezige Als+-ionen was een reductie
van de electroforesesnelheid van -2.5
tot -0.3 p/sec/V/cm. Er vond geen
adsorptie en omlading plaats. De coagulatie door Als+ vindt kennelijk
plaats door dubbellaagcompressie.
Deze destabilisering had overigens
geen enkele invloed op de rest troebeling. Onafhankelijk van de dosering
was de procentuele troebelingsvermindering voor de meest geconcentreerde oplossing het grootst (in overAfb. 8 - Coagirlatie van kaolinief kleidispersies met AluiniiUumsulfaat bij pH3.
I
I
i-
-z
-:c
A 15.0 mg/,
B 31.7
47.5
D 63.3 ,,
.,,.
kaoliniet
dus formuleerde (Packham en Hall in de oplossing leidt tot een snelle insluiting. Er zijn aanwijzingen, dat J e
1965):
De dosering van coagulans in water vorm waarin de hydroxyden neerslaan
leidt tot de vorming van een grote afhaakelijk is van de snelheid en dat
verscheidenheid van hydrolyseproduc- bij snelle precipitatie lange molecuten, het optreden waarvan in sterke laire ketens gevormd worden, die ook
mate bepaald wordt door de pH en de nog een brugvormende functie hebben.
samenstelling van het water.
De hydrolyseproducten die primair c. Fe3+ en AP+ zelf spelen onder de
verantwoordelijk zijn voor het verin de waterleidingtechniek gebruiloop van de coagulatie, zijn:
kelijke
coagulatie-omstandigheden
a. polymere complexe ionen, die geen enkele rol.
sterk geadsorbeerd kunnen worden
aan troebeling veroorzakende parti- Invloed coìioidconcentratie op de
keltjes en daardoor destabilisering coagulatie
kunnen veroorzaken.
De mate, waarin destabilisering door
Een pH van ca. 5 is optimaal voor de specifieke adsorptie (,,adsorptie-coaguvorming van deze complexe ionen. latie") of insluiting in precipiterende
Tengevolge van de lage botsingsfre- metaalhydroxyden (,,precipitatiev) opquentie, is destabilisering alleen meest- treden, hangt af van de keuze van de
al niet voldoende voor een snelle reactie-omstandigheden, zoals de pH
A12(S04)3 doscring i n mg/(
flocculatie, tenzij de concentratie van en de concentratie van de colloidale
de troebeling zo hoog is, dat de kine- fase.
tische voorwaarden hiervoor aan- Stumm en Hahn (1967) hebben ex------:
Ai5.8 mg
kaoliniet
831.7
,,
,,
wezig zijn.
perimenteel onderzocht, hoe de colC47.5 .,
:
063.3 .,
,,
Onder omstandigheden, die in de loid-concentratie en coagulansdosering
praktijk echter zeer zeldzaam voor- elkaar wederzijds beïnvloeden in een
Afb. 9 - Coagulatie van kaoliniet kleidisperkomen, kan overdosering van het coa- pH-gebied, waarin restabilisering mo~ i e smet Aluminiu~nsulfaatbij pH5.
gulans omlading door deze complexe gelijk is (pH 5). Uit het gevonden
ionen veroorzaken, waardoor restabi- diagram zijn coagulatiecurven sameneenstemming met de inzichten van lisering optreedt.
gesteld, die schematisch weergeven,
Packham).
b . Fe (0H)a en Al (OH)a, de voor- onder welke omstandigheden adsorpBij pH 5 (zie afb. 9) was het beeld
naamste hydrolyse-producten bij tiecoagulatie en wanneer precipitatie
geheel anders. Een geringe dosering
pH 8, resp. 7 spelen de belangrijkste optreedt (afb. 12).
(3-5 mg/l) was reeds voldoende om
rol in de coagulatie en flocculatie van Is het gehalte aan colloidale deeltjes
tot ontlading te komen. De coagulatietroebeling. Zij hebben een optimale laag (klein adsorptie-oppervlak), dan
zone was echter zeer nauw en speciwerking, onder die condities, welke is coagulatie niet mogelijk en de troefieke adsorptie van hooggeladen hyleiden tot hun snelste vorming, waar- belingsverwijdering vindt plaats door
droxylcomplexen was verantwoordebij precipitatie op de deeltjes zelf en insluiting in precipiterend Fe (OH)3 of
lijk voor omlading en restabilisatie.
Afb. 10 toont de resultaten bij pH 8.
Een geleidelijke vermindering van de Afb. I0 - Coagulatie van kaoliniet kleidisper- Afb. I1 - Destabilisering en restabilisering
van kleidispersies ?net Fe (111) zouten.
bij pH8.
electroforesesnelheid tot nul (bij een sies niet Alurni~~izti~zsulfaat
dosering van 10-20 mg/l) resulteerde
niet in een efficiente flocculatie. Hiervoor was een grotere dosis noodzakelijk, waarbij de kleinste kleiconcentraties de grootste Alz(SO4)a-dosering vereisten. Op grond hiervan concludeerde Black, dat bij een pH van
8 fysische insluiting van kleipartikeltjes in precipiterend Al (0H)a het belangrijkste mechanisme was.
Een soortgelijk resultaat voor coagulatie van kleidispersies d.m.v. Fe (111)32
zouten werd gevonden door O'Melia
en Stumm (1967).
24
v
In de op hun resultaten gebaseerde
16
afb. 11 is aangegeven, hoe afhankelijk
..m
0
van de grootte van de Fe(II1)-dosering
O
10
20
30
40
50
in een pH-gebied van 3 tot 6 restabiliA I ~ ( S O ~dosering
) ~
in mg/(
sering mogelijk is.
Deze resultaten zijn niet meer in flagrante tegenspraak met de huidige gedachten van Packham aangaande de
coagulatie van troebeling, die hij al-
,
-.-.-i
---i
L
O
.
tatiereactie, berustend op interactie van
metaalhydroxylcomplexen en de carboxylgroepen van de kleurmoleculen,
die daarbij deel gaan uitmaken van de
coördinatiesfeer van de complexe Feen Al-ionen.
Het is niet onmogelijk, dat het verwijderingsmechanisme een functie is
van de molecuulgrootte, zodat beide
opvattingen bestaansrecht hebben.
De kennis van de voor de practijk belangrijkste voorwaarden voor een efficiënte kleurverwijdering is samengevat
in een A.W.W.A. Research Committee
Report (1967):
1. Er is een nauwe optimum pH
range, waarin de vereiste dosis
coagulans
minimaal is. Dit optimum
M= 3+ WSERING
ligt voor Fe (111) tussen pH 3,7 en 4,2
en voor Al tussen pH 5 en 5,s. Het
Afb. 12 - Schematische coagulatiecurven, als fmictie va11 colloidconce~itratieen coagulanshandhaven van deze optimum pH is
dosering.
des te kritischer, naarmate de kleur
van het water hoger is. In het algeAl (OH)s, als de dosis coagulans zo is mogelijk, dat deze wijze van werken meen is de bij de optimum p~ gegroot is, dat het oplosbaarheidspro- voordelen biedt, in het geval dat vormde vlok zwak van stmctuur. singduct van het metaalhydroxyde wordt tevens een efficiënte kleurverwijdering ley c.s, (1965) hebben geconcludeerd,
overschreden. I n dit gebied is de voor wordt nagestreefd, waarvoor eveneens dat bij kleurverwijdering met
(111)
precipitatie benodigde dosis coagulans een lage pH vereist is.
stabilisatie van de vlok bij een pH
kleiner, naarmate de Meiconcentratie
van minimaal 6 voor de filtratie noodgroter is. I n de practijk is dit de Kleurverwijdering
zakelijk is.
meest voorkomende wijze van
De kleur in natuurlijke wateren is toe 2. E, bestaat een stoechiometrische
daar hoge concentraties aan colloi- te schrijven aan de aanwezigheid van
relatie tussen de concentratie van
dale klei zeldzaam zijn.
organische verbindingen, afkomstig de kleurbestanddelen en de vereiste
Bij
kleiconcentratie
een van afbraakprocessen van plantaardig dosis coagulans+Zowel voor specifieke
materiaal (,,humusw). Op grond van adsorptie als voor precipitatie als vergroot Vecifiek
der
leidt de cOagulansdOsering
hun gedrag in de fractiescheiding wor- wijder.gsmechanisme is een dergelijk
geheel
gedeeltelijke vlokkinIJ: do- den drie hoofdgroepen onderscheiden: verband te verwachten.
sering van Overmaat coagulans resul- fulvinezuren, humhezuren en hyma3. De aanwezigheid van Caz+ en
teert in restabilisering, waarna uit- tomelaninezuren.
Mgz+ heeft een gunstig effect in
eindelijk weer precipitatie plaatsvindt. ~~~~~l Shapiro (1964) tot een andere
de vorm van een verbreding van het
Bij zeer hoge colloidconcentratietreedt
kwam, en een alifatisch ka- optimale pH-gebied. Een hogere coaeen kreversibele
omdat rakter veronderstelde, wordt aange- gulatie pH kan daardoor voor harde
in dit gebied een continue overgang nomen dat het merendeel der genoem- _teren toch tot een acceptabde hleur
bestaat tussen coagulatie en precipi- de mren voorkomt als
van het eindproduct leiden.
tatie.
polyhydroxy-methoxy-carbonzuren
De voor coagulatie vereiste dosering (Black en Christman 1963, Christman 4.
kleurverwijdering 'Orrespondeert lang niet altijd met
is over het algemeen veel kleiner dan en Ghassemi 1966).
destabilisatie in de zin van een voldie voor precipitatie. Stumm en Hahn Over het mechanisme van de kleurbenadrukken echter vooral, dat enkele verwijdering bestaat eveneens verschil komen
toestand van de
voor sedimentatie en filtratie belang- van mening. Black en medewerkers kleurmoleculen'
rijke fysische eigenschappen zoals (1961 en 1963) beschouwen de kleur- 5. In die gevallen, waarin een
dichtheid en wrijvingsbestendigheid vormende verbindingen als negatieve
kleur samengaat met een zeer gevan een ,,coagulatievlok" veel groter colloiden, die door specifieke adsorp- finge troebeling, is het waarschijnlijk
zijn dan van een ,,precipitatievlok". tie van positief geladen hydrolyse- economischer de kleur langs oXYdaweg te verwijderen.
Het verdient naar hun mening aan- complexen van Fe (ILI) en Al gecoa- ti"
In de afb. 13 en 14 wordt de kleurbeveling te streven naar vlokvorming guleerd worden.
in het gebied van de adsorptie-coagu- Shapiro (1964) en Packham (1964) verwijdering als functie van de pH en
latie. Is het colloidgehalte van het menen, dat humine- en fulvinezuren de coagulans dosering weergegeven.
water hiervoor te laag, dan kan door in ware oplossing aanwezig zijn, waardosering van negatief geladen colloi- bij slechts aan een gedeelte van de flocculatie
den zoals bentoniet de concentratie moleculen op grond van hun grootte Als de primaire voorwaarden voor een
verhoogd worden. Het lijkt echter een colloidaal karakter kan worden gunstige flocculatiekinetiekexperimenteel zijn vastgesteld, dient in de flocwaarschijnlijk, dat de voor deze ad- toegekend.
sorptiecoagulatie gewenste pH van ca. Stumm en Morgan (1962), Shapiro culatiefase aangroeiing van deeltjes
5 voor vele goed gebufferde opper- (1964) en Packham en Hall (1965) zien plaats te vinden, tot vlokken van een
vlaktewateren prohibitief zal zijn. Het het proces als een chemische precipi- zodanige grootte en dichtheid, dat een
C = COAGULATIE
P = PRECIPITATIE
Perikinetische flocculatie
De flocculatie tengevolge van Brownse
beweging is door von Smoluchowski
(1917) beschouwd als een diffusieproces. Hij toonde aan, dat na een te verwaarlozen tijdsduur zich een stationnaire toestand instelt, waarbij het aantal deeltjes, dat per tijdseenheid door
een willekeurig boloppervlak in de
richting van één centraal deeltje diffundeert, gegeven wordt door de
eerste diffusiewet van Fick:
Hierin is
D de diffusie coëfficiënt;
n het aantal deeltjes per ml;
r straal van het boloppervlak.
Integratie levert:
1 = 4 ~ D R n
(12)
Hierin is R de botsingsdiameter (=
ca. 2 x de deeltjesstraal).
Afb. 13 - pH-afltankelijkheid van de kleurvenuijderirtg bij verschillende Aluminiunt
doserirtgert
.
efficiënte scheiding van vlok en water
mogelijk is.
Botsing en verkleving vinden plaats
tengevolge van transportprocessen. In
het geval van zeer kleine deeltjes
(< 0.1 p) bij de aanvang van de flocculatiefase, overheerst het transport
door middel van Brownse-beweging.
Dit is de perikinetische flocculatie.
Afb. 14
- pH-afltal~kelijklieidvalt
Bij een deeltjes grootte van 10 p en
groter wordt de diffusiesnelheid zeer
gering. De flocculatie zou tot stilstand
komen, tenzij door kunstmatige agitatie de botsingskans van de deeltjes
wordt verhoogd. De vlokvorming onder invloed van snelheidsgradiënten
wordt de orthokinetische flocculatie
genoemd.
de kleurverwijderirig bij verscl~illerideFe (111) doseringen.
Brengen we de Brownse beweging van
het centrale deeltje zelf in rekening,
dan is het aantal deeltjes, dat per tijdseenheid met het centrale deeltje in
botsing komt gelijk aan:
Daar elk deeltje op zijn beurt als centraal deeltje fungeert, is de afname
van het totaal aantal deeltjes, aannemend dat elke botsing tot verkleving leidt:
De perikinetische flocculatie verloopt
als een bimoleculaire reactie, waarvan
de reactieconstante 8 T DR bedraagt.
Oplossing van de differentiaalvergelijking levert voor het totale aantal
deeltjes op tijdstip t de betrekking:
en voor het aantal deeltjes van de ke
orde:
Hierin is n, het oorspronkelijke aantal
deeltjes en
1
T de halveringstijd =
T DR
Afb. 15 illustreert het verloop van de
perikinetische flocculatie als functie
van de tijd.
Uit de curven blijkt, dat Zn reeds op
het tijdstip t = 2T nauwelijks meer
door botsing en verkleving mogelijk
wordt. Von Smoluchowski (1917) is
ook de grondlegger geweest van de
theorie van de orthokinetische flocculatie.
Zijn basisvergelijking luidt:
Hierin is
J de botsingsfrequentie;
R de botsingsdiameter;
G de sneiheidsgradiënt (dimensie
sec-).
Y+
Afb. 15 - Het verloop der perikiiietische
flocculatie als functie vali de tijd.
kleiner wordt. Daar de halveringstijd
T afhankelijk van de deeltjesconcentratie n, een orde van grootte heeft
van 1 tot 60 sec., heeft de perikinetische flocculatie reeds zeer snel zijn
effectiviteit verloren. Een verdere aangroeiing tot grotere deeltjes kan slechts
plaatsvinden door orthokinetische
flocculatie onder invloed van snelheidsgradiënten.
In principe geldt de bovengenoemde
afleiding slechts voor een uniforme
verdeling van de deeltjes grootte
(monodisperse oplossing). Zeer kort
na de aanvang van de flocculatie is
hier geen sprake meer van. Swift en
Friedlander (1964) hebben de von
Smoluchowski theorie aangepast aan
de flocculatie van een heterodispers
systeem. Zij voerden een tijdsvariabele
functie van de deeltjesgrootteverdeling
in met behulp van een z.g. ,,self preservation principle". De mathematiek
van deze theorie is zeer ingewikkeld.
Het gevonden verband voor de afname van het totale aantal deelties is:
(17)
Hierin is Ai de deeltjesgrootteverdelingsfunctie. Ook bij toepassen van
deze verfijning wordt het bimoleculaire karakter van de perikinetische
flocculatie bevestigd.
Hahn (1966) concludeert, dat de oorspronkelijke benadering van von Smoluchowski voor alle practijkomstandigheden met voldoende nauwkeurigheid kan worden toegepast.
Orthokinetische flocculatie
De onder invloed van perikinetische
flocculatie gevormde microvlokjes
kunnen slechts door middel van agitatie tot grotere vlokken aangroeien.
Tengevolge van het optreden van snelheidsgradiënten bewegen de deeltjes
zich ten opzichte van elkaar, waar-
Uit de verhouding J en I is af te
lezen hoe de deeltjesgrootte en de
toegepaste snelheidsgradiënt het aandeel van beide transportprocessen beinvloeden:
Voor een G van 1 sec- en een R van
resp. 0.1; 1 en 10 14 is deze verhouding
resp. 10-3, 1 en 103. Daar in de praktijk meestal nog grotere G's worden
toegepast, is de effectiviteit van diffusie als transportproces beperkt tot
deeltjes, die kleiner zijn dan 1 y.
Uitgaande van (18) is voor de afname van het totaal aantal deeltjes in
een monodispers systeem afgeleid:
Hierin is Q) de volumefractie van de
vlok.
In tegenstelling tot het diffusieproces
is de orthokinetische flocculatie lineair
afhankelijk van de deeltjesconcentratie.
Door Swift en Friedlander (1964) is
ook voor dit proces een vergelijking
ontwikkeld, waarin de verdelingsfunctie van de deeltjesgrootte A2 voorkomt.
Harris, Kaufman en Krone (1966)
komen langs andere weg tot een vrijwel identiek resultaat.
Bij de experimentele toetsing van deze
theorieën bleek, dat het gemeten aantal botsingen steeds kleiner was dan
het theoretisch berekende aantal. Deze
kleinere flocculatiesnelheid is toe te
schrijven aan het feit, dat niet alie
botsingen tot verkleving leiden. I n de
vergelijkingen wordt daarom ook nog
een factor cr ingevoerd, die de botsingsef ficiëntie karakteriseert.
De ontwikkelde theorie biedt de mogelijkheid de voor deze botsingsefficiëntie maatgevende parameters door
modelexperimenten te bepalen en al-
dus tot een optimalisering van de flocculatiefase te komen.
Het is niet onmogelijk, dat de toepassing van synthetische flocculatie hulpmiddelen hierbij een belangrijke rol
kan spelen.
Floccnlatiehulpmiddelen
Zowel natuurlijke als synthetische
flocculatiehulpmiddelen hebben het
karakter van poly-electrolieten, d.w.z.
de moleculen bestaan uit lange ketens
met geïoniseerde groepen.
Op grond van hun lading zijn drie
typen te onderscheiden:
anionische, nonionische en kationische
hulpmiddelen.
I n de waterleidingtechniek worden zij
over het algemeen gebruikt om de
vlokeigenschappen, zoals dichtheid,
grootte en wrijvingsbestendigheid,
guntig te beinvloeden.
Hun werking berust voornamelijk op
brugvorming d.m.v. adsorptie van
ketensegmenten op flocculerende deeltjes.
Deze opvatting berust op experimenten, waarin negatief geladen minerale
dispersies door anionische poly-electrolieten geflocculeerd werden. De adsorptie voldoet aan de Langmuir adsorptievergelijking, zodat aangenomen
kan worden, dat de adsorptie als een
monomoleculaire laag plaats vindt.
Healy en La Mer (1964) hebben experimenteel een vergelijking afgeleid
voor de adsorptiesneiheid:
Hierin is 9 de door poly-electroliet
bedekte fractie van het deeltjesoppervlak.
De volgende conclusies zijn hieruit te
trekken:
1. De optimum dosering hangt af van
het oppervlak en daarmee van de
concentratie van de flocculerende
deeltjes.
2. De efficiëntie van de adsorptie is
maximaal, als de helft van het
deeltjesoppervlak met polymeer bezet
is.
De toepassing van poly-electrolieten
(vnl. poly-acrylamides) in de VS en
Rusland heeft tot de conclusie geleid,
dat dosering korte tijd na de toevoeging van het coagulans over het algemeen tot de beste resultaten leidt
(Minz 1964, Packham 1967).
Practische aspecten van de flocculatie
In 1943 is door Camp en Stein de von
Smoluchowski formule in de water-
leidingwereld geïntroduceerd in iets
gewijzigde vorm:
Hierin zijn dl en d2 de diameters van
de deeltjes (R =
(di
dn)).
De flocculatiesnelheid en de geïntroduceerde snelheidsgradiënt zijn evenredig met elkaar en vanuit dit oogpunt bezien levert de grootst mogelijke
G de kleinste flocculatietijd.
Door het toenemen van de inwendige
wrijving is hieraan echter een limiet
verbonden, want ook deze is evenredig
met G;
de viscositeit van het medium is hierbij de evenredigheidsconstante
T = LLG
(24)
De vlokjes zijn gevoeliger voor deze
wrijvingskrachten, naarmate zij groter
zijn. Wordt éénmaal gevormde vlok
aan een te hoge snelheidsgradiënt
bloot gesteld, dan vindt vlokvernietiging plaats. De toe te passen maximale
G wordt dus bepaald door de gewenste grootte van de vlokdeeltjes.
