i .
ó
ó
ó
. Iö
ö
o
ö
o
0.
1o
. ,
o
Nr:
2567
Laboratorium voor Chemische Technologie
/
Verslag behorende
bij het fabrieksvoorontwerp
van
.... Eugeni.e. . .Nacken..e.ll. . .l?..eter ... v.an .. Beelan ... .
onderwerp:
....
~.~.t:.È:~y.~~~}...~P.....
.
...
.
...
..
...
..
... .
Roland
HoLstlaan
44 H
adres:
2624
GD Delft
Roland Holstlaan
649
2624
HS Delft
opdrachtdatum:
me.i1983
verslagdatum
:
6-12-1983
.;."...
I i
10
I I v ' V 'v IU I IJFabrieksvoorontwerp nr.
2567MICROBIOLOGISCHE VERWIJDERING VAN ZWARE METALEN UIT HAVENSLIB
datum opdracht: mei
1983
datum verslag :
6~12-1983EugenLe Nacken
Roland Holstlaan 44 H
2624 GD DelftPeter van Beelen
Roland Holstlaan
6492624 HS
Delft
IV
u
VS
a
menvatti
n
g
Het doel
~ ~ ... J," r"""" tr-' ~...,.,\ ... e - ,~(.>,\,""\-" ._. ~ U '"î
~
schatting :e
maken
van
de proceskosten
i
s
van de
bacteriële zuivering
van
havenslib van zware
meta-len.
Oe hoeveelheid
verontreinigd slib is
10
miljoen
m
3
slib per jaar. Deze zuivering
geschiedt
met
het
mi
cro
or~
,
nisme
Zoogloae
ramigera
.
Het microorganisme
wordt
geImmo-
\
\
biliseerd op zand
.
Het
blijkt dat
het metaal wordt
opgeno-men
door
het
e
xt
racellulaire polymeer
J3
-polyhydroxyboter-zuur.
Alleen de
zware
metalen Cd, Ca, Zn, Pd en Cu
worden
bek
ek
en.
(11.000 yOP W\ ' )De
slibdeeitjes met een di
ameter kl
einer dan
16~m
be-vatten
de
zware metalen
.
Deeltjes
m
e
t
een
diameter
g
ro
t
er
dan
16
p
m worden
dan ook
afgescheiden met behulp
van een
hydrocycloon
.
van
In de ver
schillen
de
proces
fa
s
en
wor
dt
gebruik
gemaakt
P
a
chuc
a
reactoren
ter beluchting en
ter menging
van
het
systeem
.
I
) II
I
I
I
i
i
IDoor het
ontbreken
van literatuu
rg
egevens waren we
ge-noodzaakt
vele
aannames te
maken
met
betrekking tot de
kweek van de bacteriën
en het opnamemodel van de metalen
door de bacteriën.
I
Oe
kosten be
dra
gen
f
26
.3
60,
-
per m
3
slib. Aan de to-
)
~
tale kosten
leveren de grondstoffen voor het medium de
groot
s
te bijdrage (97%), bij de apparatuurkosten de compres-
o
.
soren
en
kw
eekreactoren.
v
iU
v
-
1
-Conclusies en aanbevelingen
-
Het blUkt mogelUk te zUn
om
zware metalen uit havenslib
microbiologisch te verwijderen. Een voordeel
van deze
me-thode is dat ook organische
v~rontreinigingenaangepakt
worden.
-
De
kosten bedragen
f
733
,-/m
3
(zonder
grondstof meegere
-kend) en
f
26360,~/m3
(met grondstof meegerekend). Het
grootste gedeelte van
de
kosten ligt in het zeer dure
medium (o.a.
arginine)
en de
gebruikte
glucose (te
ver
-vangen door
melasse)
,
zodat om
de lasten te verminderen
er naar een veel
goedkoper medium gezocht
moet worden.
Een
ander
e
mogelijkheid om de
mediumkost
en
te
verminde-ren is na te
gaan
of de
afsterving
van
de
bacteriën
(50%)
in de polymerisatiereactor
vermin
derd
kan worden
(bUvoor
-beeld door
een
ko
rtere verblijf
tij
d).
-
Zelfs
al zouden
de
kosten van de kweek (apparatuur
+
me
-dium) sterk verminderd worden
,
dan zijn
de
kosten aan
de
a('~~oa-t
compressoren (
10
% van
deYKosten) nog
steeds
dusdanig
hoog, dat dit proces
niet
concurrerend
kan zijn
.
Men moet
dan
ook
nagaan
of
d
.
e
gestelde beluchting
(19
m
3
lucht/s-100
m reactorlengte) veranderd
kan
worden hetzij
door
ge-bruikmaking
van
andere apparatuur
of een lager
gasde-biet.
Vooral ten aanzien van
de
metaalopnamesnelheden
door
bac-terien en aan
de'binding
van
het metaal aan
het
slib
en
aan de
biolaag
moet nog veel onderzoek gedaan worden
(zie bijlage 7 en 8)
.
Wanner deze gunstiger blijken te zijn
dan zal
dat directe
vermindering van
de
omvang
van de
in-stallatje,
du
s
ook van de kosten, tot gevolg
hebben.
-
Het verdient aanbeveling om
na
te gaan of
de
warmtestro
-men beter
gecombineerd kunnen worden. Bijvoorbeeld: na
de
compressoren
moet
de
lucht
gekoel
d
wOFden, terwijl er
stoom
nodig is
voor het steriliser
en van
het medium.
I
V
_
2
_
De afvalwaters
troom is een
waterige op
lossing, die
van
het
metaal
ontdaan zou
k
unn
en worden
door H
2
5-doorlei-din
g
.
(Oit brengt
e
x
tra kosten
met
z
ich mee, hoeveel is
niet nagegaan)
.
o
Inhoudsopgave
Samenvatting
Conclusies en
aanbevelingen
Inh
oudsopgave
1. Inleiding
2.
Uitgangspunten
2.1
Capaciteit van de installatie
2.2
Specificatie
van de slibstroom
2.3
Afvalwaterstroom
2.4 Het
te gebruiken
microorganisme
2.5 Materiaalkeuze
3. Beschrijving van het proces
3.1 Beschrijving van het proces aan de hand
van het processchema.
