Koagulering och flockning vid avloppsrening

• 1. Introduktion till koagulerings- och flockningsprocessen
• 2. Vad är kolloidalt material?
• 3. Koagulerings- och flockningsprocessen av kolloidalt material.
• 4. Separation av kolloider genom DAF-flotation
• 5. Slutsats

1. Introduktion till koagulerings- och flockningsprocessen

Avloppsvatten innehåller vanligtvis fasta partiklar av olika storlek och ursprung som bidrar till föroreningen. Dessa fasta ämnen kan vara organiska eller oorganiska, och deras storlek kan variera från bråkdelar av en mikrometer till millimeter. De kallas totalt suspenderat material (TS) och deras närvaro kan orsaka stopp och skador i de anläggningar där avloppsvattnet rinner. När de är av organisk natur kan de också bilda biofilm och utgöra grogrund för jäsning och infektioner.

Precis som det i kommunalt avloppsvatten ofta förekommer fekalier, tvättmedel och andra hushållsavfall, innehåller industriellt avloppsvatten vanligtvis föroreningar som härrör från produktdiskning, produktionsavfall, rengöring av kretslopp och anläggningar, kemikalier osv.          

Det totala innehållet av suspenderade fasta ämnen avser de icke-upplösta fasta ämnen som hålls i suspension i vätskan och som inte tenderar att sedimentera. De förekommer i form av en suspension eller i kolloidal form på grund av sin elektriska laddning. Deras koncentration mäts i mg/l (ppm).

Egenskaper	Uppskjutningar	Upplösningar	Kolloider
Partikelstorlek	≥1000 nm	0,1–1 nm	1 – 1000 nm
Visar tecken på sedimentering	Ja	Nej	Nej
Synlighet	Genomskinliga eller ogenomskinliga	Transparenter	Ogenomskinliga eller genomskinliga
Separation genom filtrering	Ja	Nej	Nej
Tyndall-effekten uppträder	Ej tillämpligt	Nej	Ja
Nuvarande faser	2	1	2

I en lösning är hela vätskan homogen och de upplösta fasta partiklarna går inte att urskilja, medan de fasta partiklarna i en suspension är tydliga, kan filtreras bort och tenderar att sedimentera. I en kolloidal dispersion kan de fasta partiklarna inte filtreras bort och syns endast med blotta ögat tack vare Tyndall-effekten.         

Tyndall-effekten är en visuell teknik som gör det möjligt att upptäcka ljusets spridning genom kolloidala partiklar. Om en kolloidal lösning belyses med en ljusstråle, sprider partiklarna ljuset och får blandningen att se grumlig eller ogenomskinlig ut.

Tyndalleffekten

2. Vad är kolloidalt material?

Kolloider bildas eftersom de små fasta partiklarna som är suspenderade i vattenlösningar inte kan separeras genom sedimentering och filtrering. Det handlar om en känslig balans mellan elektrostatiska krafter, partikelstorlek och omgivningsförhållanden. Dessa faktorer avgör kolloidernas stabilitet och egenskaper i lösningen. Det är en komplex process som beror på:

Partikelstorlek: Kolloidala partiklar har en storlek som ligger mellan de största partiklarna och de minsta molekylerna. Storleken påverkar kolloidens stabilitet. De minsta partiklarna tenderar att bilda mer stabila kolloider.

• Elektrisk laddning: Kolloidala partiklar har en elektrisk laddning på ytan till följd av adsorption av joner. Den elektrostatiska avstötningen mellan laddade partiklar med samma tecken förhindrar att de klumpar ihop sig. Ytladdningen kan ändras genom tillsats av elektrolyter eller ytaktiva ämnen.
• Lösningsmedlets egenskaper: Lösningsmedlets polaritet påverkar bildandet av kolloider. I polära lösningsmedel som vatten tenderar kolloidala partiklar att spridas lättare.
• Temperatur: Temperaturen påverkar kolloidernas löslighet och stabilitet. Vissa kolloider kan koagulera eller fällas ut vid extrema temperaturer.
• Partiklarnas beskaffenhet: Kolloidala partiklar kan vara organiska eller oorganiska. Förekomsten av funktionella grupper på partiklarna påverkar också bildandet av kolloider.
• Omrörning och blandning: Mekanisk omrörning underlättar partiklarnas spridning och bildandet av kolloider. En korrekt blandning är avgörande för att uppnå en jämn fördelning.

