BE1024145B1

BE1024145B1 - Techniek om struviet vorming tijdens vergisting van slib te controleren in termen van de gewenste kristalgrootte

Info

Publication number: BE1024145B1
Application number: BE2016/0133A
Authority: BE
Inventors: Wim Moerman
Original assignee: Akwadok Bvba
Priority date: 2016-08-17
Filing date: 2016-08-17
Publication date: 2017-11-21

Abstract

De uitvindïng betreft een behandeling van te vergisten slib waarbij in een eerste stap via een voor indikker (3) het slib ingedikt wordt. Vervolgens volgt een gekoppelde fosfaat en magnesium vrijstelling in de vrijstellingsreactor (4). Door een interne recirculatie van reeds uitgegist slib (7) uit de gistingstank (6) waarin de derde noodzakelijk reactie component ammonium vrijkomt kan een gewenste oververzadigingsgraad bekomen worden in de struviet vormingsreactor (5), deze verzadigingsgraad is bepalend voor de resulterende kristalgrootte. De kleinere kristallen blijven in suspensie en bezinken niet in de gistingstank (6). De grotere kristallen kunnen geoogst worden via een cycloon (11).

Description

Techniek om struviet vorming tijdens vergisting van slib te controleren in termen van de gewenste kristalgrootte

BESCHRIJVING

Ongecontroleerde struviet (MgNH4P04.6H20) vorming is een groot probleem dat zich veelvuldig voordoet bij hoofdzakelijk het vergisten van biologisch slib en in het bijzonder indien dat slib afkomstig is van een waterzuivering welke berust op biologische fosfaatverwijdering. Door de specifieke betrokken metabolisch processen komt tijdens de gisting een deel van het opgenomen fosfaat en magnesium terug vrij, dit zijn 2 van de 3 basis componenten van struviet. Aangezien de verdere afbraak van de organische materie resulteert In de vrijstelling van de derde component van struviet, met name ammonium bekomt men in de gistlngsreactor de ideale omstandigheden voor struviet vorming. Dit proces wordt eveneens nog bijkomend versterkt door de pH stijging en buffering in de gisting.

Onder deze omstandigheden, zijnde een trage afgifte van het fosfaat en magnesium over een periode van 1 tot 2 dagen, gekoppeld aan een globale verblijftijd van 10 tot soms 30 dagen in de gistingstank zijn de voorwaarden ideaal voor de trage groei van de struviet kristallen onder een regime van zeer beperkte oververzadiging. Dit geeft aanleiding tot de vormig van middelgrootte tot grote struviet kristallen van 1 tot soms 5 mm in lengte afmeting. De kristallen zijn verder ook typisch gekenmerkt door de natieve orthorhombische kristal vorm. Het zijn deze grote traag groeiende kristallen welke kunnen bezinken in de slib gistingstank of navolgende opslagtanks voor uitgegist slib. Deze bezinking zorgt op termijn voor een accumulatie van inert struviet materiaal zodat het actieve volume van de gistingstank gaat afnemen en de verwerkingscapaciteit zakt Dit betekent dat om de 2 tot 4 jaar de installatie uit bedrijf moet genomen worden om de gistingstank te ledigen en het geaccumuleerde struviet te verwijderen. Dit Is niet alleen een grote kost maar zorgt er ook voor dat de het beschikbare volume aan gisting beperkt is tijdens deze onderhoudsbeurt

Er bestaat een techniek waarbij men deze ongecontroleerde struviet vorming in de gisting deels kan vermijden door voor het slib de gisting in gaat het fosfaat en magnesium eerst in een afzonderlijke reactie tank los te weken uit het slib. De verblijftijd in deze reactie tank komt overéén met 1 tot 2 dagen en kan ingekort worden door de toegift van goed afbreekbaar materiaal zoals bijvoorbeeld het primaire slib beschikbaar op de waterzuivering. Deze methodiek werd voor het eerst beschreven door Pastor et al. (Sewage sludge management for phosphorus recovery as struvite in EBPR wastewater treatment plants Bioresource Technology Volume 99, Issue 11, July 2008, Pages 4817-4824 / doi:10.10l6/j.biortech.2007.09.054). Een aangepaste versie werd later onder octrooi genomen door Clean Water Services - Peter Baur (US8496827 B2 / PCT/US2009/000689). In beide gevallen gaat men na het al dan niet geforceerd uitweken van het fosfaat en magnesium een navolgende ontwateringstap voorzien waarbij een filtraat ontstaat dat rijk is fosfaat en magnesium om aldus het potentieel van ongecontroleerde struviet vorming te verminderen in de gisting zelf door deze filtraat stroom niet in de gisting te leiden. Beide technieken gaan vervolgens ook dit fosfaat en magnesium aangerijkte filtraat opmengen met het ammonium rijke centraat om alsnog struviet te produceren in een afzonderlijke struviet reactor.