3.2
Fle
xibiliteit
en
inbedrijfstelling
3
.3
Veiligheid van
het
proces
4. Procescondities
4.1 Rekenmethode voor slibreactor
4.2 Concentratie in de slibreactor
4.3 Berekening van de metaalopname
5. Motivering van de
apparatuur
en de berekening
hiervan
5. 1
De hydrocycloon
5.2 Oe kweekreactor
5.3 Oe polymerisatiereactor
5
.4
De depolymerisatiereactor
5
.
5
De
slibreactor
5.6
8ezinkbakken
6. Massa
-
en warmteb
a
lan
s
7
.
Specificatie
van de apparaten
B.
Economische aspecten van het
proces
8
.
1
Prod
uctievo
lume afhankelijke kosten
8
.
2
Semi-vari
abel
e
kosten
8
.
3
Investerin
gsafha
nkelijke
kosten
8.3.1 Afschrijvingskosten
8.3
.
2
Verzekeringskosten, Qelastinge8 en
onderhoudskosten
8
.
3.3
Rentekosten
blz
.
1
3
4
4
5
5
78
8
9
9
11
1
1
12
12
15
15
18
19
20
20
21
22
30
36
36
36
37
38
38
38
IV
8.4 Plant overhead
8.5 Totale kosten
9. S
ymbo 1
en
1 ij s t
Literatuurl
ijst
Bijlage
1:
Aannames
Bijlage 2: Berekening warmtewisselaar
voor de
medium-sterilisering
Bijlage 3: Medium steriliseren
B ij
1 ag e 4:
5teril i
5a tie
van
del
u c h
t
Bijlage 5: De kweekreactor
Bijlage 6: De Pachucatank
Bijlage 7: Stofoverdrachtsmodellen
(van slib naar biolaag)
Bijlage 8:
Berekening van de
metaalopnamesnelheid
Bijlage
9: Berekening van de
hoeveelheid
slib
dat
meebezinkt
38
39
41
44
4547
57
61
6567
72
78
81
1'0 v
,0
r...) \u
1. Inleiding
Om de vaarwegen
in en
rond
Rotterdam
op
de juiste diepte
te houden baggeren Rijkswaterstaat en
de
gemeente
Rotterdam
circa
25
miljoen ton slib
uit da havens en de
benedenrivie-ren, ofwel
vUf maal de inhoud van het Feyenoord-stadion vol.
Op
het ogenblik
wordt dit
slib
gestort in zee, in diepe
put-ten, in de
rivieren
en
op
land.
Een groot gedeelte van dit slib (8-10 miljoen ton/jaar)
is echter min of meer ernstig verontreinigd met olie,
orga-nochloorverbindingen en
zware
metalen,
zodat
het niet
aan-vaarbaar is om dat slib
zonder
meer te storten op land of in
zee.
De
zware
metalen
zijn
giftig,
niet
afbreekbaar en komen
over een
groot gebied verspreid
voor, waardoor controle
moei-lijk
is.
Er
zijn
diverse
methodes
om slib te zuiveren van zware
me-talen, bijvoorbeeld: chemische
loging, ionenwisselaar,
extrac-tie
.
WU zullen ons echter
richten
op
bacteri~leverwijdering.
De
bacteri~nbevatten een polymeerlaagje,
waaraan
de zware
metalen
hechten. Om de
scheiding van
de
bacteri~nen het slib
in
stand
t
e
houden worden
de bacteriën
geimmobiliseerd
op
za
nd.
De
zware
metalen
komen vrij
in de vorm van een
metaaloplos-sing. Nu het
slib gezuiverd
is krijgt het waarde als
(land)-bouwgrond. Een bijkomend voordeel van deze methode is dat naast
de verwijdering van de metalen ook organische
vervuiliDge~-aangepakt worden.
Door
de
uniekheid van
deze revolutionaire aanpak
waren wij
voor
de
mathematische
modulering van het proces genoodzaakt
veel aannames te doen. Het is essentieel, dat men niet uit
het
oog
verliest
,
dat het
ontwerp
zich
de
r
halve
op
drijfzand
·...)
\.J
u
- 1.,
-2
.
Uitaanqspunten
2.1 Capaciteit
van
de installatie
De hoeveelheid verontreinigd slib per jaar is 10.10
6
m
3
, dat is
0.317 m3 js • In dit fabrieksvoorontweTp is een installatie
berekend die
continue deze 0.317 m
3
slib/s van metalen
reinigt
.
Het
gereinigde slib
wordt opgespoten.
2.2 Specificatie van de slibstroom
De slibaanvoer is 0.317
m / s.
3
De deeltjesgrootteverdeling in het slib is als volgt:
(massapercentage)
d
<:.p
2fm
26
%
2y.m
~d
p
">
16JAm
19%
16J-lm
-<
d
p<
50jAm
33
%
d
>
50flm
22
%
Het
slib
heeft een hoog percentage droge stof
(±
15
%
). Omdat de
vervui-ling
aan zware
metalen
zich voornamelijk in de dEeltjes
kleiner
dan 16
)-Im bevindt (lit131 worden deeltjes
"">16f'm
zoveel mogelijk
afgescheiden
met behulp van een hydrocycloon.
De deeltjesgrootteverdeling in het slib is dan
al~volgt:
d
<
2j.Am
26%
\
,
a
'
p
-)
(0
2)Jm .,:::;
d
p
<:
16f'm
17
%
! f\ \ , ~f\
1.)
("
\)Îl~ V ' l16fm
-<
d
p
<. 50jlm20
%
d
p
:>50 J.lm
'
2%
De
zware
metalen waar
wij
onze
aan
dac
ht
op richt
en
zijn
(lit\3)
Ca
, Cd,
Cu,
Pb e
n
Zn
.
De concentraties en
zui
veringsfact
or
van deze met
a
len
in
het slib
Ca
6000
ppm
zuiveringsfactor
V X{~vCd
69
ppm
9.
\) 'vy
Pb
737 ppm
6
~
~'1("
Zn
3250 ppm
9Cu
700ppm
5zi
jn:
, II
I:
: I
I
I
,
i
I
j)
2
.3
Afvalwaterstroom
De
afv
alwater
s
troom b
es
ta
a
t na bezinkbak
11 uit een
metaaloplossing
en
3
is
0.31
m Is.
