Richtlijn herstel en beheer (water)bodemkwaliteit

Natte reiniging grond, uitgangspunten voor het ontwerp

2 UITGANGSPUNTEN VOOR HET ONTWERP(Zie literatuurverwijzing 2, 3, 4, 6, 7, 8)

Een scheidingstechniek scheidt materiaal in twee verschillende producten, namelijk een gewenste fractie en een restfractie. Dit scheiden gebeurt op een verschil in fysische grootheden (grootte, dichtheid, etc.) Het scheiden van verontreinigde grond is gericht op het verkrijgen van een hoeveelheid gereinigd product die veel groter is dan de hoeveelheid geconcentreerde verontreinigende stof (restfractie) en bovendien een zodanige kwaliteit bezit dat nuttige toepassing mogelijk wordt.
De af te scheiden deeltjes zullen andere fysische eigenschappen moeten hebben dan het bulkmateriaal. We onderscheiden een aantal voorkomensvormen van verontreiniging. De vorm van voorkomen bepaalt de toepasbaarheid van technieken.
De mogelijke voorkomensvormen zijn besproken in hoofdstuk D1.1.2. Het voor natte reiniging belangrijkste aangrijpingspunt is het feit dat verontreinigende stoffen in hoge mate gebonden blijken te zijn aan de fijnste deeltjes. Daarnaast is de binding van verontreinigende stoffen aan humus van belang.
Een succesvolle classificatie begint met een goede slurry. We spreken dan ook wel over natte deeltjesscheidingstechnieken. Het verontreinigde materiaal wordt gemengd met water, waarbij door het toevoeren van energie de deeltjes van elkaar losgemaakt worden. Bij deze deagglomeratie wordt gebruik gemaakt van technieken als jetting (hoge druk waterstralen) en scrubbing (was- en schuurtrommels).
De volgende scheidingstechnieken kunnen worden onderscheiden:
- systemen op basis van een zeefwerking (geschikt voor afscheiding van grotere deeltjes met afmetingen vanaf 500 mm. Uitvoeringsvormen: zeefbochten, trilzeven, etc.);
- systemen op basis van zwaartekracht (geschikt voor afscheiding van deeltjes groter dan 50 mm à 100 mm, scheiding op verschil in grootte, dichtheid en vorm. Uitvoeringsvormen o.a. opstroomkolom en bezinker);
- systemen op basis van centrifugaalkrachten (hydrocyclonen, voor deeltjes groter dan 10 à 20 mm; scheiding op verschil in grootte, vorm of dichtheid);
- systemen op basis van flotatie (scheiding op basis van verschil in oppervlakte-eigenschappen);
- gravitatieve scheidingssystemen uit de ertsverwerking (scheiding op basis van verschil in grootte, dichtheid of vorm. Uitvoeringsvormen o.a. jig, spiraaltechnieken);
- systemen op basis van magneetscheiding (scheiding op basis van verschil in magnetische eigenschappen).

Zie ook het processchema.

2.1 Zeving(Zie literatuurverwijzing 25, 42)

Het zeven van materiaal heeft tot doel twee of meer deelpartijen te creëren met verschillende deeltjesgrootteverdelingen. Het zeven kan zowel onder droge condities als in of met behulp van een vloeistof plaatsvinden. Veelal zijn er meerdere redenen om tot zeven over te gaan:
- het vermijden van operationele problemen in vervolgstappen van het proces door het verwijderen van (te) grove delen;
- het verwijderen van een (al dan niet herbruikbare) puin of afvalfractie, waaronder o.a. hechtgebonden asbesthoudende materialen;
- het ontwateren van de zandfractie en diverse residustromen;
- het afscheiden van humus- en vezelige componenten.
Vaak heeft het zeven als nevendoel de verontreinigende stof te verwijderen dan wel te concentreren.
Zeven kan worden toegepast op vaste stoffen met granulaire of vezelvormige deeltjes al dan niet in een slurry. Van belang is dat de te scheiden deeltjes niet sterk onderling verkleefd zijn. In de praktijk ligt de maaswijdte van het zeefdek en dus de scheidingsdiameter tussen minimaal circa 0.04 mm en maximaal circa 300 mm.

