Aluminium VS IJzer

Chemische fosfaatverwijdering: Aluminium versus IJzer

Inleiding

Bij de behandeling van rioolwater dient men een aantal verontreinigingen te verwijderen zoals de vaste delen, zuurstofvragende stoffen(veel organische bestanddelen) en P(fosfor) en N(stikstof), beide laatste zijn o.a. nutrienten voor de (ongewenste) algengroei.

Het meest ideaal in een rioolwaterzuivering is de biologische P-verwijdering, maar in veel installaties is het verscherpte verwijderingpercentage net niet haalbaar of het “oude” ontwerp niet geschikt. In veel gevallen gebruikt men de chemische precipitatie(neerslag) als ondersteuning.

Op welke manieren kun je extra P verwijderen? Met welke chemicaliën? Hoe beinvloeden de alternatieven het proces in de installatie en wat zijn de gevolgen prijstechnisch en milieukundig?

De chemische producten waaruit gekozen kan worden zijn:

• Zure ijzerzouten o.a. IJzerchloride (II) FeCl2, IJzerchloride (III) FeCl3, IJzerchloridesulfaat (III) FeClSO4 en
   IJzersulfaat (II) FeSO4
• Zure aluminiumzouten o.a. Poly-AlCl3 of Al2SO4
• Alkalische aluminiumzouten zoals Natriumaluminaat (NaAlO2)
• Blends (zijn combinaties van Fe en/of Al(PAC) en/of organische flocculanten).

Onderwerp van dit artikel is een vergelijk m.b.t. bovenstaande middelen met mogelijk een algemene conclusie of aanbeveling op prijs en milieu niveau.

Basis reactie
Theoretisch verloopt het proces van binding van metaalionen en fosfaat volgens onderstaande reactievergelijking:

Voor de verwijdering van 1 gram P (als fosfaat) geldt:

1 gram P = 1,8 gram Fe = 4,87 gram FePO4
1 gram P = 0,87 gram Al = 3,94 gram AlPO4

In de praktijk verloopt het proces complexer en zijn ook de theoretische doseerhoeveelheden hoger omdat, afhankelijk van het type metaalzout, nevenreacties plaats kunnen vinden zoals ijzer met zwavelverbindingen.

In Nederland werden traditioneel gezien relatief veel ijzerzouten gedoseerd. De reden hiervoor is dat ijzer relatief gezien veel “metaal” biedt per euro. Bovendien heeft aluminium jaren lang een misplaatst vooroordeel gekend m.b.t. vermeende toxiciteit.

Nu echter is ijzer niet meer de vanzelfsprekend de keuze, de toepassing van aluminiumzouten, en dan met name specifiek ontwikkelde blends van aluminium met andere anorganische of organische componenten, biedt in veel gevallen zwaarwegende voordelen. Bovendien zijn ijzerzouten zure zouten maar kent aluminium naast de vele zure varianten ook een alkalische variant – natriumaluminaat – met specifieke kenmerken en voordelen.

Procesvarianten om P te verwijderen.

Defosfatering kan in de RWZI globaal op 4 manieren plaatsvinden:

1. In de voorbezinktank na dosering in de toevoer, dit wordt de pre-precipitatie genoemd.
2. In de beluchtingstank na de voorbezinktank, de simultane defosfatering.
3. Na de nabezinktank, de post- precipitatie.
4. In deelstromen, vaak retourstromen van indikkers, gisting of slibontwatering.

Voor-precipitatie (pre- precipitatie) ? fosfaatverwijdering in de voorbezinktank (VBT) geeft een relatief hoge productie van slib, maar kan noodzakelijk zijn om tijdelijk de CZV/BZV belasting op de installatie te verminderen.
Post-precipitatie (na de nabezinker) komt weinig voor omdat dit een extra bezinker vereist en vanwege de denitrificatie er toch recirculatie optreedt en simultane defosfatering dan voor de hand ligt.
Retourstromen behandelen komt minder voor, maar is vaak economisch indien aanpassing/vergroting van de installatie te duur is of een tijdelijke situatie overbrugd moet worden.
Simultane chemische defosfatering komt het meest voor.

Zaken die door dosering van de diverse chemicalien kunnen worden beïnvloed.

• Slibproductie in absoluut gewicht
• Slibontwateringscapaciteit
• Me/P verhouding en nevenreacties
• Optreden van draadvormers en licht slib
• Een hoge SVI (is slibvolume index)
• Tegengaan van vorming van H2S en schuimvorming
• Werkingsgraad en verlaging of verhoging van de pH met als gevolg verminderde nitrificatie(en dus ook vervolgens denitrificatie)
• Afzettingen op beluchtingselementen
• Opgeloste bijgevoegde resten in effluent en af te voeren slib

Toelichting bij diverse items

Slibproductie
Per 1 gram P is 1,8 gram Fe nodig resulterend in 4,87 gram FePO4, bij Al is 0,87 gram nodig resulterend in 3,94 gram AlPO4, de laatste geeft dus minder slib, mede gezien het hogere atoomgewichrt van Fe(56) t.o.v. Al(27).
Slibontwateringscapaciteit
In algemene zin geeft de dosering van Fe of Al een coagulatie en flocculatie effect op actief slib en zal de bezinking in de nabezinker(hogere gloeirest) en de ontwaterbaarheid verbeteren. De mindere hoeveelheid Al-slib resulteert ook na ontwatering in een kleinere hoeveelheid slib.
Me/P verhouding en nevenreacties.
Fe zorgt voor een hoge Me/P verhouding door meer spontane reacties met H2S en vorming van hydroxides, Al minder en daardoor is er minder nodig.
Voorkomen van draadvormers en licht slib.
Hier is Fe duidelijk in het nadeel, het werkt niet, terwijl alle anderen een zeer positieve werking hebben.
Slibvolume index
Door de coagulatie en flocculatie van zowel Fe als Al(vooral PAC) wordt het gedrag en soortelijk gewicht van actief slib verbetert, een voordeel van de simultane precipitatie.