Door H
2
S door deze
metaalo~lossingte
leiden kunnen
de
metalen neergeslagen
worden.
2.4
Het
te
gebruiken
micro-org
a
nisme: Zoogloea-ramigera (1,2,4,6)
Zoogloea-ramigera is een gram-negatieve, staafvormige bacterie. Ze
~
komt voor in natuurlijk water en is in staat om te groeien en te
over-leven in hoge co
n
centraties van vervuilingen. Zoogloeae zijn in staat
om veel stoffen oxidatief te metaboliseren, zoals koolwaterstoffen,
polyhydroxyalcoholen en aminozuren. lri aanwezigheid van de groeifactor
vitamine B12
kan
ook anorganisch
stikstof gebruikt
worden als
N-bron.
r---'. . ---~/"
Doordat
deze
bacteriën
aanleidin
g ge
ven tot vlokvormin
g
in
rioolwater-zuiveringsinstallaties is er veel
onderzoek gedaan
aan het mechanisme
van vlokvorming. Door de vlokvormin
g
bezinken de bacteriën sneller
zo-dat
ze gemakkelijk af te scheiden zijn van het
g
ezuiverde rioolwater.
Crabtree (1,2) vond, dat wanneer de bacteriën onder c-limitering
groeiden
(c-bron=arginine), er
geen
vlokvorming optrad. Toevoeging van
glucose (0,5
%
)
g
~f onmidde~ijK
aanleiding tot vlokvorming en de
synthese van het polymeer
poly-~-hydroxyboterzuur(PHB). Het polymeer
wordt endogeen in
korrels gevormd.
De zeer snelle polymeervorming
(evenredig met het
glucoseverbruik)
veroorzaakt een verstoring van de
celdeling.
Door deze
onvolledige celdeling sterven veel bacteriën af •
.
Crabtree
(2) von
d
dat
na
5
uur
on
g
eveer 50
%
van de cellen niet
meer
in
leven was en na 10
uur 90
%
.
De
cellen
bevatten dan 12
tot
50,5
%
van
•
het
dro
o
gg
ewicht
aan
poly
m
eer.
Worden de cellen nu weer
ond
e
r
c-geli-miteerde
om
s
tandi
gheden gebracht
,
dan wordt
ee
rst
het polymeer enzyma-
f
()
-~ ..
tisch
a
fgebroken.
Het
één en
ande
r
wordt
gedemo
nstreer
d
in
figuur 1.
figuur
1.
De
synthese en
afbraak
van PHB onder ver
sch
illende
omstan-digheden
(Cra
btre
e
2
).
"
-(\I
;.) v , v ; V I I I '-' , , ' - 'v
Q.700çQ
Cf) Z W0400 O ' o e _ - - - e O ·e~
-
6
-x 30 40 50HOURS
~i'3U.lÁ~ ~ .• -Reduction in optical density values of the PHB-rich cell suspension owing to metabolic dissimil<l;tion of the stored polymer; a
=
growth point in the arginine basal medium, the point of glucose addi-tion indicated at a; a'=
projected gl-owth pattern of the organism in the 'arginine basal medium, if glucose not, added; b = increase in optica! density due to the accumulation of the polymer at point b; b'=
projected growth pattern of the organism if the cells were not harvested; A-B=
wasbed PHB-ricb, cells in the arginine basal medium plus added glucose, 0_5 per cent; A-C=
washed cells treated with the esterase inhibitor, diethyl-p-dinitrophenol phosphate in the buffer; A-D=
washed cells in. the phosphate buffer metabolizing endogenous PHB (no inhibitor or . 'exogenous carbon).
Het
polymeer veroorzaakt
niet alleen de vlokvorming, maar
is ook
de reden van de opname van
grote
hoeveelheden
metalen
door de
bacteriën.
In
de litaratuur (6) worden opnames tot 30% van het
droog
gewicht
micro-organisme genoemd. In
bijlage 8
wordt
uit
de gegevens van Friedman (6) metaalopname-snelheden geschat.
~nkele eigenschapp~n
van zoogloea-ramigera staan in tabel 1
vermeld. In ons
systeem
zullen we
gebruik
maken van
geïmmoboli-seerde
bacteriën
,
zodat
deze gemakkelijk
van het
gezuiverde
slib
zijn te
scheiden
.
Ons deeltje zal
bestaan
uit
e
e
n zan
dn
rager
(diameter
=200f"T11,
P2
=2650 kg/m
3
) met daaromheen een laagje
bacteriën van 100fm.
iJ \../
v
v
C.J
u
o
Tabel
1 •
Enkele ei
ge
nschappen
van
Z
Dog
loea-rami
g
era
dichtheid (droog)
1290 kg/m
3dichtheid (nat)
1090
k
g
/m
3.
watergehalte
70
%
zuustofopname
37
m
g
~
/g
d
.
s
.
uur
De kweek van de
bacteriën
zal
als
volgt uitgevoBrd worden:
1)
eerst
groei
onder
c-gelimiteerde
omstandigheden.
2) door toevoeging van een glucose-oplossing
en
zand
zullen
de
bacteriën ten gevolge van de polymeervorming gemakkelijk aan
het zand hechten en geïmmoboliseerd
worden
.
Crabtree (1,2) noemt een medium voor
groei
onder
c-limitering
namelijk Arginine HCl
:
0,05%
NH
4
N0
3
: 0,05
%
,
MgS0
4
.7
H
2
0: 0,02%,
K
2
HP0 4
·.
0,2%
,
KH2P04: D,1% , vitamine 812
:2
3
/tg/mlo
Doordat wij als eindconcen
t
raat 10
kg
ds/m
(=
1%) will
e
n
heb
-ben, moeten wij de concentraties
in
het medium verhogen en
wel
tot:
Arginine HCl
5?,~!
NH
4
N0
3
5
%
K2
HP0 4
2%
~/KH
2
P0
4
1
"'-./%
-MgS0
4
7H
2
O
2%
vitamine 812
O,2fg/ml
---.~De inducering van de polymeervorming zal nu gebeuren met
behulp
van 5
%
glucose.
2
.5
Materiaalkeuze'
J
Voor de
kweekreactoren nemen wij
roestvrij
staa
l,
omdat
bij
de
kweek
niet met agressieve
stoffen
gewerkt wordt.