Voor· en nadelen van de bestaande technieken

De voordelen van deze technieken zijn inderdaad dat er minder struviet vorming Is in de gisting maar kunnen deze ongecontroleerde struviet vorming alsnog niet volledig uitsluiten. Met andere woorden er is nog steeds de ongecontroleerde groei van weliswaar traag groeiende kristallen die op termijn nog steeds zullen zorgen voor een periodieke uit bedrijfname van de gistingstank. Een tweede nadeel is dat om de struviet productie te maximaliseren het fosfaat en magnesium rijke filtraat dient opgemengd te worden met het ammonium rijk centraat. De centraat stroom is in principe in termen van debiet niet verschillend van de uitgegist stroom welke op zich quasi gelijk is aan de aangevoerde slib stroom. Met andere woorden opmengen van filtraat en centraat zorgt voor een duidelijk hoger debiet voor de navolgende struviet behandeling. Bovendien verdunt met de concentratie van de betrokken componenten wat het struviet vormingsproces niet te goede komt. Tenslotte is het ook zo dat indien men de filtraat stroom opmengt men centraat de resulterende temperatuur dermate kan dalen dat inzetten van gespecialiseerde ammonium verwljderlngstechnieken, type anammox, niet meer naar behoren zullen werken navolgende op het struviet proces.

Gecontroleerde struviet kristal groei en grootte

De kristalgrootte is voor een groot stuk bepaald door de graad van oververzadiging. Zoals rees aangehaald zal bij een lage oververzadigingsgraad de reactie resulteren in traag groeiende grote kristallen. Het omgekeerde is ook waar. In geval van hoge oververzadiging is de reactie dermate snel dat er vele kleinere kristallen ontstaan. De totaal geproduceerde massa aan kristallen is gelijk in belde gevallen maar bij de hoge oververzadiging zullen er zich massaal veel kleine kristallen hebben gevormd. Deze kristallen zijn bovendien dusdanig klein dat ze nauwelijks tot niet bezinken in de gistingstank. Dit deels door hun beperkte omvang maar ook de hoge viscositeit van de uitgegist matrix. Met andere woorden indien met tot een reactor configuratie kan komen waarbij het vrijgestelde fosfaat en magnesium, zijnde de twee eerste componenten voor struviet vorming, gecombineerd worden met de derde component zijnde ammonium onder voorwaarden resulterende in hoge oververzadiging dan zal een beduidende deel van het struviet potentieel zich manifesteren verdeeld over een massale hoeveelheid kleinere kristallen. In de gisting kan zich tijdens de afbraak van het organisch materiaal nog wat extra staruviet vormen maar dit is eerder beperkt en zal tevens niet resulteren in de grotere kristallen welke kunnen uitzakken In de gistingstank.

De nieuwe techniek kan tevens ook in de andere richting worden bedreven om juist in een kleinere reactor volume reeds te komen tot de aangroei van grote kristallen welke vervolgens kunnen verwijderd worden uit de te vergisten slib stroom. Het verwijderen van de kristallen kan bijvoorbeeld door inzetten van cycloon technologie.

De uitvinding bestaat er dus in om de kristalgroei die zich anders in de gistingstank zich zou voordoen te laten doorgaan in een afzonderlijk kleinere reactor voorafgaand aan de slib gisting. De gewenste kristalgrootte kan men aansturen om hetzij te streven naar veel kleine kristallen welke niet zullen uitzakken in de navolgende gisting of net omgekeerd te komen tot grotere kristallen welke vervolgens kunnen geoogst worden als valoriseerbare nevenstroom. Deze nieuwe techniek zorgt voor een correcte oververzadiglngsgraad om het proces in de juiste richting te duwen, hetzij massaal veel kleine kristallen hetzij een beperkt aantal grotere kristallen. De manier om dit te doen Is met een aangepaste interne recirculatie stroom vanuit de gisting naar de afzonderlijke reactie tank voorafgaand aan de gisting waar vers te vergisten slib samen gevoegd kan worden met deze interne uitgegiste recirculatie stroom. De verhouding tussen het vers aangevoerde slib en deze interne recirculatie stroom, rijk aan ammonium, zal bepalen zijn voor de graad van oververzadiging Is en aldus ook de resulterende kristal grootte. Om tot een minimaal te behandelen stroom te komen met een zo hoog mogelijk concentratie profiel voor fosfaat en magnesium is er een voorlndikking van het verse surplus slib van de waterzuivering. Dit dient best te gebeuren zo snel mogelijk na het onttrekken van het te vergisten slib aan de waterzuivering, dit om de vrijstelling van fosfaat en magnesium te beperken voor de eerste algemene stap zijnde de voorindikking. Het hierbij bekomen filtraat is in termen van samenstelling vergelijkbaar met het gezuiverde afvalwater. De voorindikking is tevens ook normaal steeds de eerste stap in en normale standaard slib verglsting zoals weergegeven in Figuur 1.

