NL2000640C2 - Werkwijze en systeem voor het zuiveren van een vloeistof. - Google Patents

Description

Werkwijze en systeem voor het zuiveren van een vloeistof

De onderhavige uitvinding betreft een werkwijze voor het 5 zuiveren van een vloeistof, zoals (zee)water, tot bijvoorbeeld drinkwater.

Bekende waterzuiveringsprocessen omvatten de aanvoer van een te zuiveren waterstroom. Deze aanvoer wordt in het algemeen voorbehandeld, zoals bijvoorbeeld in een 10 onthardingsstap. Vervolgens wordt de stroom door een omgekeerde osmose-eenheid gezuiverd. Het gezuiverde water wordt verder gevoerd voor drinkwater en het concentraat van de eenheid wordt afgevoerd. Hierbij kan vervuiling ("scaling") optreden ten gevolge van onder meer een 15 oververzadiging van bijvoorbeeld calciumcarbonaat, waarbij boven een kritische grens kiemvorming op zal gaan treden. Om vervuiling van de eenheid te beperken wordt aan de binnenkomende te zuiveren stroom water een hoeveelheid kristalgroeiremmer toegevoegd. Deze noodzakelijke toevoeging 20 van kristalgroeiremmer wordt door de eenheid als concentraat afgevoerd. De hoeveelheid concentraat die moet worden geloosd om vervuiling te voorkomen wordt bijvoorbeeld bepaald door de concentratie van calcium- en carbonaationen en/of andere polyvalente ionen, zoals fosfaat, sulfaat en magnesium in de 25 voeding naar de omgekeerde osmose-eenheid. Dit zal bijvoorbeeld de algehele proceskosten negatief beïnvloeden en het milieu belasten. Om deze effecten te beperken wordt het proces bij een relatief lage concentratie aan kristalgroeiremmer bedreven. Dit beperkt de procesopbrengst. 30 Een eventuele voorbehandeling, zoals een onthardingsstap, verhoogt de investeringskosten en zowel de vaste kosten als variabele kosten nemen toe naarmate de eisen aan de 2 zuiverheid van de voeding naar de omgekeerde osmose-eenheid groter zijn.

De onderhavige uitvinding heeft ten doel een verbeterde werkwijze voor het zuiveren van een vloeistof, zoals water, 5 te verschaffen en de bovengenoemde nadelen ten minste gedeeltelijk te ondervangen.

De onderhavige uitvinding verschaft een werkwijze volgens conclusie 1.

Door het concentreren van de stroom met de 10 kristalgroeiremmer wordt bewerkstelligd dat de hoeveelheid af te voeren (bij)product, en de eventueel daarmee samenhangende milieubelasting, geminimaliseerd wordt. Hierdoor is het onder meer mogelijk om het proces uit te voeren bij een hogere concentratie aan kristalgroeiremmer. Hiermee wordt 15 bewerkstelligd dat de vervuiling in de vloeistof zuiverende eenheid verder beperkt wordt. Tevens zijn de kosten voor de benodigde chemicaliën lager. Een bijkomend voordeel is dat de procesopbrengst wordt verhoogd en/of onderhoudskosten worden verlaagd. Een verder bijkomend voordeel is dat door het 20 bedrijven van het proces met een hoge concentratie aan kristalgroeiremmer eventueel afgezien kan worden van voorbehandeling van de te zuiveren stroom vloeistof, of dat een dergelijke voorbehandeling beperkt kan blijven. Dit zal ook bijdragen aan het efficiënter bedrijven van het proces 25 door de reductie van het aantal benodigde processtappen. De gebruikte kristalgroeiremmers zijn bij voorkeur polyvalente ionen en/of polymeren met geladen functionele groepen (sulfonaatgroepen, carboxylaatgroepen, fosfonaatgroepen), waarbij de molmassa van de als kristalgroeiremmer toegepaste 30 moleculen bij voorkeur groter is dan 500 g/mol, zoals humuszuren, oligo- en polysacchariden, polyfosfaten.

Opgemerkt wordt dat de kiemremmer in de werkwijze volgens de uitvinding kiemvorming maximaal dient te onderdrukken zonder 3 groei op bestaand kristaloppervlak te blokkeren, waarbij de kristallisator in hoofdzaak in de kristallisator plaats vindt.

In een voorkeursuitvoeringsvorm volgens de uitvinding 5 wordt de geconcentreerde kristalgroeiremmer in de retourstroom tenminste voor een deel toegevoerd aan de stroom te zuiveren vloeistof.