~ --~
Voor
de polymerisatie, de
depolymerisatie
en
de
slibreac-tor
nemen
wU
beton, omdat in het gehele
zuiveringsproces
geen
agressi
eve
stoffen gebruikt
worden.
- - - ,
I
v
u
IUIv
I
I
u
() u3. Beschrijving van het proces
3.1 Beschrijving van het proces aan
de
hé:md van het
proce3-schema.
Het slib wordt na
binnenkomst door
het snijrooster (M4)
naar de hydrocycloon (M7) gevoerd, waar de grotere
(d
50
:::41
fm)
deeltjes
worden afgescheiden. De rest
van
het siib
gaat
naar de slibreactor ( R15). In deze
reactor
(R15) wordt het
slib gezuiverd van de
zware
metalen door middel van
geïmmo-lis eerde
bacteriën.
De
geimmobiliseerde
bacteriën zijn als volgt verkregen:
Oe
vrije tellen van de bacteriën
zijn gekweekt in
de
bellenko-lom (T11), waarin
zich steriel
medium bevindt, dat verkregen
is na sterilisatie
en
tevens warmtewisseling
~nrespectieve-lijk
M5
en
H3. De
lucht
wordt aangevoerd
door een
compressor
(C6).
Alvorens de lucht
in
de bellenkolom (T11)
komt wordt
ze
eerst
gedroogd
(T9) en
gesteriliseerd
met
behulp
van een
filter (MB).
Oe inhoud
van de
kweekreactor (T11) gaat
in
zijn
geheel
naar de
polymeersynthesereactor (R12). De bacteriën worden
hier geimmobiliseerd op
de teruggevoerde deeltjes
uit
de
be-zinkbak (M21)
en onder
toevoeging
van glucose
wordt
de
poly-meersynthese
geinduceerd. Hierna gaan de geimmobiliseerde
bacteriën
naar de slibreactor (R15).
De inhoud van
de
slibreactor
(R15) gaat naar de
bezink-bak (M18) waar het nu
schone
slib
gescheiden
wordt van
de
met metaal beladen deeltjes. De deeltjes worden nu via een
transportband (M19) naar de depolymerisatiereactor (R20)
ge-transporteerd, waar het polymeer
wordt
afgebroken onder
vrij-lating van de
zware metalen
.
De zware metaaloplossing wordt
afgescheiden in de bezinkbak (M21) en de schone deeltjes
worden
via een transportband (M22) teruggevoerd naar de
po-lymeer
synthesereactor
(R12).
De reactoren R12, R15 en R20 worden
belucht via een
com-pressor (C13). De ontstane
warmte
wordt
dqor
een koeler
v
'
v
, -...) ... io
C ./3.
2
Fle
xibi
litei
t
e
n
in
b
edrijf
s
tel
lino
In d
e prak
tijk mi
s
lukken
een
op de
vijft
i
e
n k
w
eken.
Wij
heb-ben d
a
n ook 6
%
overmaat (336 kweekre
act
o
r
en
nodig--
~
356
ge-nomen
)
genomen. Doordat
de installatie
zo enorm groot is
maakt het weinig uit als
er
meer dan
6%
kweken mislukken
.
De installatie heeft grote hoeveelheden grondstoffen
no-dig.
Al
s
bijvoorbeeld
de
aanvoer
van
glucose stagneert zal
dit grote problemen geven, omdat
de
glucose essentieel
i
s
voor de
polymeersynthese en dus voor de
metaalverwij
dering.
Plaatselijke verstoppingen
van
de beluchtingspijpen
k
unnen
makkelijk
gerepareerd
worden
door
het
plaatsen
van
afsluit-schotten
,
zodat de
reactoren
in
comp
a
rtimenten opgedeel
d
kunnen worden
.
3
.
3 Veiligheid
van het proces
Er wordt nergens met hoge
drukken
of
t
emperaturen
ge-werkt zodat het proces redelijk veilig genoemd
kan worden.
Eventueel
weglekken van slib
uit een
reactor
geeft
al
(j (J LUCHT
c
c
( ( ('c
c
(~~
.
r11
I
H31
RI2 POLYMEERSYNTHESEREACTOR SLIBPOMP CI3 LUCHTCOMPRESSOR <588) H3 ~ARMTE~ISSELAAR <31)PI" POMP GEIMMOBILISEERD M4 SNI..JROOSTER MICROORGA['I;fSME HS STERILISATOR (55) RIS SLIBREACTOR
C6 LUCHTCOMPRESSOR <136) HI6 LUCHTKOELER <588)
M7 HYDROCYCLOON (30)
PI7
M8 MICROBIOLOGISCH HI8 BEZINKBAK I <3) FILTER MI9 TRANSPORTBAND
MICROOR-T9 DROOGT OREN GANISME + METAAL
HI0 LUCHTKOELER (136) R20 DEPOLYMERISATIEREACTOR
Til K~EEKREACTOR (356) M21 BEZINKBAK I I <2) M22 TRANSPORTBAND RECYCLE MICROORGANISME
®~---,
--Luchl~
Mig M22MICROBIOLOGISCHE VERWIJDERING VAN ZWARE METALEN UIT HAVENSLIB
o
Slroomnummerc==J
Temperaluur In°c
c=:>
Absolul. druk In bar E.M.H. Nacken
P. van B •• len fabrl.ksvaoronl~erp No: 2567 novemb.r 1983 ( ... o I (
v
v '0u
-, " -..!-1.-4
•
Proc
es
condities
4
.1
Reken-methode
voor
slibreactor
W
e
gaan
uit van
N(
=
200) ideale tánkreactoren
(zie
bijlage
7)
en
rekenen deze
stuk voor
stuk door.
Eén
ideale tank heeft
een
len
g
te van
1
00
meter. Bij de
rekenprocedure is e
erst
éénmaal
een
tank met een
len
gte
van 1
mete
r uitgerekend. Deze gegevens
worden
als
invoer
g
ebruikt voor 200
tanks
in serie van 100 meter
in
lengte~M
(
N
-
1)
J3
(Cs
,?->C
s
(N-1)
+
KC b (
N
-1 ) / R b i
0Ij
I=
(N-l)K
+
$
R
slib
!
