Factsheet: het mechanisch scheiden van baggerspecie

A PRINCIPE VAN DE TECHNIEK

Scheiden is een proces waarbij baggerspecie wordt gesplitst in twee of meer deelfracties. Het proces staat ook wel bekend als natte grondreiniging of classificatie. Mechanisch scheiden omvat technieken die voor het merendeel afkomstig zijn uit de mijnbouw, maar met specifieke aanpassingen voor deze toepassing. Doelstelling is om een zo groot mogelijke fractie nuttig toepasbaar materiaal te winnen. Het belangrijkste achterliggende principe is, dat zowel organische als anorganische verontreinigende stoffen de neiging hebben zich te binden aan het oppervlak van kleine deeltjes in de baggerspecie, de silt- (2 - 63 mm) en kleideeltjes (< 2 mm) en aan organische stof (humus). Door deze deeltjes met de daaraan gebonden verontreiniging af te scheiden, blijft een relatief schone zandfractie over. In sommige gevallen is de verontreiniging als deeltjes aanwezig die bij scheiden in de zandfractie terecht komen, bijvoorbeeld teerklompjes, straalgrit of looddeeltjes. Dit vereist dan speciale aandacht.

Het afscheiden van (bodem)deeltjes en verontreinigingen berust op verschillen in:

• deeltjesgrootte en -vorm;
• dichtheid;
• magnetische eigenschappen;
• fysisch-chemische bindingssterkte, ook wel aangeduid als oppervlakte-eigenschappen.

De belangrijkste scheiding is de scheiding in zand en slib. Daarbij wordt vooral gebruik gemaakt van verschillen in deeltjesgrootte en dichtheid. In de praktijk van baggerspecie wordt daarbij vooral gebruik gemaakt van sedimentatiebekkens, hydrocyclonen en opstroomkolommen. Onderstaande figuur geeft een schets van het werkingsprincipe van een hydrocycloon.

Voor de eventuele verdere reiniging ofwel “polishing” van het afgescheiden zand kan gebruik worden gemaakt van verschillen in magnetische eigenschappen en fysisch-chemische bindingssterkte.

De fysisch-chemische binding kan worden beïnvloed door toevoegen van speciale stoffen, zoals extractie- en flotatiemiddelen. De verontreiniging wordt dan overgebracht naar de vloeistoffase (extractie) of in deeltjesvorm aan luchtbelletjes gehecht en via het schuim aan de oppervlakte afgevoerd (flotatie).

De meest gebruikte polishingtechnieken zijn spiraalscheiders, flotatiecellen en magneetscheiders. Onderstaande figuur geeft een voorbeeld van een spiraalscheider.

B UITGANGSPUNTEN VOOR DE ONTWERPSTRATEGIE

Het doel van een scheidingstechniek is het verkrijgen van twee verschillende producten, een fractie met een gewenste productkwaliteit en een restfractie of residu. In het geval van baggerspecie zal de gewenste fractie uit herbruikbaar zand bestaan, en het residu uit fijn slib, dat verder verwerkt of gestort moet worden. Van belang is dus om vooraf vast te stellen wat er met het residu of fijne fractie zal worden gedaan. Als het residu verder verwerkt gaat worden, is het afscheiden van zand een voorbehandeling die moet worden afgestemd op de hoofdbehandeling; in geval het residu gestort gaat worden, is het afscheiden van zand de hoofdbehandeling en zal alleen baggerspecie worden verwerkt met een voldoende hoog zandgehalte. Hierbij moet gedacht worden aan tenminste 50 % van de droge stof.
Het reinigingseffect op de zandfractie is in hoge mate afhankelijk van de soort verontreiniging, de verschijningsvorm(en) en fysische samenstelling van de baggerspecie. Het is daarom van groot belang een goede karakterisering uit te voeren. Met de resultaten van de karakterisering kan een optimaal schema worden opgesteld voor verwerking in een scheidingsinstallatie.

Bij mechanische scheiding zijn in principe drie stappen te onderscheiden, waarbij voor elke stap meerdere technieken kunnen worden gebruikt.

Voorbehandeling
Voorafgaand aan de bulkscheiding in zand- en slibfractie is als eerste stap het afzeven van delen groter dan circa 2 mm (1 tot 6 mm in de praktijk) alsook het losmaken van bodemdeeltjes (deaggregatie) en eventueel aanwezige “huidjes” met verontreinigingen noodzakelijk. Speciaal voor dit doel toegepaste technieken zijn was- en schuurtrommels, geroerde vaten met tegen elkaar in draaiende mengers (scrubben) of hoge druk waterstralen (jetting).