Het te vergisten slib (1) gaat naar de voorindikking (3) waar het gescheiden zal worden van het grootste deel van de waterfase of zijnde het filtraat (2). Het fngedlkte slib gaat vervolgens de gistingstank in (6). Het is in deze glstingstank (6) dat zich de ongecontroleerde struviet kan voordoen met alle problemen van dien. Na het vergisten volgt de ontwatering (8) die resulteert in het ontwaterde uitgegist slib (10) en het centraat (9) dat terug naar de waterzuivering gaat.

Een schematisch overzicht van de beide nieuwe opties deel uitmakend van de uitvinding zijn weergegeven in Figuren 2 en 3.

Voor de optie waarbij men streeft naar de vorming van kleine kristallen volgt het proces de methodiek zoals weergegeven in Figuur 2. Er is de aanvoer van te vergisten slib (1) dat in eerste Instantie na een voorindikking (3) resulteert in een filtraatstroom arm aan fosfaat en magnesium. Het vooringedikte slib gaat naar de eerste reactor (4) waar het fosfaat en magnesium de tijd krijgen te worden vrijgesteld. Deze vrijstelling kan door het hetzij hanteren van een voldoende lange verblijftijd van 1 tot 2 dagen of kan ook ingekort worden door aanvoer van goed afbreekbaar organisch materiaal extra toe te voegen. In dat geval kunnen enkele uren volstaan. Na de vrijstelling van het fosfaat en magnesium stroomt het behandelde slib door naar de struviet vormfngsreactor (5). Aangezien de derde component voor de struviet vorming nog ontbreekt komt in deze reactor ook de interne ammonium rijke recirculatie stroom uitgegist slib (7) terecht. Deze stroom is afkomstig van de slibgisting (6) zelf. Door het aanhouden van een hoge verhouding interne recirculatie stroom (7) versus de behandelde slibstroom afkomstig uit de eerste reactor (4) bekomt men een hoge oververzadiging met al gevolg de vorming van massaal veel kleine micro kristallen. Deze micro kristallen worden samen met het ontwaterde slib (10) afgevoerd. Het bekomen centraat van de ontwatering (9) kan hetzij verder dienen als aanvoer voor extra struviet vorming of terug voor behandeling naar de waterzuivering.

De tweede mogelijk proces methodiek, conform Figuur 3, is deze waar men streeft naar de vorming van grotere kristallen in de struviet vqrmingsreactor (5). Dit kan door net dezelfde voorbehandeling te voorzien zoals beschreven onder Figuur 2. Men gaat de verhouding van behandelde slibstroom versus interne recirculatie stroom uitgegist slib (7) dan voldoende laag instellen zodat er een beperkte oververzadiging zich manifesteert en aldus men kan komen tot een trage kristal groei resulterend in voldoende grote kristallen om deze vervolgens te kunnen verwijderen via een struviet afscheider (11). Een deel van de afgescheiden kristallen gaan terug de struviet vormingsreactor (5) in om verdere te aan te groeien en andere deel (12) wordt effectief onttrokken aan het proces als valoriseerbaar nevenproduct, zijnde struviet meststof.

Een bijkomende variant is deze waarbij de functie van de fosfaat en magnesium vrijstellfngsreactor (4) en de struviet vormingsreactor (5) worden gecombineerd in één reactor (14). Dit vergt een striktere proces controle maar kan de installatie beduidend veréénvoudigen. Deze varianten zijn weergevegen in Figuren 4a en 4b.

Legende Figuren en overzicht Figuren

Figuur 1: Normale standaard slib verwerking .