I
C (N)
s
=
C (
s
N
-1)
M
(
N
-1)
l
1
I
Cb(N)
=
C
b
(N-1)
+
M
(
N
-1)
I
1
De hoeveelheid verontreinigd
s
lib is
10.10
6
m
3
Slib/jaar.
Dus
~slib
=
0,317 m
3
slib/se
H
'
et
slib
bevat
C
6000
ppm
a
Cd
69 ppm
C
700 ppm
u
Pb
735 ppm
Z3250
ppm
,n+
11000
ppm
De concentr
a
tie
va
n
het
Ca
is
men
aan
d~tde
o
p
n
a
me
sne
l
heid
,...
4.1
kgr
'
l/ s
.
ei
gen
lijk
60
.
000
ppm, maar we
ne-v
?
n het C
1/10 is
v
a
n de lan
g
-a
zaamste opname
.
Zodoende
:
berekenen
we
de
hoeveelheid
bacteriën,
benodigd voor het C , op
6000 ppm.
a "
i
1
I
,
1
u
I ',-) I VI
' 0i
Io
-
12
-De zoogloea neemt
tot 30%
van
zijn dro
o
e
stofqewicht
metalen
op
.
Dit houdt
i
n
dat er
per
se
conde 13,6
kg zoogloea
(dro
ge s
tof),
is
45 kg
n
a
tte
stof
,
moe
t
worden
aan
gev
o
e
rd.
De
h
ierb
ij
ge
bruik-te hoeveelheid
zand is
15,
6
kg/s
e
(het
zand
bli
j
ft
in
het systeem)
De
slibreactor
wor
d
t
doorstroomd
met
o
,
317m
3sI
i bis
,.L7
3
(I
0,680
m op
g
ew
e
rkte
bac
te-rie
+
kweekls
-3
3
5.9.10
m zand/s
+
30,997
mIs
~
slibreactor
4
.2
Concentratie in
de
s
libreactor
f
slib
=
375
kg slib/m
3
(dichtheid
van
het slib
fbiol
=
45 kg nat/m
3
50%
=
levend
3
is
1180Kg/m )
22,5 kg levend nat/m
36,8
kg ds levend/m
3-3
3
C
slib
=
11.10
x 375
=
4,1
kgM/m
4
.3
B
erekening van
d~.metaalopname
Opnames
nelheden
van de metalen
do
or
de biolaog
I":et aal
Cadmium
Zi
nk
Opnamesnelheid
-4
3
.5
8
.10
-
2
3.18.10
-3
1.79.10
-
3
.
1.05.10
-5
3.58.10
3
3
(m /m s)
, ' I (:"),!,,. iJ-' l r; ( h .. I] Jo)u
I '~ I vi
, -, -J..~ -Voor ne hrrekeninr, V2n deze opn,~fTl:'snelheden (zie bijlage 8 ).
De
distr
ibutie
c
oë
ffic
iënten
R
slib
en
R
biol
zijn gekozen als:
R
s1ib
=
1000
R
bio1
=
50000
(definitie van R
en R
in bijlage 7)
slib
biol
-
1
4-T
a
b
e
l
1..•
~let
a a
lo
~n
a
m e
als functi
e
vande
afqe
leg
d
e afstand in
de slibreactor:
Af
ge
le
g
de
MEitaalconcen-
Metaalconcen-Metaal
af
s
tamd(km)
y
tratie
in
slib%
o
p
genomen
tratie in
bio-/ '
3
.
laag
3
, / [;Kg/m
Kg/m
-
2
0
0
Cd
5
2r5~9.10,
-2
-3
52.227..10
14
3.63
.10
10
1.915.10
-2
26
6.75.10
-3
15
1.648.10
-2
36
9.42.
-r0
-3
20
1.420.l0
-2
45
11.70.l0-
3
Z0
1.22
0
0
n-2
1
7.69.10
93.7
Î.143
-2
97.8
2
2.63.10
1.194
-2
99.9
13
2.63.10
1.194
C
0
u0.263
U U5
0.124
53
0.139
10
0.059
77
0.203
1
'
5
0.034
87
0.229
20
0.018
93
0.245
Pb0
0.276
0
0
5
0.177
36
0.099
10
0.114
59
-TI ~'16215
0
.
075
73
0
.
201
20
.
0.049
82
0.266
C
0
22.50
0
0
,
I aI
5
22.1
6
1.5
0.337
!
10
21.
82
3.0
0.676
i I13
21.
62
3
.
0
0.873
I
20
2
1.
58
4.1
0.915
o
u
~.JI
:
> I V-1
5
-5. motivering van de apparatuur en de berekening hiervan
5.1
De
hydrocycloon
Het
slib bevat een hoog percentage
~rogestof ( 15%) waardoor het
slib
moeilijk te beluchten is. Omdat
de grootste
vervuiling aan
zware metalen zich voornamelijk in
de
deeltjes <16~m bevindt,
is het mogelijk door middel van scheiding op deeltjesgrootte het
percentage droge stof te verlagen. Dit doen wij met behulp van
een hydrocycloon. Een belangrijke parameter bij de
berekenin~van
een hydrocycloon is de efficiency. Deze is volgens
(~)als
volgt gedefineerd:
(
1
)
waarbij: E
=
e
f
ficiency
d
=
diameter
deeltje dat met een efficiency E
ver-p
wi jderd wordt (
...
')
d
50
=
diameter
deeltje waarvan de efficiency 50% is
(VV\)Wij vinden het acceptabel om van de deeltjes van 20 }Am 5% te
verwijderen. Nu volgt uit vergelijking
U)
de d
50
-waarde: d
50
=
41
~m.
Een overzicht van de scheidingsefficiency van de andere deeltjes
staat
in
tabel
3 •Tabel 3
: De
efficiency van
scheidin
g
als functie
van
de diameter
als d
50
=
41)Jm.
d
C~,(m)
E
(
%
)
d
(". m)
E
(
%
)
p
p
10
0,2
50
73
20
5
60
9130
21
70
9940
47
80
99
-I, , \ " /
.