Mechanisch scheiden
De tweede stap, de scheiding in zand en slib, wordt gekarakteriseerd door het scheidingspunt. Het scheidingspunt is gedefinieerd als de korreldiameter waarbij de massaverdeling over zand en slib gelijk is, dat wil zeggen dat de ene helft van deeltjes met die diameter in de zandfractie terecht komt en de andere helft in de slibfractie. Bij toenemende korreldiameter komt een steeds groter deel in de zandfractie terecht, terwijl bij afnemende korreldiameter een steeds groter deel in de slibfractie terecht komt. De scheidingsprestatie wordt bepaald door de toegepaste techniek(en).

Voor scheiden van baggerspecie in een zand- en slibfractie wordt meestal gebruik gemaakt van hydrocyclonen (zie figuur 1), aangezien hiermee het laagste scheidingspunt (tot 10 à 20 mm korreldiameter) met een hoge efficiëntie kan worden bereikt. Voor een optimale scheiding wordt de afgescheiden zandfractie gewoonlijk nabehandeld met een tweede (serie) cyclo(o)n(en) of een opstroomkolom (scheidingspunt tot 50 à 100 mm korreldiameter). Ook kan gebruik worden gemaakt van een pulserend bed (jig, tot 100 mm).

Ervaring leert dat gebruik van zojuist genoemde apparaten in de meeste gevallen volstaat om zand te verkrijgen dat afzetbaar is als toepasbaar materiaal op grond van het Besluit bodemkwaliteit. In de overige gevallen is aanvullende behandeling van het zand noodzakelijk om een dergelijk materiaal te verkrijgen. Een dergelijke behandeling staat bekend als “polishing”.

Nabehandeling
De fijne fractie of residustroom kan al dan niet na indikken en mechanisch ontwateren verder worden verwerkt met biologische, chemische of immobilisatie technieken of worden gestort. Dit is de derde stap binnen het mechanisch scheiden van baggerspecie. In onderstaande figuur staan de verschillende stappen (hoofdonderdelen) van een mechanische scheidingsinstallatie weergegeven.

C HET TOEPASSINGSGEBIED

Milieueffecten
Het mechanisch scheiden van zand uit baggerspecie heeft een zekere milieuverdienste tot gevolg, terwijl het behalen van deze verdienste gepaard gaat met een bepaalde milieubelasting. De milieuverdienste is in tabel 1 uitgedrukt in het prestatiegebied (type specie en type stoffen) en de milieuwinst (hoeveelheid van in situ droge stof die tot product verwerkt wordt en kwaliteitsverbetering).

Overzicht milieuverdiensten mechanische fractiescheiding

* alleen als voorbehandelingsstap voor residu verwerkingstechnieken;
** gerelateerd aan het product; echter 0 % ten opzichte van de totale fractie

Ten aanzien de milieubelasting kan worden gesteld dat deze voor de aspecten water- en grondstoffenverbruik als ook voor afvalproductie, emissies en hinder door de aard van de activiteit als gering kunnen worden aangemerkt. Ook het ruimtegebruik is, zeker ten opzichte van het scheiden in sedimentatiebekkens als zeer minimaal te beschouwen. Het energieverbruik ligt ten opzichte van de laatst genoemde scheidingsmethode echter ruim hoger.

Toepassingsvoorwaarden
Beleidsmatige voorwaarden voor het kunnen/mogen toepassen van de techniek hebben met name betrekking op de kwaliteit van het te realiseren eindproduct. Bij voorkeur wordt uitgegaan van een productkwaliteit, waarvoor volgens het Besluit bodemkwaliteit geldt dat sprake is van schone grond of grond/baggerspecie die voldoet aan de Maximale Waarden kwaliteitsklasse industrie/B.

Vergunningtechnische toepassingsvoorwaarden betreffen inrichtingseisen en eventueel een mer-plicht in het kader van de Wm en lozingseisen in het kader van de Wvo. Technische toepassingsvoorwaarden betreffen de acceptatie criteria van baggerspecie, waarvan de textuur en de kwaliteit en kwantiteit van de zandfractie van belang zijn.

Het toepassingsgebied (voorlopig vastgesteld)
Vanuit de praktijk zijn een aantal kentallen afgeleid die voor het wel of niet kunnen toepassen van mechanisch scheiden van belang zijn. Zo blijkt uit de praktijk blijkt dat het toepassingsgebied voor sedimentatiebekkens wordt bepaald door:

1. de hoeveelheid zand in de specie: de minerale fractie >63 mm (zand) dient meer dan 50% te bedragen. Een afnemend zandgehalte leidt niet alleen tot een verminderde zandopbrengst maar ook tot een toename van het te storten volume doordat de ontwaterbaarheid afneemt;
2. de kwaliteit van de afgescheiden zandfractie: de af te scheiden zandfractie dient bij voorkeur te voldoen aan de eisen die in het Besluit bodemkwaliteit worden gesteld aan schone grond of grond die voldoet aan de Maximale Waarden kwaliteitsklasse industrie/B. Soms kan hier in de praktijk niet aan worden voldaan doordat de scheiding een zekere bandbreedte vertoont rond het scheidingspunt. Indien niet geheel aan de samenstellingseis van de Maximale Waarden kwaliteitsklasse industrie/B wordt voldaan kan door nabehandeling, veelal door middel van een tweetraps hydrocyclonage of polishing, dit zand alsnog tot een voor hergebruik geschikte kwaliteit worden opgewerkt.