Tengevolge van de temperatuurafhankelijkheid van de viscositeit van water
hoger dan bij 20" C )
(bij 0°C 80
zijn de wrijvingskrachten bij lage temperatuur groter, waardoor onder winteromstandigheden de vlokvorming
meestal moeilijker verloopt.
De gemiddelde snelheidsgradiënt kan
worden berekend door middel van de
energie dissipatie functie W ofwel het
ingebrachte vermogen per volun~eeenheid:
+
Camp (1955) heeft de waarde van G
berekend voor de flocculatiebassins
van 20 waterleidingbedrijven, waarvan aangenomen kon worden, dat zij
goed functioneerden.
Hij vond hierbij, dat de G waarde
varieerde van 20 tot 74 sec-. Daar niet
alleen de snelheidsgradiënt maar ook
d e verblijftijd T maatgevend is voor
een voldoende vlokvorming, is het
dimensieloze product G T de karakteristieke grootheid voor een flocculatiebassin. Voor de GT-waarden van
de onderzochte bedrijven vond Camp
een variatie van 23.000 tot 210.000.
Daar deze getallen gebaseerd waren
op de maximum capaciteit van de
bassins, nam Camp aan dat voor optimale werking van een flocculatiebassin een GT-waarde tussen 10.000
en 100.000 aangehouden moest worden. Deze ontwerpregel is echter voor-.
namelijk gebaseerd op flocculatie
bassins, waarin mechanische roerii~-
G IN SEC-i
T IN SEC
100
150
90
150
70
150
5O
150
30
150
10
150
Afb. I6 - Geschei~iatiseerdescl~etsiJarz een floccrilatiebassin, ivaari~ide srzellieidsgradie~it
geleidelijk af~reenif.
richtingen ontbreken; 16 van de onderzochte bedrijven maakten gebruik
van flocculatie-bassins in de vorm
van een labyrinth. Nu voldoet deze
inrichting slecht, omdat de snelheidsgradiënt op de rechte stukken klein
en op het omkeerpunt aan de uiteinden van de schotten te groot is, waardoor weer vlokvernietiging kan optreden. Bovendien wordt de grootte van
de snelheidsgradiënt in sterke mate
beïnvloed door wisselingen in het
debiet, zonder dat aanpassing mogelijk
is. Of een modern ingericht flocculatiebassin inderdaad aan de genoemde GT-waarden moet voldoen, is niet
zondermeer aan te nemen. Zo heeft
Hudson (1965) geconstateerd, dat bij
een G > 100 (GT 200.000) weliswaar
kleine vlokken werden gevormd, maar
met zo grote dichtheid, dat zijn bezink- en filtratie-eigenschappen zeer
goed waren. Ook het gebruik van
flocculatiehulpmiddelen kan leiden tot
een herziening van bovengenoemde
ontwerpregel.
I n een modern flocculatiebassin wordt
gebruik gemaakt van mechanische
roerwerken. Ter voorkoming van kortsluiting is een indeling in compartimenten noodzakelijk (Camp 1955;
Harris, Kaufman en Krone 1966). Dit
biedt tevens de mogelijkheid het principe van de z.g. ,,tapered stirring" toe
te passen, d.w.z. een van compartiment tot compartiment geleidelijk afnemende snelheidsgradiënt, aangepast
aan de grootte van de daarin aanwezige vlok.
Dit is te bereiken, door variatie van
de snelheid en het oppervlak van de
roerinrichtingen. Het toepassen van
een grote G in de beginfase van de
flocculatie kan leiden tot een belangrijke verkorting van de benodigde verblijftijd.
Een schets van een dergelijk flocculatiebassin is weergegeven in afb. 16.
In de compartimenten bedraagt G
resp. 100, 90, 70, 50, 30 en 10 sec- bij
een gemiddelde verblijftijd van 150
sec. per compartiment.
Dit levert een GT-waarde van:
(100
90
70
50 i- 30
10)
150 = 52.500.
De indeling in 6 compartimenten berust op de ervaring van 2 moderne
Zweedse bedrijven. I n Stockholm
bleek een indeling in 4 compartimenten niet voldoende te zijn, om onder
alle omstandigheden een goede vlokvorming te verzekeren. Een indeling
in 8 compartimenten zoals het waterleidingbedrijf van Vasteras heeft,
+ + +
+
TABEL I1 - Voorgesfelde irideliiig i3a>zdok- e11 precipitatieprocesse~i op grorid vali lirui
reactieniechatiisme
I . Vlokprocessen
Destabilisering
Transport
1) Niet-specifieke
coagulatie
Indrukken van de dubbellaag
door simpele electrolieten
a) Perikinetisch
Diffusie door
Brownse beweging,
proces v. d. 2e orde
2) Adsorptiecoagulatie
Vermindering oppervlaktelading
of -potentiaal door specifieke
adsorptie van hooggeladen
complexe ionen
b) Orthokinetisch
Snelheidsgradiënten,
proces v. d. l e orde
3) Flocculatie
Vorming van moleculaire
bruggen door macromoleculen en
poly-electrolieten
11. Precipitatieproces
Insluiting en coprecipitatie van colloidale deeltjes in hydroxyde
neerslagen.
P
p
-
--
-
-
-.
bleek zeer duidelijk overgedimensioneerd te zijn.
De gegeven waarden voor G en T
dienen slechts als getallenvoorbeeld
gezien te worden. Het ontwerpen van
een flocculatiebassin met optimale
werking is alleen mogelijk op grond
van proefnemingen op semi-technische
schaal.
Naschrift
Tijdens de in het najaar van 1967 gehouden ,,2. Vortragsreihe mit Erfahrungsaustausch uber spezielle Fragen
der Wassertechnologie" te Karlsruhe
werden door o.a. Stumm en Sontheimer voorstellen gedaan, die de
strekking hadden te komen tot een
internationaal aanvaarde begripsomschrijving van de termen coagulatie,
flocculatie, vlokking en precipitatie.
In deze indeling wordt een principieel
onderscheid gemaakt tussen processen,
waarin destabilisering optreedt (vlokking of vlokprocessen) en het precipitatieproces, waarin destabilisering nauwelijks of geen rol speelt.
In tabel I1 is de voorgestelde indeling
weergegeven.
Volledigheidshalve zij opgemerkt, dat
aan de reeds genoemde destabiliseringsreacties ook nog de wederzijdse
coagulatie van twee tegengesteld geladen colloidale oplossingen toegevoegd zou kunnen worden.
De vlokprocessen omvatten een destabiliseringsfase en een transportfase,
waarin verkleving plaats vindt.
In die gevallen, waarin de destabilisering gepaard gaat met lading- of
potentiaalreductie spreekt men van
coagulatie.
De term flocculatie wordt gebezigd
voor de processen, waarin vorming
van moleculaire bruggen de belangrijkste rol speelt. Dit in tegenstelling
tot de huidige terminologie, waarin
het begrip flocculatie meestal gebonden is aan de transportprocessen in
de vlokvorming.
Voor de vlokprocessen (coagulatie en
flocculatie) is de transportfase snelheidsbepalend, terwijl in het precipitatieproces de hydrolyse- en precipitatiesnelheid van de metaalhydroxyden
de coprecipitatie van de colloidale
deeltjes bepaalt.
In tabel 111 zijn enige van de karakteristieke kenmerken van de verschillende verwijderingsmechanismen verzameld.
De verdienste van de voorgestelde indeling is de zeer duidelijke afgrenzing
van de theoretisch mogelijke reactiemechanismen, waarbij opgemerkt
moet worden, dat voor de waterleidingpractijk de niet-specifieke coagulatie nauwelijks van belang is.
Een belangrijke conclusie is eveneens,
dat de door Packham en Hall voorgestane opvatting, dat insluiting en
coprecipatie van colloidale deeltjes tot
de beste resultaten leidt, niet wordt
onderschreven.
Gesteld wordt, dat deze in de practijk
zo veelvuldig voorkomende wijze van
werken leidt tot een vlok, die uit het
oogpunt van verwerkingseigenschappen inferieur is aan de vlok, die ontstaat bij adsorptiecoagulatie en flocculatie of een combinatie van beide.
Volgens Stumm en Hahn kan alleen
toepassing van deze laatste processen
leiden tot een vergroting van de botsingsefficiëntie in de transportfase,
waardoor een efficiëntere verwijdering
van colloidale deeltjes mogelijk wordt.
Zoals eerder opgemerkt is adsorptiecoagulatie slechts mogelijk bij hoge
colloidconcentratie (zie afb. 12) en
in een pH-gebied, dat lager ligt dan
in de praktijk gebruikelijk is.
Gerichte research naar de chemische
wisselwerking van coagulatie- en flocculatiemiddelen enerzijds en colloidale
verontreinigingen in oppervlaktewater
anderzijds, zal het antwoord moeten
geven op de vraag, of op deze wijze
een optimalisering van de vlokprocessen mogelijk is.
(zie voor literatuurlijst volgende blz.)
TABEL 111 - Karakteristieke kellr~lerker~
vali de verwijden~tgs~ï~echai,iri,~e>i
ilail colloidale deeltjes
I
Precipitatieproces
Vlokprocessen
niet-specifieke
coagulatie
adsorptie
coagulatie
flocculatie
coprecipitatie
vlok- of precipitatiereagens
simpele electrolieten
hooggeladen complexe ionen van Fe
(111) en Al of andere
oppervlakte-actieve
ionen
poly-electrolieten
en macromoleculen
precipiterende
hydroxyden van Fe
(111) en Al
electrische wisselwerking (lading- en
potentiaalreductie)
dominerend
belangrijk
ondergeschikt
onbelangrijk
chemische wisselwerking of adsorptie
afwezig
belangrijk
dominerend
onbelangrijk
optimum
zetapotentiaal
ca. nul
ca. nul
veelal ongelijk nul
afwezig
vereiste dosering van
vlok- of precipitatiereagens
onafhankelijk van
de
colloidconcentratie
stoechiometrisch,
evenredig met het
oppervlak der
colloidale deeltjes
stoechiometrisch
wordt vnl. bepaald
door de hydrolyse- en
precipitatiesnelheid ;
neemt af met
toenemende
colloidconcentratie
effect van dosering
overmaat reagens
geen effect
restabilisering door
omlading der deeltjes
restabilisering door
volledige afscherming
van de deeltjes
geen effect
fysische eigenschappen
van vlok- of
precipitaat
grote dichtheid en
wrijvingsbestendigheid
grote dichtheid en
wrijvingsbestendigheid ; goede filtratieeigenschappen,
gemakkelijk te
ontwateren
volumineuze vlokken
met goede filtratieeigenschappen
volumineus neerslag
van geringe dichtheid ;
slechte filtratie-eigenschappen, moeilijk
te ontwateren
:ratuur
Verwey, E. J. W. en Overbeek, J. Th. G., (1948), ,,Theory o f tlie Stabilify of Lyophobic
Colloids", Elsevier, Amsterdam.
Derjaguin, B. V. en Landau, L., (1941), Acta Physico Chimica, 14, 633.
Derjaguin, B. V., (1940), Trans. Faraday Soc., 36. 203, 730.
Gregory, J., (1964), ,,Molecular Forces and Electrokinetic Effects in Filtratio~i", Ph. D.
Thesis, London.
Lerk, C. F., (1965), ,,Enkele Aspecten van de Ontijzeriiig van Grondwater", Disseratie,
Delft.
Giessen, A. A., van der, (1966), ,,De Hydrolyse vaii Oplossinge~ivati Fe (111)-nitraat",
Chem. Weekblad, 62, 305.
Yao, K. M., (1967),,,Particle Aggregatio~iin Water Pretreatmeiit", Wat. Sew. Works,
114, 261, 295.
Brosset, C., Biedermann, G. en Sillèn, L. G., (1954), ,,Studies o11 the Hydrolysis o f
Metal Zons. XZ. The Aluminiztm Als+", Acta Chem. Scand., 8, 1917.
Matijevic, E., Mathai, K. G., Ottewill, R. H. en Kerker, M., (1961), ,,Detection of
Metal Ion Hydrolysis by Coagulation. ZZZ. Aluminium", J. Phys. Chem., 65, 826.
Biedermann, G., (1964), ,,Coagulation o f Orgaiiic Color with Hydrolyzing Coagulants",
Svensk Kem. Tidskr., 76, 19, 362.
Black, A. P. en Ching-lui Chen, (1967), ,,Electrokitietic Behavior of Aluminium Species
in Dilute Dispersed Kaolinite Systems", JAWWA, 59, 1173.
Packham, R. F., (1963), ,,The Coagulation Process, a Review of Some Receiit Z~ivestigations", Proc. Soc. Water Treatm. Exam., 12, 15.
Stumm, W. en Morgan, J. J., (1962), ,,Chemica1 Aspects of Coagulafion", JAWWA,
54, 971.
Overbeek, J. Th. G., (1952), in H.R. Kmyt, Ed., ,,Colloid Scierice", Vol. I, Elsevier,
Amsterdam.
Riddick, T. M., (1961), ,,Zefa Pote~ltial and its Application to Difficult Waters",
JAWWA, 53, 1007.
Riddick, T. M. (1964), ,,Role of the Zeta Potential in Coagulation Olvolving Hydrous
Oxides", Tappi, 47, 171A.
Bean, E. L., Camphell, S. J. en Anspach, F. R., (1964), ,,Zela Potential Measurements
in the Control o f Coagulatioìi Chemica1 Doses", JAWWA, 56, 214.
Hall, E. S., (1963), ,,The Sigilificance of Zeta Potential in Coagulation", Proc. Coagulation Colloquium, WRA Spec. Rep. 4, Summary Paper Item 5.
O'Melia,, C. R. en Stumm, W., (1967), ,,Aggregation o f Silica Dispersiolw bij Iron
(III)", J. Coll. Interf. Science, 23. 437.
Stumm, W. en Hahn, H., (1967), ,,Kineiik der Flockung-Chemische und physikalische
Eirzflusse auf die Gescliwindigkeit der Flockuizg durch Eiseii (111)- und Aluminiumsalze", 2. Vortragsreihe mit Erfahrungsaustausch uber spezielle Fragen der Wassertechnologie, Karlsmhe.
Hall, E. S. en Packam, R. F., (1965), ,,Coagulatio~i of Organic Color with Hydrolyzing Coagulants", JAWWA, 57, 1149.
Shapiro, J., (1964), ,,Effect o f Yellow Organic Acids on Iron and other Metals in
Water", JAWWA, 56, 1062.
Black, A. P. en Christman, R. F., (1963), ,,Cliaracteristics o f Colored Surface Waters",
JAWWA, 55, 753.
Black, A. P. en Christman, R. F., (1963), ,,Chemica1 Characteristics of Fulvic Acids",
JAWWA, 55, 897.
Christman, R. F. en Ghassemi, M., (1966), ,,The Nature o f Organic Color in Water",
JAWWA, 58, 723.
Black, A. P. en Willems, D. G., (1961), ,,Electrophoretic Studies of Coagulation Removal of Organic Color". JAWWA, 53, 589.
Black, A. P., Smgley, J. E., Whittle, G. P. en Maulding, J. S., (1963), ,,Stoichiomeiry
of the Coagztlatiorc o f Color Causing Orgairic Compounds witli Fem'c Sulfate",
JAWWA, 55, 1347.
Packham, R. F., (1964), ,,Studies o f Orgaiiic Color in Natura1 Water", Proc. Soc.
Water Treatm. Exam., 13, 316.
,,Report Research Conzmittee on Color Problenis", (1967), JAWWA, 59, 1023.
Singley, J. E., Maulding, J. S. en Harris, R. H., (1965), ,,Fem'c Sulfate as a Coagulant"
(Coagulation Symposium, Part III), Water Works Wastes Eng., 2, 52.
Smoluchowski, M., von, (1917), ,,Versuch einer mathematischen Theorie der Koagulationskinetik kolloide Lösungen", Z. Physik. Chem., 92, 129, 155.
Swift,D. L. en Friedlander, S. K., (1964), ,,The Coagulation o f Hydrosols by Browtiia~i
Motion a~idLaminar Sltear Flow", J. Coll. Science, 19, 621.
Hahn, H., (1966), ,,Der Koagulationsprozess", Jahrbuch ,,Vom Wasser", XXXIII, 172.
Hams, H. S., Kaufmann, W. J. en Krone, R. B., (1966), ,,Orthokinetc Flocculation
in water Purification", J. San. Eng. Div., ASCE, 92, no. SA 6, 95.
Healy, T. W. en La Mer, V. K., (1964), ,,The Energetics of Flocculation and Redispersion by Polymers", J. Coll. Science, 19, 323.
Minz, D. M., (1964), ,,Aids to Coagulation", General Report 6e IWSA congres,
Stockholm.
Packham, R. F., (1967), ,,Polyelecfrolytes in Water Clarification", Proc. Soc. Water
Treatm. Exam., 16, 88.
Camp. T. R. en Stein, P. C., (1943), ,.Velocity Gradienis and Internal Work in Fluid
Motion", J. Boston Soc. Civ. Engrs., 30, 219.
Camp, T. R., (1955), ,,Flocculation and Flocculatio~i Basins", Transactions, ASCE,
120, 1.
Hudson Jr., H. E., (1965), ,,Physical Aspects o f flocculation, JAWWA, 57. 885.
DRS. H. J. M. LIPS
Provinciaal Waterleidingbedrijf van Noord-Holland
SUMMARY
Mierostrainers
After a short historica1 review, a descnption of the microstrainer
is given. Dealing with the determination of the effect of a microstrainer the values of fiitrabiiity index, "pouvoir colmatant",
filtrability in % and practica1 data are discussed.
The treatise is concluded by a discussion of the place of the microstrainer in different water purification processes.
Microzeven
1. Kort historisch overzicht
Spoedig na de tweede wereldoorlog
begon de Metropolitan Water Board
in Engeland met het installeren van
microzeven om het water van hun
grote storagereservoirs een voorbehandeling te geven voor het door langzame
zandfiltratie gezuiverd werd. Deze
microzeven kwamen in de plaats van
snelfilters die voordien tot taak hadden ammoniak te oxyderen en algen
tegen te houden. De microzeven, die
goedkoper waren dan de snelfilters,
konden wel geen ammoniak oxyderen,
maar wat betreft het tegenhouden van
algen presteerden zij bijna evenveel als
snelfilters. Het ammoniakgehalte van
het water was ook niet erg hoog zodat
de oxydatie ervan in voldoende mate
door de langzame zandfilters kon geschieden. Begonnen in 1946 met één
kleine microstrainer als proef in Surbiton werden later grotere microzeven
geïnstalleerd in 1948 in Kempton Park,
in 1955 in Lee Bridge en in 1958 in
Ashford Common. Met behulp van
deze microzeven werd bereikt dat
twee- tot driemaal zoveel water door
de langzame zandfilters gefiltreerd kon
worden voordat het nodig was om ze
schoon te maken. Het voordeel kwam
vooral naar voren in tijden van sterke
algengroei in de reservoirs.
-
Afb. 1 Mimomef opgesfeld fn betonnen bak.
De microzeven in Engeland zijn ontwikkeld door dr. P. L. Boucher wiens
eerste publicatie over microzeven dateert van 1942. Ze zijn gebouwd door
de firma Glenfield en Kennedy Ltd.
te Kilmarnock. Schotland.
Parijs wordt dit Marnewater door
microzeven gefiltreerd evenals in Engeland als voorbehandeling voor de
langzame zandfilters.
In Frankrijk werd reeds in 1938 door
E. Beaudrey vastgesteld dat water gezuiverd kon worden door filtratie door
een van zeer fijn metaalgaas vervaardigde roterende trommel. Zijn verdere
onderzoekingen leidden eveneens tot
microzeven, in principe gelijk aan de
Engelse versie hoewel er bepaalde verschillen bestaan wat de onderdelen betreft.
In Frankrijk worden microzeven o.a.
gebruikt voor de filtratie van water uit
het meer van Annecy dat zo weinig
plankton bevat dat de microzeven
intermitterend kunnen werken, maar
ook voor rivierwater uit de Marne, dat
vrij veel plankton kan bevatten en in
het bedrijf te Saint Maur van de stad
2. Beschrijving van een microzeef
Zoals op afb. 1 te zien is bestaat een
microzeef uit een trommel waarvan de
panelen bestaan uit zeer fijn gaas met
aan de buitenkant daaroverheen een
grover steungaas. Het water stroomt
aan het ene einde de trommel binnen,
het andere einde is dicht. De trommel
is voor ongeveer 315 deel met water
gevuld, het water stroomt van binnen
naar buiten door het gaas, de stand
van het water binnen de trommel is
dus wat hoger dan buiten de trommel.