..)"";
.1.C
-De W2ar~en van d
SO en ~ (=vloeistofdebiet) zijn voloens (~ )
als volgt aan elkaer gerelateerd:
( 0 •
"7
)
d - 4 S _c_--r~--r-SO - ,%
1,2(<r-p)
0,5 waarbij: 0,83=
in }-'m=
doorsnede cycloon in cm=
viscositei t vloeistof in centipoises=
vloeistofdebiet in I/min.('2. )
(3 )
1,3
<r-p
=
het ver s c h i 1 i n di c h t hei d tu s sen~
ede e 1 t jes _ \'; ,J.). 3 ~I ) ""\ '-," .. ,,)-.-'_end e vlo eis tof in
g/
c m ;1,5
I
~1_
\ "I" \ \ " MWe kiezen uit
(5")
voor een 24 inch (= 60 cm) FR cycloon. Uit vergelijking(3)
volgt nu:3
2
~
__
60
.1,
3
.4,5
/
.
8
10-3
3/
p 2 = 648
1
mln.=
10,x
m sec.1,5.41
Het totale slibdebiet is
0,317
m/sec., 3 zodat er dus30
cyclonen nodig zijn.De drukval over de cycloon is volgens
(J)
als volgt t~"bercl<enen:waarbij:óP in Psi
j1
in I/min.o
in cmc
Uit
elf)
volgt:IJ.
P = 0,782 Psi=
5,4 x 103 N/m2: I
I I I
I
IU
o
I
v
u
u
I
I
IC
I I ,,
'-'-
1
7
----_._-.-~.)-~-_ .. _--- _. --~--._..
.
_: _____ i. _ _ :..._;_J ____ .: __ · . • • i . . . '_'_-~---._ .. - - , --._---_
.._-_._
... -.--_. ··'i. ::}- .!,-I
..
--- .1---:-~ . --.. l - • I • .i·---Î--~~-.~-~~-.l----.-t~-
j'- .--' _. ---. -----,
----~:...:...:. ---'.- .---_.:._----!..---·i" I . . , .. - --:-,'---:-::' .. ---r . ' , _ _ _ _ _ _ - 0 -• • • • • _ 0 ' " • _ _ •----,._._----_ ..
, -
:_-~..
~-'-" ..:~---+ i i.1
. ! < j '! . .; I ,- - - _
.. _---_._---_._---. __ L._ --;-~-- i--~--J:.
___
~~L_ ._. __ . _ . _ _ _ _ _ _ ,~: .;..;...L ..::..:--:-,-:-:-:c--+1:-:-,-: 'c-' ~...c...l...::...!"':"":__ --.- ----.-i r~~~~~~~~~~~~~~~~==~t ~~~~~~~~~~~~~~~...:....:-- ~~~~~~~~~~~~~~~...:....:-- --î-:--:--+- -- . ---!. - . __ . - ~ ____ ~~_~~_i ~---:--.\0
t i_ " ._-----_.-"[
-:--;-j--, - . - , ' - - -- - " '---1" •. ----:. •
i~ ~:
:--c....:~-l:î....:::...:..~
: i " o . • • .. _-.----'---. ! -'---.-'---.-'---.
-:
~_
. --.
I ...-._
---.---.
---:
-:~-iï-~:-.--- : .-:~-iï-~:-.----:~-iï-~:-.--- :....:T:~--" , .. ,. ----.. ---;----_ .. _~_-.:.:. : ·· . . l . ; , " f__ L_,; ____ . __ _
=-.:+
~_l-+~l~~i
___
~~~-=:.-~
r·-....
. ,
. ,
r-~
---:'
--
--~T:~T-~;---
i :~-"--r'
---~-
....-+~
.:.-:1-
----
i --.... . -L ___ ~-b
--.-4.~I_...;...-:.-.... O;:;;:~~-.J.-~~~~4-~~'"""'"=~ ... ===~""=...
...;...-__:"L-~~~.L---~tO
..
.
_____
. _
10
30
40
.
sc
_:
_ _
60
._.~
.~
. _
70
6>0 L. . ' . . _.-.-.-.----,---t=-:~-
..
---";'-
J.
-
~
---:
.À\?S~~~
!! __ . ___ : __ ..._:
t
:~-
t(~
j_~
~
.. __
t_.~
:-l~=l-
-::
_L~.
T--:-'-T---i <T -al
! I · . . tp ___ . . ' 4 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ . _ _ _ _ _ _ . _ _ . _ L -___ ~ _ _ _ . _~ ____ . ____ ~ ___ ._. __ . ~,_.I
J
v
I
I
I
lu
to
-
12
-Oe
3fmetin~8nvo
l
g
ens
(b)
ven dp. hydrocycloon
zijn:
(
,
6-t D u 5 D C D,=D /7 l C D =D/3
u 0 D =D /5 o CMet
behulp van de deeltjesgrootteverdeling en tabe13
-
-kan
gra-fisch uitgerekend worden hoeveel droge stof uit het slib
verwij-derd
wordt. Uit fi
gu
ur
l
volgt dat
in totaal 32
%
van
de
droge
stof verwijderd
wordt.
5.2 De kweekreactor
De Zoogloea
rami
ge
ra
verbruikt
zuurstof, zodat voor de kweek een
bellenkolom
(zie
bijlage 5)
geb
ruikt
wordt. De bellenkolom
heeft
een effectief
volume
v
a
n
650
m3
•
(eindconcentratie 10
kg d.s./m3)
De reactoren wor
d
en opge
s
tart met
een
en~%
(v/v). Aangezien
,
de
gebr
uikte
hoeveelheid bacteriën
6,8
kg/s
bedraag
t
en het
leeg-pompen van de re
act
or 10 uur
duurt, is er
per
10 uur
1
0 , 3600
x6, 8
x(1 ,1
=
10
3
3
26,9 x
10
m
rea
ct
orvolume
(dus 42 reactoren) nodig. Een kweek duurt 60 uur. Voor het vullen
en leegmaken v
a
n de 42 reactoren is 2 x
10uur nodig, zodat er
8x
42 reactoren
gebruikt gaan
worden.
Ju
I
I v I.IV
I !\..J I I _!U
IDe kweekre
act
or heeft
nu
de
volgende
afmetingen
;
diameter
hoogte
gas debiet per
reactor
aantal
beluchtpijpjes
gasholdup
effectief
reactorvolume
aantal reactoren
eindconcentr~tiebiomassa
5.3 De polymerisatiereactor
7,6
m
21
m
2,72 'm
3
/s
3264
0,32
650
356
3 m3
10 kg/m
In deze reactor worden de bacteriën uit de kweek (50% van het
totaal) samengebracht met de gerecirculeerde geïmmoboliseerde
bacteriën.