2.2 Deagglomeratie(Zie literatuurverwijzing 14, 23, 34)

Deagglomeratie is een noodzakelijke stap in natte grondreiniging. Om de deeltjes in het proces goed van elkaar te kunnen scheiden moeten ze eerst van elkaar worden losgemaakt. Een goede deagglomeratie is essentieel voor de efficiency van natte grondreinigingstechnieken. Deagglomeratie wordt bereikt door het goed met water mengen van de verontreinigde grond waarbij (veel) energie wordt toegevoegd.
Daarbij wordt gebruik gemaakt van was- en schuurtrommels, geroerde vaten (scrubben) en hoge druk waterstralen (jetting). Doel van de energietoevoeging is om afschuifkrachten op te wekken die de deeltjes losmaken van elkaar en/of de verontreinigende stoffen losmaken van het oppervlak van het deeltje.

2.3 Hydrocyclonage(Zie literatuurverwijzing 12)

Figuur D3.1 Hydrocycloon

Hydrocycloon

Hydrocyclonage is een classificatietechniek, waarbij de deeltjes van elkaar worden gescheiden, voornamelijk op basis van hun gewicht. Door centrifugale krachten veroorzaakt door de tangentiële stroming in een hydrocycloon, worden de grovere en zwaardere deeltjes naar de buitenwand van de hydrocycloon en bovendien langs de wand naar beneden getransporteerd. De deeltjes worden aan de onderzijde met een klein deel van de vloeistof afgevoerd (onderloop). Omdat de verblijftijd in de cycloon beperkt is worden deeltjes naarmate ze lichter zijn steeds slechter afgescheiden. De lichtere deeltjes gaan grotendeels naar boven met het grootste deel van de vloeistof en verlaten de cycloon aan de bovenzijde (bovenloop).
De verontreinigingen zoals zware metalen en organische verontreinigende stoffen zijn meestal sterk geadsorbeerd aan de kleine deeltjes en de organische stof. Deze lichte fracties worden bij hydrocycloneren gescheiden van de relatief schone zandfractie.

2.4 Gravitatieve scheiding

2.4.1 Gehinderde bezinking
Gehinderde bezinking is een techniek waarbij deeltjes worden gescheiden op grond van de snelheid waarmee ze in water bezinken. De snelheid wordt bepaald door de afmeting, dichtheid en vorm van een deeltje. Gehinderde bezinking is een klasseermethode, hoewel er ook sprake is van een zeker sorteereffect. Gehinderde bezinking, ook wel aangeduid als tegenstroomklassering en wervelbedscheiding, is een relatief eenvoudig scheidingsproces, waarmee een scherpe scheidingsnauwkeurigheid haalbaar is. Bij gehinderde bezinking wordt korrelmateriaal in een bezinkingskolom gebracht, waarin een opwaartse stroom heerst. Lichte deeltjes zullen met het water mee naar boven stromen terwijl de zwaardere delen tegen de stroom in naar beneden zullen zinken.

Figuur D3.2 Opstroomkolom

Opstroomkolom

2.4.2 Spiralen(Zie literatuurverwijzing 11, 27, 29)
De scheiding in een spiraal berust op ontmenging van deeltjesstromen uit suspensie bij doorstroming door een spiraalvormige stroomgoot. Door de centrifugale kracht beweegt de suspensie zich tegen de buitenzijde van de spiraal, terwijl de zware deeltjes zich tengevolge van de zwaartekracht ontmengen uit de suspensie en concentreren aan de binnenzijde van de spiraal. Een spiraal is geschikt voor afscheiding van zware en/of lichte verontreinigde deeltjes uit materiaal met een korrelgrootte van circa 4 mm tot circa 0.04 mm. De te scheiden deeltjes moeten echter minimaal 1000 kg/m3 in dichtheid verschillen om een goede scheiding te verkrijgen.

