SIB 5005 BM3 Miljøteknikk Vann- og avløpsrensing Helge Brattebø

Presentasjon om: "SIB 5005 BM3 Miljøteknikk Vann- og avløpsrensing Helge Brattebø"— Utskrift av presentasjonen:

1 SIB 5005 BM3 Miljøteknikk Vann- og avløpsrensing Helge Brattebø

2 Rensing - hvordan og til hvilket formål?

3 Vannrensingens hovedprinsipper
Bruksområder er vannbehandling (forsyningsvann) og avløpsrensing (kloakk) Mekaniske, biologiske eller kjemiske prosesser satt i system for å bedre vannkvaliteten i ønsket retning Vannbehandlingen skal sikre god vannkvalitet på ledningsnettet helt frem til brukeren, beskytte ledningsnettet mot korrosjon, og evt. løfte kvaliteten ved tiltak hos brukeren (eks. næringsmiddelindustri) Avløpsrensingen skal fjerne forurensninger før vannet slippes ut for å minimere miljøskade i naturen Rensing gir biprodukter (slam/avfall) som også må håndteres på en miljømessig god måte Svært mange rensemetoder finnes, i få hovedkategorier, med relativt like grunnleggende prosess-mekanismer

4 Kommunale VA-systemer

5 Standarder for vannkvalitet

6 Metoder innen vannbehandling
Siling ved inntak og ved behandlingsanlegget Koagulering og flokkulering Sedimentering og filtrering Desinfisering (Alkalisering / kondisjonering for korrosjonskontroll) Behandling av slam

7 Koagulering og flokkulering
Fjerning av partikler foregår normalt i tre trinn: Koagulering: først må de helt små partiklerne (kolloidalt stoff 0,001-1 m) destabiliseres (en kjemisk reaksjon) ved tilsetning av metallsalter (kort tid og stor turbulens) Flokkulering: deretter må disse bygges opp til større partikler, som senere kan separeres, ved en langsom omrøring/turbulens i vannet ca 1/2 time (en fysisk reaksjon) Separering: til sist kan de store eller tunge partiklene separeres fra vannet (ved sedimentering, flotasjon, filtrering) Disse prosessene er vanlige i vann-/avløpsrensing

8 Kjemikalier ved koagulering
Aluminiumsulfat: Al2(SO4)318H20 Jernsulfat: FeSO4 og jernklorid: FeCl3 Metallsaltene spaltes, men har lav løselighet i vann ved den rette pH (6,0-6,5), og derfor felles det ut metallhydroksyd som binder seg til partikler og får dem til å sedimentere. Eks.på reaksjon for aluminiumsulfat: Al2(SO4)318H2O + 6HCO3- = 2Al(OH)3  + 6CO2 + 18H2O+3SO42- Aluminiumhydroksydet feller ut ved pH over 6, binder seg til kolloider og småpartikler i vannet, og sedimenterer dersom for lite bikarbonat (alkalitet) er tilstede i vannet må dette tilsettes for at ikke pH skal bli for lav, for eksempel ved ekstra tilsetting av kalk Ca(OH)2 eller natriumkarbonat Na2CO3 for å få sterke fnokker kan det tilsettes små mengder polymer

9 Sedimentering og filtrering
Sedimentering utnytter den egenskap at partiklene som skal separeres vekk er tyngre enn vannet, men det kreves rolige strømningsforhold i bassenget Partiklene bør være store og tunge, men normal oppholdstid er 1-5 timer Alternativt kan det benyttes filtrering i hurtigsandfilter (brukes også som poleringstrinn etter sedimentering) Partiklene trenger da ikke være så store, men må være sterke så de ikke slites i stykker gjennom filteret

10 Desinfisering Koagulering, sedimentering og filtrering tar nesten alt av partikler, farge (humus) og det meste av bakterier Resterende bakterier må drepes ved desinfisering Klorgass (Cl2) eller Hypokloritt (NaOCl eller Ca(OCl)2) Cl2 + H2O = HOCl + H+ + Cl- HOCl = H+ + OCl- (pH bestemmer hvilken fordeling i vannet) HOCl og OCl- kalles fritt tilgjengelig klor HOCl er desidert mest effektivt, og pH bør derfor være < 6,5 HOCl har derimot bare en kortvarig effekt. En god desinfeksjons på ledningsnettet krever ”restklor” i form av kloraminer (NH2Cl, NHCl2, NCl3) En ulempe med kloring av humusholdig vann er at det dannes trihalomethaner, som kloroform CHCl3 Vann kan også desinfiseres med ozon (O3) og UV-lys