De deeltjes
bevatten nog
maar
50
%
van het
oorspron-kelijke aantal
bacteriën. Deze
bevatten
nog
geen
polymeer.
De
polymeerproductie geschiedt
onder
invloed
van
glucosetoevoeging
tot een concentratie van 5
%
. Crabtree (1,2) vond dat 5 uur na
d~
glucosetoevoeging nog maar 50% van
de
bacteriën in leven is.
Wij
gaan er nu van uit, dat in die 5 uur de bacteriën uit de
kweek
voldoende tijd hebben
gehad
om het polymeer te maken en
om te
hechten aan de
zanddeeItjes.
De reactor
is uitgevoer
d
als een
Pachucatank
met
continue
beluchting
(zie
bijlàge 6
).
De hoeveelheid lucht die
ingebla-zen wordt, moet er voor
zorge
n
dat de deeltjes
in
oplossing
blijven en voldoen
d
e zuurstof
(voor
maintenaince) krijgen.
Het
debiet
door de reactor is
0
,
68
m
3
/s; bij
e
en
reactor-2
doorsnede van 76,8 m
betekent dit, dat de reactor
160 m lang
wordt. De benodigde
hoeveelheid
gl
ucose is
34 kg/se De
deel-tjes
bestaa
n uit
een
drager (zand,J'z
=
2650
kg/m
3
)
met een
diameter
van
200tm. De biolaag is 1
oot
m dik en
bevat
50%
I
IV
u
()
-
20
-5.4
De
dep
olym
e
ris
at
iereactor
In
deze reactor breken
de bacteriën onder
invloed
van
c-gelimiteerde
omstandigheden
het
polymeer af, zodat het
metaal
v rij
kom t. U
i t
del i
t
arat
u u r
(f,
l)
b1. ijk t dat dit
0n
g
e vee r 40
uur duurt. Tijdens deze depolymerisatie moet het metaal
uit
de
deeltjes
g
ewassen
w
orden. Dit
gebe
urt
met een
15-voudige
\\1' ...
/1-.-.-.----.
hoeveelheid
water. De aanvoer
aan levende biomassa is 22,5
kg natls (Pb
=
1090
kg/m
3
),
zodat 0,31
m
3
/s
water
nodig is.
De
beluchti~gen menging geschiedt weer
via
een
Pachuca-3
tank (zie bijlage6 ).
De
g
asstroom
is 19 m
Is .
100m
reactor-lengte. De verblijf
tijd in deze
reactor
is 40
uur,
zodat
de
2 3
lengte
(
opp
=
76,8
m
,~=0,31
mis)
580 meter
is.
5.5
De
slibreactor
In de
slibreactor wordt het slib
gez
uiverd v
a
n zware metalen.
De reactor moet
aan
2 voorw
a
arden voldoen:
voldoende
vloeistofcirculatie, zodat de de
e
ltjes in oplossing
blijven
voldoende zuurstofoverdracht
(voor maintenaince).
Wij
nemen hiervoor
een Pachucatank
(zie
bijlage6
).
Enkele
eigenschappen van
de slibreactor zijn:
lengte
20 km
(als
(carrou
sel
))
,~ 2doorsneee
,)lucht
d
ebi
e
t
76,8 m
319
mis.
100 m reactorlengte
vloeistofdebi
e
t
o
I
'
u
-
2
1
-5
.
6
BE'z
ink
bakke
n
Bij een
gr
ote
aanvoer heeft
men min
der
tanks
nodig met een
cirkelvormige
platte
g
rond dan tanks
met een
rechthoekige
platte
gr
ond (literatuur
1Ç ) .De b
e
zinkbakk
e
n
die
we
gebruiken
zijn
v
an
het
type Imhoff
en h
ebbe
n
een cirkelvormige platte
-g
rond.
De ma
x
i
ma
le diamet
F
r
v
an
e
e
n
bezinkbak
is
60
meter,
doch de voorkeur verdienen
bakk
e
n met
een diameter van
30
à
40
meter. De bodem van de
tank
ligt
in
het midden van het
reservoir
lager dan aan de
om
trek
;
de
hellin
g
van de bodem
is
12%.
Een
drijflaagafst
rijk
er schuift de
d
rijflaag in een
drijfgoot. Om de mesbelasting te
redu~erenp
asse
n we een
bin-nengoot op consoles
geplaatst, toe. De hartlijnl van
deze
goot
ligt
o~ 0,75meter van de buitenrand.
Er zijn
3
bezinkbakken nodig om het zand en de biolaag
van
het slib te scheiden.
Aanvoer per bak
Verblijf tijd
I nhou.d
Oppervlaktebelasting:
30,332 m
Is
1~uur
1794
m
3
3
2
.
1~
m
Irrrh
Diameter bezinkbak
:
34,9
m
Gemiddelde hoogte
Meslengte
M
es
belast
in
g
: 1,88m
319,5
m
35,6 m
I
mh
De
hoeveelheid
slib
dat meeb
E
zinkt
is
be
rek
e
nd in
bijlage
9
We nemen 2
bezinkbakken na
de
d
epolym
erisatie
.
Aanvoer
per
bak
0,155
m
3/s
V
e
rblijf
tijd
1t
uur
Inhoud
837m
3Oppervlaktebelasting:
1~
m
3
/m
2
h
Diameter
Gemiddelde hoogte
Mes
len
gte
1'1e
sb el as ti ng
23,8
m
1,14m
214,9
m
3-2,6 m
I
mh.
•
I - --1'0
IIN
"M
Q
0-v
C
'-' \....!
,,
'\...-C
" -'-
Voor-waarts
M
Q
6,8
6,8
6,8
6
8
6,8
6
Massa -en
Warmtebal ans
BACTERIEN (DROOG) .JT 1
R 12 R 15 ~1 18R 20
Retour
UIT
tv1
M
Q
Q
v \..-)
10
1
I I I , I IV
II
II
I ~IV
0
I
I
1-..) I I -.) I I.