Figuur D3.3 Spiralen

Spiralen

2.4.3 Jig
Een jig, ook een pulsatie- of een deinmachine genoemd, scheidt materialen op basis van verschillen in dichtheid, of beter gezegd schijnbare dichtheid. Dit laatste is het verschil in dichtheid van een materiaal ten opzichte van het medium waarin het materiaal zich bevindt; water in geval van een jig.
Een jig bestaat in principe uit een licht hellende, langwerpige bak waarvan de onderzijde een zeefplaat is. Het te scheiden materiaal wordt continu aan het hoogste punt van de bak gevoed en komt op de zeefplaat terecht. Een zuiger brengt het water in een bak onder de zeefplaat in pulserende beweging waardoor het water door de zeefopeningen omhoog stroomt. Door het omhooggaande water wordt het bed van deeltjes op de zeefplaat gefluïdiseerd. De zware, grote deeltjes worden minder hoog meegevoerd door het water dan de kleine, lichte deeltjes. Op het einde van de puls keert de waterstroom van richting om en zakt het gefluïdiseerde bed in elkaar. De zware, grote deeltjes bezinken hierbij sneller dan de kleine, lichte deeltjes. Door deze pulscyclus meerdere malen te herhalen ontstaat een scheiding op basis van dichtheid, grootte en eventueel ook vorm van de deeltjes. Doordat de bak onder een lichte helling is geplaatst, wordt bij elke puls het materiaal over de zeef naar het einde van de bak toe getransporteerd. Tijdens dit transport door de bak treedt de bovengenoemde ontmenging op. Bij het einde van de bak wordt de zware onderliggende fractie gescheiden van de lichte bovenliggende fractie.
Twee materialen, A (zwaardere) en B (lichtere) zijn beter van elkaar te scheiden op basis van dichtheid naarmate het quotiënt van de dichtheden groter is. Indien materiaal A een dichtheid heeft van a kg/m3 en materiaal B een dichtheid heeft van b kg/m3, zijn A en B dus beter te scheiden naarmate a/b groter is. Het jiggen in aanwezigheid van water heeft echter, naast het feit dat water een geschikt fluïdisatie- of pulsatiemedium is, het voordeel dat de scheiding plaats vindt op basis van verschillen in schijnbare dichtheid. In water heeft A een schijnbare dichtheid van a - 1000 kg/m3 en B een schijnbare dichtheid van b - 1000 kg/m3. Als a > b is geldt:

a – 1000

>

a

b – 1000

b

De verhouding van schijnbare dichtheden is groter dan de verhouding van werkelijke dichtheden. Met andere woorden, het is gemakkelijker om materialen A en B in water dan in afwezigheid van water van elkaar te scheiden op basis van dichtheid.

2.4.4 Magneetscheiding(Zie literatuurverwijzing 1, 9, 15, 31, 39)
Bij magneetscheiding wordt onderscheid gemaakt tussen de lage intensiteit magneetscheiding (LIMS) waarmee ferromagnetische delen (verontreinigen) uit de te behandelen grond worden verwijderd en de hoge gradiënt magnetische scheiding (HGMS). Magneetscheiding (veelal kruisband magneetscheiders) wordt ook toegepast om overige apparaten (pompen e.d.) te beschermen.
De hoge gradiënt magneetscheider is een magneetscheider waar para- en diamagnetische materialen onderling kunnen worden gescheiden. Deze is niet geschikt voor het scheiden van ferromagnetisch materiaal. Andere (zware) metalen kunnen echter wel worden afgescheiden met deze techniek.