Door tenminste een deel van de geconcentreerde stroom, met daarin opgenomen kristalgroeiremmer, wordt bewerkstelligd 10 dat de kristalgroeiremmer opnieuw gebruikt kan worden. Dit heeft als gevolg dat geen nieuw kristalgroeiremmer toegevoegd hoeft te worden aan de stroom te zuiveren vloeistof. Tevens zijn er minder grote reststromen of afvalstromen uit het proces. Dit vermindert de kosten voor de procesvoering. Een 15 verder bijkomend voordeel is dat door het hergebruik van de kristalgroeiremmer het gehele proces uitgevoerd kan worden bij een hogere concentratie van kristalgroeiremmer. Dit vermindert niet alleen de vervuiling in de vloeistof zuiverende eenheid, wordt de afvalstroom ten opzichte van de 20 hoeveelheid gezuiverd water verminderd. Tevens wordt hiermee de milieu-belasting door de kristalgroeiremmer verminderd, wat bijvoorbeeld voor oppervlaktewater relevant is. Een verder voordeel van het hergebruik van de kristalgroeiremmer, waarbij het in hoofdzaak geheel binnen het proces gehouden 25 kan worden, is dat andere remmers mogelijk zijn die momenteel uit milieu-overwegingen niet toelaatbaar zijn. Hierbij kan bijvoorbeeld worden gedacht aan toxische remmers om zogeheten "biofouling" te reduceren.

In een voordelige uitvoeringsvorm volgens de onderhavige 30 uitvinding wordt de retourstroom gecirculeerd in een kristalgroeiremmer concentrerende proceslus omvattende een nanofiltratie-eenheid en een kristallisator.

4

De nanofiltratie-eenheid wordt gevoed door de concentraatstroom van de zuiverende proceseenheid. De hierin gebruikte membranen hebben een retentie hoger dan 50% voor de kristalgroeiremmer en bij voorkeur een retentie hoger dan 5 95%. De kristallisator in deze proceslus, die bij voorkeur in propstroom wordt bedreven, verlaagt het gehalte aan polyvalenten ionen in de concentraatstroom door afbouw van de oververzadiging. Door de concentraatstroom en de uitgang van de kristallisator terug te voeren naar de nanofiltratie-10 eenheid kan de stroom met de kristalgroeiremmer nog verder worden geconcentreerd. Er kan voor de verwijdering van kristalgroeiremmer uit de afvalstroom eventueel gebruik worden gemaakt van spiraalgewonden polymere nanofiltratie-membranen die gekenmerkt worden door een lage 15 investeringsintensiteit. Tenminste een deel van deze stroom kan worden afgetapt en teruggevoerd aan de te zuiveren vloeistofstroom. De kristallisator kan hierbij een pellet reactor of een zogeheten Dynasand-filter betreffen. In het geval van het filter kan derhalve tevens een filtratiestap 20 plaatsvinden. Een bijkomend voordeel is dat de kristallisator volgens een eenvoudig ontwerp kan volstaan en dat in beginsel de stroom die de kristallisator verlaat niet hoeft te worden gefiltreerd alvorens deze aan de nanofiltratie installatie kan worden toegevoerd. Bij voorkeur ligt de concentratie van 25 kristalgroeiremmer in het concentraat van de zuiverende eenheid tussen de 0,00001, maar meer in het bijzonder 0,0001, en 5 gram/liter, echter met de meeste voorkeur tussen 0,001 en 0,1 gram/liter. De diameter van de kristallen die in de kristallisator worden geproduceerd ligt bij voorkeur tussen 30 de 0,1 en 20 millimeter, echter met de meeste voorkeur tussen 0,5 en 10 millimeter. Een verder voordeel van het gebruik van de kristallisator is dat de polyvalente anionen worden gekristalliseerd in de vorm van goed hanteerbare deeltjes die 5 toegepast kunnen worden als bijvoorbeeld kunstmest met een gereguleerde afgifte. Dit kan worden gerealiseerd door keuze van de juiste concentratie van onder meer de kristalgroeiremmer. De zuiverheid van de kristallen kan 5 hierbij worden gestuurd door onder meer de keuze voor een kristalgroeiremmer en de concentratie daarvan. Bij voorkeur worden verontreinigingen, zoals organische componenten of metaalionen, met behulp van de juiste keuze voor een zogeheten slimme kristalgroeiremmer ingebouwd in de 10 kristallen, of wordt juist voorkomen dat dergelijke verontreinigingen worden ingebouwd, zoals bijvoorbeeld indien de uitgaande stroom uit de kristallisator als kunstmest gebruikt gaat worden. Een dergelijke slimme kristalgroeiremmer kan de reeds toegepaste kristalgroeiremmer 15 betreffen of een extra toevoeging. De te zuiveren stroom water wordt bij voorkeur voorbehandeld. Echter, doordat door de terugwinning van kristalgroeiremmer het proces bedreven kan worden bij een hogere concentratie aan kristalgroeiremmer is voorbehandeling niet in alle gevallen noodzakelijk.

