SE2000040A1 - Anordning för optimering av reaktionstiden vid polymerisation av koagulanter - Google Patents

Abstract

Föreliggande uppfinning avser en anordning som medger att reaktionstiden kontinuerligtkan regleras vid polymerisation av koagulanter för kemisk fällning av vatten- ochavloppsvatten. Regleringen görs genom att den volym där polymerisationen skerkontinuerligt kan ändras. Ändringen styrs av någon eller några av parametrarna: detpolymeriserade koagulationsflödet, den temperatur den polymerisarade koagulanten haroch koagulantens basicitet. Anordningens utföringsform anpassas, dels efter ett mindrepolymeriserat koagulantflöde, dels efter ett större. len särskilt fördelaktig utföringsform används anordningen vid polymerisation av trivalentamonomera järnjoner med polymeriserad aluminiumkoagulant som OH-donator.

Description

Anordning för kontinuerlig reglering av reaktionstiden vid polymerisation av koagulanter.

Föreliggande uppfinning avser en anordning som medger att reaktionstiden kontinuerligtregleras vid polymerisation av koagulanter för kemisk fällning av vatten- och avloppsvatten.Uppfinningen omfattar även användning av nämda anordning vid polymerisation av enmonomerjärnkoagulant med polyaluminiumklorid.

Uppfinningens bakgrund Patent SE1300156-5 och SE1700035-7 avser polymerisation av monomera aluminium-respektive järn(3)-sa|ter avsedda för kemisk rening av yt- och avloppsvatten. Graden avpolymerisation, även benämnd basicitet, återspeglar laddningen av de komplex som bildas.Polymerisation av de monomera salterna exempelvis, A|2(S04)3, AlClg eller Fe2(SO4)3 ochFeClg med trivalenta metalladdningar (Meæ), skall enligt patenten ske genom tillförsel avfria OH joner. En lösning av metallsalt blandas med en basisk OH' donator, som kalcium- ellermagnesiumhydroxid.

Polymerisationens reaktionshastighet är bland annat beroende av basicitet, temperatur ochuppehållstid. Vid en basicitet över ca 55 % och normalt tryck och temperatur och utantillsats av stabilisatorer gelar det polymeriserade Meæ-OH" komplexet. Tiden från tillförselnav OH jonerna fram till att monomera metallsaltet gelar beror bland annat på basiciteten.Eftersträvas exempelvis < 55 % basicitet är reaktionstiden innan gelning sker 10-15 minuterför att vid ca 80 % basicitet var nära nog momentan. Även temperaturen på den lösning somundergår polymerisation påverkar polymerisationstiden. Ju högre temperatur destosnabbare reaktionsprocess.

Det förekommer att en blandning av monomera järn(3+) och Al-koagulanter används vidvatten- och avloppsrening. Den fördel blandningen anses ha är att en kombination avkoagulanter med järnjonens höga reaktivitet och aluminiumjonens lägre kan ge en bättreflockbildning/reningsresultat, exempelvis då vattentemperaturen varierar, eller vid fällningav vatten med skiftande föroreningstyp och halt.

Vad som inte är känt och överraskande är att monomera järn(3)-joner (exempelvis Fe(Cl)3)kan polymeriseras genom en tillsats av polyaluminiumklorid (PAC) som är en sur lösning utanfria OH-joner. Polymeriseringen av järnjonen sker genom att den är mer reaktiv änaluminiumjonen. Detta får till följd att hydroxidjoner från aluminium-hydroxidkomplexetövergår till att bilda ett järnkomplex. Vilken basicitet komplexet får år beroende påmolförhållandet Fe/Al och vilken basicitet det tillsatta Al-komplexet har. Vid en uppehållstid< 15 minuter sker ingen gelning, förutsatt att reaktionen sker vid rumstemperatur och attjärnkoagulantens basicitet < 50 %.