2.5 Flotatie(Zie literatuurverwijzing 10, 29, 44, 46)

Flotatie of schuimscheiding is een scheidingstechniek waarbij gebruik gemaakt wordt van een verschil in oppervlakte-eigenschappen van de afzonderlijke deeltjes. Verontreinigde deeltjes worden in de waterfase uit de bulkmatrix afgescheiden. Een voorwaarde voor de toepassing van flotatie voor het verwijderen van verontreinigende stoffen is dat deze in deeltjesvorm aanwezig moeten zijn.
Het verschil in oppervlakte-eigenschappen, dat aanwezig is tussen verontreinigde deeltjes en een zand- of kleideeltje, wordt benut door een oppervlakte-actieve stof aan het oppervlak van de verontreinigende stof te laten hechten. Door deze hechting wordt de verontreinigende stof hydrofoob. Dit verschil in fysisch/chemische eigenschappen wordt vervolgens benut door toevoeging van luchtbellen aan de slurry. De hydrofobe deeltjes hechten zich aan de luchtbellen en worden door het verwijderen van de gevormde schuimlaag afgevoerd.

Er is een aantal flotatiemiddelen:
- collectors: zorgen voor de hydrofobiciteit van af te scheiden deeltjes;
- frothers: zorgen voor een stabiel schuim;
- regulators: zijn bedoeld om de af te scheiden deeltjes hydrofober te maken, of de overige (niet af te scheiden) deeltjes hydrofieler.

Figuur D3.4 Flotatiecel

Flotatiecel

2.6 Extractie(Zie literatuurverwijzing 16, 17, 41)

Extractie van de vaste naar de vloeistoffase is een moleculaire scheidingsmethode waarmee een component uit een vaste stof kan worden verwijderd. De vloeistof is het extractiemiddel dat de betreffende component opneemt.
Het extractiemiddel moet geschikt zijn voor het extractieproces, dat wil zeggen dat het:
- voldoende selectief moet zijn voor de extractie van de verontreinigende stof (alleen de verontreinigende stof mag er in oplossen);
- voldoende hoge affiniteit moet hebben voor de verontreinigende stof (in de evenwichtssituatie moet de concentratie van de verontreinigende stof in het extractiemiddel aanzienlijk hoger zijn dan in de te behandelen stroom).
Bij alle extractieprocessen wordt het extractiemiddel teruggewonnen en hergebruikt.
In de praktijk wordt op alle operationele installaties in Nederland water als extractiemiddel gebruikt, waaraan een aantal reagentia/hulpstoffen worden toegevoegd. Deze reagentia/hulpstoffen moeten gescheiden kunnen worden van de te behandelen stroom en het water. Hiervoor staan de volgende processen ter beschikking:
- precipitatie;
- ionenwisseling;
- ad(b)sorptie;
- membraanscheiding;
- UV-/ozonbehandeling;
- strippen;

In ontwikkeling zijn extractieprocessen met organische oplosmiddelen. In dit geval is een goede scheiding van de hoofdstroom essentieel. Hiervoor staan de volgende technieken ter beschikking:
- distillatie;
- strippen;
- extractieve distillatie.

2.6.1 Zuurextractie
Zuurextractie is met name geschikt voor de verwijdering van zware metalen.
Bij zuurextractie worden met behulp van anorganische of organische zuren zware metalen opgelost. Daarnaast zorgt een lage pH voor verhoging van het oplosbaarheidsproduct van metaaloxiden en -zouten.
Niet alle metalen gedragen zich hetzelfde; loodsulfide b.v. heeft een lage oplosbaarheid bij lage pH. Tevens treden bij zuurextractie neveneffecten op zoals het oplossen van fulvinezuren, kalk en oxiden, etc.
Van de anorganische zuren wordt HCl als het meest aantrekkelijk extractiemiddel beschouwd. HCl is relatief goedkoop. Daarnaast zijn de meeste chloriden goed oplosbaar en vormt een aantal metalen chloridecomplexen met HCl, waardoor het extractie-effect wordt vergroot.

