De zoektocht naar een doeltreffende en kostenbesparende dosering

Transcriptie

1 De zoektocht naar een doeltreffende en kostenbesparende dosering Eind jaren 1980 liet Hoogovens een nieuwe aluminium gieterij bouwen op haar site te Duffel, België. Sedert lang produceerde het bedrijf gedemineraliseerd water van gedecanteerd oppervlaktewater onttrokken aan een naburig kanaal. Dit water komt oorspronkelijk van de Maas, waarna het een weg aflegt van meer dan 100 km. De eisen van de gieterij waren echter moeilijk te verzoenen met de kwaliteit van dit gedemineraliseerde water zoals verkregen door ionenuitwisselingsharsen. Uiteindelijk werd de voorkeur gegeven aan een mengeling van gefilterd water en water gezuiverd door osmose. De keuze voor omgekeerde osmose impliceert nochtans een hoge filtratiekwaliteit. Hoe dan ook liet de firma ultra-filtratie technieken achterwege om budgettaire redenen en beperkte zich tot het vervangen van reeds bestaande zandfilters. Zulke filters behandelen al het oppervlaktewater dat in de fabriek gebruikt wordt en hebben een capaciteit van ongeveer 40 m 3 /h per twee filters. Teneinde de kwaliteit van het water bestemd voor omgekeerde osmose te verbeteren, voorzagen we een aanvullende dosering van flocculant in functie van het debiet van het voedingswater afkomstig van de waterkelder voor de filters. De installatie werd opgestart in 1997 tegelijkertijd met de dosering van flocculant. Gedurende drie weken functioneerde alles perfect vooraleer de resultaten verslechterden. Geen van de proefnemingen met flocculanten uitgevoerd op de installatie leidde tot een acceptabel SDI resultaat. Men besloot dan zijn toevlucht te nemen tot de twee stappen van coagulatie en flocculatie. Meerdere weken waren nodig om een performante combinatie van reagentia op punt te stellen. De doseringen waren echter duidelijk lager dan verwacht: in vloeibare fase kwamen de waarden uit op 3 ppm voor het coagulant en op 5 ppm voor het flocculant De SDI waarden bevonden zich onder de grens van 5 ppm, als vastgesteld door de membraan fabrikant. Het moest nog worden bevestigd of de gebruikte producten compatibel waren met het type van membraan in kwestie. Dat was de tweede fase van het onderzoek. De vastgehouden oplossing gaf de voorkeur aan chloride als coagulant en aan een organische flocculant. Het was niet mogelijk gebleken het aluminium tegen te houden. Het gebruik van ijzerchloride bracht echter een risico met zich mee ten aanzien van het geproduceerde aluminium. Gelukkig werd dit risico beperkt door het vermogen tot autoflocculatie van Fe 3. De concentraties van Fe 3 naderden echter soms erg dicht de toegestane maximumlimiet in het geproduceerde water.