De contouren van het toepassingsgebied voor mechanisch afscheiden van zand zijn weergegeven in onderstaande tabel. Vanwege de verschillende praktijkervaring met deze technieken kan worden gesproken van een: voorlopig vastgesteld toepassingsgebied. Het toepassingsgebied is gebaseerd op de beschikbare praktijkervaringen en op uit de literatuur beschikbare informatie. Voor de “groene” gebieden is de techniek goed toepasbaar gebleken, terwijl deze voor de “rode” gebieden niet toepasbaar is. Voor de “oranje” gebieden is toepassing van de techniek onzeker. Het verdient echter in alle gevallen aanbeveling om het resultaat van de scheiding vooraf met behulp van karakterisatieproeven (fingerprintmethode, opstroommethode of de T-2000 methode) te bepalen.

Contouren toepassingsgebied mechanisch scheiden voor het behalen van minimaal Bbk-toepasbare grond.

* Het verdient aanbeveling om vooraf het resultaat met proeven aan te tonen.

D KOSTEN

De kosten voor nat scheiden van baggerspecie zijn vergelijkbaar met die voor grond. Kostenbepalend verschil is met name de ontwatering van afgescheiden fijne fractie, die qua massa en volume vaak groter zal zijn dan bij behandeling van grond.
Bij volcontinu bedrijf bedragen de verwerkingskosten voor capaciteiten vanaf circa 50 ton droge stof baggerspecie/uur inclusief mechanische ontwatering van de slibfractie € 14 - € 18,- per ton droge stof, waarbij het laagste tarief betrekking heeft op verwerking van zandrijke specie (gemiddeld 80% van de droge stof is > 63 mm) en het hoge tarief op matig zandige specie (gemiddeld 50% van de droge stof is > 63 mm). Afzet dan wel verdere verwerking van het ontwaterde residu is hier niet bij inbegrepen. Stortkosten verschillen sterk per regio. Slibrijke specie (gemiddeld 20% van de droge stof is > 63 µm) kan worden ontzand als voorbehandeling voor residuverwerkingstechnieken; dit kost circa € 27 per ton droge stof.

Uit een vergelijking tussen de kapitaalslasten, de vaste operationele kosten (personeel, onderhoud, e.d.) en variabele operationele kosten (energie, chemicaliën, e.d.) blijkt, dat vaste operationele kosten een belangrijke kostenpost vormen (tot soms 50% van de totale kosten). De kapitaalslasten en de variabele operationele kosten zijn van dezelfde grootte-orde.

Voor polishing stappen moet rekening worden gehouden met meerkosten in de grootte-orde van € 1,50 tot € 2,50 per ton droge stof baggerspecie.
Aanvullende hoge druk ontwatering kost € 2,50 tot € 5 per ton droge stof baggerspecie extra.
Bij lagere bezettingsgraad en mobiele installaties zullen de verwerkingskosten uiteraard hoger zijn dan de hierboven vermelde.

In onderstaande tabel is een indicatief kostenoverzicht gegeven in euro per situ kubieke meter baggerspecie.

Indicatief kostenoverzicht mechanisch scheiden van baggerspecie exclusief stort-/verwerkingskosten residu

E TRENDS EN ONTWIKKELINGEN

De volgende trends en ontwikkelingen worden gesignaleerd:

• opzet van een expertsysteem: in het kader van het programma T 2000 wordt een expertsysteem opgezet voor natte deeltjesscheiding van grond, baggerspecie en zeefzand. De bedoeling is, dat het expertsysteem het resultaat van scheiden voorspelt, en daarbij aanwijzingen geeft over in te zetten apparatuur en kosten.
• verkleinen hoeveelheid residu door verlagen scheidingspunt: de hoeveelheid residu kan worden verkleind door het scheidingspunt te verlagen van 63 mm naar ongeveer 20 mm. De hoeveelheid fijn zand neemt daardoor wel toe, en het ontwateren van het residu wordt moeilijker. Ook kan de noodzaak tot polishen van de fijne zandfractie toenemen.
• onderzoek verwerking slibfractie/residu: storten kost schaarse ruimte en is ook een belangrijke kostenpost. Onderzoek is verricht naar biologische nabehandeling, solvent-extractie en thermische immobilisatie. Tot nog toe wordt verwerking niet toegepast daar deze technieken onvoldoende beproefd of opgeschaald zijn en storten goedkoper is.