2.6.2 Oxidatie
Voor het in de waterfase afbreken van oxideerbare verontreinigende stoffen zoals bijvoorbeeld cyanide kunnen oxidanten aan de waterfase worden toegevoegd. Voorbeelden van oxidanten zijn chloorbleekloog en waterstofperoxide.

2.6.3 In ontwikkeling
Extractie met complexvormers
Extractie met complexvormers is met name geschikt voor de verwijdering van zware metalen.
Complexvormers, zoals bijvoorbeeld EDTA, zijn in staat om metalen op te lossen (zij vormen sterke complexen met zware metalen) en ook bij hoge pH oplosbaar te houden. In Nederland is deze methode nog in de ontwikkelingsfase.

Solventextractie
Solvent extractie is met name geschikt voor de verwijdering van organische verontreinigende stoffen uit grond. Bij solvent extractie wordt de grond in contact gebracht met een ander oplosmiddel dan water, waarbij de verontreinigende stof oplost in het oplosmiddel.

De volgende oplosmiddelen kunnen worden gebruikt:
- goed met water mengbare organische oplosmiddelen (polaire oplosmiddelen zoals aceton, methanol en ethanol). Kenmerkend is dat de aanwezige waterfase tussen de gronddeeltjes in het organische extractiemiddel oplost. Deze extractiemiddelen zullen naar verwachting effectief de verontreinigende stoffen uit de water bevattende deeltjes kunnen extraheren. Een nadeel van dit type extractiemiddel is dat de scheiding van waterfase en organisch extractiemiddel duurder is dan de waterzuivering als alleen water wordt gebruikt;
- niet of nauwelijks met water mengbare (apolaire) extractiemiddelen (hexaan en benzine). Kenmerkend is dat de aanwezige waterfase tussen de gronddeeltjes niet of slechts in beperkte mate oplost in het extractiemiddel.
In Nederland is deze methode nog in de ontwikkelingsfase.

2.7 Indikken(Zie literatuurverwijzing 24)

Bij natte grondreiniging is het meestal gewenst proceswater her te gebruiken. De eerste stap daarbij is het laten sedimenteren van de fijne deeltjes in een bezinker of separator. Het water wordt -al dan niet na een verdere zuiveringsstap- hergebruikt of geloosd. Omdat fijne (slib) deeltjes langzaam bezinken, wordt gebruik gemaakt van coagulanten of flocculanten om de deeltjes te agglomereren. Het ingedikte slib wordt daarna verder ontwaterd.

2.8 Ontwateren(Zie literatuurverwijzing 24)

Ontwatering van slib gebeurt door middel van centrifugeren en/of filtreren.
Bij centrifugeren worden door middel van centrifugaalkrachten de vaste en de vloeistoffase van elkaar gescheiden.
Bij filtratie wordt de te ontwateren massa op een poreus medium (filterdoek) gebracht waarop de vaste stof achterblijft en de vloeistof doorheen kan. Op de te filtreren massa wordt druk aangebracht of er wordt vanaf de benedenstroomse (water) zijde een vacuüm aangelegd.

2.9 Waterbalans / zuivering proceswater

Bij natte grondreiniging wordt het ingevoerde materiaal gescheiden in een aantal fracties. In de praktijk blijkt, dat het gemiddelde vochtgehalte van de afgescheiden fracties bijna altijd hoger is dan dat van het ingevoerde materiaal. De belangrijkste oorzaak daarvan is dat het vochtgehalte van de ontwaterde fijne fractie (40 - 60 % droge stof) aanzienlijk hoger is dan van de overige fracties. Gevolg daarvan is dat een natte grondreinigingsinstallatie vrijwel altijd een watertekort zal hebben dat moet worden gesuppleerd. Dit water wordt vaak onttrokken aan bufferbassins die worden gevoed door overschot (regen)water van het opslagterrein.
In het proceswater lossen zouten en verontreinigende stoffen op. Deze worden verwijderd door adsorptie aan de fijne fractie (residu) en daarmee afgevoerd.