Bij normale werking van de microzeef
is dit hoogteverschil 9-10 cm en het
moet niet hoger worden dan 15 hoogstens 20 cm. Het eigenlijke zevende
gaas is meestal van roestvrij staal, er
zijn echter ook wel eens weefsels van
kunststof gebruikt (polyamiden zoals
Mark I1
Mark I
Mark O
-
grootte van de openingen
aantal openingen per cm
aantal openingen per cm2
% open
p
.
-
--
60 p.
96
9216
57,6
Afb. 2 - Fabdcage van microzeven.
35 p
116
13456
40,6
23 P
152
23 104
35,O
OUTER LIMITIHG
APERTURE* MICROHS
.
IAPERTUR£
INRER LIMITIHG
35 MICROWS
Boucher kwam zo tot een tameliik ingewikkeld laboratoriumapparaat om
de zgn. Filtrability Index te bepalen.
Daarnaast bestaat een draagbaar apparaat, Filtrameter genoemd, waarmee
men op een eenvoudiger manier en
iets minder nauwkeurig eveneens deze
Filtrability Index kan bepalen.
De Filtrability Index I wordt door
Boucher gedefinieerd als
0.385
Hl
I =
In -
v
- Microzeefgaas M K
I
1 42 maal ver-
Afb. 4 - Microzeefgaas Mk I ongeveer 375
nlaal vergroot.
Dederon, Perlon), maar tot nu toe
heeft dit weinig opgang gemaakt.
Bij Glenf ield-Kennedymicrozeven zijn
gaassoorten van verschillende fijnheid
in gebruik zoals in onderstaande tabel
is aangegeven.
rijk wanneer de kwaliteit van het te
filtreren water in korte tijd sterk kan
wisselen.
Bij de behandeling van water dat gedurende lange tijd zeer weinig af te
zeven stoffen bevat kan men ook regelapparatuur aanbrengen om de microzeven intermitterend te laten werken.
Afb. 3
groot.
Mark I is het gaas dat het meest gebruikt wordt.
Afb. 3 en 4 geven een beeld van het
gaas en afb. 5 toont planktonorganismen die door een microzeef afgefiltreerd worden.
De trommel roteert met een regelbare
snelheid. Voor een 734 bij 5 feet microzeef wordt opgegeven 0 , 5 4 rpm en
voor een microzeef van 10 bij 10 feet,
dat is dus ongeveer 3 bij 3 meter,
wordt als maximale snelheid aangegeven 100 fpm dat is ongeveer 3 rpm.
Bovenop de rnicrozeef staat een rij
sproeiers. Het water dat deze sproeiers
met kracht op de microzeef spuiten
verwijdert het vuil dat aan de binnenkant op het gaas zit. Het vuile spoelwater wordt daarna opgevangen in
een trechter en door de holle as van
de microzeef afgevoerd. Als spoelwater wordt ruw water gebruikt dat de
microzeef gepasseerd is. De druk van
het spoelwater is te variëren van 5 tot
25 lb/sq.in. De hoeveelheid spoelwater
varieert dan ook van 1 tot 3 % maar
is meestal lager dan 2
x.
De hierboven gegeven beschrijving
heeft betrekking op Engelse microzeven van Glenfield-Kennedy maar is
ook toepasselijk op de Franse microzeven van Beaudry. Deze laatste kunnen echter uitgerust worden met een
installatie waarbij de meting van het
hoogteverschil van het water binnen
en buiten de trommel gebruikt wordt
om de rotatiesnelheid van de trommel
en de druk van het spoelwater te
regelen. Dit is eigenlijk alieen belang-
3. Meting van de werking van een
microzeef
Zowel Boucher als Beaudrey hebben
zich bezig gehouden met het ontwikkelen van een methode om de filtreerbaarheid van het water te meten. Zij
hadden dit namelijk nodig om te bepalen welke afmetingen een microzeef
moet hebben om een bepaalde hoeveelheid van een zekere watersoort te
filtreren.
Afb. 5 - Plaiiktot~organis~nen
op een microzeefgaas.
Ho
waarbij V = het volumen van het te
onderzoeken water in eenheden van
100 ml;
Ho = de weerstand over het filter
voordat het te onderzoeken water gefiltreerd is;
Hl = de weerstand na het filtreren
van het te onderzoeken water.
Men komt tot deze formule door de
wet van de samengestelde interest op
de filtratie toe te passen
dH
n V
-- - n H + H = H o e
.
dV
De constante 0.385 is afhankelijk van
het soort filtergaas dat gebruikt wordt.
De Filtrability Index is het omgekeerde van de filtreerbaarheid F.
Dus F =
1
-.
I
I is een maat voor de hoeveelheid
vaste stof die in of op het filter achterblijft, uitgedrukt, in het vermogen om
het filter te verstoppen. Deze Filtrability Index komt overeen met de door
Beaudry ingevoerde Pouvoir Colrnatant. Het Franse woord ,,colmater"
betekent verstoppen van een filter. De
Pouvoir Colmatant wordt gemeten met
een Colmatometer.
Zet men op een grafiek uit het gefiltreerde volumen V in ml tegen de
filtratietijd t dan krijgt men een
kromme (een tak van een hyperbool)
die asymptotisch nadert tot een volumen V,, dat is dan het volumen dat
na oneindige tijd gefiltreerd zou zijn.
1000
De Pouvoir Colmatant is nu -.
Vm
Vm is op verschillende manieren te
bepalen. Voor de bovengenoemde
kromme geldt nl. de vergelijking
waarbij Do het debiet van het filter
in cm3lsec is op de tijd t = o.
Noemen we nu D het debiet op de
tijd t dan geldt
v
- --
,/m
t
of in woorden:
Het gemiddelde debiet over de periode
v
t (dat is d u s t ) is het geometrisch gemiddelde van het debiet bij t = o
(dus Do) en het debiet op het tijdstip
t (dus D).
Uit de vergelijkingen (1) en (2) kan
men afleiden:
D0.t
Door Do, D en t te meten kan men
dus Vm en daarmee de Pouvoir Colmatant bepalen. Men kan bewijzen
dat deze formule (3) equivalent is aan
de formule
p
Vm
-- (4)
V
-/D
ten minste als men werkt met de Colmato-meter van Beaudrey. De formule
(4) staat in het boekje van STORK
over de microzeven van Beaudrey in
de vorm:
(PCB) X V X 1/14= p o - ,/D
1000
Immers: (PCB) = Vm
PO-
Hieruit volgt dat de V in het boekje
van STORK het volumen uitdrukt in
liters en niet in cm3.
Op het laboratorium van de Parijse
waterleiding heeft men reeds omstreeks 1953 nagegaan dat de Pouvoir
Colmatant practisch hetzelfde meet als
de Filtrability Index door van een
aantal watermonsters met hetzelfde
filtergaas beide grootheden te meten.
Het bleek dat men de gevonden cijfers
voor de Filtrability (gebruikmakend
van Engelse eenheden) met 17,3 moest
vermenigvuldigen om de Pouvoir Colmatant te krijgen.
Van Heusden heeft er echter op gewezen dat zowel de Engelse als de
Franse methode slechts benaderingen
van de werkelijke toestand zijn. Bij zijn
metingen met water van de Loenerveense plas en met Rijnwater werden
waarden gevonden die afwijkingen vertoonden zowel van de formule van
Boucher als van die van Beaudrey.
Opmerkelijk is dat de Metropolitan
Water Board in Engeland, die een van
de eersten was die microzeven aanschafte en er nu heel wat heeft staan
in Kempton Park, Lee Bridge en Ashford Common (afb. 6) niet werkt met
de Filtrability Index maar de filtreerbaarheid uitdrukt in procenten. Als t1
de tijd is nodig om 1 1 gedestilleerd
water te filtreren door filtreerpapier
onder standaardcondities en t2 de tijd
nodig om 1 1 van het te onderzoeken
water door hetzelfde filter te filtreren
dan is de filtreerbaarheid uitgedrukt
in %:
ti
X 100.
t2
Men kan dus de werking van een
microzeef beoordelen door van het
water voor en na de microzeef te bepalen de filtrability index, de pouvoir
colmatant of de filtreerbaarheid in %.
Daarnaast kan men voor en na de
microzeef bepalen het zwevende stofgehalte en ook het aantal algencellen
per ml.
Als voorbeeld kan ik u geven een
aantal bepalingen van de pouvoir colmatant voor IJsselmeerwater te Andijk
voor en na een microzeef met een
gaas van 35 micron. In de maanden
maart t/m juli 1964 werd op 48 dagen
de pouvoir colmatant voor en na de
microzeef bepaald.
-
De P.C. voor de microzeef varieerde
van 25 (met een zwevende stofgehalte
van 158 mg/l) tot 2,l (met een zwevende stofgehalte van 12 mgll). Na de
microzeef varieerde de P.C. van 13,O
tot 0,7. De verlaging in P.C. door de
microzeef teweeggebracht was gemidDe kleinste verlaging bedeld 57
droeg 28 % (van 2,9 naar 2,l) en de
grootste 70 % (van 5,O tot 1,s).
z.
In het 41e rapport van de Metropolitan Water Board worden voor de Ashford Common Works cijfers gegeven
van het aantal cellen per ml voor de
twee voornaamste algensoorten die in
het water voorkwamen nl. Stephanodiscus astraea en Asterionella formosa.
Het bleek dat Ast. formosa beter verwijderd werd door de microzeven dan
Steph. astraea, hetgeen wel zal samenhangen met de grootte en de vorm van
de cellen. Gemiddeld werd Asterionella voor 70 verwijderd en Stephanodiscus maar voor 45 %.
In het 38e rapport van de Metropolitan Water Board staan gegevens over
de filtreerbaarheid (uitgedrukt in
van het water bij de Lee Bridge Works
voor en na de microzeven. In tijden
van weinig algengroei (oktober t/m
februari) is de filtreerbaarheid van het
water voor de microzeven tussen de
70 en de 78 %. In die tijden is de
verbetering van de filtreerbaarheid
door de microzeven niet zo groot. Het
water na de microzeven heeft een
De verfiltreerbaarheid van 80-86
betering is dus ongeveer 10 %. Maar
in tijden van zware algengroei, dat is
in het voorjaar en de zomer heeft het
water voor de microzeven een filtreerbaarheid van 50-60 % en soms daalt
De
de filtreerbaarheid wel tot 35
verbetering van de filtreerbaarheid
door de microzeven is dan groter en
bedraagt gemiddeld 20
x)
x.
x.
z.
4. Werking van microzeven
Uit het bovenstaande is reeds af te
leiden dat de voornaamste werking
van de microzeven bestaat uit het ver-
Afb. 6 - Opstelliitg van microzeven (3 x 3 meteir) bij Aslzford Commora Works.
IR. J. G. FIKKEN
Diatornite fillraöon
Diatomite fitration is the process of removing suspended matter
from water or other liquids by passing it through a thin layer of
diatomaceous earth. It is to be considered as a physical process
which can be used when the clarity of the product has to be of
the highest order.
A short description is given of the characteristics of diatomaceous
earth. of the diierent tvoes of diatomite filters and of the filtration
process.
Diatomite filters are used for the puritïcation of beverages, in the
chemica1 and pharmaceutical industry, at mobiie units for military
and civil defence water supply purposes, for swimming pool water
filtration and occasionaly also in the drinking water industry.
More study and research with regard to diatomite filtration is
recommended.
--
Diatorneeënfilters
1. Inleiding
Het verwijderen van zwevende bestanddelen uit water of uit andere
vloeistoffen met behulp van filtreerpoeders kan als een vrijwel zuiver
fysisch procédé worden beschouwd.
Het is een werkwijze welke met succes
kan worden toegepast indien hoge
eisen worden gesteld aan de zuiverheid van het filtraat.
Kenmerken voor filtreerpoeders en de
wijze waarop zij worden gebruikt zijn:
of meer langdurig moeten laten in- lagen weer boven water gekomen. Zij
werken van het filtermateriaal. Even- worden thans gewonnen. Vooral in
min kunnen moeilijkheden ontstaan Californië komen rijke lagen voor.
door een geleidelijke algehele vervui- Ook elders in de wereld - onder
ling van de filterbedden. Beide zijn dit meer in Duitsland, Frankrijk en Kenia
onderwerpen welke bij de tot dusver - worden exploitabele lagen aangein de waterzuiveringstechniek toege- troffen.
paste zandfiltratie soms veel aandacht De meeste lagen zijn in zeewater afgezet; daarnaast zijn ook lagen bekend
vergen.
Voor verschillende doeleinden worden welke zich in zoetwater hebben geverschillende soorten filtreerpoeders vormd.
in de handel gebracht. Het eerst toe- Karakteristiek voor diatomeeënaarde
gepaste, het meest bekende en bij de is de grote verscheidenheid aan vor- de fijnheid van het £ikermate- zuivering van water nog steeds het
riaal waardoor het mogelijk is meest gebruikte materiaal is diatodeeltjes met afmetingen van één mi- meeënaarde of kiezelgoer. Daarom zal
cron of minder af te filtreren zonder in deze les in hoofdzaak aan dit mate- Afb.1 - Enkele kiezelzuur-kelejes zoals die
in diatomeeënaarde worden aangetroffen.
dat daarbij andere hulpmiddelen - riaal aandacht worden geschonken.
waarbij in de eerste plaats kan worden Aangezien de meeste deelnemers aan
gedacht aan coagulantia - behoeven de vacantiecursus nog onbekend zijn
te worden gebruikt;
met de onderhavige methode van wa- het geringe volumegewicht van het terbehandeling, zal ermede worden
materiaal als gevolg van het grote volstaan in het navolgende enige algeporiënvolume, waardoor het materiaal mene beschouwingen te geven over het
gemakkelijk in een vloeistofstroom kan onderwerpelijke filtermateriaal, over
de wijze waarop en de installaties
worden medegevoerd;
waarin het wordt gebruikt alsmede
- het gebruik van het materiaal in over de verschillende toepassingsmouiterst dunne lagen, d.w.z. in lagen gelijkheden.
van slechts enkele millimeters dikte,
waardoor de mogelijkheid ontstaat om
2. Eigenschappen van diatomeeënaarde
in een beperkte ruimte een groot filDiatomeeënaarde
is samengesteld uit
trerend oppervlak onder te brengen;
de microscopisch kleine skeletjes van
- het feit dat het filterbed tijdens het afgestorven kiezelwieren of diatofiltratieproces wordt opgebouwd meeën. Het materiaal bestaat grotenen dat het filtermateriaal nadat het deels uit kiezelzuur hetwelk uit het
door vervuiling onbruikbaar is gewor- omringende water werd opgenomen.
den, wordt afgevoerd om door nieuw Vooral tijdens het Mioceen hebben
te worden vervangen.
zich in sommige wateren diatomeeën
massaal ontwikkeld. Na hun afsterven
Bij de verwijdering van zwevende be- zakten de overblijvende skeletjes naar
standdelen uit water met behulp van de bodem waar zij soms enkele honfiltreerpoeders doen zich biologische derden meters dikke lagen hebben genoch chemische processen voor. Er is vormd. Op sommige plaatsen zijn bij
derhalve ook geen sprake van het min een latere rijzing van de bodem de
LAfb. 2
aarde.
w
PERENIAOE FINER THAN
W
100
P
=O
,,Zeef"krommen van diatomeeën-
men van de kiezelzuurskeletjes waaruit het is opgebouwd. Afb. 1 geeft
daarvan een indruk.
Voordat het materiaal in de handel
wordt gebracht ondergaat het verschillende bewerkingen waarbij het
onder meer wordt gedroogd, gemalen,
naar grootte gesepareerd en soms ook
gecalcineerd.
De ijle structuur van de skeletjes
maakt dat het materiaal een gering
volumegewicht heeft en een groot
poriënvolurne. Door één van de leveranciers van het onderhavige materiaal wordt opgegeven dat het volumegewicht van de droge stof omstreeks
0,17 bedraagt bij een poriënvolume
Mede door deze eigenvan ca. 93
schappen heeft diatomeeënaarde een
groot absorberend vermogen en kan
het ongeveer drie keer zijn gewicht
aan water opnemen voordat het uitvloeit.
De fijnheid van het materiaal blijkt
uit afb. 2 waarop de ,,zeef"'krornmen
van de door één van de Amerikaanse
producenten in de handel gebrachte
soorten diatomeeënaarde zijn aangegeven.
aarde kunnen, zelfs als zij in laagdikten van slechts enkele millimeters worden toegepast, nog deeltjes met een
grootte van 0,l à 0,2 micron worden
afgefiltreerd; bij de grovere soorten
worden nog deeltjes van 1 à 2 micron
tegengehouden. Om te beseffen wat
voor deeltjes dit zijn moge één van de
vorige vacantiecursussen in herinnering worden gebracht tijdens welke
dr. Molt erop heeft gewezen dat bij
deeltjes groter dan ongeveer 1 micron
kan worden gesproken van een grofmechanische suspensie waarvan de
deeltjes kunnen worden afgefiltreerd.
Bij deeltjes met afmetingen van ongeveer l millimicron tot ongeveer 1 micron is sprake van een colloïdale oplossing. In een dergelijke oplossing
kunnen de deeltjes, in afhankelijkheid
van de grootte van hun zetapotentiaal, elkaar afstoten waardoor de
vorming van grotere conglomeraties
wordt voorkomen [l].
WNGESUBD RLTERBED
Afb.
- Filferkams.
bruik te maken. Ook komt het wel
voor dat op praktijk-schaal wordt ge-
Onder omstandigheden kunnen de experimenteerd.
kleur en de troebelheid van vloeistofdiatomeeënfilters
fen voor een belangrijk deel worden 3.
veroorzaakt door in colloïdale toe- In de handel is een grote verscheidenstand verkerende deeltjes. De ervaring heid aan diatomeeënfilters van zeer
wijst uit dat in dergelijke gevallen uiteenlopende typen en constructies
door een uiterst fijne filtratie als verkrijgbaar.
waarvan bij het gebruik van diato- In beginsel bestaan de instaliaties uit:
meeënaarde sprake is, de troebelheid - een aantal filterelementen welke
vrijwel geheel kan worden verwijderd
bestemd zijn om als dragers voor
en ook de kleur kan worden verbede diatomeeënaarde dienst tedoen;
terd.
- een filterketel of een filterbak
Bij een filtratie over diatomeeënaarde
waarin de filterelementen worden
kunnen ook sommige bacteriën worondergebracht.
den tegengehouden. Hunter, Bell en
Henderson hebben op dit gebied proe- De filterelementen moeten zodanig
ven met coli-bacteriën verricht waar- zijn geconstrueerd dat bij het filtratieover in JAWWA is gerapporteerd [2]. proces de diatomeeënaarde wordt
De afmetingen van coli-bacteriën lig- tegengehouden.
gen tussen 1 en 5 micron. Bij de Bij de filterelementen kan een onderbovengenoemde proeven bleek dat bij scheid worden gemaakt tussen twee
de filtratie over de fijnere soorten hoofdtypen, te weten filterkaarsen
diatomeeënaarde de coli-bacteriënvoor enerzijds en filterplaten anderzijds.
vrijwel 100 werden afgefiltreerd en
bij de grovere soorten nog voor een Elterkaarsen - de naam zegt het al hebben een cylindrische vorm. Tenbelangrijk percentage.
Uit afb. 2 blijkt dat bij de fijnste soort Uit een oogpunt van economie, waar- einde het gefiltreerde water te kunnen
diatomeeënaarde de grootte van de onder in het kader van dit betoog afvoeren zijn zij van binnen hol.
deeltjes over het algemeen ligt tussen kan worden begrepen het verkrijgen Aanvankelijk werden keramische kaar2 en 20 micron met een gemiddelde van zo lang mogelijke filterlooptijden sen toegepast. Deze hadden evenwel
van ca. 7 micron en bij de grofste binnen het raam van een aanvaard- het bezwaar dat zij vrij snel verstopten
soort tussen 13 en 45 micron met een baar geachte filterweerstand, verdient en dan moeilijk waren te reinigen. Al
gemiddelde van omstreeks 35 micron. het uiteraard aanbeveling zo grof mo- spoedig is dan ook overgegaan tot het
Diatomeeënaarde van de onderhavige gelijk filtermateriaal toe te passen. gebruik van roestvrij stalen kaarsen.
herkomst bestaat voor omstreeks 90% Welk materiaal nog juist aanvaard- Een eenvoudige uitvoering van een deruit zuiver kiezelzuur, voor ongeveer baar is en welke îïltratiesnelheid daar- gelijke kaars bestaat uit een geperfo4% uit aluminiumoxyde en voor de bij moet worden aangehouden zal reerde roestvrij stalen buis waaromrest uit andere oxyden. Het kan ten veelal door proeven met filtreerpoe- heen een zeer fijn metaalweefsel is
opzichte van de vloeistoffen welke ders van verschillende fijnheid moeten aangebracht. Door een andere firma
voor filtratie in aanmerking komen, worden vastgesteld. Het kan wenselijk worden kaarsen in de handel gebracht
als chemisch inert worden beschouwd. zijn daarvoor van een proeffilterin- welke bestaan uit een op een speciale
Met de fijnste soorten diatomeeën- stallatie op semi-technische schaal ge- wijze geprofileerde holle kern waar-
z.
omheen spiraalsgewijze op zodanige
wijze een draad van Monel-metaal is
gewonden, dat tussen de opeenvolgende windingen een nauwe spleet
wordt vrijgehouden (zie afb. 3).