11 Hardhet i vann (Ca2+, Mg2+, Na+, ..)
Hardhet defineres som konsentrasjonen av alle flervalente metalliske kationer i løsning (spesielt Ca2+ og Mg2+, men også Fe2+, Mn2+, Sr2+, Al2+) Hardt vann kan gi kalkavsetninger som belegg i rør og varmtvannsanlegg, og gir dårligere vask av tøy: Ca2+ + 2HCO3- => CaCO3 + CO2 + H2O som gir beleggdannelse dersom innholdet av Ca2+ og HCO3- er høyt, for eksempel som i grunnvann Alternativt vil bløtt vann kunne gi korrosjon på ledningsnettet: CaCO3 + CO2 + H2O => Ca2+ + 2HCO3- gir korrosjon i sementrør fordi CaCO3 i røret løses opp og utvaskes til vannet denne utvaskingen kan hindres ved å holde en moderat høy konsentrasjon av HCO3- og Ca2+

12 Alkalitet i vann Alkalitet er et mål for vannets evne til å absorbere H+-ioner uten at det skjer et sterkt fall i vannets pH, dvs. et mål for vannets bufferkapasitet mot pH-endring Alkalitet (mol/l) = [HCO3-] + 2[CO32-] + [OH-] - [H+] der hvert CO32- ion kan nøytralisere 2 H+ ioner Alkalitet (meq/l) = (HCO3-) + (CO32-) + (OH-) - (H+) målt som meq er alt valenseffekten for CO32- tatt hensyn til Figuren viser forholdet mellom pH og innholdet av bikarbonat (HCO3-) i norske innsjøer. Ved forsuring tilføres H+ som gir: H+ + OH- => H2O H+ + HCO3- => H2CO3 og medfører derfor en reduksjon i HCO3- og etter hvert et større og større fall i pH

13 Hardhet og ekvivalentvekter
Ekvivalentvekt (EW) = (atom eller molekylvekt)/n For ioner (eks. Ca2+, Al3+) : n = valens/ioneladning (dvs hhv 2, 3) For ikke-ioniske forbindelser (eks. CaCO3): n = antall H+-ioner som trengs for å erstatte kationet (dvs 2 må erstatte Ca2+) EW for CaCO3 = ( *16)/2 = 100/2 = 50g/eq. (mg/meq.) EW for Ca2+ = (40,1)/2 = 20 mg/meq EW for HCO3- = (1+12+3*16)/1 = 61 mg/meq Når vi måler hardhet omregnes alt til mg/l målt som CaCO3: mg/l av X målt som CaCO3 = X [mg/l] * 50,0 / x X er konsentrasjonen av det aktuelle hardhetsstoffet (eks. Ca2+) 50,0 er ekvivalentvekten (mg/meq) av CaCO3 og x er ekvivalentvekten (mg/meq) av hardhetsstoffet Total hardhet målt som CaCO3 blir da summen av hver individuell hardhet for Ca2+, Mg2+, og evt. andre stoffer i vannet

14 Hardhetsskalaen (bløtt og hardt vann)
Hardt vann har altså et totalt innhold av Ca2+ og Mg2+ tilsvarende > 150 mg/l CaCO3 Kan alternativt angis som meq/l CaCO3 (der 1 meq/l CaCO3 = 50 mg/l CaCO3)

15 Fjerning av hardhet Hardt vann må bløtgjøres ved fjerning av hardhetsionene, med kalk-soda prosessen eller med ionebytting Kalk-soda prosessen: Ca2+ + 2HCO3- + Ca(OH)2 => 2CaCO3  + 2H2O Mg2+ + 2HCO3- + 2Ca(OH)2 => 2CaCO3  + Mg(OH)2  + 2H2O men dersom det er for lite bikarbonat tilstede i vannet må det tilsettes soda (Na2CO3) og reaksjonen kan da bli slik: MgSO4 + Ca(OH)2 + Na2CO3 => 2CaCO3  + Mg(OH)2  + Na2SO4 Bruk av ”ionebytting”: Ca2+ + 2HCO3- + NaR => CaR + 2Na+ + 2 HCO3- der R er et fastsittende ionebytter-resin (zeolitter eller syntetiske) reaksjonen er 100% effektiv så lenge det er Na+ igjen i ionebytteren når all Na+ er oppbrukt kan ionebytteren vaskes med NaCl CaR + 2NaCl => Na2R + CaCl2 (feller ut kalsiumklorid)