I
0 I I I I10
!
,-I
b ,0b.8
-.
1
~
Massa in kg/s
Warmte in kW
~7 - é j-~
1
r-6
,
8
M 21 I.
t. M 2.2L
J
1
1
II
Totaal
.,.
I
i
Fabri eks vooront werp
;!
,Voor-IN
w aarts
o
M
Q
M
a
374 ,J/4 vu
349 IJU
i~q l.J \..) IJo
-
2'-1-
-Massa -en
Warmtebal ans
SLIB 11 4 Mt
.
Rt.15 M 18R
- t I-etour
UIT
M
M
Q
a
349I
o
U V0
I 1 1V
1I
I
U
I I . 10
j
IiV
I
1 I\)
I i!
~IN
M
4,1
V
oor-w
aarts
Q
M
Q
-4,1
4,1
4,1
4,1
4,1Massa
-en
Warmtebalans
METAAL
M 4MH
R 15
M 18R 20
R
etour
UIT
M
M
Q
Q
I ., ...v
0
v
() I -....) I I,
\,J I -..) , , v 4,1 ~..
-.
<
Massa in
kg/s
Warmte
in kW
-
2
6-1.
M21
4,1.
-r----1-Totaal-
~,I
4,1Fa bri eks vooront werp
No:
-I
J
~.r
c'
c'
C,
A pparaa tsTroom
slibstroom 3, Compo
'
nenten
M
, slib 374 water lucht bacterien{drooal n'l1~n!':pTotaal:
374Apporaatstroom
lucht 12, Componenten
M
lucht 40 slib bacterien(drooc) waterTotaal:
M
in kg/s
a.
in
kW
140c
Q
a.
o
c
G
c
o
lucht 4 grof slib 8 g l u c o " '_
M
n
M
Q.
M
k
~
,-25 12QO_ 34 1260 25 34voeding slibr. 13 lucht 14 lucht 15
M
Cl.
M
a.
M
a.
4940S12?
349 " I .J4H f4940 5122Stroom /Componenten staat
c
' l
...
baçterien uit kweek
M
Q
680 6,8 686,8 voeding slibr. 16.
M
a.
6,8 680 686,8 Ic
fU --."j,
,I
A pparoa tstroom
,
Componenten
0:1 i hwater
bacterien(drooq)
lucht
Totaal:
ADParaatstroom
,
Compone~ten
water
bacterien(drooq)
metaal
I I iI
ITotaal:
IM in
kg/s
a.
in
kW
effl. slibreactor 17
M
Q
14Q680
6,8
.
'
1035,8
bacterien recycle
22
M
a.
6
8
6,8
'- ~-water 18
lucht 19
bacterien
M
0.
M
Cl
M
310
6,8
'
143
310
143
6,8
e
ffl.depölym
23
metaalopl. 25
M
0.
M
Q
M
310
110 h,R4,1
,
I I 1316,8
314,1
'
stroom
/Componenten staat
c
-20
schoon
slib 21
0.
M
349
680
1029
0.
M
, ,.Q
a
jl
I Ic
I f\)c
n
I
r--rv
A pparaats room
-;f
,
Compo·n enten
arginine
NHltNO..,
MgSO
.7H
0-
....
L.K HPO
L....
KH.PO
L'*
uit-;omint:> R1? waterTotaal:
A pparaatst:oom
, C om pon e'nten
Totaal:
M
in
kg/s
Cl in
kW
~.voeding
kweek
M
Q
34
34
13 6
13 6
6 8n
14680
782,14
M
Cl
- - - --- -~ 6M
Cl.
M
Q
M
Cl.
-M
a.
M
Q
M
a. .
, I ii
IStroom/Componenten staat
. ~_.
~.---- -- ... _ .... ~ ..-
.... _--~----M
Q
M
a.
,c
I f\) \.' .... ..(.1.'_-u
-
7.
S
TJe
cifi
c
é3
tie
v
an de a
IJfJa
réJten
Apparaat No:
M 5 M 8 M 18 M 19 M 21v
I
!
Benaming,
I MEDIUMSTERILI- MI CROBIOLOGI SC BEZINKBAK 1 BEZINKBAK 2TRANSPORTBAND SATOR FILTER
type
MICROORGANISME+
METAAL.
Capaciteit
450 m /uur 3 2,72 . m 3/s
0,332 m 3/s
0,021 m 37s
0,155 JO 3/s
-:;. .u
Abs.of eff.
iIE3,5 abs. 2,5 abs. 1,0 abs. 1,0 abs. 1,0 abs.
druk in bar
,V
temp. in
°c
129,5 37 30 20 30Inhoud in m
3
lengte... 50m 1,91 1794 lengte=100m 837of afmetingen
diameter= diameter=1,95m diameter=34,9m diameter=23 , 8m 0,155mhoogte=1,88m hoogte= 1 , 14m
*
in m
aantal
serie/parallel
55 parallel 356 parallel 3 parallel 1 2 parallelVERMOGEN
XKwl
3,6/5,2rrHEOR/PRACI'
.
,'---''
*
aangeven wat bedoeld wordt
( j --J I
u
,~ I V;v
I II
I
I IApp
araat No:
Benaming,
type
Capaciteit
Abs.of eff.
~druk in bar
temp. in oe
Inhoud in m
3
of afmetingen
in
m
!H:aantal
serie/parallel
VERMOGEN (KW)
THEOR/PRACT
M22
I:
!rRANSPORTBAND
iRECYCLE
MICRO-ORGANISME
3
0,021 m
/s
1,0 abs.
20
lengte=lOOm
13,6/5,2
M10
HYDROCYCLOON
3
0,011 m /s
2,0 abs.
10
hoogte~J,Om
diameter=0,6
m
JO parallel
.
-., .*
aangeven wat bedoeld wordt
. I I I I
i
I : I I 1 1 I-
.
-- - - --j
1-Apparatenlijst voor reaktoren,
kolomm~~~_~~!~~---Appara
a
t No:
T 11 R 12 R 15 R 20Benaming,
KWEEKREACTOR POLYMEERSYN- SLIBREACTOR DEPOLYMERISATIEtype
THESE REACTOR REACTORi
.
i
-•
i
Abs.of eff.
!IE 1,0 I1,0 1,0 1,0 1 , -