Weer een ander type roestvrij stalen
filterkaars bestaat uit een holle kern
waaromheen een groot aantal van nokjes voorziene plaatjes wordt gelegd. De
nokjes zijn daarbij zodanig geprofileerd dat de overblijvende openingen
een snelle vorming van de filterkoek
mogelijk maakt zonder dat daarbij
veel diatomeeënaarde verloren gaat.
Filterpiaten zijn als regel samengesteld
uit filterdoek of filtergaas hetwelk op
zodanige wijze ter weerszijden van een
ondersteuningsconstructie wordt aangebracht dat de gefiltreerde vloeistof
door het inwendige van het filterelement kan worden afgevoerd. Ook van
dit soort filterelementen is in de handel een grote verscheidenheid verkrijgbaar.
Filterdoeken worden meestal vervaardigd van nylon of van een andere
kunststof; filtergaas meestal van roestvrij staal.
De filterplaten moeten op zodanige
wijze zijn geconstrueerd dat de plaat
zelve noch het daarop aangebrachte
doek of gaas kan worden vervormd
door de daarop als gevolg van de geleidelijk toenemende filterweerstand
optredende krachten. Afb. 4 geeft een
indruk van de constructie van een
door een Amerikaanse firma in de
handel gebrachte filterplaat.
Zoals reeds vermeld moeten de filterelementen in een filterketel of in een
filterbak worden aangebracht. Daarbii
kan een onderscheidworden gemaak;
tussen îmee typen installaties, te weten:
a. Drukfilters, d.w.z. geheel gesloten,
meestal van staal vervaardigde filterketels waar de vloeistof onder druk
doorheen wordt geperst; deze filters
zijn derhalve enigszins te vergelijken
met de gesloten zandfilters welke in
de waterleidingtechniek worden toegepast. De afb. 5, 6 en 7 geven een indruk van verschillende uitvoeringsvormen. Afb. 5 heeft betrekking op
een kaarsenfilter. De beide andere afbeeldingen hebben betrekking op platenfilters; het type dat op afb. 6 is
weergegeven wordt hoofdzakelijk voor
industriële doeleinden toegepast; dat
op afb. 7 voor kleine openbare en
privé zwembaden.
b. Vacuumfilters, d.w.z. open, van
staal, beton of van kunststof vervaardigde filterbakken waaruit de
AHMEN
Afb. 4
-
Filterplaat.
vloeistof, na het passeren van de filterelementen, wordt weggezogen en
waarin de aanvoer van het water zodanig wordt geregeld dat de bovenwaterstand steeds op hetzelfde niveau
wordt gehouden; deze filters zijn dus
enigszins te vergelijken, met de in
de waterzuiveringstechniek toegepaste
open zandfilters met constante bovenwaterstand. Afb. 8 geeft een beeld van
een eenvoudig type vacuumfilter waarin filterkaarsen zijn toegepast.
Het filtratieproces begint met het aanbrengen van de z.g. grondlaag. Daartoe wordt in de filterketel of in de
filterbak met de te zuiveren vloeistof
een zekere hoeveelheid diatomeeënaarde gebracht. Dit mengsel wordt
eerst enige tijd rondgepompt. AanvanAfb. 6
- Platenfilter
van grote capaciteit.
Afb. 5
- Kaarsenfilter.
kelijk passeert nog een deel van de
diatomeeënaarde de filterelementen.
Geleidelijk wordt echter een fiterkoek
opgebouwd, die op den duur alle zwevende deeltjes tegenhoudt.
Hoe lang de vorming van de filterkoek duurt hangt af van de fijnheid
van het filtreerpoeder, van de viscositeit van de vloeistof en van de Wtratiesnelheid in relatie tot de grootte
van de openingen van de zeefplaten of
van de filterkaarsen. Als deze openingen relatief groot zijn ten opzichte van
de deeltjesgrootte van het fitreerpoeder worden aan het poeder soms wel
asbestvezels toegevoegd om het zodoende een iets grovere structuur te
geven zonder dat zulks van invloed is
op het zuiveringseffect.
Zodra het filtraat voldoende helder is
geworden - om dit te kunnen controleren wordt veelal in de afvoerleiding een verlicht kijkglas aangebracht
- kan met het normale filtratieproces
worden begonnen.
De vorming van de grondlaag wordt
in het duits ,,anschwemmen" genoemd;
in Engeland en de VS wordt over het
aanbrengen van een ,,precoat" gesproken.
De hoeveelheid diatomeeënaarde welke nodig is voor de vorming van de
grondlaag, bedraagt 0,s à 0,75 kg per
m2 filteroppervlak. Daarmede kan een
grondlaag met een dikte van 1,5 à 2
mm worden gevormd.
Afhankelijk van de omstandigheden
worden filtratiesnelheden van 1 tot 10
mluur toegepast; bij de filtratie van
waterige vloeistoffen bedraagt de gebruikelijke filtratiesnelheid 2,s à 5 m/
uur.
Tijdens het filtreren zullen de in de
vloeistof aanwezige zwevende bestanddelen zich voornamelijk tegen de buitenkant van de diatomeeënaarde afzetten. Dit kan aanleiding geven tot
een vrij snel oplopen van de weerstand van het filter. Daarom wordt
veelal continu een kleine hoeveelheid
diatomeeënaarde aan de te behandelen
vloeistof toegevoegd. Zodoende wordt
een geleidelijk dikker wordende filterlaag gevormd die de poreuse eigenschappen van de grondlaag behoudt
en die het mogelijk maakt de filterlooptijd aanzienlijk te verlengen. I n
engels-sprekende landen wordt deze
continue toevoeging van filtreerpoeder met ,,bodyfeefl of ,,filterai@ aangeduid. Afb. 9 geeft daarvan een indruk; de afgefiltreerde zwevende verontreinigingen zijn gelijkmatig verspreid over de geleidelijk in dikte toenemende filterkoek.
Over de hoeveelheid filtreerpoeder,
Afb. 7
- Platenfilter van kleine capaciteit.
Afb. 8
-
Vacuumfilter met filterkaarsen.
Afb. 9 - Filterkoek bij continue toevoeging
van filterpoeder.
welke bij een bepaalde installatie en
gegeven een bepaalde te behandelen
vloeistof, continu moet worden toegevoegd om een zo economisch mogelijke bedrijfsvoering te verkrijgen,
zijn vooral door Baumann en enkele
van zijn medewerkers uitvoerige studies verricht [3,4 en 51.
Een filterperiode komt teneinde als de
filterweerstand zo hoog is opgelopen
dat geen economisch bedrijf meer mogelijk is. Soms kan het oplopen van
de filterweerstand mede het gevolg
zijn van een te veel samenpersen van
de filterkoek. Daarbij is te bedenken
dat in een filterkoek van nog geen
aanvankelijk toegepaste zandfilters het
voordeel van een veel scherpere filtratie. Dit is vooral van belang met
het oog op het verwijderen van cysten
van amoeben waaraan in subtropische
en tropische gebieden alle aandacht
moet worden geschonken. Bij de vrij
hoge filtratiesnelheden, welke wel dienen te worden toegepast in de voor
het gebruik te velde bestemde zandfilters, worden dergelijke cysten in onvoldoende mate tegengehouden.
Een tweede belangrijk voordeel van
diatomeeënfilters voor mobiele waterzuiveringsinstallaties is het aanmerkelijk geringere gewicht in vergelijking
tot zandfilters.
Na de oorlog is ook hier te lande
overgegaan tot het aanschaffen van
een aantal verplaatsbare waterzuiveringsinstallaties voor militaire doeleinden. De aangeschafte installaties hebben een capaciteit van 5 tot 10 m3
4. Toepassingen
De toepassingsmogelijkheden van fil- per uur. Zij zijn zodanig ingericht dat
treerpoeders zijn over een groot ge- het water een voorbehandeling kan
bied verspreid. Zij kunnen in vijf groe- ondergaan in de vorm van coagulatie
met bezinking. Daardoor is het mogepen worden verdeeld.
lijk van vrij sterk met zwevende stoffen bezwangerd oppervlaktewater goed
4.1. Levenmiddelenindustrie.
Eén van de oudste toepassingen van drinkwater te maken. De hygiënische
filtreerpoeders is in de suikerindustrie, betrouwbaarheid wordt verkregendoor
waar diatomeeënaarde wordt gebruikt een chloring. Als interessante bijzonvoor de filtratie van suikersappen. derheid kan in dit verband nog worden
Daarmee werd reeds in de jaren tus- vermeld, dat het chloor ter plaatse
sen 1920 en 1930 begonnen. Later wordt bereid door electrolyse van keuhebben filtreerpoeders ook toepassing kenzout.
gevonden voor de filtratie van wijn, Opgeloste radioactieve verontreiniginbier, frisdranken, spijsoliën, azijn en gen kunnen in deze installatie uiterdergelijke vloeistoffen waarbij aan de aard niet uit het water worden verwijzuiverheid van het produkt hoge eisen derd. Daartoe zouden deze installaties
moeten worden uitgebreid met daarworden gesteld.
voor geschikte ionenwisselaars.
4.2. Overige toepassingen in de inToen bij de in 1966 plaats gevonden
dustrie en in bedrijven.
hebbende overstromingsramp in FloFilterpoeders worden zowel in de che- rence de gehele watervoorziening van
mische industrie als in de pharmaceu- die stad was gestoord, is met de ontische industrie toegepast, zoals b.v. derhavige installaties nuttig werk kunbij de bereiding van kunstharsen, nen worden verricht door het instaltitaanwit en van bepaalde produkten leren van enkele z.g. waterpunten waar
in de petrochemische industrie.
de bewoners van de getroffen stad in
Onder deze categorie van toepassings- de periode tot het herstel van de
mogelijkheden kan mede worden ge- openbare drinkwatervoorziening, warekend het ontoliën van het conden- ter van goede kwaliteit konden halen.
saat van stoomketels, voor welk doel
speciale filtreerpoeders in de handel Ook de Organisatie Bescherming Bevolking beschikt over een aantal verworden gebracht.
plaatsbare waterzuiveringsinstallaties
4.3. Militaire waterzuiveringsinstalla- waarmede in geval van nood drinkties.
water voor de bevolking kan worden
Voor de watervoorziening van troepen bereid. De voor het onderhavige doel
te velde zijn gedurende de tweede aangeschafte installaties zijn echter
wereldoorlog mobiele waterzuiverings- niet uitgerust met de mogelijkheid tot
installaties ontwikkeld, waarbij even- een voorbehandeling van het water in
eens van diatomeeënaarde gebruik de vorm van een coagulatie. Dientengevolge kunnen zij alleen worden gewordt gemaakt.
Deze installaties hadden boven de bruikt voor de zuivering van niet al te
centimeter dikte weerstanden van 5
tot 10 meter waterkolom of nog meer
kunnen optreden.
Bij een te hoog opgelopen filterweerstand moet de gehele filtervulling worden verwijderd en door nieuw materiaal worden vervangen.
Aan de wijze waarop de filterkoek
wordt verwijderd moet bijzondere
aandacht worden geschonken.
Als de pomp wordt stilgezet, valt
meestal een groot deel van de filterkoek vanzelf naar beneden.
Om een volledige verwijdering te verkrijgen wordt voorts nog met water
teruggespoeld. Soms wordt daarbij
met behulp van in het bovenste deel
van de filterketel samengeperste lucht,
een ,,terugspoelstoot" gegeven. Dit is
onder meer het geval met het op
afb. 5 aangegeven kaarsenfilter.
sterk met zwevende stoffen bezwangerd oppervlaktewater.
Bij het onverhoopt optreden van langdurige storingen in de openbare drinkwatervoorziening zullen de installaties
op aanvraag, met bedienend personeel,
ter beschikking van de gemeentelijke
autoriteiten kunnen worden gesteld.
Voor de distributie van het gezuiverde
water zullen deze autoriteiten echter
zelf moeten zorgdragen.
Voordat destijds tot aanschaffing van
de verplaatsbare waterzuiveringsinstallatie werd overgegaan, zijn door het
Rijksinstituut voor Drinkwatervoorziening, in nauwe samenwerking met
de betrokken militaire autoriteiten, op
verschillende plaatsen in Nederland
proeven verricht met enkele toen beschikbare proefinstallaties.
Ook daarbij is toen gebleken dat de
filterlooptijd in belangrijke mate kon
worden verlengd door een continu
toevoeging van diatomeeënaarde tijdens de filtratie. Voorts kon in sommige gevallen een verbetering van de
kleur, reuk en smaak worden verkregen door de diatomeeënaarde te
vermengen met een zekere hoeveelheid
actieve kool.
In een later stadium zijn nog een aantal speciale filtreerpoeders onderzocht.
In eerste aanleg zijn proeven gedaan
met een mengsel van diatomeeënaarde, aluminiumsulfaat en nog enkele
andere componenten zoals dat door
een Duitse firma in de handel werd
gebracht.
Hiermede werden verrassend goede
resultaten bereikt. Aangezien dit materiaal echter zeer kostbaar was en,
evenals normale diatomeeënaarde, uit
het buitenland moest worden aangevoerd, is tevens nog een onderzoek
ingesteld naar de toepassingsmogelijkheden van enkele hier te lande verkrijgbare materialen. Bij proeven bleek
dat zowel met houtmeel als met vliegas aanvaardbare zuiveringsresultaten
konden worden verkregen.
Bij installaties als waarvan hier sprake
is, welke slechts een beperkte capaciteit behoeven te hebben en welke
alleen maar onder bijzondere omstandigheden behoeven te worden gebruikt, speelt de economie maar een
beperkte rol. Het is dan ook minder
belangrijk of pompen met een verhoudingsgewijs hoge opvoerhoogte moeten worden toegepast of dat de filterlooptijd zo kort is dat elke 4 uur
nieuw filtreerpoeder moet worden
aangebracht. Belangrijk is het slechts
dat drinkwater van een aanvaardbare
kwaliteit kan worden verkregen.
In dit opzicht liggen de verhoudingen
geheel anders bij de hierna te noemen
toepassingsmogelijkheid van diatomeeënfilters waarbij aan de economie
juist bijzonder veel aandacht moet
worden geschonken.
BASSIN
hl
4.4. Zuivering van zwemwater.
Na de laatste wereldoorlog is, in eerste aadeg in de Verenigde Staten, het
gebruik van filtreerpoeders voor de
zuivering van zwemwater sterk naar
voren gekomen. Bekend mag worden
verondersteld dat aan de hoedanigheid van het water in circulatiebaden
bijzonder hoge eisen worden gesteld,
V FILTRATIE P W C E S PlEM SPO,
mPRECOATEN
SLUCGE
niet alleen wat betreft de hygiënische
~ C W L O R E K I N G
betrouwbaarheid, doch tevens met be1. precoatfilter
3. voorfilter
5. clrculatiepomp
7. toevoerleiding
trekking tot de kleur en het doorzicht.
6. stromingsmeter
8. chloordoseerapparaat
4. precoatkelder
2. retourfilter
Als gewoon leidingwater, dat aan alle
eisen van goed drinkwater voldoet, in
Afb. 10 - Schema waterbehandelingsiristallatiesFlevoparkbad Amsterdant.
een zwembassin wordt gebracht, is
het onder omstandigheden mogelijk
dat het water er gelig uitziet en dat
het doorzicht betrekkelijk gering is. zeer goede resultaten kunnen worden weerstand zò hoog wordt en dientenSlechts door een verder gaande zuive- verkregen en dat het niet nodig - en gevolge de filteromlooptijd zò kort
ring waarvoor het water een aantal ook niet gewenst is - om aan het te dat tot een algehele vervanging moet
malen over een filterinstallatie moet zuiveren water coagulatiemiddelen toe worden overgegaan.
worden rondgepompt, kan de kwali- te voegen, welke noodzaak bij tal van Indien het zuiveringsbedrijf op de
zandfilters wèl aanwezig is.
bovenomschreven wijze wordt gevoerd
teit worden verbeterd.
Aanvankelijk zijn diatomeeënfilters Afb. 10 geeft het schema van de kan worden gerekend met een vertoegepast in installaties van beperkte waterzuiverinstallatie bii het in 1967 bruik van 3 tot 7 gram diatomeeëncapaciteit, zoals voor privé zwemba- in gebruik genomen Flevoparkbad te aarde per bezoeker, waarmede een
den en voor kleine openbare zwem- Amsterdam. Het in deze openlucht- bedrag van 0,25 tot 0,6 cent is geinrichtingen, waarbij noch de kosten zweminrichting opgestelde diatomeeën- moeid.
voor het verbruik van diatomeeën- filter heeft een diameter van 1,90 m Het herhaald gebruiken van dezelfde
aarde, noch die van hogere stroomver- en een filtercapaciteit van 450 m3 per filtervulling heeft echter ook een beuur [6]. Had men dezelfde capaciteit zwaar. Doordat de verontreinigingen
bruik een belangrijke rol speelden.
Na een aantal kinderziekten is de con- willen onderbrengen in gesloten zand- door het hele filtermateriaal worden
structieve uitvoering van dit soort filters met de veelal gebruikelijke li- verspreid, bestaat de mogelijkheid dat
filters zodanig gewijzigd en verbeterd neaire filtratiesnelheid van omstreeks deze ook met de zeefplaten of met de
dat zij thans ook voor grotere instal- 20 m per uur, dan zouden 8 van der- filterkaarsen in aanraking komen.
laties worden gebruikt. De opvoer- gelijke ketels of 3 ketels met een dia- Aangezien de verontreinigingen mede
hoogte van de pompen behoeft daarbij meter van 3,O m nodig zijn geweest. min of meer kleverige substanties benauwelijks groter te zijn dan die van Bij de onderhavige installatie zijn nog vatten, zoals b.v. huidvetten of zonde pompen welke bij gesloten zand- speciale voorzieningen getrof fen om nebrandolie, is het niet bij voorbaat
filters worden toegepast. Voorts kan het gebruik van diatomeeënaarde zo- uitgesloten dat zij tot verstopping van
het verbruik aan diatomeeënaarde bin- veel mogelijk te beperken. Daartoe de filterelementen aanleiding kunnen
nen redelijke grenzen worden gehou- wordt bij een te hoog opgelopen weer- geven.
den.
stand het filtermateriaal niet direct Daarom is het herhaald gebruik van
In Europa zijn vooral in Zwitserland, naar het riool afgevoerd doch in het dezelfde filtervulling alleen maar moFrankrijk en Nederland reeds een niet z.g. tussenbassin teruggebracht. Ver- gelijk in die gevallen waarin de zeefonaanzienlijk aantal zwembaden, zo- volgens wordt met hetzelfde materiaal platen gemakkelijk kunnen worden gewel kleine als grote, met diatomeeën- een nieuwe filtercyclus begonnen. Het reinigd. Bij de op afb. 10 aangegeven
filters uitgerust. Bij de meeste van bij de eerste cyclus tegengehouden installatie worden de roestvrij stalen
deze installaties bedraagt de lineaire vuil, hetwelk zich in hoofdzaak tegen platen dan ook elke keer, nadat de
filtratiesnelheid 5 à 8 mluur; de hoge- het buitenoppervlak van de filterkoek filterkoek is afgestoten, met krachtige
re snelheden worden aangehouden had afgezet, wordt dan met de diato- waterstralen schoongespoten.
naarmate de installaties verder zijn meeënaarde vermengd. Uiteraard zal Indien filterdoeken van nylon of van
geautomatiseerd.
daardoor bij elke volgende cyclus andere synthetische vezels worden geHet zou thans te ver gaan om uitvoe- de beginweerstand hoger zijn dan bij bruikt, zoals bij de meeste uit de Verrig op de voor- en nadelen van deze het gebruik van niet of minder ver- enigde Staten afkomstige installaties
filters t.o.v. de vroeger algemeen toe- vuild materiaal. Ook zal de filterloop- het geval is, is het niet mogelijk het
gepaste zandfilters in te gaan. Er tijd steeds korter worden. I n de prak- doek schoon te spuiten. Bij deze inmoge mede worden volstaan met tijk is het echter mogelijk gebleken stallaties dient dus telkenmale een
erop te wijzen dat in de praktijk is hetzelfde filtermateriaal zes tot acht nieuwe filtervulling te worden aangebleken, dat met dit type installaties keer te gebruiken alvorens de begin- gebracht. In de Verenigde Staten
wordt dit geen overwegend bezwaar
geacht, aangezien de diatomeeënaarde
daar relatief goedkoper is dan hier te
lande. Het systeem van het herhaald
gebruik van hetzelfde filtermateriaal
wordt daar dan ook vrijwel niet toegepast.
nig dat tot een voorbehandeling in de
vorm van een coagulatie moest worden besloten.