16 Teknologi for avsalting
Internasjonalt er avsalting av vann et stort marked De dominerende prosessene er omvendt osmose og elektrodialyse (særlig ved små og mellomstore anlegg) eller flertrinns destillasjon (spesielt ved store anlegg)

17 Destillasjon og omvendt osmose
Destillasjon oppkonsentrerer saltene ved fordampning og utslipp av et konsentrat Omvendt osmose gjør det samme ved trykk over en semipermeabel osmosemembran

18 Avløpsrensing - innholdet i råkloakk
Tallene er amerikanske og noe mer konsentrerte enn for norske forhold Variasjonene fra sted til sted kan være betydelige, blant annet avhengig av mengden fremmedvann og overvann

19 Sandfang og fettfang Hensikten med et sand- fang ved renseanlegget er å fjerne sand, grus, kaffegrus og lignende slik at man reduserer slitasjen på pumper og utstyr i anlegget. Hensikten med fettfang er å fjerne fettstoffer som ellers vil danne mye flyteslam rundt om i renseanlegget. I praksis bygges sand- og fettfang ofte som et felles basseng.

20 Sedimentering i avløpsrensing
Ved avløpsrensing er sedimentering den desidert vanligste metoden for fraseparering av slam Etter sedimenteringen skrapes bunnslammet inn mot midten av tanken og pumpes vekk Renset vann trekkes av i overkant i tankperiferien Det stilles store krav til hydraulisk bassengutforming

21 Eks. på et kompakt anlegg i industrien
Tilsetter koagulant, polymer og mikrosand Flokkulering, lamell- og vanlig sedimentering

22 Et mekanisk-biologisk renseanlegg
Figuren viser et konvensjonelt mek-biol. renseanlegg, slik vi ser de fleste anlegg på kontinentet Forbehandling, forsedimentering, aktivslam, utråtning

23 Stoffreduksjoner ved aktivslam
Vanligvis er utløpet nede i 30 mg/l for BOD og SS Innholdet av forsfor og nitrogen er fortsatt høyt

24 Aktivslam med rent oksygen
Bruk av ren O2 i aktivslamanlegg gir høyere reaksjons-hastighet og rensing ved konsentrerte industriavløp

25 Tverrsnitt av et biofilter (rislefilter)
I biofilteret sprayes vannet over filterflaten, og risler ned gjennom filteret som i dag består av plastmedium med høy spesifikk overflate Rensingen skjer ved at mikroorganismer (biofilm) på plastmediets flater bryter ned organisk stoff og omdanner ammonium til nitrat

26 Skisse av et biorotoranlegg
I et biorotoranlegg sitter biofilmen fast på roterende plastskiver som delvis er neddykket i vannet Disse kan kombineres i serie eller i parallel

27 Aktivslamprosessen for N-fjerning
Høy grad av nitrogenfjerning krever kombinasjon av nitrifikasjon og denitrifikasjon Her brukes kloakken selv som C-kilde ved denitrifikasjonen

28 Aktivslamprosessen for N og P fjerning
Biologisk fosfor-rensing i kombinasjon med nitrogen-fjerning begynner å få stor interesse internasjonalt Målet er høye renseeffekter, med lavt energiforbruk og tilsats av kjemikalier, samt lav slamproduksjon

29 De to faser i anaerob utråtning av slam
Det organiske materialet i slammet (etter fortykking) må først hydrolyseres Deretter stabiliseres slammet ved utråtning i to faser: syredannende fase (særlig eddiksyrer og propionsyrer) metandannende fase (metan og karbondioksyd) Prosessen er svært følsom og trenger streng styring

30 Et to-trinns råtnetank anlegg for slam
Tank 1 er her i hovedsak reaksjonsreaktoren der det meste av omsetningen finner sted Tank 2 gir en etterstabilisering og separasjon

31 Prosesser i biodam (oksydasjonsdam)
Naturbaserte rensemetoder kan gi god rensing, men har varierende erfaringer i Norge Biodammer kan kombineres med våtmarker og infiltr.