Granulaire actief koolfilters

Keuze van actief kool

De keuze van de geschikte actief kool gebeurt op basis van theoretische kennis en ervaring.
Indien meerdere verontreinigingen in het afvalwater aanwezig zijn, wordt eerst een experimentele adsorptie-isotherme, ook Freundlich isotherme genoemd, opgesteld (d.i. een statische test). Deze isotherme beschrijft de verdeling van adsorbaten over het adsorbens en de bulkoplossing. Na de keuze van de geschikte actief kool (d.m.v. de adsorptie-isothermen), kunnen dynamische testen een beter inzicht geven in de opbouw van een full-scale filter(kolom)installatie, de dimensies, de contacttijd, de doorbraakcurve, enz. Er wordt hierbij ook een beter inzicht verworven in de preferentiële adsorptie van de verschillende verontreinigingen. Sterk geadsorbeerde componenten kunnen de zwakker geadsorbeerde componenten verdringen.

Voor de zuivering van afvalwater worden dikwijls actief koolfilters ingezet, die down-flow bedreven worden, m.a.w. de actief kool wordt progressief vervuild. Eerst bovenaan, dalend naar onder. Er vormt zich een adsorptiezone (adsorptiefront), afhankelijk van de aanwezige componenten.

Bij gelijkwaardige componenten is er een fijne adsorptiezone (overgangszone) tussen de volledig verzadigde en de nieuwe (onverzadigde) kool. Indien een mengeling van verschillende componenten over de actief kool wordt gestuurd, ontstaat een zone waarover zich een concentratieprofiel vormt. Op een bepaald moment zal de adsorptiezone het einde van de kolom bereiken en is er doorbraak.

De interpretatie van een doorbraakcurve wordt bemoeilijkt door verdringingseffecten in de kolom. Op die manier kan bij doorbraak zelfs een effluentconcentratie verkregen worden die hoger is dan de influentconcentratie:

• Bij een dalende influentconcentratie past het adsorptie-evenwicht zich aan aan de nieuwe concentratie, waardoor er geadsorbeerde componenten vrijkomen. Bij hoge of dalende adsorptie-efficientie vormt dit geen probleem, vermits er nog adsorptiecapaciteit overblijft.
• Verdringing kan ook plaatsvinden door competitie tussen twee componenten met verschillende adsorptiesterkte: een zwak adsorbeerbare component kan verdrongen worden door een sterker adsorbeerbare component.

Onderhoud van actief koolfilter

Om de adsorptiezone niet te verstoren, is het aan te raden de actief kool niet tegen te spoelen (daarom indien nodig een voorafgaande filtratie voorzien).

Voorbehandeling van afvalwater

Om verstopping van de actief koolfilter te vermijden, moet het gehalte zwevende stoffen in het afvalwater beperkt blijven en bij voorkeur niet hoger zijn dan 20 mg/l. Een voorfiltratie is dan aangewezen.

Ionen kunnen neerslaan in de actief koolfilter en de adsorptiecapaciteit in sterke mate verlagen. Een voorbehandeling is dan aangewezen.

Keuze van aantal filters/opstelling van filters

Om efficiënt te kunnen werken bij een lange adsorptiezone kunnen 2 afzonderlijke filters in serie geplaatst worden. De eerste filter wordt dan pas vervangen na volledige verzadiging. De tweede filter schuift door naar de eerste positie. De nieuwe filter wordt geplaatst op de tweede positie.
Bij de zuivering van grote hoeveelheden afvalwater, kunnen 2 filters in parallel geplaatst worden om een filter met te grote afmetingen te vermijden.
Het aantal filters wordt bepaald door de voorbehandeling, de hiermee behaalde concentraties aan verontreinigingen en de geldende lozingsnormen.

