Slibontwatering: methoden, technologieën en systemen voor afvalwaterbehandeling

Wat is ontwatering – en waarom het belangrijk is voor slibbeheer

Ontwateren is de mechanische of fysieke verwijdering van water uit een vast-vloeistofmengsel om het volume ervan te verkleinen en het vastestofgehalte te verhogen. In de context van afvalwaterzuivering verwijst ontwatering specifiek naar het proces waarbij water wordt gescheiden van slib – het halfvaste bijproduct dat wordt gegenereerd tijdens de primaire, secundaire en tertiaire behandelingsfasen – om een ​​hanteerbare, transporteerbare koek te produceren die geschikt is voor verwijdering, landtoepassing of verdere verwerking.

De economische en operationele argumenten voor ontwatering zijn eenvoudig. Ruw afvalwaterslib bevat doorgaans 95-99% water per gewicht . Door het vochtgehalte te verlagen van 97% naar 75% door middel van mechanische ontwatering, wordt het slibvolume met ongeveer 88% verkleind, waardoor de transportkosten, stortkosten en het energieverbruik bij stroomafwaartse thermische behandeling dramatisch worden verlaagd. Voor een middelgrote gemeentelijke afvalwaterzuiveringsinstallatie die 50.000 m³/dag verwerkt, kan deze volumereductie zich vertalen in een besparing van enkele honderdduizenden dollars per jaar alleen al aan de kosten voor slibafvoer.

Naast volumevermindering stabiliseert ontwatering ook het slib voor verwerking: een goed ontwaterde koek met een totaal vaste stofgehalte van 20-25% kan zonder pompen per band of schroef worden getransporteerd, gestapeld voor tijdelijke opslag en zonder gespecialiseerde apparatuur in vrachtwagens worden geladen.

Slibverdikking versus ontwatering: het verschil begrijpen

Het indikken en ontwateren van slib zijn opeenvolgende maar verschillende handelingen in een complete slibbeheertrein. Het verwarren van deze twee leidt tot verkeerde selectie van apparatuur en procesinefficiënties.

Verdikking is een mechanisch proces met zwaartekracht of lage afschuiving dat verdund slib concentreert van 0,5–2% TS tot ongeveer 3–8% TS. Het is geen laatste ontwateringsstap; het ingedikte slib blijft verpompbaar en stroombaar. Het primaire doel is het verminderen van het volume dat naar stroomafwaartse vergisters of ontwateringsapparatuur wordt gevoerd, waardoor de omvang en de bedrijfskosten ervan worden verlaagd. Veel voorkomende verdikkingstechnologieën zijn onder meer zwaartekrachtverdikkingsmiddelen, opgeloste luchtflotatie (DAF) verdikkingsmiddelen, roterende trommelverdikkingsmiddelen en zwaartekrachtbandverdikkingsmiddelen.

Ontwatering volgt de verdikking en maakt gebruik van mechanische druk, vacuüm of middelpuntvliedende kracht om het slibgehalte aan vaste stoffen van het 3-8% TS-bereik naar 15-35% TS te duwen, waardoor een halfvaste koek ontstaat. Bij dit gehalte aan vaste stoffen gaat het materiaal over van een vloeistof die moet worden gepompt naar een vaste stof die met conventionele middelen kan worden getransporteerd, gestapeld en getransporteerd.

De gecombineerde volgorde van indikken en ontwateren van slib vormt de ruggengraat van het moderne beheer van biologische vaste stoffen. Het overslaan van indikking en het rechtstreeks toevoeren van verdund slib aan ontwateringsapparatuur resulteert in te grote, overbelaste machines met een slechte koekdroogheid en een hoog polymeerverbruik.

Slibontwateringstechnologieën: een vergelijkend overzicht

Er worden meerdere slibontwateringstechnologieën commercieel gebruikt. Elk daarvan werkt op basis van verschillende fysische principes en levert verschillende cakedroogheden, polymeervraag, voetafdruk en energieverbruik op. De selectie hangt af van het slibtype, de grootte van de installatie, de uiteindelijke verwijderingsroute en de prioriteiten op het gebied van kapitaal versus bedrijfskosten.

Bandfilterpers

De bandfilterpers (BFP) is wereldwijd een van de meest geïnstalleerde ontwateringstechnologieën, vooral in toepassingen voor gemeentelijk afvalwater. Geconditioneerd slib wordt tussen twee continu bewegende poreuze banden gevoerd, die eerst door de zwaartekracht leeglopen en vervolgens het slib samenpersen door een reeks rollen met steeds toenemende druk. Het gehalte aan vaste stoffen in cake varieert doorgaans van 18–25% TS voor gemengd gemeentelijk slib. BFP's hebben een laag energieverbruik (1–2 kWh/ton droge stof), maar vereisen aanzienlijk waswater (3–10 m³/uur per meter bandbreedte) en zijn gevoelig voor variabiliteit van het voedingsslib.