Vid ett molförhållandet Fe/Al = 1, Al-koagulantens basicitet 50 %, överförs alla OH joner frånaluminiumkomplexet till att bilda ett järnkomplex med 50 % basicitet. Detta sker samtidigtsom Al-jonen övergår i monomer form. Fördelen med denna nya metod, när den kombinerasmed anordningen enligt uppfinningen, är att man erhåller en koagulantblandning i vilkenkoagulantens reaktivitet kan styras inom ett brett spann, från en högbasisk aluminiumkloridtill en monomer och samtidigt erhålla ett polymert mycket reaktivt järnkomplex. Sålundakan man genom att styra molförhållandet Fe/Al in-situ, och välja en PAC med fast basicitet,reglera järnkoagulantens basicitet inom området 0 till 100 %. För att i praktiken minimerarisken för att blandningen gelar, bör man begränsa järnkomplexets basicitet < 50 %.

Den gelning som generellt kan bildas vid polymerisation av koagulanter medför attprodukten blir svår att dosera, då den får en mycket hög viskositet. Dessutom kan gelen varasvår att lösa upp i vatten. Vid polymerisation av järn kan en för lång polymerisationstidinnebära att järnet börjar falla ut till en för kemiskt fällning inaktiv FeO(OH). Det sistnämndagäller dock inte i samma grad om polymerisationen skett genom tillförseln av en PAC.

Vid avloppsvattenrening, men även vid ytvattenrening, förekommer normalt en variation idet flöde som kemiskt skall fällas. Vid häftiga regn kan dagvatten påverka vattentillflödet iavloppsreningsverk, så att flödet till verket mångfaldigas. Det finns en proportionalitetmellan flöde och koagulantdos, även om andra faktorer som vattnets föroreningsinnehåll,basicitet etc, är parametrar som påverkar hur mycket koagulant som optimalt skall doseras,dvs gram doserad metalljon (Meaf) per m3 fällt vatten.

Det monomera metallsaltet (koagulanten) som skall polymeriseras doseras som en lösningfördelaktigt med en fast metallkoncentration. Även OH -jonerna, som blandas medkoagulanten för att åstadkomma polymerisationen, tillförs fördelaktigt som lösning ellerslurry med en fast OH koncentration. Detta innebär att flödet av den till kemfällningsstegettillförda polymeriserade koagulanten kommer att variera. Dessa variationer beror dels påmängden Me3*joner som tillsätts dels, på basiciteten. Så länge basiciteten är oförändrad,reglerar man doserad mängd metalljoner per fälld mängd vatten genom att reglera detpolymeriserade koagulantflödet. En ändring av koagulantflödet får därmed en omedelbareffekt i koagulantinblandningssteget eftersom förändringen i mängd tillförd metalljon, dvssvarstiden, är noll.

För att de OH-joner som tillförts skall leda till en höjning av koagulantens basicitet krävs,som ovan diskuterats, en viss reaktionstid. l ett kemfällningssteg där basicitetenkontinuerligt skall regleras för att optimera fällningsprocessen måste man samtidigt, underförutsättningarna beskrivna ovan, kunna reglera uppehållstiden. Med uppehållstiden avsestiden från inblandning av OH-joner i den monomera koagulantlösningen tills att denpolymeriserade lösningen tillförs fällningssteget. En effektiv blandning av monomerkoagulantlösning och den lösning eller slurry som tillför OH-joner, kan ske på kort tid, (< lmin) medan den efterreaktionstid som krävs för full polymerisation är betydligt längremen kräver ingen omblandning. Tillräcklig efterreaktionstid kan nås genom att lösningenleds genom en rad tankar kopplade i serie, eller genom att lösningen leds genom ett rör. Detär av betydelse att tankarna eller röret dimensioneras så att ett laminärt flöde/pluggflödeerhålls. Med pluggflöde avses att blandningen rör sig som en plugg genom tanken/röretutan att blandas med framförliggande lösning, dvs uppehållstiden blir direkt proportionellmot flödet.