Bij de ontijzering van grondwater is
een voorbehandeling in de vorm van
een chlorering of een aeratie uiteraard altijd noodzakelijk om de opgeloste ijzerverbindingen in een affiltreerbare vorm te brengen.
De filtratiesnelheid bij voor de openbare watervoorziening bestemde installaties ligt meestal tussen 2,s en 5
mluur.
dat de bedrijfskosten relatief hoog
zouden zijn.
In eerste aanleg werd het water gezuiverd door:
- een behandeling met aluminiumsulfaat;
- een snelfiltratie over grof zand of
grind;
- een eindfiltratie over diatomeeënaarde.
4.5. Bereiding van drinkwater
Volgend op de ontwikkeling van
diatomeeënfilters voor militaire doeleinden en voor de zuivering van
De aan een publicatie van de Bruszwemwater, zijn - vooral in de Verselse Intercommunale Watermaatenige Staten - verschillende instalontleende foto van de voor
schappij
Meer in de buurt is reeds 20 jaar gelaties tot stand gekomen voor de behet
laatstgenoemde
doel opgestelde
l d e n een aanmerkelijke grotere instalhandeling van voor de openbare
latie gemaakt. De waterleiding van kaarsenfilters is hieronder als afb. 1 1
drinkwatervoorziening bestemd water.
Brussel heeft n.l. in 1948 haar in het overgenomen [ 9 ] .
I n het begin zijn daarmede verschilMaasdal gelegen grondwaterpompstaToen in 1964 de onderhavige voorzielende moeilijkheden en ook teleursteltion Yvoir-Champale aangevuld met
ning continu in bedrijf moest worden
lingen ondervonden, die het gevolg
een station voor de zuivering van
genomen, werd besloten het rendewaren van onvoldoende inzicht in de
Maaswater. Aan dit station, dat
ment daarvan op te voeren. Daartoe
grondslagen van deze methode van
slechts bij verbruikspieken in bedrijf
is een z.g. clarifloculator aangebracht
waterbehandeling. Dit was voor het
behoefde te worden gesteld, werden
waarmede het water reeds vóór de filbestuur van de American Water
de volgende eisen gesteld:
Works Association reden om een
tratie kan worden uitgevlokt en gestudiegroep te vormen, die de toepas- - het moest snel in bedrijf kunnen klaard. Dit had mede het gevolg dat
worden genomen en zo nodig de capaciteit van de voorziening met
singsmogelijkheden van diatomeeënfilters nader moest onderzoeken en 12.000 m3 gezuiverd water per dag 50% kon worden opgevoerd tot
18.000 m3 per etmaal.
richtlijnen moest opstellen voor een kunnen leveren;
verantwoorde opzet van dit type in- - het moest gering zijn van afme- De diatomeeënfilters bleven in bestallaties. De studiegroep heeft in 1964
tingen daar het uit een oogpunt drijf. Hoewel de filtratiesnelheden
een zeer lezenswaardig rapport uitge- van landschapsbescherming onder- aanmerkelijk zijn opgevoerd is het
bracht, aangevuld met een uitgebreide gronds moest worden gebouwd, waar- resultaat van een voorbehandeling
literatuurdocumentatie [7].
bij het tevens van belang was de zodanig dat de looptijd van de filters
Het rapport begint met een overzicht bouwkosten zo laag mogelijk te hou- aanmerkelijk is verlengd. Thans kan
te geven van alle installaties die tot den.
verscheidene dagen met één filtervulling worden gewerkt zonder dat tijeind 1963 in de Verenigde Staten voor
de openbare watervoorziening tot Aangezien het pompstation slechts nu dens het filtreren extra diatomeeënstand waren gekomen. Het waren er en dan in bedrijf zou worden gesteld, aarde behoeft te worden toegevoegd.
in totaal 85 waarvan er 73 werden werd het niet als een bezwaar gevoeld De vraag zou naar voren kunnen
gebruikt bij de zuivering van oppervlaktewater en 12 bij de zuivering van
Afb. 11 - Diatonieeënfilters Pomnpstation Yvoir-cllampale.
grondwater.
Van deze 85 installaties waren er inmiddels al weer 12 buiten bedrijf. De
meeste daarvan hadden als proefinstallatie dienst gedaan of waren als
tijdelijke voorziening bedoeld geweest.
Over het algemeen hadden de installaties een capaciteit van minder dan
200 m3/uur; zij dienden derhalve voor
de voorziening van betrekkelijk kleine
gemeenschappen. Ook uit een recente
publicatie over dit soort installaties
in de staat New York blijkt dat de
capaciteit van de daar aanwezige 29
installaties vrijwel steeds geringer is
dan de zojuist genoemde 200 m3/
uur [ 8 ] .
De meeste installaties voor de zuivering van oppervlaktewater dienen voor
de behandeling van water dat slechts
in beperkte mate is verontreinigd; bij
slechts enkele installaties is de verontreiniging zowel door algen als door
andere zwevende bestanddelen, zoda'
worden gebracht of een dergelijke aabehandeling dan nog wel nodig is om
water te verkrijgen dat aan de gestelde
eisen voldoet. Maar hoe dan ook, de
mening kan worden gedeeld van de
directie van het betrokken bedrijf, die
filtratie over diatomeeënaarde voor
sommige gevallen een interessante methode vindt, welke het mogelijk maakt
water te verkrijgen dat perfect is gefiltreerd.
In Brussel waar het water eerst nog
een voorbehandeling ondergaat, wordt
het als een verfijningsmethode beschouwd, in de Verenigde Staten
wordt het, zoals reeds vermeld, bij
zwak door zwevende bestanddelen
verontreinigd water als enige filter
gebruikt.
De reeds eerder genoemde Amerikaanse commissie heeft over de toepassingsmogelijkhedenvan diatomeeënfilters onder meer de volgende algemene uitspraken gedaan:
l e met diatomeeënaardefilters kunnen
op doeltreffende wijze zwevende
bestanddelen uit water worden verwijderd waarbij de helderheid van het
geproduceerde water zeker gelijk, zo
niet beter, is dan bij een zandfiltratie;
2e de opzet van de installaties en de
eventuele noodzaak een voorbehandeling toe te passen, is afhankelijk
van de aard van de te verwijderen
zwevende en colloidale bestanddelen
waarbij proeven op semi-technische
schaal nodig zijn om deze opzet te
kunnen vaststellen;
3e een zeer belangrijke factor bij het
ontwerpen van de installaties is
een doeltreffend ,,body feed" of ,,filter
aid system", zijnde de apparatuur
waarmede tijdens de filtratie continu
een kleine hoeveelheid diatomeeënaarde aan het te zuiveren water wordt
toegevoegd; een dergelijke toevoeging
wordt niet alleen noodzakelijk geacht
om de filterlooptijd te kunnen verlengen, maar meer nog omdat rekening schijnt te worden gehouden met
de mogelijkheid van het ontstaan van
scheurtjes in de ,,precoat" of grondlaag.
Hierin ligt een zwak punt van dit type
zuiveringsinstallatie waarop ook in het
rapport van de Amerikaanse commissie wordt gewezen: de enige barrière tussen het ongezuiverde en het
gezuiverde water vormt een slechts
enkele millimeters dikke laag filtermateriaal: een laag die op zichzelf
vrij kwetsbaar is en waarvan de goede
filtrerende werking slechts verzekerd
schijnt te kunnen worden door deze
voortdurend in dikte te laten groeien.
Daarom zou kunnen worden gesteld,
dat de filtratie met behulp van diatomeeënaarde een methode voor de verwijdering van zwevende bestanddelen
uit water is, waarvoor bij de bereiding
van drinkwater alieen maar onder bijzondere omstandigheden toepassingsmogelijkheden aanwezig zijn. Aan deze
vorm van fysische waterzuivering zou
kunnen worden gedacht als het gaat
om een nabehandeling met het doel
om, zoals de heer Leeflang in zijn
inleiding heeft gesteld, het water ,,aangenaam" te maken b.v. door het verwijderen van sporen ijzerroest of van
resten mangaan uit water dat op zichzelf reeds aan de gebruikelijke aan
leidingwater gestelde eisen voldoet.
Een nadere bestudering van de mogelijkheden welke de toepassing van
diatomeeënfilters zowel voor de bereiding van drinkwater als voor de zuivering van zwemwater biedt, eventueel aangevuld door het nodige speurwerk, verdient echter wel aanbeveling.
1. Molt, E. L., ,,Coagulatie", 14de Vacantie Cursus Drinkwatervoorziening.
2. Hunter, J. V., Bell, G. R. and Henderson, C. N., ,,Coliform Organisation Removals by
Diatomite,Filtration", JAWWA 1967, 1160 e.v.
3. Baumann, E. Robert, Cleasby, John L. and La Freuz, Robert L., ,,A Theory of Diatoniite Filtration", JAWWA 1962, 1109 e.v.
4. Baumann, E. Robert, Cleasby, John L. and Morgan, Paul E., Theoretica1 Aspects o f
Diatomite Filtration Wat. & Sew. Works 1964, 229, 290, 331 e.v.
5. Dillingham, J. H., Cleasby, J. L. and Baumann, E. R., Optimum Design and Operation
of Diatomite Fiiration Plants, JAWWA 1966, 657 e.v.
6. Het nieuwe Flevoparkblad te Amsterdam, Gids voor Bad- en Zweminrichtingen, 1967,
613 e.v.
7. Task Group 2710 P, Diatomite Filters for Municipal Use, JAWWA, 1965. 157 e.v.
8. Samuel Syrotynski, Experiences with Diatomile Filtration in New York State, JAWWA,
1967, 867 e.v.
9. Brusselse Intercommunale Watermaatschappij, Win-, Aanvoer- en Distributieinstallaties,
1966.
PROF. DR. IR. P. M. HEERTJES
SUMMARY
The theory of the adsorption
A survey has been presented on the equilibria and especialíy on
the thermodynamica1 approach of equilibria on sorption phenomena, includiig adsorption and chemosorption.
Attention has been paid to the occurrence and the irnportance of
these phenomena in the processing of raw water, especially with
the object to produce drinking water.
Theorie van de adsorptie
Indien een vaste stof in contact is met
een fluidum (gas of vloeistof) zullen
de zich in het fluidum bevindende
moleculen door hun beweging botsen
met het oppervlak van de vaste stof.
Deze botsingen zijn niet elastisch. De
botsende moleculen verblijven derhalve enige tijd aan dit oppervlak en
er ontstaat een opeenhoping van deze
moleculen. Dit verschijnsel heet adsorptie. De grootte van de verblijftijd
is een functie van de kracht tussen de
geadsorbeerde moleculen en de moleculen of groepen uit het oppervlak
van de vaste stof. Deze kracht kan
van verschillende orde van grootte
zijn, afhankelijk van de aard van de
desbetreffende moleculen. Zij varieert
van een zuiver physische kracht, zoals de v. d. Waals attractiekracht
(= 5 Kcal/mol), en die heersend bij
een waterstof brug (w 10 Kcal/mol)
en bij een electrostatische binding
(= 15 Kcal/mol) tot de homopolaire
chemische binding (s 100 - 150 Kcal/
mol). Gezien de grote verscheidenheid
van bindingstypen spreekt men in collectieve zin van sorptieverschijnselen.
De naam adsorptie is gereserveerd
voor die gevallen, waarbij de bindingskracht van zuiver physische aard is,
de naam chemosorptie als er sprake
is van een chemische binding.
Moleculen die aan een oppervlak gesorbeerd zijn, kunnen van hieruit ook
in de vaste stof binnendringen, dus in
de vaste stof oplossen; men spreekt
dan van absorptie.
Ge(ad)sorbeerde verbindingen kunnen
door andersoortige verbindingen van
het oppervlak worden verdreven, hetzij doordat deze een grotere bindingskracht hebben, hetzij door de massawerkingswet, dus omdat ze in zeer
grote overmaat aanwezig zijn. Dit verschijnsel komt veel voor. Worden in
een dergelijk proces ionen uitgewisseld, dan is de vaste stof een ionen-
wisselaar, een soortnaam die burgerrecht heeft verkregen.
De adsorptie- en chemosorptieprocessen kunnen, zoals is in te zien, gepaard gaan met aanzienlijke warmteeffecten.
Bij de waterzuivering zijn de adsorptieprocessen vrij belangrijk. Toch lijkt
het juister om de gegeven opdracht :
te spreken over adsorptie, iets ruimer
te stellen en te behandelen de theorie
van de sorptieprocessen zoals die bij
de waterzuivering te pas komen. Dit
is algemener, bovendien is een scherpe
grens toch niet te trekken.
Sorptieprocessen resulteren in scheidingsprocessen. Ze komen in de waterhuishouding zeer veel voor en worden
voor de waterzuivering veel toegepast.
De scheiding tussen natuurlijk voorkomende processen en kunstmatig toegepaste sorptieprocessen ligt voor de
hand. Er kan tussen beide een overgang groeien.
Enkele voorbeelden zullen hier worden
genoemd. Tot de natuurlijke sorptieprocessen behoren de uitwisselingsprocessen van natuurlijk water (grondwater, rivierwater, zeewater) met de
bodem, dat wil zeggen met zand, veen
en klei. Vele van deze processen zijn
op basis van ionenuitwisseling. Zij berusten op electrokinetische interacties;
ook waterstofbruggen komen voor.
Een enkele maal treedt adsorptie op.
De physische toestand van de vaste
stof, het adsorbens, kan zeer verschillend zijn, bijna altijd is het geboden
uitwisselingsoppervlak relatief groot.
Het aantal kunstmatige processen is
reeds vrij groot, bovendien is het zeer
wel denkbaar, dat er in de toekomst
nog meer zullen bij komen. Het adsorbens wordt in verschillende vormen
toegepast, als vlok, als bed en als
membraan. De diepbedfiltratie voor
de afvanging van ijzerhydroxidevlok
berust op adsorptie, voor de sol-afvanging op chemosorptie die van
electrokinetische aard is. Bij de koolWtratie zijn hoofdzakelijk adsorptieprocessen van belang; bij de ijzerhydroxidevlok is daarentegen voor een
groot deel van chemosorptie sprake.
De chemische ontmanganing is van
ingewikkelde aard, chemosorptie van
zuurstof en mangaan spelen een rol,
het gevormde (hydr)oxide vertoont
katalytische activiteit.
Bij de ontzoutingsprocessen wordt adsorptie niet als scheidingsmethode gebruikt. Wel kunnen sorptieverschijnselen van invloed zijn op de resultaten.
Zowel bij het gebruik van ionenwisselaars, zoals in het Kuninproces, als bij
de electrodialyse en de hyperfiltratie
(omgekeerde osmose) kunnen door
adsorptie en door chemosorptie van
verontreinigingen uit het zoute water
ernstige verstoringen ontstaan van het
proces.
Nog zij gemeld, dat verwacht mag
worden, dat in de toekomst de verwijdering van radionucliden zal geschieden met natuurlijke ionenwisselaars zoals klei en veen.
Voor de goede uitvoering van genoemde processen is het van belang
precies te weten op welke verschijnselen de plaatsvindende reacties en
acties stoelen, opdat met vrucht de
theorie kan worden toegepast. Dit betreft uiteraard enerzijds kennis over
de dynamica van de situatie. Hierop
wordt hier niet ingegaan. Anderzijds
betreft dit de kennis omtrent de optredende physisch-chemische oppervlakte reacties en van de evenwichtstoestanden. De aandacht zij dan nu
gericht op de theorie van de (ad)sorptie, als onderdeel van de theorie van
de (ad)sorptieprocessen.
In het algemeen kan worden gezegd,
dat chemosorptie en adsorptie optreden aan discrete plaatsen op het
oppervlak van het adsorbens. Tengevolge hiervan wordt op het oppervlak
een monomoleculaire laag van gesorbeerde moleculen opgebouwd. De
situatie op het oppervlak is dynamisch,
de bewegelijkheid van de moleculen
hangt af van de eerdergenoemde
bindingskracht en van de temperatuur.
De vorming van meerdere lagen van
moleculen, dus sorptie aan eigen soort,
zij het dat deze in een patroon gerangschikt is, is mogelijk in bijzondere
gevallen. Dit verschijnsel kan optreden, o.a. bij relatief zeer hoge concentraties van een gasvormig adsorbaat
en bij zwakke bindingskrachten tussen
adsorbens en adsorbaat.
Bij de chemosorptie is het meestal te
verwaarlozen. In de gevallen waarop
de aandacht hier is gericht, behoeft
het verschijnsel niet in beschouwing
te worden genomen.
Dit betekent, dat bij toenemende
concentratie van het adsorbaat de geadsorbeerde hoeveelheid een maximale
eindwaarde bereikt, als het gehele
oppervlak is bedekt. Het aantal beschikbare plaatsen per eenheid van
oppervlak hangt sterk af van het type
van binding. Bij chemosorptie wordt
het aantal plaatsen bepaald door het
chemische karakter van het oppervlak,
de maximale bezetting soms mede
door de grootte van de gesorbeerde
moleculen, i.v.m. sterische hindering.
Bij adsorptie wordt de bezetbaarheid
voornamelijk bepaald door de grootte
van de moleculen.
Als de optredende physisch-chemische
verschijnselen bekend zijn kunnen
langs theoretische weg de evenwichten
worden afgeleid en in mathematische
vorm worden vastgelegd. Het is reeds
eerder gezegd, dat de kennis van deze
evenwichten bepalend is voor het beheersen van het proces vanwege de
daardoor vastgestelde grenzen van het
scheidend vermogen en omdat een
niet in evenwicht zijnd systeem, zich
met een snelheid afhankelijk van de
afwijking van het evenwicht, van de
eigenschappen van het systeem en van
de dynamische situatie, naar dit evenwicht spoedt.
De evenwichtscondities zijn vastgelegd
door het feit, dat bij constante temperatuur en druk de molaire thermodynamischepotentiaal van iedere component in iedere, aan het evenwicht
deelnemende, phase gelijk moet zijn.
Voor een component A, die voorkomt
met n* molen in een systeem dat
verder ng, nc enz. molen bevat van de
componenten B, C, enz. is deze
molaire thermodynamische potentiaal
bG
waarP,T,nB,no em.
in G de thermodynamische potentiaal
of vrije enthalpie van het totale systeem is.
In de beschouwde evenwichten is het
aantal phasen tenminste twee. Wordt
de mol.themodynamischepotentiaal in
de standaardtoestand genoemd p, dan
geldt voor iedere component in iedere
phase:
'A
LA
(G)
p = p,,
+ RTlna
waarin a = activiteit van de beschouwde component in de beschouwde phase.
Het bovenstaande zij op een drietal
situaties toegepast. In al deze gevallen
wordt uiteraard de druk en de temperatuur constant verondersteld. Dit zal
niet telkens nadrukkelijk worden vermeld.
Voor een vaste oplossing, dat wil dus
zeggen voor een absorptie-evenwicht
geldt dat er twee phasen zijn, de vaste
en de vloeistofphase ('). Inphase (I')
dien één component van de vloeistof
in de vaste phase oplost, geldt derhalve voor deze component
een oplossing (') aan het oppervlak
van een vaste stof (").
Betrekken wij het aantal beschikbare
plaatsen net als de concentratie per
volume eenheid en noemen wij deze
concentratie aan plaatsen S.
Voor de vaststelling hiervan is nodig
de kennis van het aanwezige oppervlak per volume eenheid en het aantal plaatsen per oppervlakte eenheid.
Indien de concentratie in de vaste
phase van de beschouwde component
is (C"), kan een bezettingsgraad (e)
worden ingevoerd, gedefinieerd als
e
tisch en mechanisch af geleid dat:
Voor het evenwicht geldt dan derhalve:
-Apo" ->
e
1-8
a'
'
= constant
De activiteit is evenredig met de concentratie (C), b.v. uitgedrukt in molen/
vol. eenheid:
Indien de activiteitscoefficient y constant is in het beschouwde gebied
volgt uit vergelijking (4):
(C')
CC">
=
constant
f
Deze wet is voor relatief verdunde
toestanden, waarvoor y = 1 bij benadering, emperisch gevonden door
Nernst, in het bijzonder voor vloeistofvloeistof systemen, waarvoor uiteraard dezelfde afleiding geldt.