Centrifuge karaf

Decanteercentrifuges gebruiken middelpuntvliedende kracht (doorgaans 1.500–4.000 × g) om vaste slibdeeltjes met hoge snelheid van de vloeibare fase te scheiden. Ze leveren 20–30% TS-cakedroogheid voor vergist gemeentelijk slib en zijn zeer geschikt voor continu gebruik met grote volumes. Centrifuges zijn compact, volledig omsloten (belangrijk voor geurbestrijding) en grotendeels geautomatiseerd, maar hun energieverbruik is aanzienlijk hoger dan dat van BFP's, doorgaans 15-30 kWh/ton droge vaste stoffen, en hun onderhoudskosten zijn hoger als gevolg van slijtage door schurend slib.

Schroefpers

De schroefpers voert het slib in een cilindrische zeef en voert het voort met een roterende schroef met een geleidelijk afnemende spoed, waarbij vrij water door de zeef wordt geperst terwijl de koek bij de uitlaat wordt afgevoerd. Moderne meerschijfsschroefpersen hebben dankzij hun snelle marktaandeel gewonnen zeer laag energieverbruik (2–5 kWh/ton DS), minimale aandacht van de operator, lage behoefte aan waswater en geschiktheid voor kleine tot middelgrote installaties. De droogheid van de cake is doorgaans 15-22% TS – lager dan bij centrifuges – maar voor toepassingen waarbij besparingen op de verwijderingskosten de iets nattere cake rechtvaardigen, is het voordeel op de bedrijfskosten overtuigend.

Filterpers (plaat en frame)

Hogedrukplaat-en-framefilterpersen leveren doorgaans de droogste cake van alle mechanische ontwateringstechnologie 35-45% TS — waardoor ze de voorkeur genieten wanneer slib bestemd is voor verbranding of meestook, of waar de kosten voor het storten extreem hoog zijn. De batchverwerking, de grote voetafdruk en de hoge kapitaalkosten beperken het gebruik ervan tot industrieel slib, met kalk geconditioneerd gemeentelijk slib en toepassingen waarbij een zeer hoge droogte een harde vereiste is. Membraanfilterpersen die flexibele membranen na het vullen opblazen, kunnen in sommige industriële slibtoepassingen de droogheid van de koek boven de 50% TS brengen.

Roterend vacuümfilter

Ooit de dominante technologie voor de ontwatering van rioolslib, zijn roterende vacuümfilters in nieuwe installaties grotendeels verdrongen door bandpersen en centrifuges vanwege hun relatief slechte droogheid (12-18% TS), hoge energie- en onderhoudsvereisten en open ontwerp. Ze blijven in gebruik bij oudere gemeentelijke installaties en in sommige industriële toepassingen waar hun zachte, continue werking geschikt is voor kwetsbare of vezelige slibsoorten.

DAF-slibontwatering: verwerking van bijproducten van flotatie-eenheden

Dissolved Air Flotation (DAF)-eenheden worden veel gebruikt in zowel industriële als gemeentelijke afvalwaterbehandeling om zwevende vaste stoffen, vetten, oliën en vetten te verwijderen door microscopisch kleine luchtbellen aan deeltjes te bevestigen en deze als een afgeroomde vlotter naar het oppervlak te laten drijven. Het resulterende DAF-slib biedt unieke ontwateringsproblemen die aanzienlijk verschillen van bezonken primair of secundair biologisch slib.

De DAF-vlotter arriveert doorgaans in de ontwateringsfase om 1–5% TS – vergelijkbaar met ingedikt biologisch slib – maar het fysieke karakter ervan is fundamenteel anders. DAF-slib uit voedselverwerkings-, destructie- of papierfabrieken is vaak zeer samendrukbaar, gelatineus en rijk aan vetten en eiwitten die drainage tegengaan. Standaard polymeerconditionering die goed werkt voor actief slib, presteert mogelijk slecht op DAF-vlotter; programma's met twee polymeren die kationische en anionische polymeren combineren, of de toevoeging van coagulatiemiddelen zoals ijzerchloride of aluminiumsulfaat voorafgaand aan de conditionering van het polymeer, zijn vaak vereist.

Voor de slibontwatering van DAF zijn decanteercentrifuges en bandfilterpersen de meest toegepaste technologieën. Centrifuges kunnen het hoge vetgehalte betrouwbaarder verwerken; vetophoping op bandpersstoffen is een chronisch operationeel probleem in DAF-toepassingen in de voedingsindustrie. Schroefpersen hebben ook goede resultaten opgeleverd op DAF-vlotters van gemeentelijke installaties waar het lipidegehalte lager is. Droogte van de cake van 12-20% TS is typisch voor de voedingsmiddelenindustrie, DAF-slib, substantieel lager dan biologisch slib, vanwege de samendrukbare en hydrofiele aard van de vaste stoffen.

In industriële omgevingen waar DAF wordt gebruikt voor de behandeling van verfafvalwater, levert het resulterende verfslib extra complicaties op. Vaste verfbestanddelen – vooral van watergedragen basislakken die harsen en pigmenten bevatten – vormen een kleverige, klevende cake die filtermedia kan verblinden en centrifugekommen snel kan vervuilen. Speciale ontwaterende verfslibsystemen maken vaak gebruik van filterpersen met synthetische filterdoeken die geschikt zijn voor reinigingscycli met oplosmiddelen, of speciaal ontworpen slibdrogers die mechanische ontwatering combineren met thermisch drogen in een enkele eenheid om 80-90% TS te bereiken voor classificatie als niet-gevaarlijk vast afval.