Med en fast tank- eller rörvolym måste volymen dimensioneras efter det maximalapolymeriserade koagulantflödet för att erhålla den efterreaktionstid som krävs för enoptimal polymerisation. Varje flöde som är mindre än det maximala kommer att ge upphovtill en längre uppehållstid än vad polymerisationen kräver och förlänger därmed den tid somdet tar för en basicitetsändring att påverka fällningssystemet. För att optimalt utnyttja defördelar som reglering av basiciteten ger, däför måste efterreaktionstiden kunna styras. Enstyrning av tiden görs fördelaktigt genom att volymen i efterreaktionssystemet kontinuerligtregleras. En ytterligare fördel med en anordning som kontinuerligt reglerar volymen är omden eftersträvade basiciteten ligger nära gränsen för gelbildning. Orsaken är att gränsenlättare överskrids om uppehållstiden är längre än vad polymerisationsprocessen kräver. Med en kontinuerlig reglering av voiymen/uppehâllstiden kan gelning undvikas. En tredje fördelär att tekniska kvaliteter av koagulant, liksom OH-källa, kan innehålla olösta substanser vilkakan avsättas på väggytor i efterreaktionssystemet (tank- eller rörväggar). Vid polymerisationav Al-sulfat med kalk som OH-källa sker en utfällning av gips (Ca-sulfat) vilket också kanavsättas på väggytorna. Avsättningarna, jämte slamansamlingar, minskar systemets effektivavolym något som innebär en oönskad, okontrollerbar minskning av uppehållstiden. Enligtden nedan beskrivna patentsökta anordningar kan dessa avsättningar och slamansamlingaravlägsnas på ett enkelt sätt utan att orsaka störningar i fällningssystemet. Den anordning föratt skapa en efterreaktionstid som beskrivs i patenten (SE1700035 & SE1300156-5) bestårav seriekopplade tankar. Varierar det polymeriserade koagulantflödet ligger det nära tillhands att föreslå en lösning där man kopplar från respektive till antalet tankar eller delar avdet rör som flödet leds genom och på så sätt stegvis ökar eller minskar uppehållstiden.Systemet ger dock inte möjlighet till kontinuerlig anpassning av efterreaktionsvolymen,vilket den här patentsökta metoden ger. En ytterligare nackdel med systemet är att detankar eller rörsegment som är frånkopplade kommer att innehålla en polymeriseradkoagulant. Koagulantens metallhalt och basicitet blir enbart slumpmässigt optimal när denvid ett senare tillfälle återigen kopplas till. Speciellt vid polymerisation av järn är riskenuppenbar att gelning och ett vidare sönderfall av det polymera järnet sker till en för kemiskfällning obrukbara järnoxider. Till detta kommer en ökad risk för sedimentation av olöstsubstans i de avställda tankarna eller i röret, när genomflödet av den polymerisaradekoagulanten är låg. Den lösning som föreslås i patent SE1700035, dvs att höja och sänkareaktionstemperaraturen för att därmed öka eller sänka reaktionshastigheten, ärgenomförbar men innebär en kraftig fördyring av utrustningen samtidigt som den ärenergiförbrukande. Det är också svårt att finna material som motstår den korrosivitet somen het järnkloridlösning har.

För att lösa de problem som belyses ovan avser patentet anordningar som kontinuerligtanpassar volymen i efterreaktionssteget, så att volymen kan styras efter en ellerkombination av följande parametrar, 1. Det polymerisederade koagulantflödet. 2. Den temperatur som den polymeriserade kogulanten har. 3. Den basicitet som koagulanten skall uppnå.

Patentansökan avser två olika anordningar för att reglera volymen i efterreaktionssteget.Den ena anordningen är baserad på att den polymeriserade koagulantlösningen leds genomen slang och den andra genom en tank. Den första anordningen är anpassad för ett mindrepolymeriserat koagulantflöde, den andra för ett större. Det finns ingen skarp gräns när denena eller andra anordningen skall användas, utan den är styrd av brukarens önskemål. Avpraktiska och ekonomiska skäl kan man anta att en slang med en maximal längd om 15meter och en innerdiameter om 100 mm är rimlig. Slangen får därmed en volym om ca 120 l.Med en uppehållstid om 15 minuter motsvarar detta 480 l/h polymeriserat koagulantflöde,förutsatt att flödet är laminärt. Om man därefter antar att ett fullständigt plugg/laminärtflöde inte uppnås, utan måste reduceras med en faktor 0,6, erhålls ett maxflöde om ca 300liter. Detta är endast ett antagande och är av mindre betydelse, då slangvolymen enligtuppfinningen ändras kontinuerligt.