Als tweede voorbeeld zij gekozen de
adsorptie, van één component vanuit
l @-RTlna'
e
= constant.
of bij constante y':
e
Dus:
1 = RTln
waaruit volgt:
1-9
Derhalve met behulp van vergelijking
(1):
-(Ap,'' + ') = -(pof'- p,') =
a"
= RTln (3)
a'
. Er is door Fowler statis-
=-(C")
T". S
-l - constant
. (C')
'.
Dit hyperbolische verband tussen 8
en a' (of (C'))is, zij het langs andere
weg, afgeleid en gebaseerd op andere
concentratieparameters, voor het eerst
gegeven door Langmuir. Ze wordt genoemd de Langmuirse adsorptie isotherm.
De constante die in de vergelijking (7)
voorkomt is een maat voor de kracht
waarmede de moleculen worden gebonden. De vergelijking voldoet uiteraard aan de voorwaarde dat 8 + 1 indien (C') -F cu .
Vergelijking (7) geldt niet alleen voor
adsorptie. Ze is ook geldig voor chenzosorptie als het molecule in zijn geheel of stochiometrisch in zijn geheel
wordt gebonden. Een voorbeeld moge
dit illustreren. Stel een vaste stof heeft
dissocieerbare zoutbruggen, waaruit
dus door water een positief ion en een
negatief ionen kunnen worden gevormd, die door electrostatische
krachten aan elkander zijn gebonden.
Beide ionen worden verondersteld onbewegelijk te zijn, d.w.z. niet uit het
oppervlak verwijderbaar. Wol is een
dergelijke vaste stof.
Er zijn dus aan het oppervlak even-
veel positieve als negatieve potentiele
bindingsplaatsen. Actueel zijn er vanzelfsprekend evenveel bij het isoëlectrische punt. Omdat er sprake is van
zoutbruggen kan dus het zuurrestion
protonen binden, het baserestion kationen.
Wordt nu een zuur, zoals b.v. HCI,
gesplitst in H + en Cl-, aan de stof gebonden, dan kunnen zich twee gevallen voordoen.
In beide gevallen wordt het proton
(H+) aan de negatief geladen groep
electrostatisch gebonden. Wordt daarnaast ook het Cl' aan de positief geladen groep electrostatisch gebonden,
dan is het totale effect dat per proton
in feite een molecule HC1 wordt gesorbeerd. In dat geval geldt dan dat
8~=
9 eH$.= 8 ~ 1en
- is de Langmuir vergelijking voor ieder van de
drie gevallen geldig.
Het kan evenwel zijn - dit is het
tweede geval - dat het Cl- niet gebonden wordt, doch diffuus in de oplossing rond de positieve groepen
aanwezig blijft. Hierbij is aan de electroneutraliteit te denken. In dit geval
geldt de Langmuir vergelijking niet en
wel omdat er rond de vaste stof een
vloeistofphase moet ontstaan, die verschillend in samenstelling is van de
hoofd waterphase. Men bedenke dat
er nu sprake is van een evenwicht
tussen drie phasen en niet meer tussen
twee phasen. Een dergelijk geval kan
zich voordoen als beide typen ionen
in het oppervlak onbewegelijk zijn,
maar zal zich zeker voordoen indien
er slechts één type ion onbeweeglijk
is.
Kiezen wij dit laatste als derde voorbeeld en noemen dit naar degeen die
deze gevallen het eerst heeft beschouwd de Donnan-evenwichten.
Over de ontstane tweede vloeistofphase dient eerst het volgende te worden gezegd. De vaste stoffen zoals
ionenwisselaars, wol, zijde, veen, enz.
waarbij dit type evenwichten optreedt
of kan optreden, zijn meestal hoogmoleculair en hydrophiel. Ze zijn
zwelbaar in water en hebben mede
daardoor een groot toegankelijk oppervlak.
Het is, zeker in eerste benadering, geoorloofd de tweede vloeistofphase
identiek te stellen aan deze zwelvloeistofphase. Gemakshalve noemen wij
deze vloeistofphase de interne vloeistofphase. Er zijn derhalve drie phasen: de vaste stof ('") de interne vloeistof (") en de oplossing ('). Tengevolge van het verschil in samenstelling
is er tussen phase (") en phase (') een
potentiaal verschil
Stel dat het niet verolaatsbare ion
negatief is en dat het evenwicht wordt
beschouwd met de ioniseerbare stof
KA dat in oplossing is gesplitst in de
ionen K + en Am. Derhalve zal K +
aan het oppervlak worden gebonden
door electrostatische krachten. Gezocht zal worden het verband tussen
+.
en de activiteit van K +
in de oplossing. Gemakshalve beschouwen we het geval van een verdunde oplossing, zodat voor deze activiteit mag worden geschreven (K+').
In plaats van de normale schrijfwijze
voor een ion, zoals K + , enz., zal voor
de concentraties ter vereenvoudiging
worden geschreven (K+) enz. De behandeling verandert daardoor in wezen niet.
= exp - (A,u,)'~'+' = constant.
of:
e
1
i-e
(K+/)z
= constant
es
zichte van -
v .
In dat geval gaat vergelijking (13)
over in:
e2
1-8
+
1-8
of:
RTln e
1
Voor K + en A- :
pf' = po"
1 p' = pof
I
+ Rt In a"
+ Rt In a'
Hieruit volgt, onder in achtneming van
het electrische potentiaal verschil $ :
(13)
Uiteraard zou ook (K+") te elimineren zijn. Evenwel ontstaan dan onhandelbare vergelijkingen. Bovendien
is veelal S t.o.v. de andere concentraties groot, V is meestal < 1 en (K+")
< (K,'). Derhalve is voor veel gevallen (K+") te verwaarlozen ten op-
Er geldt dus:
Voor K + : p"' = polf'
es
v
(o(+")+- ) =
e2
-
1
- constant
(K+02
.--
- 10
l
(K+')%constante '
(14)
Alweer (13) en (14) nadert 8 +1 voor
(K+')
m.
De afgeleide evenwichtsvergelijking
voor sorptie aan een oppervlak tussen
(8) e en (K+') zijn alle van de 2de graad
en vertonen dezelfde karakteristiek,
F is de Faraday
namelijk dat de toename van de gesorbeerde
hoeveelheid met toename
De Ap, in bovenstaande vergelijking
is nul, omdat de standaard potentialen van de concentratie in oplossing, relatief steeds minder wordt. Bovendien
in de vloeistofphasen gelijk zijn.
blijkt uit een analyse van de voorbeelvoor K + :
den, geprojecteerd tegen de tot nu toe
- AF^)'^ j/= O = (K+") bekende gevallen van (ad)sorptie, dat
- RT In (K+')
$F
(9) ze een betrekkelijk groot aantal gevallen beslaan.
en - (Apo)"'+' = RTln e
1-43
De meest eenvoudige algemene wis- RT In (K+') +F
(10) kundige benaderingscorrelatie tussen
Uit de voorwaarde voor electroneu- f 3 en (K+') voor alle adsorptieprocessen, zou derhalve in een twee paratralitejt volgt tenslotte nog:
meter vergelijking van de vorm:
v (A,") = v (K+") (K+'") ( 1 1)
voor A-:
- (Ap,)" +-' = O = RT In (A_")- RT In (A_')- +F
+
--
+
+
Hierin is V het volume van de interne
vloeistofphase per volume eenheid
vaste stof.
Door combinatie van de vergelijkingen (8) en (9) volgt de eerste belangrijke conclusie:
Het verband tussen 8 en (K+') volgt
uit de vergelijkingen (8) t/m (11) door
eliminatie van (A_"), (K-'!) en $F.
Bovendien geldt voor de oplossing dat
(K+') = (A_').Er resulteert:
kunnen worden geschreven. Hierbij is
b = 0,5 en in ieder geval O < b < 1
en hangt a van het proces af.
Het blijkt nu, verrassenderwijze, dat
voor de tot nu toe bekende resultaten
vergelijking (15) een vrij redelijke lijnaanpassing geeft, waarbij de grootheden a en b van geval tot geval verschillen.
Vergelijking (15), die dus geen
physisch-chemische achtergrond heeft,
wordt wel genoemd de exponentiele
isotherm van Freundlich. Deze naam nen zoals Ca++, Na+, H + enz. De
is foutief. De vergelijking is niet ex- selectiviteit van het verwijderingsponentieel. Bovendien heeft Freund- proces hangt sterk af van de energie
lich in de aanvang deze vergelijking waarmede de verschillende ionen worniet voorgesteld, maar een andere. De den gebonden. Deze fundamentele
vergelijking komt het eerst voor in een kennis ontbreekt geheel en is nodig
artikel van de Nederlandse geleerde wil het proces kunnen worden beVan Benzmelen, die haar overigens - heerst. Hetzelfde geldt voor de ionenterecht - nooit naar voren heeft ge- wisselaars zelve, waarvan nog niet
schoven omdat de physisch chemische met zekerheid kan worden gezegd,
achtergrond ontbreekt.
welke groepen voor de afvanging verantwoordelijk
zijn en hoe het mechaUit dit alles moge toch volgen, dat
nisme
van
de
uitwisseling is. Terzijde
kennis van het actuele gebeuren bij de
zij
opgemerkt
dat
ook naar uitvoering
verschillende processen noodzakelijk
nog
verschillende
vragen te beantis, wil tot een behoorlijk gefundeerde
woorden
zijn.
Moet
het proces evenprocesvoering kunnen worden besloten. Deze kennis ontbreekt bij de tueel in de bodem gebeuren, of moewaterzuivering nog op zeer veel pun- ten eenheden worden gebouwd waarten. Een aantal daarvan zij kort aan- mede bovengronds de zuivering van
relatief kleine hoeveelheden geschiedt.
gestipt.
Bij de reeds genoemde hyperfiltratie
Hoe triviaal ook, dient te worden ge- voor de winning van zoet water uit
steld, dat voor een verantwoorde wa- zout water, is tot nu toe het meeste
terzuivering kennis over de aard en succes verkregen met membranen van
hoeveelheid van de verontreinigingen celluloseacetaat, dat gedeeltelijk is
in het water nodig is. Deze kennis is verzeevt. De werking- van de zeer
nog zeer onvolledig. Het gemis aan dunne laag (%-lp) van het memkennis klemt des te sterkei omdat braan die aan de hoge druk kant voor
juist de schadelijke en ongewenste de retentie van het zout zorgt, is nog
verontreinigingen dikwijls slechts in altijd niet duidelijk. De scheiding kan
kleine hoeveelheden in het water voor- veroorzaakt worden door de relatief
komen en derhalve minder gemakke- kleine diffusiesnelheid van de gehylijk te vinden zijn. In direct verband drateerde natrium- en chloorionen,
met het voorgaande staat het gevolg vergeleken met de snelheid van de
van het gebrek aan kennis van de watermoleculen, of berust op een af(ad)sorbentia, zowel naar eigenschap- zeefeffect van de grote gehydrateerde
ionen door met water benatte ,,popen als naar specifieke toepassing.
riën" van kleine diameter in het memOnvoldoende is nog bekend welke in- braan. Wat ook het gebeuren moge
vloed de genoemde verontreinigingen zijn, de werking van het membraan
hebben op de effectiviteit van kolom berust op de moleculaire struktuur
en membraamprocessen, zals electro- van het polymeer en op de physischdialyse, hyperfiltratie en ionenwisse- chemische eigenschappen hiervan. Beling.
langrijk is hierbij, dat het gebruikte
Ook is een betere kennis noodzakelijk cellulose acetaat zwak hydrophiel is
van de bij adsorptie en chemosorptie en dus preferentie heeft voor water.
plaats vindende reacties, zowel bij toe- Verontreinigingen in het water zullen
passing als scheidingstechniek, maar - zelfs in kleine hoeveelheden - via
in het bijzonder als ze storend werken adsorptie het oppervlakte-karakter
aanmerkelijk kunnen wijzigen en het
op andere scheidingsprocessen.
Het bovenstaande zij aan een drietal oppervlak hydrophiel kunnen maken,
voorbeelden, geput uit eigen ervaring, waardoor de werking verloren gaat.
Daarnaast kan verstopping der ,,powat nader geadstrueerd.
riën" optreden en ook door absorptie
Zoals reeds aangestipt is bekend, dat een sterk veranderde zwelling.
radionucliden door de natuurlijke
Het
is
dringend
noodzakelijk
dat, door
ionenwisselaars zoals klei en veen
kwantitatieve
bestudering
van
de verkunnen worden verwijderd. Klei vangt
schijnselen,
opheldering
over
dit
soort
b.v. af kationen van: 137CS, 90Y,
106R~,goSr, I37Co, veen vangt b.v. af vragen wordt gevonden.
kationen van 90Sr en 60Co. Deze af- Als laatste voorbeeld zij gekozen de
vanging van de altijd relatief kleine chemische ontmanganing van grondhoeveelheden radionucliden zoals ze water. Ondanks een grote hoeveelheid
in water kunnen voorkomen, wordt praktische kennis op dit gebied, zijn
sterk beïnvloed door de aanwezigheid de verschijnselen nog niet eenduidig
van veel grotere hoeveelheden katio- te verklaren, derhalve zijn geen ge-
richte maatregelen te nemen om storingen in het proces op te heffen, laat
staan om het proces optimaal te bedriiven.
Er is bekend, dat ontmanganing in
vitro beneden een pH s 8.5 niet
plaats vindt, terwijl tot pH = 7 dit
wel in een met Mn (hydr)oxiden bedekt bed geschiedt. Dit duidt op een
katalytisch proces. De reactiesnelheidsconstante hangt zeer sterk af van
het type mangaan(hydr)oxide dat aanwezig is. Ze is maximaal voor het
oxide waarbij de O/Mn verhouding
1.33. Het bicarbonaatgehalte en de
ermede verband houdende p~ en de
hoeveelheid zuurstof die zich aan het
oppervlak bevinden zijn snelheidsbepalend. Dit geldt niet voor de hoeveelheid geadsorbeerde Mn+, omdat
de reactie een eerste orde reactie is
(Mn++) in oplossing is, en de geadsorbeerde hoeveelheid niet lineair
met de concentratie in de oplossing
verander t.
Het lijkt op het ogenblik dat door de
katalysator aan de zuurstof atomen
electronen worden toegevoegd die aan
Mn++ zijn onttrokken. De zuurstof
ionen zullen aan het oppervlak met
de Mn3+ ionen en met een mangaanion uit de oplossing en water reageren
onder vorming van het mangaanhydroxide en van protonen.
Ook in dit geval zijn chemosorptie
processen van essentiële betekenis.
Onderkenning van de deelprocessen
- die nu nog zeer onvolledig is - is
nodig, opdat verantwoorde maatregelen kunnen worden genomen tot verbetering en leiding van het proces.
Het bovenstaande moge hebben duidelijk gemaakt, dat bestudering van
grensvlakverschijnselen en de ermede
gepaard gaande sorptieverschijnselen
van essentieel belang zijn voor de bereiding van drinkwater. In feite voor
de gehele waterhuishouding. De bestudering zal het mogelijk moeten
maken over de reinigingsprocessen,
die in de toekomst in steeds grotere
mate en in grotere variëteit nodig zullen zijn, optimaal te leiden. Dit kan
ook anders gezegd worden. De bereiding van goed drinkwater is uitgegroeid tot een proces industrie, waarbij naast de
van
de grondstof in zo geconcentreerd
mogelijke vorm door de civielingenieurs, bij de verwerking ook de chemisch-technische processen in volle
omvang moeten zijn bestudeerd en
begrepen. In het bijzonder speelt hierbij de (ad)sorptie een belangrijke rol.
DR. W. HOPF
SUMMARY
Adsorption to activated carbon
Activated carbon is applied in drinkmg water purification for the
elimination of taste, odour and colour, either in powder or in
granular form. Powdered activated carbon is utiiized quite well,
but small doses can not be applied as this would require rather
long periods of contact. Granular activated carbon is used in
down flow and up flow filters. For good results it must satisfy
specific requirements with regard to grain size, specific gravity and
resistance against abrasion. The consumption of activated carbon
depends upon raw water quality and the possibility of regeneration. Chlorination has little effect on efficiency of activated
carbon, but pre-ozonation saves large amounts of carbon and
makes a separate demanganation superfluous. The required backwashing moreover removes iron and manganese deposits, allowing
the carbon to be regenerated several times. The cost of activated
carbon treatment does depend on the type applied and the possibility of regeneration.
Activated carbon is not suited for the treatment of domestic
wastes. In the chemica1 and in the oil industry it could be used to
advantage but examples of these are still quite rare.
Aktivkohle in der Wasseraufbereitung
Hauptsachlich zur Entfarbung, aber
auch zur Beseitigung störender Geruchs- und Geschmacksstoffe aus Flussigkeiten sind schon seit langer Zeit
verkohlte Produkte verschiedener Herkunft benutzt worden, die ausser aus
Holz vorzugsweise aus tierischen Rohstoffen als Tierkohle, Blutkohle, Lederkohle, Knochenkohle hergestellt wurden. Diese Kohlearten wurden m nachst nur in kleinem Masstabe, Z.B.
in Apotheken, gelegentlich auch zur
Schönung von Branntwein und dergl.
verwendet, bis d a m irn vorigen Jahrhundert ihre grosstechnische Benutzung, in erster Linie in der Zuckerindustrie begann. Die lange Zeit ausschliesslich gebrauchte Knochenkohle
erwies sich dabei auf die Dauer als zu
teuer und mengenmassig nicht mehr
beschaffbar, so dass die seit Beginn
des 20. Jahrhunderts entwickelten
eigentlichen Aktivkohlen, obwohl anfanglich teurer, die alte Knochenkohle
inzwischen praktisch vollkommen verdrangt haben.
grundlich geandert, da durch die vermehrte Einleitung von Abwassem, besonders der chemischen Industrie und
der Petrochemie, die direkte und indirekte Wasserversorgung aus Oberflachenwassern rnehr und mehr geschadigt wird, ohne dass es möglich
ware, auf Wasser besserer Quaiitat
auszuweichen. Dies gilt insbesondere
fur die am Rhein gelegenen Wasserwerke, die ihr Wasser grösstenteils (Z.B.
Dusseldorf zu 85-90 OJo) als Uferfiltrat
aus dem Rhein entnehmen. Die Verschlechterung der Uferfiltrate war
schon im Jahre 1952 nicht mehr zu
iibersehen, und die in 1953 gegriindete
,,Arbeitsgemeinschaft Rhein-Wasserwerke", machte es sich unter Leitung
von Herrn Prof. Holluta zur Aufgabe.
einerseits die Qualitats-veranderung
des Rheinwassers zu uberwachen, andererseits nach Mitteln zu suchen, auf
wirtschaftliche Weise das Uferfiltrat
mnachst von störenden Geruchs- und
Geschrnacksstoffen zu befreien.
In der Wasserauf,bereitung werden
Aktivkohlen erst seit relativ kurzer
Zeit, d. h. seit etwa 30 Jahren, in
zunehmendem Masse angewendet.
Zu diesem Zweck wurden damals alle
bisher bekannten Aufbereitungsverfahren durchprobiert, von der Fallung
und Flockung mit und ohne Chlorung
bis zur Intensivbeluftung und bis m r
Filterung durch aktive Kohle. Ausser
letzterer brachte allen diesen herkömmlichen Verfahren nur die Beluftung, aber mit dem grosstechnisch
unmöglichen Aufwand von 200-300
m3 Luft fur 1 m3 Wasser, einen guten
Erfolg; das Missverhaltnis zwischen
Luft- und Wassermenge ist verstandiich, wenn man sich klarmacht, dass es
sich dabei urn eine Wasserdampfdes-
Friiher stand fast uberall Wasser von
guter Qualitat reichlich zur Verfugung; war das Wasser örtlich nicht
ganz einwandfrei, etwa durdi Humusstoffe gefarbt, so handelte es sich meist
um kleine Wasserversorgungen, bei
denen man die Kosten der Aufbereitung scheute und mit deren Qualitat
man sich abfand.
In den letzten Jahrzehnten hat sich das
tillation, aber nicht bei Siedehitze, wie
sie jeder Chemiker kennt, sondem bei
gewöhnlicher Temperatur, handelt!
Die Filtration durch Aktivkohle dagegen ergab e h brauchbares Wasser
mit technisch und wirtschaftlich tragbaren Mitteln. Da die Versuche dazu
in grossem Massstabe bei den Stadtwerken Dusseldorf angestellt worden
sind, sei es gestattet, auf die dabei
gemachten Beobachtungen zurückzugreif en.