Drijfmestontwateringssystemen in industriële toepassingen

Naast de gemeentelijke rioolwaterzuivering zijn slibontwateringssystemen van cruciaal belang voor een breed scala aan industriële procesactiviteiten. De term "slurry" beschrijft doorgaans een mengsel met een hogere en meer uniforme concentratie vaste stoffen dan afvalwaterslib - vaak 10-40% vaste stoffen per gewicht - en kan anorganische deeltjes (mineralen, keramiek, metalen) bevatten in plaats van biologisch materiaal.

De belangrijkste toepassingen voor industriële slurryontwatering zijn onder meer:

• Mijnbouw en minerale verwerking — het ontwateren van residuen met behulp van verdikkingsmiddelen, filterpersen of vacuümbandfilters; het terugwinnen van proceswater voor recycling in regio's met waterschaarste is een belangrijke drijfveer
• Constructie en tunnelbouw — bentonietslurrie en boorspoeling afkomstig van tunnelwerkzaamheden vereisen een snelle ontwatering op de bouwplaats met behulp van mobiele filterpers- of centrifugesystemen voordat het teruggewonnen water kan worden geloosd of hergebruikt
• Keramiek- en glasproductie — fijne deeltjesslurries afkomstig van natte slijp- en polijstbewerkingen worden ontwaterd door vacuümschijffilters of drukfilters om waardevol materiaal terug te winnen en de lozingsvolumes van afvalwater te verminderen
• Energieopwekking — vliegas- en bodemasslurries afkomstig van de verbranding van steenkool worden ontwaterd met behulp van vacuümbandfilters of filterpersen als onderdeel van droge of halfdroge asverwerkingssystemen die vereist zijn door milieuregelgeving
• Voedsel- en drankverwerking — fruitpulp, graanstillage en zetmeelslurries worden ontwaterd vóór het drogen of de verwerking van diervoeder, waarbij schroefpersen en decanteercentrifuges de belangrijkste apparatuurkeuzes zijn

Bij het ontwerp van een industrieel slurryontwateringssysteem moet rekening worden gehouden met de abrasiviteit (die slijtvaste materialen in centrifuges en pompen dicteert), de deeltjesgrootteverdeling (fijne deeltjes kleiner dan 5 µm zijn bestand tegen drainage en vereisen mogelijk filtratiehulpmiddelen) en de chemische compatibiliteit tussen de slurry en de bevochtigde oppervlakken van de ontwateringsapparatuur.

Polymeerconditionering: de variabele die de ontwateringsprestaties regelt

Bij vrijwel alle slibontwateringsmethoden is polymeerconditionering de stroomopwaartse stap die bepaalt of mechanische ontwateringsapparatuur binnen het ontwerpbereik functioneert of moeite heeft om een aanvaardbare cakedroogte te produceren. Een goede conditionering heeft vaak meer impact dan de selectie van apparatuur.

Polyelektrolyten – meestal kationische polyacrylamiden – neutraliseren de negatieve oppervlaktelading van slibdeeltjes en verbinden deeltjes samen tot grotere, waterafgevende vlokken. De belangrijkste parameters om in elk systeem te optimaliseren slibontwateringssysteem zijn:

• Polymeer dosis — doorgaans 3-10 kg actief polymeer per ton droge vaste stoffen voor gemeentelijk secundair slib; overdosering verspilt de kosten van chemicaliën en kan de lading terugdraaien, waardoor de prestaties afnemen
• Verdunning en make-down — emulsiepolymeren moeten vóór injectie worden verdund tot een oplossing van 0,1–0,5%; onvoldoende verdunning resulteert in een ongeactiveerd polymeer dat door de ontwateringsfase gaat zonder het slib te conditioneren
• Energie en contacttijd mengen — er is voldoende schuifkracht nodig om het polymeer door het slib te verspreiden, maar overmatige schuifkracht na vlokvorming breekt de vlokken en kan niet worden teruggedraaid; inline statische mengers of dynamische mengers met lage afschuiving hebben de voorkeur boven hogesnelheidswaaiers
• Variabiliteit van slib — veranderingen in de samenstelling van het voedingsslib (bijvoorbeeld na een storm die het primaire slib verdunt, of na veranderingen in de biologische behandeling) veranderen het optimale polymeertype en de optimale dosis; geautomatiseerde polymeerdoseringssystemen met feedbackcontrole op troebelheid of capillaire zuigtijd (CST) verbeteren de consistentie aanzienlijk

Voor de ontwatering van rioolslib bij gemeentelijke installaties vertegenwoordigen de polymeerkosten doorgaans 30-50% van de totale exploitatiekosten van de ontwatering. Een reductie van 10% in het specifieke polymeerverbruik door betere conditioneringsoptimalisatie is vaak haalbaar en levert aanzienlijke budgetbesparingen op zonder kapitaalinvesteringen.