För att slangvolymen skall kunna förändras, förutsätter anordningen att den polymeriseradekoagulantlösningen skapar ett inre tryck i slangen som kan hålla slangen fullt utspänd till maximal diameter, dvs innesluta sin maximala volym. Påläggs ett yttre tryck som är större ändet inre trycket kommer slangen, förutsatt att slangväggen är av ett flexibelt material, atttryckas ihop längs sin hela längd och volymen att minska. Avlastas det yttre trycket kommerslangen återigen att expandera och slangvolymen ökar. På detta sätt kan slangvolymenkontinuerligt ändras/styras enligt utföringsexemplet nedan. En andra fördel är om denpolymeriserade koagulanten oavsiktikligt skulle gela, kan gelen enkelt fjärmas genom attslangen helt trycks ihop. Genom att slangen kan tryckas ihop kan man också fjärmaeventuella avlagringar från slangväggen eller ansamlingar av slam/partiklar.

Om det polymeriserade koagulantflödet beräknas att överskrida ca 300 l/h är detfördelaktigt att låta efterreaktionen ske i en tank som har en diameter >>10O mm.Koagulanten blandas med OH-donatorn för att därefter ledas till botten av en tank somfördelaktigt är rund och har konisk botten. Från botten strömmar koagulantblandningenmed laminär flödeshastighet från botteninloppet upp genom tanken till enavdragsanordning vid tankens vätskeyta. Från denna strömmar den polymeriseradekoagulantlösningen med självfall till fällningsanläggningen. Den effektiva volymen kan,genom att avdragsanorningen höjs eller sänks, kontinuerligt ökas och minskas. Nackdelenmed anordningen, jämfört med slanglösningen, är om gelning uppstår, något som kaninnebära att tanken måste rengöras manuellt. Om gips skulle avsättas på tankväggarna blirpåverkan på volymen liten, eftersom väggytan är liten jämfört med tankvolymen. Dettautgör skillnaden mot när slang används.

Kort beskrivning Figur 1 beskriver en första utföringsform enligt uppfinningen.Figur 2 beskriven en andra utföringsform enligt uppfinningen.

Beskrivning av föredragen utföringsform Figur 1 avser ett utförande som med fördel kan användas vid ett mindre (<300 l/h)polymeriserat koagulantflöde.

Koagulant (1) respektive OH-donator (2) doseras med doserpumparna (3&4) till en trycksattomblandningstank (5) försedd med en omrörare (6). Från trycktanken leds blandningengenom en rörledning (7) via en tätad genomgång (8) i ett yttre trycksatt kärl (9) till enflexibel slang (10) i vilken efterreaktionen sker. Slangänden är ansluten till en andra tätatgenomgång (11) i det trycksatta kärlet (9). Från genomgången ansluts en rörledning (12).Därmed omsluter kärlet (9) slangen. Trycket (T1) i omblandningstanken (5), efterföljande rör(7 & 12) och slang (10) styrs av tryckhållningsventilen (13). Efter ventilen leds dentryckavlastade polymeriserade koagulantlösningen till fällningssteget (19) . Detta innebär attden totala volymen där en polymerisation sker omfattas av positionerna 5, 7, 10, 12, varavposition 10 utgör den slang i vilken volymändring sker. Den sistnämnda styr därmedefterreaktionstiden. I slangen (10) är flödet alltid laminärt vilket inte är fallet för övrigapositioner.

Koagulantlösningen fyller systemet från dospumparna till avlastningsventilen som därmedhålls fri från komprimerbar luft. Det yttre tryckkärlet (9) skall likaså alltid hållas helt fyllt medvätska (exempelvis vatten). Är trycket (T2) i tryckkärlet (9) mindre än trycket (T1) i deninvändiga slangen (10) kommer volymen i slangen att vara maximal. Om mer vätska tillförs itryckkärlet (9) med pumpen (15) kommer, förutsatt att trycket T2>T1, volymen i slangen att minska med samma volym som tillförts tryckkärlet (9) genom att slangen trycks ihop. För attslangen skall vara lätt att trycka ihop, kan med fördel en mjuk, oarmerad PVC-slanganvändas. Släpps vätska ut från tryckkärlet med ventilen (16), vilket kommer att ske omT1>T2, ökar volymen i slangen i direkt proportion till mängden urtappat vätska. Ennivåmätare (17) i lagringstanken (14) mäter och reglerar inpumpning respektive urtappningav vätskan. En tryckmätare (18) är ansluten till omblandningstanken. Om trycket (T3) stiger,exempelvis vid gelning i slangen, ökas trycken T2 så att slangen helt trycks ihop, varvid dengelade koagulanten trycks ut till fällningsanläggningen (19). Vid gelning, eller om annatproblem uppstår i anordningen, ställs trevägsventilen (20), placerad på doseringsledningen,om så att den monomera koagulantlösningen leds direkt till fällningsanläggningen iställetför till blandningstanken. Samtidigt stannas doseringspumpen (2) för OH-donatorn. Därmedkan fällningen hållas i drift medan problemet åtgärdas. I det fall monomert järnpolymeriseras med PAC, och detta leder till gelning eller andra problem, stannas antingendospumpen 3 förjärnkoagulant eller 4 för PAC, varefter doseringsmängden från den pumpsom är i drift ökas för att kompensera bortfallet av metalljontillsats.