2. Verschiedene Arten von Aktivkohle
Die heute zur Verfugung stehenden
Aktivkohlen sind zwar alle den alten
Tier- und Knochenkohlen und auch
den einfachen, durch Meilerbetrieb
gewonnenen Holzkohlen weit uberlegen; trotzdem ist aber nicht jede
Aktivkohle fur jeden Zweck gleich gut
geeignet. Schon vom Rohrnaterial her
gibt es grosse Unterschiede: die meist
verwendeten Stoffe sind Laub- und
Nadelhöizer, auch in Form von Sagemehl, Torf, Braunkole, Holz- und
Steinkohle, Grudekoks und Fruchtschalen, meist von Kokosnussen und
Mandeln. Die Aktivierung geschieht
entweder durch Erhitzen rnit Luft auf
350-450" bzw. mit Wasserdampf auf
800-100O0, oder aber chemisch durch
Behandlung rnit Chlorzinklösung bzw.
Phophorsaure, auch mit konzentrierter
Schwefelsaure bei 400-1000" C u.a.m. ;
dabei werden zur Gasaktiviening vorverkokte Stoffe (Holzkohle, Torfkohle), zur ohernischen Aktivierung
aber Torf, Holz oder Fmchtschalen
venvendet.
-
Dass dabei Kohlen sehr verschiedener
Typen entstehen, ist eigentlich selbstverstandlich. Obwohl alle sich durch
eine sehr grosse innere Oberflache
auszeichnen, die zwischen 200 und 700
m y g betragt, kann doch die Porenverteilung und die Porenstmktur, insbesondere der wirksamen Anteile von
Kapillaren zwischen 2 und 100 p einerseits und unter 2 p andererseits grosse
Unterschiede in der Wirksamkeit der
Die Düsseldorfer Versuche sind an
anderer Stelle [l, 21 ausführlich beschrieben worden; es sollen deshalb
hier nur einige Angaben gemacht
werden, die sich im Betrieb als brauchbar erwiesen haben und unter normalen Bedingungen, evtl. mit kleinen
Aenderungen, allgemein gelten können.
Fur die Bauart der Filter empfiehlt
sich unbedingt der Einbau von
Dusenböden,
da nur diese eine gleichKohlen mit sich bringen.
massige Filterung durch den ganzen
Schiesslich kommen die Aktivkohlen Querschnitt des Filters und umgekehrt
auch äusserlich betrachtet in ganz ver- eine vollstandige Spulung der Filterschiedener Form in den Handel, teils schicht ohne tote Ecken gewahrleisten;
im Originalzustand, evtl. gebrochen auch sollte eine Luftspülung möglich
und auf Kornklassierung gesiebt, aber sein bzw. richtiger eine Wirbelung der
auch gemahlen als Pulverkohle, oder Filterschicht mit Luft vor dem Spulen
aber als geformte Kohle, die meist aus mit Wasser. Als gunstigste FilterTorf, Holzmehl und dergl. in sehr geschwindigkeit hat sich 30-35 m / h
gleichmassigen, harten und abriebfes- erwiesen. Fur die Ruckspulung spielt
die Beschaffenheit der Kohle eine austen Körnern hergestellt wird.
schlaggebende Rolle, da das Filterbett
Die Hersteuung der AktivkOhlen er- möglichst vollständig angehoben werfOrdert angesichts der vielf.altigen den sou, ohne dass Kohleteilchen wegMöglichkeiten grosse Erfahning- Bei geschwemmt werden. Die Kohle soli
der Auswahl geeigneter AktivkOhlen deshalb möglichst gleichmassig geist es deshalb durchaus richtikTl sich kömt sein, etwa van 1,5-3,0 mm, mit
der Erfahrungen der
Hauptanteil van 2-2,5 mm. Der Filterbedienen* sich aber auch nicht widerstand liegt darm für 3 m Schichtunbedingt
deren Angaben zu ver- höhe meist unter 1 m; gespult wird in
lassen; VOrversuche
in jedem der Regel, wenn der Widerstand 6 m
Falie nOtwendig-Wir haben mancher- erreicht hat. Um mit g1eiche.r Spullei KOhien
die sich nach wie Ffitergeschwindigkeit van 30-35
Beschaffenheit und Preis fÜr andere m / h ausmkommen, sou das SchÜttZwecke sehr gut eigneten, in unserer gewicht der Kohle möglichst zwischen
Aufbereitungsanlage aber nicht ver- 0,3 und 0,45 liegen; das Filterbett
wendet werden konnten.
dehnt sich dann bei der Spulung um
50-40 0/0 aus. 1st die Kohie leichter,
wird sie evtl. teilweise mitgenommen,
3. Technische Verwendung von
so dass die Spülwassergeschwindigkeit
gekörnten Aktivkohle
vermindert werden muss (wodurch die
Da wir vor unseren ersten Versuchen Spülung weniger intensiv wird); ist die
noch keinerlei Aufbereitungsanlagen Kohle schwerer, muss schneller gehatten, haben wir von vornherein von spült werden, da sonst das Filterbett
der Benutzung der Pulverkohle abgeZU wenig anhebt und ungespülte
sehen, weil diese eine besondere Filter- Nester darin verbleiben können; dies
aulage erfordert. Nimmt man natur- verursacht aber höheren spülwasserfiche ader geformte Kornkohle, s0 verbrauch. In jedem
muss susman
reichender freier Spülraum oberhalb
schichtfilter
Raurnfilter
der Kohleschicht vorhanden sein; es
den. Schwebeschichtfilter haben den ist nicht zu empfehlen, weggeVorteil, dass sie nicht gespult werden schwemmte KoNekörnchen durch
da
mussen; enthalt das Wasser jedoch Siebe abfangen zu
Schwebestoffe, z. B. geflocktes Eisen sich leicht verstopfen und sogar ganz
und Mangan, so muss hinter dem zusetzen können.
Schwebeschichtfilter noch ein mechanisches Filter angeordnet werden, das Ein hoher Anteil an Feinkorn ist unerauch wegen des evtl. im Schwebe- wünscht. Bei jedem Spulvorgang tritt
schichtfilter anfallenden Kohlestaubs eine Klassierung der Filterschicht nach
aus Abrieb, nötig ist. Infolgedessen Korngrösse e h , wobei die Feinstanteile
kam das Schwebeschichtfilter fik uns sich schliesslich in der obersten Schicht
ebensowenig in Frage wie die An- wiederfinden und den Filterwiderstand
wendung von Pulverkohle, so dass wir unnötig erhöhen. Die feinsten Teilchen
uns von vornherein für das normale bis etwa 0,2-0,3 mm @ werden allerdings beim Spulen meist entfernt; doch
Raumfilter entschieden haben.
sollte bei jeder Kohle auf gute mechanische Festigkeit gegen Abrieb geachtet werden, da sonst nicht nur
merkliche Verluste an Kohle eintreten
können, sondern ein Zerfall der Kohle
zu kleineren Körnungen auch Schwierigkeiten bei der eigentlichen Filterung
mit sich bringt.
4. Technische Verwendung von
gepulverten Aktivkohle
~~~~~d~~~
pulverkohle
scheint
den
~ l i vielver~ k
sprechend und sehr viel rationeller als
die
K
~ m sein,
~ und ~sie
d,
tatsachlich in der wasseraufbereitung oft mit ~
~venvendet.
f
~
Die Pulverkohle wird durch Mahlen
ungeformter aktivierter Kohle in verschiedener Feinheit hergestellt; für die
Wasseraufbereitung werden in der Regel die feinsten Körnungen gewählt.
Von diesen geht ein sehr grosser Teil
durch das Sieb DIN 4188 rnit 0,04 mm
Maschenweite. Unter Berücksichtigung
eines Porenvolurnens von rd. 30 0/0
kommen dann wenigstens 10-15.000
Teilchen auf 1 rnm3, so dass bei einem
angenommenen Schiittgewicht von 0,3
(1 mm3 = 0,3 mg) das einzelne Teilchen aur etwa 0,02-0,03 y wiegt. Da
diese feinen Partikel sich meist schlecht
abfiltrieren lassen, wird oft nach ausreichender Einwirkzeit vor der Filterung geflockt (z. B. mit Eisen) oder
Kieselgur zugesetzt.
Da die verfkgbare Oberflache der
Pulverkohle unvergleichlich grösser ist
als bei Konikohle, sollte die Pulverkohle besonders gut ausgenutzt werden. Dies trifft im allgemeinen auch
zu; doch ergeben sich gerade aus der
kleinen Teilchengrösse Schwierigkeiten fur die Aufbereitung, falls nicht
eine gewisse Mindestmenge an Kohle
von vornherein benötigt wird, die bei
etwa 5 g/m3 liegen mag. Das Verhaltnis von Masse zu Oberflache die im Wasser für die Reibung des
_zehen
Teilchens ausschlaggebend
ist - wird namlich bei der feinsten
Pulverkohle so klein, dass daraus nur
eine minimale Sinkgeschwindigkeit,
d.h. Eigenbewegung gegen Wasser
resultiert. Infolgedessen schwimmt
jedes winzige Kohlepartikelchen, auch
wenn das Wasser, etwa im Accelator,
bewegt wird, in der Wasserhulle mit,
von der es umgeben ist. Es dauert
deshalb sehr lange, bis jedes Wasserteilchen (das man sich recht klein vormit
stellen muss, z.b. 1/l000
einem Kohleteilchen in Kontakt gekommen ist, was aber doch die Vor-
e)
75
~
~
l
~
aussetzung fiir jede Reaktion, also auch
fur die Adsorption der im Wasser geIösten Stoffe ist. Aus diesem Grunde
bringt auch ,,fein verteilte Pulverkohle
im Wasser" - ,,praktisch keine Entchlorung".
An einem einfachen Experiment lasst
sich dies leicht demonstrieren. Permanganat wird von aktiver Kohle
glatt m Braunstein reduziert nach der
Gleichung:
Man gibt in 1000 ml Wasser z. B. 2 ml
n
-KMn04 (= 0,22 mg Mn). D a m
100
fugt man 1 ml einer Aufschwemmung
von 1 g Pulverkohle in 1000 ml Wasser (= 1 mg C), das ist etwa das 60fache der fur die Reaktion erforderlichen Menge. In einem zweiten, dritten und vierten Kolben werden zu der
gleichen Permanganatmenge (2 ml
n
-- Lösg.) nun 2,s und 10 ml der
1O0
Kohleaufschwemmung gegeben. D a m
werden alle 4 Kolben möglichst gleichzeitig langsam geschwenkt. Es zeigt
sich, dass die Lösung 4 schnell entfarbt wird, bei 3 dauert es etwas Ianger, wahrend bei 2 und besonders l
lange Zeit (bis zu 15 Min. und mehr)
erforderlich ist. Der Kohleuberschuss
ist auch bei 1 mehr als ausreichend;
der Unterschied beruht darauf, dass
in Probe 1 nur 15-20, in Probe 4 aber
ca 150-200 Teilchen in 1 ml Lösung
suspendiert sind. Selbstverstandlich
muss man mit Abweichungen rechnen,
die durch die Art der Kohle, und den
Schuttelvorgang bedingt sind. Die
Tendenz wird jedoch sichtbar; auch
kann man sich nach beendeter Reaktion leicht davon uberzeugen, dass die
Lösung alkalisch geworden ist, ein
Vorgang, der bei der Entmanganung
nach dem Dusseldorfer Verfahren eine
Rolle spielt.
Ob man Pulverkohle oder besser
Kornkohle benutzt, wird demnach
wesentlich vom effektiven Bedarf abhangen. Man darf dabei nicht ubersehen, dass die Pulverkohle aus technischen Gründen nicht regeneriert
werden kann; auch die nochmalige
Aufschlammung der vom Filter abgespulten Kohle kommt, obwohl man
daran denken könnte, in den meisten
Fallen nicht in Betracht, weil sie dann
mit Eisen- und Manganoxiden verunreinigt ist.
5. Bedarf an Aktivkohle in
Abhangigkeit von der
Wasserbeschaffenheit
Der Bedarf an Aktivkohle muss
möglichst mit mehreren verschiedenen
Typen und unter verschiedenen Bedingungen festgesteut werden. In den
Dusseldorfer Vorversuchen [l] hat
sich Hydraffin BD am besten bewahrt;
gleichwertig ist eine auch in der endgultigen Aufbereitung eingesetzte
Kohle der ,,NoritWund die LW-Kohle
von Bayer Leverkusen. Die Versuche
können hier nicht im einzelnen beschrieben werden; doch sei gesagt,
dass sich von 3 verschiedenen Filtergeschwindigkeiten (15, 30 und 50 m/h)
die mittlere am besten bewahrt hat,
so dass wir auch die endgultige Aufbereitung mit 30-35 m / h betreiben.
Der spezifische Kohleverbrauch - bis
zum Durchbruch von Geruch- und
Geschmack durch eine 3,50 m hohe
Kohleschicht - betrug in einem 1.
Versuch ca 6,s g/m3 Wasser, in einem
2. aber 13 g/m3, wobei die Beschaffenheit des Uferfiltrats von ausschlaggebender Bedeutung war. Die bekannten Erscheinungen -der selektiven Adsorption konnten dabei deutlich beobachtet werden, da die Filter in Abstanden von je 50 cm mit Probierhahnen versehen waren. Die Verdrangung anfanglich adsorbierter Stoffe
durch andere, die in geringerer Konzentration vorlagen, fuhrte wiederholt
zu aufffallenden Geruchs- und Geschmacksveränderungen am Ablauf:
Wasser, das am Filtereintritt einen
muffig-chemischen Geruch hatte, roch
nach der Filterung etwa nach Sellerie
oder Meerrettig (nicht immer unangenehm). War ein Filter bei besonders
schlechter Qualitat des Rohwassers
schon durchgeschlagen, so erholte es
sich bei Besserung des Uferfiltrats (die
von der Wasserfuhrung des Rheines
abhangt) mitunter soweit, dass es dann
noch wochen- und monatelang in Betrieb bleiben konnte. Trotzdem muss
ein solches Filter, dessen Kohle an
sich ja noch aufnahmefahig ist, erneuert bzw. regeneriert werden, weil
es fur den Fa11 einer abermaligen Verschlechterung des Uferfiltrats nicht
mehr genugend Reserven an Adsorptionskapazitat hat. Dies ist ubrigens
bei stark schwankender Wasserqualitat ein entscheidender Nachteil des
Kornkohlefilters ; bei Verwendung von
Pulverkohle kann der Bedarf leicht
der Wasserbeschaffenheit angepasst
werden, immer vorausgesetzt, dass
wenigstens 5-10 g/m3 zugesetzt wer-
den und ausreichende Reaktionszeit
gewahrleistet ist.
Inzwischen hat sich die Beschaffenheit
unserer Uferfiltrate verandert; der
KMnO4-Verbrauch ist kaum schlechter, mitunter sogar besser geworden;
fur Geruchs- und Geschmacksschwellenwerte trifft dies jedoch nicht m,
der Charakter von Geruch und Geschmack ist eher unangenehrner geworden. Die Ursache dafur ist in den
Abwassern der chemischen Industrie
und besonders der Petrochemie zu
suchen; wollten wir heute unsere
Uferfiltrate nur mit Kohle allein aufbereiten, so mussten wir mit einem
spezifischen Kohleverbrauch von 3040 g/m3 rechnen.
6. Lebensdauer der Aktivkohle
Mit dem spezifischen Kohleverbrauch
hangt die Lebensdauer einer Filterfullung unmittelbar zusarnrnen; beide
Werte verhalten sich einander entgegengesetzt. Arbeitet man mit Pulverkohle, so wird man im Endeffekt
etwa ebensoviel verbrauchen, wie dem
spezifischen Kohleverbrauch im Kornkohlefilter entspricht. Die Pulverkohle
ist jedoch in der Regel verloren, wahrend man die Kornkohle regenerieren
und damit ihre Lebensdauer verlangern kann. Ob sich das Regenerieren lohnt, hangt in erster Linie davon
ab, ob die Kohle relativ sauber geblieben oder aber mit störenden Ablagerungen mehr oder weniger bedeckt
ist. Hierfur kommen in seltenen Fallen Kalkabscheidungen, haufig dagegen Eisen- und Manganoxide in Betracht. Da die Regeneration thermisch,
meist bei mindestens 7-800" C erfolgt,
werden Kalkablagerungen wenigstens
teilweise zu Cao, das bei der erstmaligen Spulung des Regenerates in
Lösung geht. Abgeschiedene Oxidhydrate von Eisen und Mangan werden
dagegen unlöslich festgebrannt und
mindern die Qualitat des Regenerates
schüesslich soweit, dass eine nochmalige Aufbereitung nicht mehr lohnt.
So haben wir bei unseren ersten Versuchen ein Erstregenerat mit noch gut
90 O/o des Aufnahmevermögens einer
Frischkohle erhalten; bei der 2. Regeneration derselben Kohle war der
Erfolg jedoch nur noch etwa 60 %ig.
verursacht durch Eisen und Mangan.
Wir hatten damals wenig darauf geachtet, weil die Uferfiltrate trotz
schlechten Geruchs und Geschmacks
noch frei von Eisen und Mangan
waren; das Auftreten von Eisen und
Mangan fing gerade erst an, und wir
Katten durch haufigeres Spiiien wenigstens das Eisen entfemen und dadurch
ein besseres Zweitregenerat erhalten
können. Heute ware das nicht mehr
möglich; der Mangangehalt ist meist
4-6 mal so hoch wie der Eisengehalt,
und Mangan lasst sich von der Kohie
nicht mehr abspulen, wenn erst einmal
die katalytische Entmanganung in
Gang gekommen ist.
7. Verlangerung der Wirksamkeit von
Aktivkohle durch Vorbehandlung
des Wassers rnit Chlor bzw. Ozon
Es liegt nahe, die Lebensdauer der
Kohle durch eine geeignete Vorbehandlung des Wassers zu verlangern.
Eine Hochchlorung bringt dabei oft
gute Erfolge, was von dem alten
Adler'schen ADM-Verfahren schon
lange bekannt ist; allerdings hat bei
diesem Verfahren die Aktivkohle nur
die Entchlorung, aber praktisch nichts
fur die Adsorption zu leisten. Die
Hochchiorung bringt in den Uferfiltraten des Rheins nur einen Teilerfolg,
auch sind die Chemikalienkosten nicht
unbedeutend, da von vomherei~mit
wenigstens 10-20 g/m3 gearbeitet werden muss. Wir haben deshalb von der
Hoch-Chlorung abgesehen, nicht zuletzt auch deshalb, weil wir bei einer
mittleren Tagesförderung von 220000
m3 taglich rd. 3 t Chlor Katten umsetzen mussen; Transport und Lagerung entsprechend grosser Vorrate
erfordern besondere Sicherheitsmassnahmen und sind nicht gerade angenehm.
Eine kleine Vorchlorung mit 0,s g/m3
brachte eine deutliche Verzögerung
des Durchschlagens der Kohle, wobei
der Geschmack dem Geruch vorauseilte, wahrend es sonst immer umgekehrt war. Am Beladungszustand der
Filter wurde aber durch die Vorchlorung nichts geandert; dies wurde festgestelít, indem die Vorchlorung auf
bis dahin rnit ungechlortem Wasser,
aber unter sonst gleichen Bedingungen
betriebene Filter geschaltet wurde und
umgekehrt. Die beiden Filtergruppen
zeigten dann Geruch und Geschmack
so, als ob sie von Anfang an, statt mit
gechlortem, mit ungechlortem Wasser
und umgekehrt beaufschlagt worden
waren. Die kleine Vorchlorung hat
demnach kaum eine eigentliche Veranderung der Molekulgrössen (und
damit der Adsorptionsbedingungen)
bewirkt, sondern nur eine Verminderung der Geruchsintensität, vielleicht
durch Absattigung von Doppelbindungen. Tatsachlich Iasst sich damit eine
langere Laufzeit der Kohlefilter erreichen, die etwa 20-25 % ausmacht;
bei einer starken Verschlechterung des
Rohwassers nutzt das aber nicht viel,
da die Vorbelastung der Kohle rnit
oder ohne Vorchlorung praktisch die
gleiche ist.
Ganz anders sieht es aus, wem das
Wasser rnit Ozon vorbehandelt wird.