20 In een voorkeursuitvoeringsvorm volgens de onderhavige uitvinding wordt het zuiveren van de stroom te zuiveren vloeistof uitgevoerd in een omgekeerde osmose-eenheid.

Door zuivering uit te voeren in een omgekeerde osmose-eenheid wordt bewerkstelligd dat de uitvinding ook toepasbaar 25 is op bestaande installaties, waarbij enkel beperkte wijzigingen aan het proces uitgevoerd hoeven te worden.

In een alternatieve voorkeursuitvoeringsvorm volgens de onderhavige uitvinding wordt de stroom te zuiveren vloeistof gezuiverd in een nano-filtratie membraaneenheid.

30 Door de zuivering van de stroom vloeistof uit te voeren in de filtratie eenheid kan worden afgezien van de omgekeerde osmose-eenheid. Dit beperkt de hoeveelheid processtappen en 6 procesinstallaties. Hiermee worden procesinvesteringen verder beperkt.

In een alternatieve voorkeursuitvoeringsvorm volgens de onderhavige uitvinding wordt de retourstroom gevoerd naar een 5 ionen wisselaar voor het terugwinnen van de kristalgroeiremmer.

Door het gebruik van de ionenwisselaar, bij voorkeur geplaatst na de kristallisator, kan worden afgezien van de nano-filtratie eenheid. Echter, ook een combinatie van 10 processtappen voor het concentreren van de kristalgroeiremmer en het eventueel tenminste voor een deel terugvoeren daarvan aan de stroom te zuiveren vloeistof zijn ook mogelijk.

De onderhavige uitvinding heeft verder betrekking op een systeem voor het zuiveren van water waarmee soortgelijke 15 voordelen als voor de werkwijze behaald kunnen worden.

Verdere voordelen, kenmerken en details van de uitvinding worden toegelicht aan de hand voorkeursuitvoeringsvormen daarvan, waarbij verwezen wordt naar de bijgevoegde tekeningen, waarin tonen: 20 - figuur 1 een schematisch overzicht van een werkwijze volgens de uitvinding; - figuur 2 een alternatieve uitvoeringsvorm volgens de uitvinding; - figuur 3 een verdere alternatieve uitvoeringsvorm 25 volgens de uitvinding; en - figuur 4 een verdere alternatieve uitvoeringsvorm volgens de uitvinding.