Många kolloider bildas genom peptisering eller deflokulering. Det är en kemisk process där en fällning omvandlas till ett kolloid genom omrörning med en elektrolyt som kallas peptiseringsmedel. Detta fenomen uppstår när kolloidpartiklarna har elektriska laddningar av samma tecken, som stöter bort varandra. Detta sker genom tillsats av en elektrolyt till systemet (till exempel en koncentrerad NaCl-lösning).

Peptiseringen påverkar sedimenterings- och filtreringsprocesserna för suspenderade fasta ämnen i avloppsvattnet negativt

Mätning av ytladdningar hos kolloidala partiklar är avgörande för att förstå deras beteende och stabilitet. Nedan redogör vi för de metoder som oftast används för att bestämma dessa laddningar:

• Tyndall-effekten: Som vi nämnde i föregående punkt är detta ett fenomen som kan observeras med blotta ögat och som beror på ljusets brytning i partiklarna.
• Zetapotential: Zetapotentialen är ett kvantitativt mått på den elektriska laddningen i det elektriska dubbelskiktet som omger kolloidala partiklar. Den mäts med hjälp av tekniker som elektrofores eller atomkraftmikroskopi. Elektrofores innebär att man applicerar ett elektriskt fält på en kolloidal lösning och mäter partiklarnas rörelsehastighet. Zetapotentialen beräknas utifrån denna hastighet med hjälp av apparater som kallas zetametrar. Vid denna mätning beaktas mediets pH-värde, som för naturligt vatten ligger mellan -14 och -30 mV vid ett pH-värde mellan 5 och 8. Ju mer negativt detta värde (mV) är, desto större är partiklarnas elektriska laddning. Atomkraftmikroskopi gör det möjligt att visualisera och mäta repulsions- eller attraktionskrafterna mellan kolloidala partiklar på en fast yta.
• Grumlighet: Detta är den enda parametern som mäts kontinuerligt. Den uttrycks vanligtvis i NTU (Nephelometric Turbidity Unit) och det går att fastställa ett samband med SST-koncentrationen, även om det alltid krävs laboratoriemätningar för att fastställa det matematiska sambandet. För att mäta denna parameter används instrument som kallas turbiditeter.
• Ytkonduktans: Ytkonduktansen ger också information om de elektriska laddningarna. Den baseras på jonfördelningen i det elektriska dubbelskiktet och utvärderar hur detta påverkar det elektriska fältet. Om konduktansen är hög underskattas zeta-potentialen.
• Analys av det elektriska dubbelskiktet: Det elektriska dubbelskiktet är området kring en kolloidal partikel där de elektriska laddningarna interagerar med omgivningen. En undersökning av detta ger information om ytladdningarna.

3. Koagulerings- och flockningsprocessen för kolloidalt material

Koagulering och flockning är viktiga processer vid avloppsrening, eftersom de möjliggör avskiljning av kolloidala och mindre suspenderade partiklar.

Koagulering är den process genom vilken de kolloidala partiklarna i vattnet destabiliseras. Detta uppnås genom att de elektriska laddningarna på partiklarnas yta neutraliseras.    

Denna neutralisering åstadkoms med hjälp av koaguleringsmedel, som vanligtvis är positivt laddade metallsalter. Vanliga exempel på koaguleringsmedel är aluminiumsulfat, aluminiumklorid (PAC), järnsulfat och järnklorid.

Processen sker i en kammare med kraftig omrörning (ca 1500 varv/min) med sabelskruvar och en uppehållstid på cirka 3–5 minuter.

pH-värdet är viktigt för att säkerställa en god koagulering. Det optimala pH-värdet beror på vilken typ av koaguleringsmedel som används. Vid surt pH används vanligtvis_FeCl₃, medan man vid alkaliskt pH oftast använder aluminiumsalter av typen PAC, och vid neutralt pH används vanligtvis_Al₂(_SO₄)_₃

Efter koaguleringen klumpar de destabiliserade kolloidala partiklarna ihop sig och bildar små flockar som fortfarande tenderar att hålla sig i suspension. För att sammanfoga dem till större flockar som är lätta att separera tillsätts flockningsmedel (polyelektrolyter), som är långkedjiga polymerer med hög molekylvikt. Dessa flockningsmedel fungerar som ett nätverk och samlar koagulerna i större grupper, som kan separeras genom dekantering, flotation eller filtrering.

Ibland kan så kallade pin-floc bildas, även kända som ”pin-point floc”. Det är ett fenomen som förekommer inom avloppsrening och processer med aktivt slam, och kännetecknas av bildandet av små flockar med en spetsig struktur. Dessa flockar är ömtåliga och medför följande problem:

• De har svårt att sedimentera och lägga sig på botten av tanken eller klarningsbehållaren.
• Svårigheter att frigöra sig från vätskan och bilda ett tätt skikt på en flottör.
• De tenderar att gå sönder om de läcker; de tenderar att gå sönder
• Det renade avloppsvattnet kan se grumligt ut på grund av förekomsten av dessa fasta ämnen.