2 De kwaliteit van het water was gestabiliseerd. Toch werden de omgekeerde osmose membranen steeds vuiler en was hun reiniging nooit volledig, in die mate dat ze de verwachte termijn zelfs niet haalden. Deze situatie was echter niet helemaal onverwacht gezien de oorsprong van het te behandelen water. Filtratiepogingen werden vervolgens ondernomen om door middel van kaarsfilters de resterende materialen tegen te houden. Kaarsfilters van 1µm absoluut brachten geen significante verbetering teweeg. Daarenboven raakten ze zeer snel verstopt. Analyses van de kaarsfilter wezen voornamelijk op de aanwezigheid van nitraat, niettegenstaande dit van nature zeer oplosbare ionen zijn. De oplossing lag dus niet in een gewone filtratie. Rekening houdend met het rudimentaire karakter van de waterbehandeling voorafgaand aan de omgekeerde osmose, werd besloten om deze voorbehandeling te verbeteren door een actieve koolstoffilter in het systeem te implementeren. De actieve koolstof werd op een stevige laag zand aangebracht om te voorkomen dat deeltjes zich een weg zouden kunnen banen naar de omgekeerde osmose en de membranen verstopt konden geraken. Deze tweede filtratie bleek niet geheel nutteloos, maar opnieuw konden we geen meetbaar effect detecteren van de actieve koolstof op het gedrag van de omgekeerde osmose in een normale werking. De kwaliteit van het water na de zandfilter varieerde met de seizoenen en andere ondefinieerbare factoren. Bijgevolg was de dosering vaak moeilijk fijn te stellen. De metingen uitgevoerd tijdens de proeven wezen op een verband tussen de waarden van de SDI en die van de turbiditeit. Dit verband kan worden samengevat als volgt : een SDI in de orde van 5 stemde overeen met een turbiditeit gesitueerd tussen 0,3 en 0,35 NTU. Een turbiditeit hoger dan 0,6 NTU wees op een onmeetbare SDI, boven 30. Op het eerste zicht leken de SDI metingen dus gunstig door de turbiditeitsmetingen te kunnen worden vervangen Met een moeilijke en intensieve afstelling van de dosering kon een waterkwaliteit van minder dan 0,6 NTU worden gerealiseerd. Het bufferen vroeg een langdurige inspanning en de pogingen waren veeleisend. Aan de andere kant wees ervaring uit dat het noodzakelijk was in te grijpen van het moment dat de grens van 1 NTU overschreden werd. Ondanks deze moeilijkheden constateerde de cliënt dat het gezuiverd water, zoals op deze manier gefilterd door osmose, aanzienlijk goedkoper tot stand kwam dan water

3 gedemineraliseerd door middel van ionenwisselaars. Hij verving daarom zijn ionenwisselaars door twee reeksen van membranen voor omgekeerde osmose. Membranen die beschermd werden door een microfiltratie, gevoed door water afkomstig van de zandfilters. Gezien de vruchtloosheid van de verschillende pogingen, besloten we de hele installatie te heroverwegen, te beginnen met het coagulatie-flocculatie proces en de filtratie. Enkel de optimalisatie van elke stap afzonderlijk kon tot een beter globaal resultaat leiden Het was noodzakelijk om te realiseren dat de performantie van de voorbehandeling van het water in verhouding stond met de kwaliteit verkregen vanaf het moeilijke begin. Meerdere factoren kwamen tot uiting : - De lage doseringen zoals vastgesteld door de eerdere proeven wezen op een daadwerkelijk proces van coagulatie en flocculatie. Het is bekend dat de dosering van reagentia uiterst nauwkeurig dient te gebeuren. - Deze lage doseringen hadden een miniem debiet van de reagentia tot gevolg, in de orde van 120 tot 200 ml/h. Dit verplichtte ons te werken aan de onderlimiet van de capaciteit van de doseerpompen op de markt. De werking van de pomp werd verlaagd tot een minimum, wat weinig marge voor aanpassingen liet. De impulsfrequentie werd eveneens verlaagd, wat een goede verdeling van de reagentia verhinderde. - Het aanzienlijk bufferen van het inkomend debiet maakte een systematische dosering van de coagulant praktisch onmogelijk. Deze factoren wogen op de inspanningen teneinde de werking te corrigeren. Maar het was absoluut noodzakelijk om eerst op dit niveau in te grijpen. Het sprak voor zich dat deze moeilijkheden moesten overwonnen worden om de omgekeerde osmose een regelmatige en voldoende waterkwaliteit te kunnen garanderen Er bestond nu een overtuiging dat een manuele afstelling van de dosering haast onmogelijk was. Een procedure moest dus tot stand gebracht worden die de dosering automatisch zou afstellen. De mathematische stap waarin de toekomstige doseringen zouden worden bepaald aan de hand van de waarnemingen bekomen in de voorgaande pogingen, was gemakkelijk te verwezelijken. Het was bijna gegarandeerd om op dit niveau resultaten te realiseren. Veel andere elementen, waren daarentegen veel minder voorspelbaar, zoals het karakter van de controlemetingen, het tijdstip van de metingen, de invloed van de staat van de filters en de progressie in de productiecyclus, de invloed van het meettoestel zelf, de wisselwerking tussen de doseringen, de volumes van toegevoegde buffer, etc.