Het proces 2 voor het zuiveren van een stroom water ten behoeve van drinkwaterproductie (figuur 1) omvat de aanvoer 30 van de stroom water 4 die toegevoegd wordt aan een voorbehandelingseenheid 6. Deze eenheid 6 kan een chemische voorbehandeling betreffen. Echter, ten gevolge van de procesvoering bij een hogere concentratie aan 7 kristalgroeiremmer kan eventueel worden afgezien van voorbehandeling 6. De eventueel voorbehandelde stroom te zuiveren water 8 wordt gevoerd naar de zuiveringseenheid 14 in de vorm van een omgekeerde osmose eenheid. Aan de te 5 zuiveren waterstroom 8 kan kristalgroeiremmer worden toegevoegd. Deze kristalgroeiremmer kan afkomstig zijn van een separate output 10 en/of van een aanvoer 12 uit een retourstroom. De uitgang van de omgekeerde osmose eenheid 14 bevat gezuiverd drinkwater 16. Het concentraat 18 van eenheid 10 14, met de daarin opgenomen reststoffen, wordt gevoerd naar een nanofiltratie eenheid 20. Het permeaat 22 van deze eenheid 20, dat vrij is van deeltjes en niet is verzadigd van zouten, kan bijvoorbeeld gebruikt worden als proceswater voor een ander proces. Deze eenheid 20 bestaat bijvoorbeeld uit 15 een relatief open spiraalgewonden polymeer membraan dat wordt gekenmerkt door een hoge doorstroom die bij voorkeur duidelijk hoger is dan 10 liter/(m2 uur) bij een relatief lage transmembraan druk en een hogere retentie voor de kristalgroeiremmer. Hierdoor is het permeaat 22 van de 20 eenheid 20 nagenoeg vrij van kristalgroeiremmer en kan derhalve eenvoudig worden geloosd of als voeding dienen. Het concentraat 24 van de nano-filtratie eenheid 20 beschikt over een hoge concentratie kristalgroeiremmer en zal tevens oververzadigd zijn aan polyvalente ionen, zoals 25 calciumcarbonaat. De stroom 24 wordt gevoerd naar kristallisator 26. De kristallisator 26 is bij voorkeur uitgevoerd als een zogeheten fluidized bed reactor (pellet reactor) of als een gepakt bed reactor. Dit betreffen in hoofdzaak propstroom kristalisatoren. Dergelijke 30 kristallisatoren bevorderen de kristallisatie van calciumcarbonaat waardoor de productiviteit wordt verhoogd. Ten gevolge van de aanwezige kristalgroeiremmer wordt in de kristallisator 26 de oververzadiging voor de polyvalente 8 ionen afgebouwd op het reeds aanwezige kristaloppervlak. Het grootste deel van de polyvalente ionen zal de kristallisator 26 als vaste stof stroom 28 verlaten. De diameter van de kristallen in deze stroom 28 zijn bij voorkeur tussen 0,5 en ^ 10 millimeter om toepassing van deze vaste stof als bijvoorbeeld kunstmest mogelijk te maken. Het kristalvrije product dat de kristallisator verlaat in stroom 30 wordt terug gevoerd naar de nanofiltratie-eenheid 20. De retourstroom 30 is nauwelijks oververzadigd. De *•0 concentratief actor van de nanof iltratie-eenheid wordt zodanig ingesteld dat de oververzadiging niet de kritische oververzadiging overschrijdt waarbij primaire kiemvorming optreedt. Door de hoge concentratie kristalgroeiremmer in de concentraatlus is de kritische oververzadiging voor primaire *•5 kiemvorming van de polyvalente ionen aanzienlijk hoger dan in de concentraat van de omgekeerde osmose installatie, zoals die in het algemeen wordt gebruikt. Door de onderdrukking van kiemvorming vindt afzetting van de oververzadiging in de concentraatstroom plaats op bestaand kristaloppervlak. Van 20 de uitgangsstroom 30 uit de kristallisator 26 wordt een deel afgetapt en teruggevoerd via aanvoer 12 aan de te zuiveren waterstroom 8. Op deze wijze wordt de kristalgroeiremmer opnieuw gebruikt en blijft behouden binnen het algehele zuiveringsproces. Dit betekent dat er nagenoeg geen verbruik 25 van kristalgroeiremmer op zal treden en er dus niet via de separate invoer 10 kristalgroeiremmer toegevoegd hoeft te worden zodra het proces éénmaal is opgestart.

In een variant 32 van het proces (figuur 2) wordt de aanvoer van het te zuiveren proceswater 34 niet toegevoerd 30 aan een omgekeerde osmose-eenheid, maar direct aan de nanofiltratie eenheid 20. Het permeaat 22 betreft vervolgens het drinkwater. Hiermee wordt afgezien van een proceseenheid.

9

Vanzelfsprekend dienen de overige proceseenheden afgestemd te worden op de gewijzigde processtromen.

Een alternatieve variant 36 (figuur 3) voert de stroom te zuiveren proceswater 34 toe aan de nanofiltratie-eenheid 20.

5 De permeaat stroom 38 uit deze eenheid 20 wordt gevoerd naar de ingang van de omgekeerde osmose-eenheid 14. De eenheid 14 produceert het drinkwater 16 en bevat verder een reststoffen stroom 18. Voor het overige is het verloop van deze variant 36 gelijk aan die zoals weergegeven in figuur 1.

10 In een verdere alternatieve variant 40 (figuur 4) wordt de stroom concentraat 42 van de omgekeerde osmose eenheid 14 rechtstreeks gevoerd naar de kristallisator 26. De uitvoer van de kristallisator 26 in stroom 44 wordt gevoerd naar een ionenwisselaar 46. De uitvoer van deze ionenwisselaar 46 15 wordt als stroom 48 teruggevoerd naar de te zuiveren processtroom 8. De stroom 48 bevat de hoge concentratie kristalgroeiremmer waarmee de kristalgroeiremmer behouden blijft in het proces met onder meer de eerder beschreven voordelen.