Die Ozonierung war in Dusseldorf ursprunglich als selbstandiges Aufbereitungsverfahren erprobt worden 141;
es sou hier nicht mehr dariiber gesagt
werden, als dass es erstmalig gelungen
ist, rnit relativ geringem Aufwand
und in einem einzigen Arbeitsgang
weit grössere Ozonmengen als friiher
ublich in Anwendung zu bringen. Die
Erfolge waren.recht gut, doch gelang
es nicht immer, auch bei schlechter
Rohwasserqualität Geruch und Geschmack vollständig aus dem Wasser
zu entfernen. Ein nachgeschaltetes
Aktivkohlefilter brachte dann den gewiinschten Effekt, noch verbliebene
Geruchs- und Geschmacksstoffe, aber
auch evtl. neugebildete Ozonide
zuruckzuhalten und gleichzeitig kleine
Mengen von Restozon zu zerstören.
Der Ozonzusatz k a m sich dabei einigermassen nach &m KMn04-Verbrauch richten; fur Dusseldorfer
Uferfiltrat hat sich ein Zusatz von
0,l-0,12 g 03/m3 fur je 1 mg11
KMn04-Verbrauch als zweckmassig
erwiesen, doch muss seit etwa 2
Jahren etwas mehr 0 3 gegeben werden
weil bei etwa gleichbleibendem
KMn04-Verbrauch der Geruchsschwelienwert erheblich angestiegen
ist.
Der Kohleverbrauch ist hinter der
Ozonierung nur noch ein kleiner
Bruchteil der Menge, die man ohne
Vorozonierung braucht, im Mittel nur
etwa 1/10. Beim Bau unserer ersten
Auf bereitungsanlage rechneten wir
mit einem Kohlebedarf von ca. 1,s
g/m3; der Verbrauch bis zum ersten
Durchschlagen betrug damals bei
nicht ozoniertem Wasser zwischen 10
und 20 g/m3. Heute waren fur unbehandeltes Wasser schatzungsweise 3040 g Kohle erforderlich, im ozonierten
demnach 3-4 g/m3; tatsachlich war
der Kohleverbrauch der zuletzt gewechselten Filterfullungen in den verschiedenen Aufbereitungsanlagen 2,s3,4 g/m3.
Als die erste Aufbereitungsanlage
,,Am Staad" bereits im Bau war,
drohte der im Zusammenhang mit der
Rheinverschrnutzung
ansteigende
Mangangehalt [5] das ganze Projekt
zu stören, da allgemein eine Verschmutzung der Kohlefilter rnit Mangan und damit vorzeitiges Versagen
der Kohle vorausgesagt wurde. Nun
wird aber Mangan++ von Ozon
sofort zu Permanganat oxydiert, das
dann an der Kohle wieder zu Braunstein reduziert wird (Gleichung wie
oben, mit dem Unterschied, dass es
sich im Trinkwasser nicht um Kaliumpermanganat handelt, sondem wegen
der Umsetzung der primar gebildeten
Uebermangansaure mit der Carbonatharte um Calciumpermanganat). Bei
diesem Vorgang wird die Oberflache
der Kohlekömer dauernd abgebeizt,
der Braunstein kann sich nicht festsetzen und Iasst sich gut abspiilen.
Das Verfahren der Behandlung rnit
Ozon
Kohle leistet also nicht nur
eine Beseitigung von Geruch und Geschmack, sondem auch von Eisen und
Mangan; zur Entmanganung allein
ist es sogar ggf. der herkömmlichen
Entmanganung uberlegen [6].
+
8. Regeneration der Aktivkohle
Schon sehr geringe Gehalte an Eisen
und besonders Mangan können die
Regenerierbarkeit der Kohle stark
beeintrachtigen und sehr bald unwirtschaftlich machen. Auch eine Vorchlorung andert daran nichts, da die
Abscheidung des Mangans auch in
diesem Falie nur unter Mitwirkung
bereits vorgebildeten Braunsteins rasch
und einigermassen vollständig verlauft. Das bedeutet aber, dass das
Kohlekorn mehr und mehr von festhaftendem Braunstein bedeckt und
dabei fur die Regeneration untauglich wird. Mit vorheriger Ozonbehandlung wird das Eisen sofort abgeschieden und vom Kohlefilter uur
mechanisch festgehalten; der Braunstein entsteht, soweit er nicht teilweise schon vorher durch Reduktion
des Permanganats an restlicher organischer Substanz gebildet wird, in der
obersten Schicht des Kohlefilters (bis
etwa 10-15 cm Tiefe). Die Abscheidung des Mangans erfolgt dabei absolut vollstandig und in sehr grober,
leicht abspulbarer Flocke. Die im
Vergleich zur herkömmlichen Entmanganung erstaunlich glatte und
sichere Abscheidung beruht vermutlich darauf, dass durch die Reduktion
des Permanganats tatsachlich Mn02
entsteht, wahrend bei der ublichen
katalytischen Entmanganung das VerKaltnis Mn : O = 1 : 2 nie erreicht
wird, d. h. die Oxydation m Braunstein nicht vollstandig verlauft [7].
de man sie wahrscheinlich nicht einsetzen, weil ihre Laufzeit voraussichtlich nur halb so lang ware. Selbst
wenn man diese Kohle ebensooft
Die Möglichkeit, eine Kohie mehr- regenerieren könnte wie die andere,
fach zu regenerieren, ist von erheb- musste sie jeweils nach der halben
licher Bedeutung fur den Kostenauf- Zeit regeneriert werden und ware
wand. Zunachst aber wird es sich um darnit im Dauergebrauch zu teuer.
den Anschaffungspreis der erstmali- Die von uns meistgebrauchte Kohle
gen Filterfullungen handeln, bei dem kostet z. Zt. DM 1.300,-/t, das Regeselbstverstandlich die Leistung der nerieren einschliesslich Transport DM
Kohle fur den speziellen Zweck der 700,-/t
fur fertiges Regenerat; da
berücksichtigt beim Regenerieren im Mittel mit
Wasserauf bereitung
werden muss. Von den gebrauch- 15 OJo Schwund zu rechnen ist, muss
lichen Prufverfahren wie Feststellung dieser durch Frischkohle erganzt wervon Entfarbungskurven, Methylen- den, so dass die t in der Filterfullung
blauprobe usw. ist fur Aktivkohlen insgesamt auf rd. DM 800,- zu stehen
zur Wasseraufbereitung die Bestim- kommt .Diesem Wert nahert sich der
mung des Phenol-Adsorptionsver- Kohlepreis immer mehr, je öfter die
mögens die gebrauchlichste. Wir KoNe regeneriert wird. Wir haben
haben jedoch gefunden, dass die eine andere Kohle im Gebrauch, die
Phenol-Halbwertslange möhe der bei gleicher Halbwertslange ein
Kohleschicht, die unter festge- höheres Schuttgewicht hat; die Filterlegten Durchflussbedingungen die fullung kostet trotzdem das gleiche,
Die mit einer Geschwindigkeit von Konzentration einer Phenollösung von weil der Preis pro t soviel niedriger
30 m/h ruckgespulten Filter werden 10 mg11 auf die Halfte herabsetzt) ist, dass dadurch das kleinere Voluso sauber, dass die gut gespulte Kohle sich fur die Beurteilung einer im men pro t ausgeglichen ist. Leider ist
einwandfrei regeneriert werden kann. Schichtfilter venvendeten Kohle bes- die Lieferfirma ausserstande, diese
ser eignet, da sie den Verhältnissen
Dies ist in unserer altesten Aufberei- im dynamisch betriebenen Filter Kohle zu regenerieren (weil mit Hertungsanlage Am Staad mit den un- naher kommt. FGr uns brauchbare stellung von Frischkohie uberbeschafteren Schichten schon mehrmals ge- Kohien sollen eine Phenol-Halbwerts- tigt)!
schehen, so dass ein Teil der Filter- lange unter 20 cm haben; tatsachlich Aus diesem und anderen Griinden
kohle jetzt schon m m 4. Male ein- liegt sie bei den von uns venvendeten wird die Beschaffung einer eigenen
gesetzt ist. Die oberen schichten sind Sorten durchweg zwischen 10 und 14 Regenerieranlage envogen, die gerade
bis heute schon fast 7 Jahre in Be- cm. Die Regenerate sind ubrigens fast so gross (oder um wenig grösser) sein
trieb; ihre Regeneration war bisher immer etwas besser als die frischen muss, dass sie praktisch ununterbronicht erforderlich, weil die Kohie Kohlen; ihre Phenol-Halbwertslange chen betrieben werden kann. Dies
durch das ,,Abbeizenwdunnster Ober- betragt meist 8-10 cm, unter 8 cm ist wurde dann auch eine laufende
flachen der Kohlekörner bei der Re- auch schon vorgekomrnen. Die zu Emeuerung der Filterfullungen erlauduktion des Permanganats stets wirk- regenerierenden Kohlen haben Halb- ben, die jetzt gruppenweise geschieht.
sam bleibt.
wertslangen uber 60 cm, sie waren in Eine Ueberschneidung der Laufzeiten
der Filter ermöglicht insgesamt lanAuf einen besonderen Effekt der diesem Zustand sicherlich fur viele gere Betriebszeiten, da die am langandere
Zwecke
noch
brauchbar,
da
Kohlefilter muss noch ,hingewiesen
wir schon öfters frische Kohlen im sten laufenden Filter, wenn sie z. B.
werden: nach 2-3 Wochen hat sich
Angebot hatten, die nach Korngrösse nur 114 bis 113 der Gesamtkapazitat
in der frisch eingefullten Kohle ein und Schuttgewicht geeignet gewesen ausmachen, ohne Nachteil uberzogen
reges biologisches Leben entwickelt, waren, deren Halbwertslange aber z. werden können, da ein geringer Geso dass im Filter Ammoniak restlos T. weit uber der fur uns schon aus- ruchs- oder Geschrnacks-Durchbnich
sich dann in der Gesamtwassermenge
abgebaut wird. Der Nitratgehalt steigt gebrauchten Kohle lag.
noch nicht störend bemerkbar macht.
dabei nicht an, da, sobald ein wenig
Da die Aktivkohlen durchweg nach
Nitrit gebildet ist, Selbstzersetzung
Gewicht und nicht nach Volumen ge- An der Entwicklung von Kohlesorten,
des Arnmoniumnitrits zu Stickstoff handelt werden, ist die Phenolbela- die eine bessere Adsorption gegenuber
und Wasser erfolgt.
dung, die nach Gewicht bestimmt oleophilen Stoffen haben, möglicherwird,
auch schon deswegen weniger weise auch wegen ihrer mechanischen
Durch die Regeneration der Kohle,
Fertigkeit noch haufiger regeneriert
die mit Wasserdampf thermisch bei aufschlussreich als die Phenol-Halb- werden können, sind wir begreifwertslange; wir wollen ja schliesslich
800-1000" C vorgenommen wird, geht
wissen, wieviel Leistung man in ein lichenveise sehr interessiert. Es wird
die gesamte Biologie des Filterkörpers
Filter packen kann. Es k a m z. B. eine auch daran gearbeitet, doch können
verloren, doch ist sie nach 14 Tagen Kohle angeboten werden, die zwar die wir daruber noch nichts Endgultiges
Betriebszeit so weit aufgebaut, dass doppelte Halbwertslange einer ande- sagen.
der Abbau des Ammoniaks wieder ren hat, dafur aber weit weniger als
glatt verlauft. Der benötigte Sauer- die Halfte kostet. In diesem Falle 10. Verwendung von Aktivkohle zur
Aubereitung von Abwasser
stoff wird dabei von der Ozonierung ware die eigentliche Leistung der
geliefert, die den Sauerstoffgehalt des Kohle entschieden biiliger als bei der Leider wird es wohl in der ganzen
Wassers auf ca 8 mg/l bringt.
höhenvertigen Kohle; trotzdem wur- Welt den Verbrauchern uberlassen,
Die in Dusseldorf angewandte Teilung
der Aktivkohlefilter in Ober- und
Unterschicht erlaubt eine getrennte
Spulung beider, wobei die 1 m starke
Oberschicht, die die Mangan- und
Eisenoxide aufnimrnt, im Mittel alle
2-3 Tage gespult wird, die Unterschicht dagegen, die nur als Adsorptionsfilter dient und mechanisch sehr
wenig verschmutzt wird, nur alle 3-4
Wochen. Die Spulung erfolgt in Abhängigkeit vom wachsenden Filterwiderstand bei etwa 5-6 m, nach der
Spulung geht der Widerstand auf 0,71,2 m WS zuruck. Die untere Schicht
muss jedoch nach 3-4 Wochen auch
dann gespult werden, wem der Widerstand von 5-6 mWS noch nicht
erreicht ist, weil Eisen (Mangan
nicht!) allmahlich durch die Filterschichten wandert und nach mehreren
Wochen Betriebszeit durchschlagen
kann.
9. Kosten der Aktivkohle unter
Be~cksichtigungihrer Quaìität
und ihrer Regenerierbarkeit
mit der Verschmutzung von Luft und
Wasser fertig zu werden, die von den
Missbrauchern verursacht wird. Wenn
wir auch mit einigem Aufwand an
Ueberlegungen, viel Arbeit und grossen Kosten unser Wasser wieder einigermassen in Ordnung gebracht haben,
so ist doch zu befurchten, dass unsere ganze Aufbereitung eines Tages
nicht mehr ausreicht, weil auf der
Abwasserseite zu wenig getan wird.
Zwar sind uberal biologische Reinigungsanlagen im Bau, doch sind diese
in erster Linie auf hausliches Abwasser zugeschnitten, wahrend die Abwasser der Industrie darin nur mangelhaft abgebaut werden und of t sogar
schaden. Infolgedessen hat im offenen
Rhein der KMn04-Verbrauch in den
letzten Jahren nicht merklich zugen o m e n , der Geruchsschwellenwert
dafur desto mehr. Die Bemuhungen,
in die Auflagen fur die Einleitung von
Chemie-Abwassem auch den Geruchsschwellenwert hineinzubekommen, sind bisher erfolglos geblieben.
Von einzelnen Ausnahmen abgesehen,
kann man der Industrie insgesamt
den Vonvurf nicht ersparen, dass sie
fur die Reinigung ihrer Abwasser
nicht nur zu wenig Mittel, sondem
auch zu wenig Phantasie aufwendet.
Es werden allgemein nur die althergebrachten Verfahren der Neutralisation, der Fallung, Flockung und Filterung angewandt; die so vorbehandelten Wasser gelangen d a m mitunter,
mit hauslichem Abwasser gemischt,
in biologische Anlagen. Ganz ausnahmsweise werden chemische bzw.
petrochemische Abwasser auch in
Strippkolonnen von einem grossen
Teil ihrer organischen Inhaltsstoffe
befreit; das ist sehr zu loben, aber
eben seltene Ausnahme.
Dabei ist es doch eigentlich selbstverständlich, dass gelöste und emulgierte organische Stoffe dort am
leichtesten erfasst und entfemt werden können, wo sie in den höchsten
Konzentrationen anfallen. Das Mittel
der Wahl ist dafur (ausser einer intensiven Oxydation, wofur Ozon sich
in den meisten Fallen besser eigenen
wird als Chlor) ohne Zweifel die
Aktivkohle. Sie wird aber so gut wie
nie angewandt, obwohl manche der
Verunreiniger Aktivkohle im eigenen
Betrieb oder wenigstens im Konzern
selbst herstellen und deshalb billiger
als andere zur Verfügung haben.
Dabei kommt wegen der hohen Konzentration der zu entfemenden Stoffe
in erster Linie Pulverkohle in Be-
tracht, die hier viel wirksamer eingesetzt werden kann als in der Trinkwasseraufbereitung. Geringe Mengen
von Schwebestoffen sollten dabei
nicht stören, eine Flockung mit Eisen
ware vor der Fiiterung angebracht.
Fur hausliches Abwasser lohnt ubrigens eine Behandlung mit Aktivkohle
nicht. Die grosse Menge der Schwebestoffe stört, und der uberflussige
Effekt der Entfarbung würde den
der Beseitigung ublen Geruchts ubertreffen. Fur hausliches Abwasser
kame allenfalls ein Zusatz von Pulverkohle mit anschliessender Flockung
und Filterung hinter einer biologischen Aufbereitung in Betracht, aber
das ware mit Kanonen nach Spatzen
geschossen, wei1 mit Einsatz der gleichen Kohlemenge bei chemischen Abwassern eine unvergleichlich höhere
Wirkung zu erzielen ist. Wir können
nur hoffen, dass die Industrie fur die
Aufbereitung ihrer so schadlichen Abwasser nicht nur die alten Methoden
(die deshalb nicht zu venverfen sind),
sondern auch einmal spezifisch wirkSame Mittel anwendet und vor allen
Dingen sich endlich daran gewöhnt,
die Beseitigung von Abfallstoffen als
Betriebsvorgang und die Aufwendungen dafur als Betriebskosten zu betrachten, statt sie der Allgemeinheit
aufzuburden.
Schliesslich möchte ich nicht versaumen, hier auf ein Verfahren hinzuweisen, das wir fur unser Uferfiltrat nicht anwenden konnten, das
aber fur Abwasser speziell der chemischen Industrie sehr gut geeignet
sein kann. Es handelt sich um das
Verfahren nach prof. H. I. Waterman
der TH Delft. bei welchem dem Wasser eine kleine Menge fettes oder
Mineral-Öl zugesetzt, dieses durch
schelle Mischung mit dem Wasser
emulgiert und schliesslich durch
Flockung und Eisen und anschliessende Filterung wieder herausgeholt wird.
Irn Wasser gelöste organische Stoffe
(und zwar gerade die oleophilen, die
am meisten stören) werden dabei vom
ö l aufgenommen und zu einem sehr
grossen Teil (ihrer Löslichkeitsverteilung in öl und Wasser entsprechend) aus dem Wasser entfemt.
Auch dieses Verfahren ist, ahnlich wie
Pulverkohle, nur dann lohnend anwendbar, wem die organischen Stoffe
in einigermassen hoher Konzentration
vorliegen. 1st dies aber der Fall, und
steht ein geeignetes 01 billig zur Verfugung, so sollte das Verfahren fur
die Auf bereitung chemischer Abwasser ernsthaft in Erwagung gezogen
werden.
Literatuur
1. Hopf, W., Versuclie niit Akrivkolile zc~rAufbereititng des Diisseldorfer Trinkwassers.
GWF 101 (1960), H. 14, S. 330136.
2. Schenk, P., Die Wusseracifbereifungsa~ilage
des Wasserwerkes Diisseldorf ,,Ani Stand".
GWF 103 (1962), H. 30, S. 791!98.
3. Baillend, G., Bratzler, K., Herbert, W., Vollmer, W., Aktive Kohle itnd ihre indicstrielle
Verwendung. Ferdinand Enke Verlag, Stuttgart 1962.
4. Hopf, W., Probleine der Wasseraufbereitung mit Ozon. Kommunalwirtschaft, Dusseldorf, 1958, H. 6, 233138.
5. Hopf, W., Der Einfluss des Abwassers auf die Tririkwasserversorgzc~~g.
Kommunalwirlschaft, Dusseldorf, 1960, H. 9, 350155.
6. Hopf, W., Ueber die Wasserairfbereitung der Stadtwerke Diisseldorf urid ihre Vorgescliiclite. Neue Deliwa-Zeitschrift ndz, H. 10, 1. Okt. 1966, S. 3-7.
7. Haberer, K., Vorgange bei der E~itmaiigatiung.Veröffentlichungen der Abteilung und
des Lehrstuhls fur Wasserchemie der TH Karlsruhe, 1966, H. 1, S. 151198.
Inhoud
Voorwoord .
prof . ir . L . van Bendegom
.
.
3
. . . . . . . .
Fysisch-technologische aspecten van de gasabsorptie - prof . dr. ir. W. J .
. . . . . . . . . . . . . . . .
Beek
Praktijk van de aeratie .
prof . Y. L . Huisman . . . . . . .
.
Bezinking - ir. P. L. Knoppert . . . .
Coagulatie en flocculatie - drs. G. Oskam . .
. .
Micro-zeven - drs. H . J. M. Lips . . . . . . . . . .
Diatomeeënfilters - ir. J . G. Fikken . . . . . . . . . .
.
Theorie van de adsorptie - prof . dr. ir. P . M . Heertjes . . .
Aktivkohle in der Wasseraufbereitung - dr. W. Hopf . .
.
5
Algemene inleiding - ir. K . W. H. Leeflang
t
.
i
7
17
30
46
58
62
70
74

Montage persverbindingen 12 t/m 54 mm

HET MAKEN VAN EEN (VIKING)DRINKHOORN

folder_privateshelter - Provincie West

Agenda zum

APS 0066_medivere-nl_Stuhldiagnostik_Histamin im Stuhl_mit

FLEXIBELE PARTIËLE PROTHESEN UIT

Afmetingen en bestandsomvang verkleinen in

Falco enkel oploopbaar

Download de naai-instructies

PRIJSLIJST