Då anordningen återigen tas i drift återställs ventilen till ursprungsläget ochdoseringspumpen pumpen för OH-donatorn startas. För att kompensera för denflödesökning som uppstår då slangvolymen minskas, minskas flödet av inpumpad koagulantoch OH-donatori motsvarande grad, för att ökas när slangvolymen ökas.

Figur 2 avser ett utförande som med fördel kan användas vid ett större (>3OO l/h)polymeriserat koagulantflöde. Koagulant (1) respektive OH-donator (2) doseras meddoserpumparna (3&4) till en omblandningstank (5) försedd med en omrörare (6). Fråntanken leds blandningen genom en rörledning (7) in i och vid botten av ett öppet cylindrisktkärl med konad botten (8). I kärlet är ett avdrag (9) arrangerat så att den polymerisaradekoagulanten strömmar ut från ytan i tanken. Avdraget kan röra sig upp- eller nedåt i tanken.Rör sig avdraget uppåt ökar lösningens volym i tanken och vise versa. Från avdragetströmmar den polymeriserade koagulanten med självfall genom slangen (10) till detanslutande röret (11) och vidare till första steget i fällningsanläggningen (12). Slangen görsav ett flexibelt material, så att den inte bjuder motstånd när avdraget rörs upp- eller nedåt.En anordning exempelvis bestående av en lina (13) och en motordriven linvinda (14)anordnas så att avdraget hissas uppåt, nedåt eller står stilla. Det sistnämnda med hjälp av envarvtalsstyrd, reverserbar växelmotor som driver vindan. Innehåller koagulanten eller OH-donatorn (exempelvis kalkslurryn) tyngre större partiklar som sedimenterar samlas díikärlets koniska botten och kan avtappas genom en slamuttagsventil (15) i konans ände. Föratt kompensera för den flödesökning som uppstår då avdraget sänks minskas flödet av deninpumpade koagulanten och slurryn i motsvarande grad och ökas om avdraget höjs.

Detta innebär att den totala volymen där en polymerisation sker omfattas av positionerna 5,7, 8, 10 och 11, varav position 8 utgör den volym som kan ändras/styras. Det sistnämnda styrdärmed reaktionstiden för polymerisationen. I tank 8 är flödet alltid laminärt vilket inte ärfallet i övriga positioner. Vid gelning i anordingen kommer ytan I blandningstanken att stiga,vilket indikeras av nivåmätaren (16). lndikeras hög nivå ställs trevägsventilen (17) om så attden monomera koagulantlösningen leds direkt till fällningssteget, istället för tillblandningstanken. Samtidigt stannas doseringspumpen (4) för OH-donatorn. Därmed kanfällningen hållas i drift medan problemet åtgärdas. Då anordningen återigen tas i driftåterställs ventilen till ursprungsläget och doseringspumpen för OH-donatorn startas. I detfall monomertjärn polymeriseras med PAC, stannas antingen dospumpen 3 eller 4, varefter doseringsmängden från den pump som är i drift ökas för att kompensera bortfallet avmetalljontillsatts.

Krav1. Anordning för optimering av reaktionstiden vid polymerisation avjärn och aluminiumbaserade koagulanter, kännetecknat av att anordningen kontinuerligtreglerar reaktionsvolymen efter en eller flera av parametrarna: A. Det polymeriserade koagulantflödet.