20 De onderhavige uitvinding is geenszins beperkt tot de boven beschreven voorkeursuitvoeringsvormen. De gevraagde rechten worden bepaald door de navolgende conclusies, binnen de strekking waarvan velerlei modificaties denkbaar zijn. Zo is het bijvoorbeeld mogelijk het beschreven proces voor wat 25 betreft zowel de werkwijze als het systeem te gebruiken in bijvoorbeeld afvalwater zuiveringsprocessen. Hierin is het mogelijk, op soort gelijke wijze als bovenstaand beschreven, de polyvalente ionen in het proces te houden door deze selectief neer te laten slaan, zoals bijvoorbeeld in de vorm 30 van struviet. Ook is het mogelijk om reststromen te gebruiken als alternatieve energiebron door gebruik te maken van bijvoorbeeld de aanwezige zouten. Tevens is het mogelijk om, door de verminderde vervuiling in de omgekeerde osmose- 10 eenheid, de zuivering bij een verhoogde druk plaats te laten vinden. Hiermee kan de efficiëntie van het zuiveringsproces eventueel verder worden vergroot. Een andere mogelijkheid is om de kristallisator uit te voeren als een trein van 5 kristallisatoren, zodat volstaan kan worden met kleinere dimensies en/of deze specifiek kan richten op bepaalde reststromen uit de kristallisatoren. Eventueel kan het uitgaande concentraat van de kristallisatoren worden uitgesplitst. In geval van een aangevoerde waterstroom met 10 pesticiden worden deze gefilterd in de nanofiltratie stap. In geval van hormonen wordt door de aanwezige concentratielus, gevormd door de kristallisator en de nanofiltratie-eenheid, de hormoonconcentraties verhoogd, zodat deze eenvoudiger verwijderd kunnen worden. Ook behoort het tot de 15 mogelijkheden om de retourstroom een ultrasone behandeling te geven, bijvoorbeeld in plaats van een behandeling in een kristallisator. Hierbij zal een explosie van deeltjes ontstaan. Deze kleine deeltjes verstoren het proces niet. Eventueel wordt de ultrasone behandeling gecombineerd met een 20 bezinker en/of filter om milieu-belasting door afvoer van de kleine deeltjes te beperken.

Claims (12)

1. Werkwijze voor het zuiveren van een vloeistof, omvattende de stappen: 5. het aanvoeren van een stroom te zuiveren vloeistof; - het toevoegen van een kristalgroeiremmer; - het zuiveren van de stroom; - het splitsen van de stroom in een gezuiverde stroom en een retourstroom; en 10. het concentreren van de kristalgroeiremmer, aanwezig in de retourstroom, in een kristallisator.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, waarin tenminste een deel van de geconcentreerde kristalgroeiremmer uit de 15 retourstroom wordt toegevoegd aan de stroom te zuiveren vloeistof.

3. Werkwijze volgens conclusie 2, waarin de retourstroom wordt gecirculeerd in een kristalgroeiremmer 20 concentrerende proceslus omvattende een nanofiltratie-eenheid en de kristallisator.

4. Werkwijze volgens conclusie 3, waarin de kristalgroeiremmer terugwinnende proceslus wordt bedreven met 25 een concentratie kristalgroeiremmer in het bereik van 0,00001 g/1 tot 5 g/1.

5. Werkwijze volgens één of meer van de voorgaande conclusies 1-4, waarin verontreinigingen door de 30 kristalgroeiremmer selectief worden ingebouwd.

6. Werkwijze volgens één of meer van de voorgaande conclusies 1-5, waarin de stroom te zuiveren vloeistof wordt voorbehandeld.

7. Werkwijze volgens één of meer van de voorgaande conclusies 1-6, waarin het zuiveren van de stroom te zuiveren vloeistof wordt uitgevoerd in een omgekeerde osmose-eenheid.

8. Werkwijze volgens één of meer van de voorgaande 10 conclusies 1-6, waarin het zuiveren van de stroom te zuiveren vloeistof wordt uitgevoerd in een nano-filtratie membraaneenheid.

9. Werkwijze volgens één of meer van de voorgaande 15 conclusies 1-8, waarin de retourstroom in een nano filtratie-eenheid wordt gefilterd en gesplitst in een afvalstroom en een geconcentreerde stroom met kristalgroeiremmer.

10. Werkwijze volgens één of meer van de voorgaande 20 conclusies 1-8, waarin de retourstroom wordt gevoerd naar een ionenwisselaar van het terugwinnen van de kristalgroeiremmer.

11. Systeem voor het zuiveren van water, omvattende: - een zuiveringseenheid voor het zuiveren van de stroom 25 vloeistof, waarbij aan de te zuiveren stroom een kristalgroeiremmer wordt toegevoegd; - een kristallisator voor het concentreren van de stroom met de kristalgroeiremmer uit de retourstroom van de zuiveringseenheid. 30

12. Systeem volgens conclusie 11, voorzien van een inrichting voor het toevoegen van tenminste een deel van de geconcentreerde stroom met de kristalgroeiremmer aan de stroom te zuiveren water.