Grondwaterzuivering, precipitatie, principe van de techniek

Principe van de techniek

Precipitatie is een fysisch-chemisch proces waarbij stofen, die in ionvorm aanwezig zijn in het grondwater, met toegevoegde chemicaliën een onoplosbare neerslag (precipitaat) vormen. Het gevormde precipitaat, meestal een metaalzout, wordt in een volgende processtap uit het grondwater verwijderd.

Voorbehandeling

In een aantal gevallen zal een voorbehandeling nodig zijn voor toepassing van precipitatie als waterzuiveringstechniek, te weten:

• bij hoge concentraties bezinkbare onopgeloste deeltjes in het grondwater. Als voorbehandeling is dan sedimentatie voor de hand liggend.
• Indien de pH te laag is; voorbehandeling door de zuurgraad met loog te corrigeren. Een te hoge pH (boven de 10) zal in de praktijk niet voorkomen.
• Een hoog ijzergehalte; dit kan worden verlaagd door ontijzering (beluchting en sedimentatie.
• Schommelingen in de samenstelling van het influent; dit kan ondervangen worden door toepassing van een bufferbassin.

Behandeling

Precipitatie is een fysisch-chemisch proces waarbij stoffen, die in ionvorm aanwezig zijn in het grondwater, met toegevoegde chemicaliën een onoplosbare neerslag (precipitaat) vormen. Het gevormde precipitaat, meestal een metaalzout, wordt in een volgende processtap uit het grondwater verwijderd.

De vorming van het precipitaat kan op meerdere wijzen gerealiseerd worden. Veel gebruikte methoden zijn ionische en reductieve precipitatie.

De ionische precipitatie kan met de volgende algemene reactie-vergelijking worden beschreven.

y Mx+ + x Ry- —> MyRx_ ( bijvoorbeeld Cu2+ + S2- —> CuS_ )

x, y zijn hierbij de grootte van de ladingen van respectievelijk het te verwijderen ion M en het ion R waarmee de precipitatie plaatsvindt.

Een veel toegepaste reactie van dit type is de vorming van metaalhydroxyden door het toevoegen van loog. Kationen kunnen ook met sulfaat, sulfide, carbonaat en een aantal andere anionen onoplosbare verbindingen vormen.

Bij precipitatie door reductie wordt een hulpstof toegevoegd, die de te verwijderen ionen reduceert, waarna deze gereduceerde vorm van de stof een neerslag vormt. De volgende reacties treden dan op:Mz+ + reductor —> Mx+ + oxydator y Mx + x Ry- —> MyRx_

Hierbij is z de oorspronkelijke valentie van het te verwijderen ion. De overige symbolen hebben dezelfde betekenis als hierboven. Metaalionen kunnen ook direct tot hun metallische vorm gereduceerd worden, bijvoorbeeld Cu2+ + Fe —> Cu_ + Fe2+

Precipitatie wordt veelal gevolgd door coagulatie/ flocculatie dan wel door filtratie om de gevormde neerlagen te laten uitvlokken en uit het gezuiverde water te verwijderen.. Hiertoe wordt een vlokmiddel (ijzerchloride) en een vlokhulpmiddel (poly-electroliet; een lange polymeerketen) gedoseerd. Deze techniek wordt onder coagulatie/flocculatie beschreven.

Van de zware metalen kan arseen slechts door coprecipitatie met ijzer worden verwijderd. Deze techniek is op dezelfde wijze in beschouwing genomen als de precipitatietechnieken. Cyanide kan via precipitatie met ferrosulfaat worden neergeslagen.

Een neveneffect dat optreedt bij precipitatie is adsorptie aan of insluiting in de gevormde vaste stof. Hierdoor kunnen andere verontreinigingen die geen neerslag vormen toch voor een deel verwijderd worden. Zie onder de techniekbeschrijving van de coagulatie/flocculatie voor nadere informatie hierover.

De uitvoering van het proces bestaat uit het toevoegen van de benodigde chemicaliën aan het grondwater in een voortdurend geroerd vat. De verblijftijd in het reactorvat wordt bepaald door het type reactie en de vorm waarin de chemicaliën worden toegediend. Ionische precipitatie verloopt veel sneller dan de reductieve precipitatie. Chemicaliën die in vaste vorm worden toegediend verlengen eveneens de verblijftijd, omdat er slechts een klein oppervlak voor de reactie beschikbaar is. Afhankelijk van de korrelgrootte van de vaste stof kan een verblijftijd van enkele minuten tot uren noodzakelijk zijn. Om een volledige neerslag te krijgen, moet in het algemeen een overmaat aan reagens toegevoegd worden. De overmaat is een compromis tussen de kosten van de extra toe te voegen chemicaliën, de gewenste effluentwaarde voor de verontreiniging en de milieubelasting van de in het effluent overblijvende overmaat.

Nabehandeling

Bij toepassing van precipitatie voor waterzuivering is nabehandeling benodigd. Na de vorming van het precipitaat dient dit in een volgende processtap verwijderd te worden. Hiervoor gebruikte technieken zijn sedimentatie, flotatie en filtratie. Om beter afscheidbare deeltjes te krijgen kan een vlokmiddel toegevoegd worden. Vaak kan de precipitatie en de navolgende verwijdering van het gevormde slib in één apparaat gecombineerd worden.

Kritische punten

De haalbare concentratie van de verontreiniging in het effluent bij toepassing van precipitatie is van een aantal factoren afhankelijk:

• De theoretisch laagst haalbare restconcentratie wordt bepaald door het oplosbaarheidsprodukt van het precipitaat. Sulfiden hebben een veel lager oplosbaarheidsprodukt dan de overeenkomstige carbonaten en hydroxiden. Sulfiden zijn echter weer lastiger te verwijderen door de kleinere afmetingen van de gevormde vlokken.
• sommige metalen zijn amfoteer; dat wil zeggen dat een oorspronkelijk gevormd hydroxide neerslag bij toediening van meer zuur of loog weer in oplossing gaat
• Een lage pH verhindert in het algemeen de vorming van een neerslag, met uitzondering van de precipitatie met sulfide. Echter ook een te hoge pH kan door de complexvormende werking van OH- een volledige neerslag verhinderen. Bij precipitatie met calciumhydroxyde (kalkwater) moet rekening gehouden worden met kalkafzetting in de toevoerleidingen.
• Door verandering van het kalk/koolzuurevenwicht (een maat voor de afwijking van het bicarbonaatevenwicht) kan aantasting van de riolering optreden.
• Nevenverontreinigingen zoals ijzer kunnen het chemicaliëngebruik sterk doen stijgen.