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
© Copyright 2025 ExpyDoc