Grondwaterzuivering, actieve koolfiltratie, principe van de techniek

Principe techniek

De werking van een actieve koolfilter berust op de adsorptie van een opgeloste verontreiniging aan het oppervlak van het actieve kool. De koolstof waaruit het filter bestaat, is geactiveerd door middel van stoom of door een chemisch proces. Bij de activatie ontstaan poriën die moleculaire afmetingen hebben, hierdoor kan het uitwendige oppervlak van de koolstof vergroot worden tot 2.000 m2 per gram.

Voorbehandeling

Aktieve koolfiltratie kan gevoelig zijn voor dichtslibbing met zwevende deeltjes of door deactivering door olieachtige stoffen.Het is derhalve in veel gevallen verstandig een voorbehandeling toe te passen.

De meest toegepaste voorbehandeling voor waterzijdig aktief kool is zandfiltratie, eventueel gecombineerd met een olie-waterafscheider.

Luchtzijdig aktief kool vraagt in de regel geen voorbehandeling.

Behandeling

De werking van actieve koolfiltratie berust op de adsorptie van een opgeloste verontreiniging aan het oppervlak van het actieve kool. De mate van adsorptie van een verontreiniging hangt zowel af van de fysisch/chemische eigenschappen van de te adsorberen verontreiniging als van de eigenschappen van de actieve kool. De volgende eigenschappen zijn bepalend voor de werking van het actieve koolfilter:

• De polariteit van de te adsorberen verontreiniging, waarbij een toenemende polariteit de adsorptie aan het koolstof-oppervlak doet afnemen. De pH van het grondwater speelt voor de adsorptie van ioniseerbare verontreinigingen (zoals organische basen en zuren) een belangrijke rol, omdat de ionisatiegraad van zo’n verontreiniging afhangt van de pH.
• De molecuulgrootte en -vorm van de verontreiniging. Bij toenemende grootte van de moleculen neemt de adsorptie toe, sterk vertakte moleculen adsorberen eveneens beter. Ook de aanwezigheid van gesubstitueerde groepen in het molecuul kan de polariteit van de verontreiniging beïnvloeden.
• Bij toenemende vluchtigheid van een verontreiniging neemt de adsorptie af.
• De tijd die verstrijkt voordat een evenwichtstoestand wordt bereikt. Dit is van belang voor de berekening van de verblijftijd van het grondwater in het filter. De optimale contacttijd varieert tussen 15 minuten en enkele uren, afhankelijk van type verontreiniging en type gebruikte kool.
• Om te voorkomen dat door schommelingen in de samenstelling van het effluent bij lage influentconcentraties desorptie optreedt en bij piekconcentraties onvolledige adsorptie plaatsvindt, kan van een bufferbassin gebruik gemaakt worden. Gedurende de sanering neemt de concentratie van de verontreiniging in het influent veelal af, hierdoor is het mogelijk dat geadsorbeerde verontreinigingen weer in het grondwater oplossen.

De grens tussen beladen en niet beladen kool wordt front genoemd. Dit front zal in de loop van de sanering steeds verder naar het eind van het koolfilter verschuiven. Wanneer het front het einde van het koolfilter bereikt heeft, wordt dit “doorbraak (of doorslag) van het filter” genoemd. Deze doorbraak kenmerkt zich door een plotselinge stijging van de concentratie van de verontreiniging in het effluent. Actieve koolfilters die worden ingezet voor het zuiveren voor water vertonen een minder scherp front dan de filters die worden gebruikt voor het zuiveren van lucht. De toepasbare beladingsgraad van actieve kool bij waterzuivering is daarom lager dan bij luchtzuivering.

Er bestaan verschillende empirische formules om de adsorptie in een evenwichtstoestand te beschrijven. De bekendste en in de praktijk meest gehanteerde van deze relaties is de Freundlich-isotherm.

x/m = K.c^(1/n)

x = hoeveelheid geadsorbeerde verontreiniging in kg.
m = massa adsorbens in kg. (x/m wordt de belading genoemd).
c = concentratie van de verontreiniging in het grondwater.

K en n zijn empirische constanten, waarbij 1/n een waarde heeft tussen 0 en 1. Zowel c als x hebben betrekking op een evenwichtstoestand.

In onderstaande figuur staat een aantal adsorptie-isothermen weergegeven voor zuivering van de water- en de luchtfase.

Adsorptie-isothermen van enkele stoffen bij adsorptie aan actieve kool in water- en luchtfase

Er bestaan de diverse uitvoeringsvormen van actieve koolfiltratie, te weten:

• vast bed
• fluide bed
• pulserend bed

In de praktijk wordt in de regel een vast bed gebruikt. Deze keuze wordt bepaald door kosten, bedrijfszekerheid en praktische overwegingen. In het navolgende worden de drie type koolfilters kort besproken.

Vast bed

Zoals de naam al gezegd zit in koolfilter met een vast bed een gepakte kolom van adsorberend materiaal. Door deze kolom wordt het water in de regel in neerwaartse richting doorheen geleid. Dit voorkomt bij opwaartse stroming het risico dat het bed wil gaan drijven of gaat classificeren.