Dessa småflockar bildas oftast i gammal slam eller i vissa industriella avloppsvatten med dispergerande egenskaper. De uppträder också ofta under uppstarten av avloppsreningsanläggningar och försvinner så snart flockningen har stabiliserats.

Kolloidalamiceller har ett nära samband med koagulations- och flockningsprocesserna vid avloppsrening.

Kolloidala miceller är molekylkluster med en hydrofil och en hydrofob del (amfifila), som bildas i vattenlösningar. Dessa miceller har en sfärisk eller cylindrisk struktur, där de hydrofila huvuden befinner sig på ytan och de hydrofoba svansarna samlas inuti. Micellerna kan transportera och hålla vattenolösliga ämnen, såsom fetter och oljor, i suspension och till och med öka lösligheten hos vissa oönskade föroreningar. Kolloidala miceller kan också destabiliseras av koaguleringsmedel, eftersom micellernas hydrofila huvuden kan interagera med jonerna i koaguleringsmedlet.

Under flockningsprocessen kan de kolloidala micellerna bindas till ytan på de bildade flockulerna. Detta bidrar till flockulernas stabilitet och underlättar deras uppsamling vid filtrering eller sedimentering.

Kolloidala miceller är aggregat av amfifila molekyler vars stabilitet beror på de elektriska laddningarna på deras yta. För att mäta dessa micellers stabilitet mäts gränssnittet mellan partikel och vätska med hjälp av Z-potentialen, som är proportionell mot kolloidens stabilitet.

Koagulations- och flockningstester

”Jar-testet” är det vanligaste testet för bestämning och justering av doseringen av koagulerings- och flockningsmedel i vatten. Fördelen är att det kan utföras i en bärbar apparat som kan användas direkt vid utsläppsplatsen. Det är en grundläggande teknik inom vattenrening i allmänhet och avloppsrening i synnerhet.

Testet utförs i en laboratorieutrustning som består av provbägare. Varje bägare representerar ett steg i vattenreningsprocessen. Under ett ”jar-test” tillsätts olika doser av koagulerings- och flockningsmedel i bägare för att simulera verkliga reningsförhållanden.

Jar-test-metoden

Beroende på vilket koaguleringsmedel som ska doseras justeras pH-värdet i utsläppet och omröraren startas för att homogenisera det.

Därefter tillsätts det valda reagenset, med början i små doser, som successivt kan ökas tills man börjar se små flockar bildas. Omrörningen sker med hög hastighet.

Därefter doseras det valda flockningsmedlet, som kan vara katjoniskt, anjoniskt eller nonjoniskt, beroende på vilken polaritet man förväntar sig hos de koagel som bildas. Flockningsmedlen måste vara mycket utspädda (ca 0,1 %) på grund av deras höga viskositet och låga doseringar.

Det är vanligt att tillsätta mer koaguleringsmedel (10–20 ppm) än flockningsmedel (0,5–2 ppm).

Vid flockning bör omrörningen ske långsamt för att undvika att de bildade flockarna går sönder.

Man ska observera konsistensen och densiteten hos de bildade flingorna som kommer att sjunka till botten av glaset.

Jar-testutrustning för koagulations- och flockningstester

Det är vanligt att genomföra flera tester med olika koagulerings- och flockningsmedel för att optimera processen.

Utseendet på den bildade flocken kan ge oss en uppfattning om vilken separationsmetod som är bäst att använda. Om flocken är tät och lätt sjunker till botten kan dekantering vara den lämpligaste metoden, medan flotation är det bästa alternativet om den har svårt att sjunka eller är mycket luftig eller fet. I vilket fall som helst är detta bara en första indikation att ta hänsyn till när man ska bestämma vilken behandlingslinje som är lämpligast.

4. Separation av kolloider genom DAF-flotation

Ett system för flotation med upplöst luft (DAF)ären mycket effektiv teknik för rening av avloppsvatten som innehåller kolloider, efter att dessa har koagulerats och flockulerats.

DAF är en reningsprocess som använder mikrobubblor av luft för att separera kolloidala partiklar och suspenderade fasta ämnen från vattnet. Processen bygger på luftbubblornas förmåga att fästa vid de mikroskopiskt små partiklarna och föra upp dem till ytan, där de bildar ett flytande skum. Ett DAF-system är särskilt effektivt för att avlägsna oljor, fetter, suspenderade fasta ämnen och flockulerat material.