Vermijden van voorbelading

Een probleem dat kan optreden bij de verwijdering van micropolluenten door adsorptie op actief kool is voorbelading van de filter met natuurlijk organisch materiaal (NOM) dat aanwezig is in het te zuiveren afvalwater. Deze voorbelading ontstaat door een verschil in adsorptiesnelheden tussen de NOM moleculen en de micropolluenten, een verschil dat samenhangt met een verschil in molecuulgrootte. NOM moleculen zijn relatief groot, waardoor ze zich relatief langzaam naar de adsorptieplaatsen bewegen. Het gevolg is een relatief snel transport van het adsorptie front van de NOM moleculen door de kolom, de filter. Micropolluenten zijn kleiner en worden dus sneller geadsorbeerd door de actieve kool. Het gevolg is een relatief traag transport van het adsorptiefront van de micropolluenten door de kolom. De adsorptieplaatsen zijn, op het moment dat dit laatste adsorptiefront langskomt, al ingenomen en de toegang tot de adsorptieplaatsen is afgesloten door de grotere NOM moleculen. De adsorptiecapaciteit voor micropolluenten neemt dus af met de afgelegde afstand in de kolom.

De storende rol van NOM moleculen kan worden beperkt door:

• een voorafgaande verwijdering van NOM moleculen, b.v. door coagulatie
• een verwijdering van NOM moleculen van de actief kool door tussentijdse spoeling met loog
• het opdelen van een conventionele filter in deelfilters

Beluchting van actief koolfilter

Uit literatuurbronnen is geweten dat de adsorptiecapaciteit van actief kool t.o.v. bepaalde moleculen, zoals fenol, toeneemt als het afvalwater een hoge concentratie zuurstof bevat. Dit wordt dan voornamelijk toegeschreven aan chemische oxidatie van de te verwijderen componenten, waarbij de actief kool als katalysator kan optreden.

Uit literatuurbronnen is eveneens geweten dat actief kool goed fungeert als dragermateriaal voor bacteriën, waarbij in en op de kool bacteriën groeien en een biofilm vormen. De groei van bacteriën op kool kan soms negatieve effecten veroorzaken. Zo kan de actief koolfilter verstoppen door een te sterke groei van bacteriën of kan de aanwezigheid van anaërobe bacteriën leiden tot de vorming van sulfiden, met de ongewenste geur en kleur als gevolg. Dit fenomeen kan ook positief benaderd worden, nl. dat de bacteriën kunnen instaan voor de afbraak van de verontreiniging uit afvalwater, opgelost in het water enerzijds en anderzijds geadsorbeerd op de kool (bioregeneratie van de kool). De normaal biologisch moeilijk afbreekbare moleculen worden door adsorptie gebonden op de kool waardoor een tragere en moeilijke biodegradatie plaatsvindt.
Het doseren van poeder actief kool in de klassieke aërobe biologische waterzuiveringssystemen, gekend onder de naam PACT, is daar eveneens een toepassing van.

Er zijn systemen op de markt beschikbaar die op een doeltreffende en efficiënte manier zuurstof op een klassieke actief koolfilter brengen (o.a. Oxycon techniek).

Het BACF systeem is gebaseerd op ozonisatie, gevolgd door actief kool adsorptie. Ozonisatie bevordert de afbraak van organische componenten tot kleinere, beter oxideerbare en biologisch afbreekbare moleculen. Ozonisatie verhoogt ook de zuurstofconcentratie in het water en verbetert zo ook de condities voor biologische groei in de filters. De verhoogde concentratie aan gemakkelijk afbreekbaar organische materiaal veroorzaakt een hogere biomassaconcentratie, waardoor de biodegradatiecapaciteit in actieve koolfilters vergroot. Daardoor kan organisch materiaal geadsorbeerd en/of biologisch worden afgebroken, afhankelijk van de aard van de component. Al geadsorbeerd materiaal kan ook biologisch afgebroken worden. De adsorptiecapaciteit van de koolfilters is groter, zodat de looptijd langer wordt, en de verwijdering van micropolluenten efficiënter verloopt.

Referenties

Craeye, J. (2007, 13 november ). Actieve kool in proceswaterbehandelingen - Industriële toepassingen. Ingenieurshuis - K VIV, Antwerpen, België.

EIPPCB (2006). Best Available Techniques (BAT) Reference Document for the Waste Treatments Industries. EIPPCB, Sevilla, Spanje.

EMIS (2009). WASS - Waterzuiveringsselectiesysteem.

Van der Bruggen, B. (2007, 13 november). Oxidatie en adsorptie. Ingenieurshuis, K VIV, Antwerpen, België.