4 Daarom hebben we een procedure uitgewerkt die op de meest efficiënte wijze rekening houdt met deze parameters en hun invloed minimaliseert. Elke gerichtheid op de snelheid van het resultaat werd losgelaten om ons vooral te concentreren op het bereiken van een betrouwbaar resultaat. We hebben op een duidelijke manier alle zekerheden en onzekerheden van het proces aan onze cliënt voorgelegd, die onze werkwijze is bijgetreden en het risico heeft genomen om deze installatie te financieren. De procedure en de apparatuur. Mede dankzij de reeds uitgevoerde vergelijkende metingen tussen de turbiditeit en de SDI, werd er voor gekozen om de performantie van de zandfilters te meten aan de hand van turbiditeitsmetingen. Deze variabele was niet de referentie van de membraanfabrikanten, maar ze is enerzijds gemakkelijk te meten en staat anderzijds in rechtstreeks verband met het niveau van MES in het water. Het is daarnaast de primaire rol van de zandfilter om deze concentratie naar beneden te halen. Het geïmplementeerde toestel was een Hach turbiditeitsmeter. Per dosering reagent zijn er meerdere metingen nodig om een representatief staal te bekomen en om de precisie te verbeteren. Het coördineren van de opeenvolging van metingen en het memoriseren wordt toegewezen aan een PLC S7-200 van Siemens. Het is ook deze PLC die het niveau van dosering aan het einde van de procedure berekent en deze omzet naar een analoog of digitaal signaal ter besturing van de doseerpompen. Er was geen reden om de doseerpompen aan te passen of te vervangen, noch de gerbuikte reagentia. Enkel bepaalde signalen moesten worden omgeleid naar de PLC waar ze werden herwerkt om vervolgens naar hun bestemming te worden doorgestuurd De inwerkingstelling De installatie werd in werking gesteld begin maart De turbiditeit bleef constant op 0,62 NTU. De ervaring leerde dat dit een respectabele waarde was bij een manuele afstelling. Na enkele kleine aanpassingen werd er begonnen met metingen. Het duurt bijna drie dagen om een volledige meting van de turbiditeit te bekomen. De resultaten werden echter al duidelijk van bij het begin. Na ongeveer 18 dagen was de turbiditeit gedaald tot 0,18 NTU en deze trend zette zich voort. De doseringen waren daarnaast verlaagd en hun verhoudingen

5 verstoord. De lage turbiditeit overtrof de verwachtingen gewenst voor omgekeerde osmose membranen. Hoewel dit voor ons dus niet echt van toepassing was, diende deze lage waarde als bewijs van de stabiliteit en de doeltreffende werking van het algoritme, wat een veel essentiëlere verwezenlijking was. De effecten Het meest onmiddellijke resultaat toonde zich in de nieuwe installatie voor omgekeerde osmose, en dan vooral op het vlak van microfiltratie dewelke sedert enkele maanden in werking was gesteld. Het was inderdaad zo dat de microfiltratie sinds haar inwerkingtreding een dagelijkse chemische reiniging nodig had. Dit bleek noodzakelijk ten gevolge van een aanzienlijk verlies van TMP. De vermindering in turbiditeit had een drastische daling tot gevolg van de frequentie van reiniging, wat neerkwam op ongeveer één interventie per twee maand. De snelle stijging van TMP in de microfiltratie blijft tot op vandaag de meest zichtbare indicator van een disfunctie op het niveau van coagulatie-flocculatie De invloed was ook merkbaar aan de omgekeerde osmose waarvan de microfiltratie ten dienste stond. Een sterke vermindering in vervuiling was merkbaar, wat de nood aan reinigingen aanzienlijk verkleinde en de levensspan van de membranen wist te rekken voorbij de gegarandeerde verwachtingen. Het water op deze wijze gefilterd wordt niet enkel gebruikt voor de membranen, maar voorziet ook de hele fabriek voor allerhande toepassingen. Het resultaat heeft dus een globale impact op de fabriek en zijn fabricatieprocessen. Met de tijd zijn nog andere voordelen van deze methode tot uiting gekomen : - De continue controle van de waterkwaliteit laat een betere preventie toe. - De techniek der aanpassing van de dosering staat toe een aantal storende factoren uit de weg te gaan, zoals fluctuaties in de concentratie van de reagentia, ontregeling van de doseerpompen, etc. - Het gebruik van reagentia wordt geminimaliseerd met verscheidene positieve gevolgen - De aanwezigheid van doseringresidu in het behandelde water wordt geminiminaliseerd wat de vervuiling van toekomstige behandelingen voorkomt. De exploitatie doorheen de tijd

