SIB 5005 BM3 Miljøteknikk Vann- og avløpsrensing Helge Brattebø

Rensing - hvordan og til hvilket formål?

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

Kommunale VA-systemer

Standarder for vannkvalitet

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

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

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

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

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

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+

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

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 = (40+12+3*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

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)

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)

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)

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

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

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.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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