Toepassing van elektrocoagulatie op water met lage geleidbaarheid

De (afval)watersector in Nederland en Europa zet zich in voor een verlaging van de CO2-voetafdruk. Daarmee is ook een vermindering van het chemicaliënverbruik gewenst. Tijdens de drinkwaterproductie kan een ijzervlokmiddel aan water worden gedoseerd om troebelheid, fosfaat, NOM en arseen te verwijderen, en voor het behandelen van spoelwater. Een veelbelovend alternatief voor deze chemische coagulatie is elektrocoagulatie, vanwege de lage CO2-voetafdruk en hoge coagulatie efficiëntie. Daarnaast is geen transport en opslag van vlokmiddelen nodig.

Deze pilotstudie onderzoekt de toepasbaarheid van elektrocoagulatie voor de behandeling van water met een lage geleidbaarheid (≤600 μS/cm, een typische waarde voor oppervlaktewater, grondwater en spoelwater van snelfilters) en zoekt een antwoord op de vraag welke waterkwaliteit en operationele parameters bij dit proces cruciaal zijn.

Technologie

Bij chemische coagulatie tijdens de drinkwaterproductie zorgen de langzame bezinking van het slib en het lage droge stofgehalte van het ijzerslib vaak voor problemen. Het gebruik van elektrocoagulatie kan leiden tot dichter en beter bezinkbaar slib, in vergelijking met conventionele coagulatie. Tijdens elektrocoagulatie worden in-situ Fe hydroxides (ijzervlokken) gevormd, door elektro ontbinding van een opofferanode. Fe(0) oxideert tot opgelost Fe(II), dat vervolgens sedimenteert als ijzervlok.

Voordelen van elektrocoagulatie zijn:

• Geen dosering van chemicaliën nodig; kosten van chemicaliëntransport en -opslag vervallen;
• Genereren van dichtere vlokken die sneller bezinken dan bij conventionele coagulatie;
• Lagere bedrijfskosten dan bij conventionele coagulatie. Zo bleek uit een voorstudie van KWR dat met elektrocoagulatie de operationele kosten met de helft kunnen worden teruggebracht (800 k€/Mm3 voor elektrochemisch doseren van Fe, tegenover 1600 k€/Mm3 aan bedrijfskosten voor het behandelen van spoelwater van snelfilters (WTP Drost) met conventionele coagulatie (40% w/v)). Daarnaast toonde een voorlopige LCA-studie van KWR met SimaPro 8 aan, dat elektrocoagulatie een aanzienlijk lagere impact op het milieu heeft dan conventionele coagulatie. Bovendien daalt de pH niet en wordt geen chloride aan het water toegevoegd.

Uitdaging

De vergelijking van elektrocoagulatie met coagulatie met conventionele vlokmiddelen wordt gedaan met pilot laboratoriumonderzoek en een bureaustudie. De pilot van KWR heeft een capaciteit van 20 l/h, is voorzien van 4 ijzeren elektrodes en bestaat uit een reactor, een vlokvorming en een sedimentatie compartiment. Procesvariabelen zijn de ijzerafgifte aan het water en de afstand tussen de elektroden. De ijzerafgifte wordt gestuurd met de stroom en spanning die aan de elektroden worden aangeboden. De resultaten van het pilotonderzoek worden theoretisch geëxtrapoleerd tot het ontwerp van een praktijkinstallatie.

Oplossingen

De pilotexperimenten met spoelwater van snelfilters (Dunea of Brabant Water) en oppervlaktewater uit reservoir De Blankaart (De Watergroep, België) moeten in inzicht geven in de mogelijkheden tot verwijdering van troebelheid, zwevend stof, fosfaat, arseen en organische stof met elektrocoagulatie.

Specifieke doelstellingen zijn:

• Onderzoeken van de efficiëntie van elektrocoagulatie voor destabilisatie van zwevende vaste stoffen;
• Onderzoeken van de efficiëntie van elektrocoagulatie voor verwijdering van arseen (en andere opgeloste verbindingen zoals NOM en fosfaat) uit water;
• De mechanismen van Fe-neerslagvorming in de elektrocoagulatiereactor vaststellen en de prestaties van elektrocoagulatie bestuderen onder uiteenlopende waterkwaliteitsomstandigheden (bijvoorbeeld elektrische geleidbaarheid, zwevende vaste stoffen, pH, opgeloste componenten, enz.) en bedrijfsomstandigheden (toegepaste stroom/spanning, elektrodeafstand, opgeloste zuurstof, mengsnelheid, enz.);
• Inzicht krijgen in het bezinkings- en indikkingsgedrag van ijzerslib.

Wanneer projectpartners op grond van de laboratoriumexperimenten voldoende potentie zien in elektrocoagulatie, gaan in een volgende fase lange termijnexperimenten op locatie van start. Hierbij kunnen verschillende onderzoeksvragen worden beantwoord die met laboratoriumexperimenten niet mogelijk zijn. Zo bestaat de hypothese dat de elektroden als gevolg van microbiële groei of ijzerafzettingen na verloop van tijd kunnen vervuilen, wat leidt tot afname in de elektrocoagulatie-efficiëntie door verminderde oplosbaarheid van de anode. Een pilotinstallatie moet antwoord geven op verschillende onderzoeksvragen. Het onderzoek wordt uitgevoerd in Bergambacht (Dunea) met oppervlaktewater uit de Lek en met spoelwater van snelfilters.

Dit vervolgonderzoek moet leiden tot:

• Inzicht in de prestatie van elektrocoagulatie als gevolg van seizoensgebonden veranderingen van de kwaliteit van oppervlaktewater;
• Inzicht in vervuilingsaspecten van de elektroden bij langdurige werking en als functie van de waterkwaliteit (oppervlaktewater vs spoelwater);
• Inzicht in de bezink- en filterbaarheid van het ijzerslib, inclusief gedetailleerd onderzoek naar de structuur van het sediment, colloïdale stabiliteit, watergehalte enz. met technieken als SEM/TEM-microscopie en laserdiffractie (XRD);
• Optimalisatie van het ontwerp van de elektrocoagulatiereactor op basis van inzichten uit de veldproeven, bijvoorbeeld elektrodeafstand, elektrodeverbinding (parallel, serie, enz.), positie van de elektroden in de reactor, met/zonder flocculatiekamer, enz. CFD-modellering is bruikbaar voor inzicht in het procesontwerp.