B. Temperaturen i den polymeriserade koagulanten.

C. Den basicitet som koagulanten efter polymerisation uppnår vid ett molförhållande 0 < OHi/Me3*< 3 2. Krav enligt 1, kännetecknat av att strömningshastigheten i anordningen anpassas såatt ett laminärt flöde erhålls i > 90 % av den totala reaktionsvolymen. 3. Krav enligt 1, kännetecknat av att ett ökat polymeriserat koagulantflödekontinuerligt ökar volymen i anordningen. 4. Krav enligt 1, kännetecknat av att en ökad temperatur i den polymeriseradekoagulantlösningen kontinuerligt minskar volymen i anordningen.

. Krav enligt 1, kännetecknat av att en ökad basicitet kontinuerligt minskar volymen ianordningen. 6. Krav enligt 1, kännetecknat av att OH-donatorn vid polymerisation av monomertjärn(3+) utgörs av ett polymerisarat alumuniumkomplex och att polymerisationensker in-situ.

Sammandrag Föreliggande uppfinning avser en anordning som medger att reaktionstiden kontinuerligtkan regleras vid polymerisation av koagulanter för kemisk fällning av vatten- ochavloppsvatten. Regleringen görs genom att den volym där polymerisationen skerkontinuerligt kan ändras. Ändringen styrs av någon eller några av parametrarna: detpolymeriserade koagulationsflödet, den temperatur den polymerisarade koagulanten haroch koagulantens basicitet. Anordningens utföringsform anpassas, dels efter ett mindrepolymeriserat koagulantflöde, dels efter ett större.

I en särskilt fördelaktig utföringsform används anordningen vid polymerisation av trivalentamonomera järnjoner med polymeriserad aluminiumkoagulant som OH-donator.

Claims (1)

1. Krav Anordning för optimering av reaktionstiden vid polymerisation avjärn ochaluminiumbaserade koagulanter, varvid anordningen innefattar ett system, tillexempel en slang eller en tank, med en reaktionsvolym i vilkenpolymerisationsreaktion ska ske, kännetecknad av att anordningen innefattar medelför att kontinuerligt reglera reaktionsvolymen efter en eller flera av parametrarna:A. Flödet av polymeriserad koagulant till fällningssteget i en vattenreningsprocess ivilket den polymeriserade koagulanten skall användas,B. Temperaturen i den polymeriserade koagulanten.C. Den basicitet som koagulanten skall uppnå. Anordningen enligt krav 1, kännetecknad av att medlet kontinuerligt reglerarreaktionsvolymen så att ett laminärt flöde erhålls i reaktionsvolymen. Anordningen enligt krav 1, kännetecknad av att medlet kontinuerligt reglerarreaktionsvolymen så att den en ökar vid ett ökat flöde av polymeriserad koagulant. Anordningen enligt krav 1, kännetecknad av att medlet kontinuerligt reglerarreaktionsvolymen så att den minskar vid en ökad temperatur i den polymeriseradekoagulantlösningen . Anordningen enligt krav 1, kännetecknad av att medlet kontinuerligt reglerarreaktionsvolymen så att den minskar vid en ökad basicitetav koagulanten. Anordningen enligt krav 1, kännetecknad av att OH-donatorn vid polymerisation avmonomert järn(3+) utgörs av ett polymerisarat alumuniumkomplex och attpolymerisationen sker in-situ på plats vid fällningssteget i en vattenreningsprocess. Anordning enligt krav 1, kännetecknad av att systemet innefattar en slang med enslangvägg av flexibelt material. Anordning enligt krav 1, kännetecknad av att systemet innefattar en tank med enbotten och en i förhållande därtill höjbar och sänkbar avdragsanordning. Förfarande för optimering av reaktionstiden vid polymerisation av järn ochaluminiumbaserade koagulanter, kännetecknat av att förfarandet innefattar attkontinuerligt reglera reaktionsvolymen, i vilken polymerisationsreaktion ska ske,efter en eller flera av parametrarna: D. Flödet av polymeriserad koagulant till fällningssteget i en vattenreningsprocess i vilket den polymeriserade koagulanten skall användas,E. Temperaturen i den polymeriserade koagulanten.F. Den basicitet som koagulanten skall uppnå.