6 Het algoritme functioneert sedert 7 jaar zonder ernstige disfuncties. Tekortkomingen zijn vooral te wijten aan randapparatuur : - versleten turbiditeitsmeterlamp - ontregelde doseerpomp - geblokkeerde debietmeter Er werden twee types aanpassingen doorgevoerd. Ten eerste wenste de cliënt de werkprecisie te verhogen door het te behandelen water te verbeteren. Ten tweede zijn enkele veiligheidsmaatregelen met betrekking tot het functioneren toegevoegd om de exploitatie te vergemakkelijken In het algemeen wordt een turbiditeit behouden van 0,2 tot 0,3 NTU. Bepaalde afwijkingen blijven mogelijk onafhankelijk van de doseringen. Met betrekking tot de turbiditeit hebben we steeds een wederkerende dalende tendens vastgesteld. Eveneens konden we steeds een automatische aanpassing van de dosering waarnemen in functie van wijzigende externe parameters. Een lichte dispersie van de dosering werd ook opgemerkt, vermoedelijk als gevolg van de dispersie van metingen en meetomstandigheden. Conclusies betreffende de methode Een constante optimalisatie van de parameters van coagulatie-flocculatie laat toe de techniek van zandfiltratie opnieuw in lijn te brengen met de voorbehandeling van water bestemd voor omgekeerde osmose. Economisch en robuust, wordt deze techniek vandaag nog steeds verder ontwikkeld. Het merendeel van de materie vervult de rol van bacteriële filter en fixeert de organische materie getransporteerd door het water. Het zand is niet fragiel en vraagt geen herhaaldelijke decontaminatie. Een voldoende toevoer van zuurstof kan volstaan als onderhoud. Onze ervaring met deze techniek van flocculatie, samen met andere professionele ervaringen, heeft ons overtuigd om elke toevoer van organisch materiaal te mijden, zelfs niet in heel kleine concentraties noch verborgen in de structuur van additieven. De precieze afstelling van de dosering van flocculatie beschermt het hele verdere waterverloop, zowel tegen materiaal in suspensie tegengehouden door de filters als tegen doseringresidu s.

7 De installatie kan worden voorgesteld via volgend schema : Totstandkoming Osmose van oppervlaktewater Zandfiltratie Flocculatie Coagulatie-flocculatie SDI metingen turbiditeits metingen Combinatie voor SDI = 5 Doseringen 3 en 5 ppm (vloeibaar product) Onderzoek naar producten compatibel met de membranen Verslijten van de membranen Moeilijke reinigingen Filtratieproeven met kaarsfilters van 1 µm absoluut Gemakkelijke verstopping met verschijnen van nitraten Filtratieproeven met actieve koolstof Constructie van complementaire osmoses voor water gedemineraliseerd via microfiltratie Halfjaarlijkse afstelling van coagulatie-flocculatie dosering Heroverweging van de problematiek vertrekkende vanaf het begin Op punt stellen van een techniek om de kwaliteit te meten en om de automatische dosering aan te passen Verkregen resultaten Problemen die zich hebben gesteld : Augustus 2003 Randapparatuur Precisie Gedrag van de microfiltratie

8 Metingen uitgevoerd op de turbiditeitsmeter Voordelen van de methode : - osmose - preventie - water in het algemeen - verbruik van reagentia - residu s in het behandelde water ( geen ijzer voor de behandeling van aluminium) - een constante kwaliteit - biologisch effect van de zandfilters