Bij saneringen kan ervoor gekozen worden kolommen in serie of parallel te schakelen. Door serieschakeling van enkele kolommen kan de eerste kolom maximaal beladen worden, waarna de eerste kolom afgeschakeld wordt en vervangen wordt door de tweede enzovoorts. Na de laatste kolom komt dan een filter met verse actieve kool.

Door parallelschakeling kan de capaciteit van de zuivering vergroot worden.

Fluïde bed

Het grondwater wordt in opwaartse richting door een kolom gevoerd, waarin adsorberend granulaat door de zwaartekracht naar de bodem wil zinken. Er ontstaat een dynamisch evenwicht tussen de opwaartse kracht van het stromende water en de gravitatiekracht, waardoor het bed ruimtelijk gezien op zijn plaats blijft. Door continue afvoer van beladen adsorbens aan de onderzijde van de kolom en toevoer van nieuwe actieve kool aan de bovenzijde wordt een constant effluent kwaliteit gewaarborgd. Voordeel van deze werkwijze is dat het een continu proces is. Nadeel is dat door het voortdurend mengen de belading overal in het bed gelijk is waardoor de effluentconcentratie hoger is dan bij een vast bed met eenzelfde “gemiddelde” belading. Om een gelijk effluent te krijgen zal er meer actieve kool nodig zijn dan bij een vast bed.

Pulserend bed

Bij deze techniek wordt de watertoevoer periodiek onderbroken. Verzadigd adsorbens wordt tijdens zo’n pauze, meestal handmatig, afgevoerd en vervangen door verse actieve kool, waardoor doorslag van de kolom wordt voorkomen. Het voordeel ten opzichte van één vast bed is de gemiddeld hogere beladingsgraad van het verwijderde kool. Het nadeel is dat het systeem arbeidsintensiever is; deze meerkosten wegen vaak niet op tegen de minderkosten door de hogere belading.

Nabehandeling

Koolfiltratie wordt in beginsel als hoofdtechniek voor zuivering van verontreinigd grondwater gebruikt. In het algemeen zijn de behaalde concentraties in het effluent zo laag dat verdere nabehandeling van het grondwater niet nodig is.

Na doorslag van een koolfilter kan de actieve kool uit dat filter worden gestort (één weg filters) of worden geregenereerd (geschikt gemaakt voor hergebruik). Dit is louter een financiële afweging; storten is veelal minder duur zijn dan regeneren. Regenereren gebeurt met stoom waarbij de beladen kool wordt ontdaan van verontreinigingen en zodoende na drogen weer geschikt is voor hergebruik. De stoom met de daarin meegenomen verontreinigingen wordt gecondenseerd en dient te worden gezuiverd.

Kritische punten

Alhoewel actieve koolfiltratie zich duidelijk heeft bewezen als gangbare techniek voor zuivering van verontreinigd grondwater is er toch een aantal punten om bij stil te staan.

In aktieve kool is veelal as verwerkt met een zekere alkaliteit. Dit kan betekenen dat indien een koolfilter relatief lang in gebruik is de zuurgraad langzaam gaat oplopen. Het risico hiervan is dat metaalhydroxiden kunnen neerslaan hetgeen tot verstopping van het filter kan leiden.

Een mogelijk effekt bij een fluide bed is dat door de schurende werking van het langsstromende water de korrels actieve kool langzaam kunnen slijten. Beladen kool kan hierdoor in het effluent terecht komen indien geen maatregelen worden genomen om dit te voorkomen.

Bij een koolfilter met vast bed kan terugspoeling toegepast worden om de kooldeeltjes van ijzer- en kalkneerslag te ontdoen. Door de neerslagvorming wordt namelijk het effectief adsorberend oppervlak verkleind. Bij het terugspoelen moet met classificatie van het koolgranulaat rekening worden gehouden. Door het terugspoelen worden de deeltjes in beweging gebracht, na afloop zullen de zwaarste deeltjes het eerst bezinken. Het oorspronkelijk aanwezige beladingsfront zal verdwenen zijn en het tijdstip van doorbraak van het koolfilter wordt onvoorspelbaar. Het verdient dan ook aanbeveling om een nieuw in gebruik te nemen koolfilter met vast bed eerst terug te spoelen, zodat de classificatie reeds opgetreden is. Hierdoor zal het beladingsfront bij hernieuwd terugspoelen veel minder van plaats veranderen.

Aan het materiaal waaruit het vat is gemaakt dient de nodige aandacht te worden geschonken. Koolstofstaal bijvoorbeeld wordt sterk aangetast wanneer het in contact is met koolstof, door de optredende galvanische corrosie.

Wanneer meerdere typen verontreinigingen met een verschillende adsorptiecapaciteit in het grondwater aanwezig zijn, is het mogelijk dat de goed adsorberende stoffen de minder goed adsorberende stoffen verdringen. Hierdoor slaat het filter sneller door (bijvoorbeeld vinylchloride).