I en DAF-flotationsanläggning leds det förorenade vattnet in i en flotationstank, där mikrobubblor av förtryckt luft sprutas in. Dessa mikrobubblor expanderar i vätskan och fäster sig vid de kolloidala partiklarna, som sedan flyter upp till ytan och bildar ett skumlager som föras vidare till en behållare med hjälp av ett mekaniskt sopningssystem.

Jämfört med den konventionella sedimenteringsprocessen erbjuder rening med hjälp av en DAF-flotationsanläggning betydande fördelar, såsom en mycket hög avskiljning av totala suspenderade ämnen, oljor och fetter (≥95 %), samt en torrsubstanshalt i slammet på omkring 3–4 %, jämfört med de 1 % som vanligtvis uppnås vid sedimentering.

Mot bakgrund av den ökande efterfrågan på processer som underlättar återanvändning av avloppsvatten har DAF-tekniken fått ett stort genomslag, tack vare sin effektivitet när det gäller att rena vatten som därefter ska behandlas medmembranfiltreringsteknik.

Membranfiltrering är en fysikalisk metod som gör det möjligt att separera molekyler med olika storlek och egenskaper. Metoden bygger på användningen av membran med selektiv permeabilitet för att fördela beståndsdelar i två olika strömmar. Transporten genom membranet sker genom inverkan av en drivkraft, såsom en gradient i elektrisk potential, koncentration eller tryck.

Några exempel på membranseparation är:

• Filtrering: Använder membran med porer av olika storlek för att separera partiklar efter storlek.
• Mikrofiltrering (MF): Processen sker vid lågt tryck för att avskilja partiklar med hög molekylvikt, suspenderade kolloider eller upplösta fasta ämnen.
• Ultrafiltrering (UF): Möjliggör separering av makromolekyler och kolloider.              
• Dialys: Använder semipermeabla membran för att avlägsna oönskade ämnen från en lösning.

I följande diagram framgår de filtreringsintervall som de olika membrantyperna erbjuder, liksom den negativa inverkan som kolloidalt material har, vilket orsakar förorening och igensättning av membranen.

SDI-indexet (Silt Density Index) eller påväxtindexet gör det möjligt att mäta effektiviteten hos ett system för avskiljning av totala suspenderade fasta ämnen. Beräkningen går ut på att låta en ström av det analyserade vattnet passera genom ett filter på 0,45 mikrometer och 47 mm i diameter, placerat i ett särskilt stativ, vid ett konstant tryck (2,1 bar). I detta test mäts den tid det tar att fylla en behållare på 500 cc, före och efter att vattnet har passerat genom filterpapperet i 15 minuter.

Innehållsförteckning SDI = (100 * (1 – (_t1 /_t2)) / T

Där_{t2 =} sluttiden i sekunder,_{t1 =} sluttiden i sekunder och T = mättiden i minuter.

Ett SDI-värde som anses lämpligt för matning av UF-membran är 5 (ca 1 NTU), medan värdena för NF och RO inte bör överstiga SDI = 3 (ca 0,1 NTU). Det finns idag specialmembran (FR = Fouling Resistance) för avloppsvatten som tål högre SDI-värden (ca SDI = 4–5) och höga koncentrationer av upplöst COD.

5. Slutsats

Suspenderade fasta ämnen (TSS) är de vanligaste föroreningarna i avloppsvatten. Många av dessa fasta ämnen är spridda i kolloidal form, vilket innebär att de varken fälls ut eller separeras genom enkel filtrering. I dessa fall är det nödvändigt att använda koagulerings- och flockningsprocesser för att destabilisera dem och bilda flockar med storlek och egenskaper som är lämpliga för separation.

De tekniker som används för att rena avloppsvatten är vanligtvis sedimentering och flotation. DAF-flotation har bättre prestanda än konventionella sedimenteringsprocesser och kräver dessutom mindre utrymme för installation. Torrsubstansen i slam som separerats med DAF är mycket högre än den torrsubstans som erhålls med sedimenteringskärl, varför den anses vara mer lämplig för återanvändning av detta avloppsvatten, som därefter måste genomgå en membranbehandling.

Litteraturlista och källor

DAF-teknik inom pappersindustrin för återvinning av avloppsvatten – Nyheter – Wuxi Gongyuan Environmental Equipment&Technology Co., Ltd (gyeclarifier.com)

PPT – PowerPoint-presentation, gratis nedladdning – ID:2632688 (slideserve.com)

Vilken miljöpåverkan har pappersförbrukningen – ta reda på det här (ecologiaverde.com)