Figuur 2: Reactor voor hoge oververzadiging en micro kristal groei met afzonderlijk vrijstellingsreactor (4) en de struviet vormingsreactor (S)

Figuur 3: Reactor voor lage oververzadiging en macro kristal groei met afzonderlijk vrijstellingsreactor (4) en de struviet vormingsreactor (5) en struviet oogst via cycloon (11)

Figuur 4a: Reactor voor hoge oververzadiging en micro kristal groei met gemeenschappelijke vrijsteilingsreactor (4) en de struviet vormingsreactor (5)

Figuur 4b: Reactor voor lage oververzadiging en macro kristal groei met gemeenschappelijke vrijstellingsreactor (4) en de struviet vormingsreactor (5) en struviet oogst via cycloon (11) 1 = aanvoer te vergisten slib 2 = filtraat voor indikken te vergisten slib 3 = voor Indlkker 4 = fosfaat en magnesium vrijstellingsreactor 5 = struviet vormingsreactor 6 = gistingstank 7 = interne recirculatie uitgegist slib 8 = ontwatering uitgegist slib 9 = ontwaterd slib 10 = centraat ontwatering uitgegist slib 11 = afscheiding gevormde struviet 12 = struviet oogst 13 = struviet terugvoer naar struviet vormingsreactor 14 = unitaire reactor voor fosfaat en magnesium vrijstelling en struvietvorming

Voordelen uitvinding

Door het vormen van struviet voor de gisting op basis van het potentieel aan vrij te stellen fosfaat en magnesium heeft men het voordeel om op een gecontroleerde manier dit struviet vormingsproces te laten doorgaan op basis van aan sturen van de ammonia concentratie. Dit laatste kan door de verhouding aanvoer te vergisten slib en interne retour vanuit de slib gistingstank te bepalen. Op deze wijze kan men vermijden dat een substantieel aandeel van het struviet potentieel zich gaat vormen in de gistingstank zelf.

Door de interne recirculatie van het uitgegist te benutten als noodzakelijke ammonium bron is er ook geen impact op de verwijltijd van het slib in de gisting en is er ook geen noodzaak tot verwerken van een hogere doorzet dan deze gelijk aan de te vergisten hoeveelheid slib.

In geval van de optie om te kiezen voor de aanmaak van massaal veel kleinere kristallen kunnen deze alsnog na de gisting en voor ontwatering ontsloten worden door het uitgegist slib aan te zuren. Ook de kristal massa die in de gisting verder aangroeit boven op de kristalmassa in de struvietvormingsreactor kan dan beschikbaar gesteld worden voor herwinning.

Door het potentieel aan struviet vorming voor de gistingstank zelf reeds maximaal te benutten zal de behoefte aan magnesium chloride dosering tot een minimum beperkt zijn wat. Dit komt de alkalinitelt behoefte voor een eventuele navolgende bijkomende ammonium verwijdering ten goede.

Claims

Conclusies:

1. Een proces waarbij slib voor vergisting door een gekoppelde fosfaat annex magnesium vrijstelling wordt samengevoegd met uitgegist slib afkomstig van een Interne recirculatie stroom van de slibglstingstank waarbij het fosfaat en magnesium vrijstellingsproces in een afzonderlijke reactor kan doorgaan gevolgd door een tweede reactor voor de toevoeging van de recirculatie stroom kan ofwel kan de interne recirculatie stroom uitgegist slib ook in de vrijstellingsreactor fosfaat annex magnesium toegevoerd worden.
2. De verhouding tussen te vergisten slib en uitgegist slib, bekomen of afkomstig zoals beschreven in conclusie 1, kan variabel ingesteld worden met doelstelling te komen tot een gewenst oververzadigingsproflel profiel van de componenten fosfaat, magnesium en ammonium.
3. De instelbare verhouding, zoals beschreven in conclusie 2, zorgt er voor dat de gewenste kristal grootte kan bekomen worden.
4. Na bekomen van de gewenste kristal grootte volgens conclusie 3 kunnen de kristallen in suspensie blijven of afgescheiden worden.
5. De afgescheiden kristallen kunnen hetzij verwijderd worden uit het proces of als secundaire groeikernen opnieuw in de proces worden geleid.
6. Indien gekozen is voor de aanmaak van kleine kristallen welke in suspensie blijven kunnen deze na de gisting en voor de ontwatering door middel van een verlaging van de zuurtegraad opnieuw worden ontbonden in de struviet deel componenten om de fosfaat terugwinning te maximaliseren.