H2S vorming en schuimvorming.
Fe bindt H2S en voorkomt schuimvorming in de gisting, terwijl aluminiumnitraat de vorming van anaerobe zwavelverbindingen reduceert. Hierdoor worden stank en corrosieproblemen bestreden.

Invloed van pH.
De optimale pH voor werking van Fe is ca. 5,4, die van Al ca. 6,3. Hier is Al in het voordeel.
Refinal verhoogt de bicarbonaatconcentratie, of wel de hardheidsbuffer, welke meehelpt de verzuring en eventueel mindere nitrificatie/denitrificatie te voorkomen.
Afzettingen op de beluchtingselementen.
Een mede-nadeel van de lage hardheidbuffer is de mogelijkheid van neerslag op de beluchtingselementen.
Afvoeren van het milieu negatief beinvloedende stoffen(o.a. zware metalen).
Al-zouten worden veelal geproduceerd en gezuiverd door membraanprocessen en bevatten daardoor in de regel minder zware metalen. Fe-zouten hebben dat proces niet en belasten het milieu met Cloride- of Sulfaatresten. Als Fe ook meer slibproductie geeft, dan produceert Fe meer slibafvoer en daarin meer verontreinigende rest zware metalen.

Specifieke eigenschappen

(Zure) Fe-zouten
• Relatief goedkoop
• Effectieve coagulant/flocculant, lage SVI en geen drijvend/ licht slib.
• Hogere gloeirest slib met betere ontwaterbaarheid
• Hoog Me/P gehalte, veel nevenreacties
• Veel extra slibproductie, daardoor veel ontwaterings- en afvoerkosten
• Meer milieubelasting in de vorm van meer slibafvoer en meer zouten in het effluent
• Verlaging van de pH
(Zure) Al-zouten
• Zeer effectief in voorkomen en tegengaan van draadvormers, dragen bij aan lage SVI en voorkomen slibuitspoeling
• Door de lagere atoommassa(Al = 27 en Fe=56) minder slibmassa.
• Minder doseren geeft betere pH balans
• Goed bij preprecipitatie in de voorbezinker.
• Weinig zware metalen
• Geen H2S verwijdering
• Verminderde slibontwaterbaarheid kan gecorrigeerd worden met andere keuze vlokmiddel
Natriumalluminaat(Refinal)
• Refinal is effectief in voorkomen van draadvormers met alle positieve gevolgen voor de slibindex, slibverwerking etc.
• Natriumaluminaat geeft een anionisch complex tegen Fe en zuur Al een kationisch complex. Daardoor is Refinal een mindere coagulant/flocculant en dient geassisteerd te worden bij pre-precipitatie door een (kationisch)vlokmiddel
• Refinal ondersteunt de hardheidsbuffer door het ontstaan van bicarbonaat; bij afvalwater met een geringe buffer is dit zeer welkom. Daardoor minder negatieve invloed op nitrificatie en denitrificatie.
• Door minder coagulatie minder verlies aan product voor de verwijdering van colloidale deeltjes.
• Door zijn zuivere vorm minder zware metalen in het effluent en geen chlorides en sulfaten zoals bij ijzer.

Blends
• Uitstekende coagulatie/flocculatie eigenschappen, goed voor de SVI en slibontwaterbaarheid
• Goede coagulatie van colloidale delen, daardoor wel meer verbruik
• Zeer geschikt voor pre-prepicipatie
• Betere pH balans
• Minder milieubelasting in effluent en slibafvoer

Resultaten

Zure Fe-zouten Zure Al-zouten Natrium-alluminaat Blends
Pre-precipitatie ++ + - ++
Slibproductie -- - - -
Slibontwatering + + + ++
Reacties andere stoffen - - - --
Draadvormers -- + ++ 0
SVI + + + +
Schuimvorming + 0 0 0
pH - 0 ++ 0
H2S + 0 + 0
Afvoer stoffen -- - 0 -
Prijs + + ++ 0

Conclusies defosfatering en keuze alternatieve chemicalien

• Naast de biologische verwijdering is vaak aanvullende chemische defosfatering nodig.
• Simultane precipitatie kent vele voordelen
• Natriumalluminaat als Refinal geeft minder slib, bestrijdt draadvormers en werkt met een optimale pH in het actief slib gebied.
• Al geeft minder schadelijke effecten voor het milieu.
• Natriumalluminium(Refinal) geeft minder slib, er hoeft minder gedoseerd te worden en dit
levert uiteindelijk een behoorlijke kostenbesparing vergeleken met ijzer.

Laat u adviseren door onze deskundige medewerker:

Hans Neuteboom
Senior Product Specialist Water Care
mob. 06-29041234