FI125751B2 - Järjestelmä ja menetelmä jäteveden puhdistamiseksi - Google Patents

Abstract

Keksintö koskee menetelmää ja järjestelmää, jossa oleellisesti vaakasuuntaisessa juoksutuskanavassa (20) poistetaan vesiliuoksesta epäpuhtauksia elektroflotaatiomenetelmällä käyttäen elektrodeina lamelleja (1-4).

Description

20145700 prh 30 -12- 2015

Järjestelmä ja menetelmä jäteveden puhdistamiseksi

Keksinnön tausta

Keksintö liittyy jätevesien puhdistamiseen ja erityisesti jätevesien puhdistukseen elektroflotaatiolla teollisessa mittakaavassa.

Teollisuudessa ja maataloudessa sekä kaatopaikoilla syntyy suuria määriä prosessivesiä, jossa on huomattavia määriä veteen liuenneita epäpuhtauksia.

Eurooppapatentissa 1583719 on esitetty menetelmä ja laite epäpuhtauksien poistamiseksi jätevedestä elektroflotaatiolla. Puhdistettava 10 jätevesi johdetaan elektrolyysikennon läpi, joka koostuu tornin muodossa olevista putkimaisista, pystysuorista elektrodeista. Elektrolyysi suoritetaan kahden elektronegatiivisuudeltaan eroavan elektrodin välissä siten, että enemmän elektronegatiivisella elektrodilla, joka on puhdistusprosessissa kulumaton, tuotetaan vedestä vetykaasua ja hydroksyyli-ioneja. Vähemmän 15 elektronegatiivisella elektrodilla, joka on puhdistusprosessissa aktiivinen, kuluva elektrodi, tuotetaan puhdistettavaan liuokseen metalli-ioneja. Tämän perusreaktion lisäksi kennossa aiheutetaan tarkasti ohjatussa sähkökentässä haluttu hapetuspelkistysreaktio yhden tai useamman määrätyn epäpuhtauden poistamiseksi puhdistetusta vedestä.

Ongelmana yllä kuvatussa järjestelyssä on, että järjestelmä on monimutkainen eikä se ole skaalattavissa suurille jätevesimäärille. Suurille jätevesimäärille on rakennettava lukuisia esitettyjä kennoja eli putkimaisia torneja, jotka kaikki tarvitsevat apulaitteita, kuten pumppuja.

Keksinnön lyhyt selostus

Keksinnön tavoitteena on siten kehittää menetelmä ja menetelmän toteuttava järjestelmä siten, että yllä mainitut ongelmat saadaan ratkaistua. Keksinnön tavoite saavutetaan menetelmällä ja järjestelmällä, joille on tunnusomaista se, mitä sanotaan itsenäisissä patenttivaatimuksissa. Keksinnön edulliset suoritusmuodot ovat epäitsenäisten patenttivaatimusten 30 kohteena.

Keksintö perustuu siihen, että aikaansaadaan juoksutuskanava, jossa jätevesi virtaa. Juoksutuskanavan pohjalla on lamelleja, joilla on suuri tehollinen pinta-ala, ja joissa lamelleissa elektroflotaatiossa tarvittava elektrolyysi tapahtuu, jolloin veden virratessa juoksutuskanavaa pitkin, siitä 35 nostetaan elektroflotaatiolla epäpuhtauden pinnalle flokiksi ja puhdas vesi

20145700 prh 30 -12- 2015 virtaa juoksutuskanavan pohjaa pitkin. Juoksutuskanavan loppupäässä puhdas vesi ja flokki ovat erottuneet toisistaan ja muodostavat selvän rajapinnan, jolloin puhdas vesi poistetaan juoksutuskanavasta.

Keksinnön mukaisen menetelmän ja järjestelmän etuja ovat 5 järjestelmän yksinkertaisuus ja skaalattavuus. Jätevesi voi virrata juoksutuskanavassa maan vetovoiman avulla, joten suuria pumppuja ei välttämättä tarvita. Järjestelmää voidaan skaalata käytännössä rajattomasti kasvattamalla käytettyjen lamellien kokoaja siten niiden tehollista pinta-alaa.

Kuvioiden lyhyt selostus

Keksintöä selostetaan nyt lähemmin edullisten suoritusmuotojen yhteydessä, viitaten oheisiin piirroksiin, joista:

Kuvio 1 esittää juoksutuskanavaa ja siihen johtavia putkia ylhäältä päin nähtynä;

Kuvio 2 esittää juoksutuskanavaa ja siihen johtavia putkia sivulta 15 päin nähtynä; ja

Kuvio 3 esittää ilokin muodostumisen juoksutuskanavassa.

Keksinnön yksityiskohtainen selostus

Viitaten kuvioon 1, juoksutuskanavaan 20 johtaa syöttöputki 10, jolla puhdistettava jätevesi tai prosessivesi 8 johdetaan juoksutuskanavaan ja 20 poistoputki 30, josta muodostunut flokki 7 ja puhdas vesi 6 poistuvat juoksutuskanavasta. Juoksutuskanava 20 on edullisesti läpimitaltaan suurempi kuin sinne johtava syöttöputki 10, jolloin prosessiveden virtausnopeus hidastuu juoksutuskanavaan saavuttuaan. Mitä hitaammin prosessivesi virtaa juoksutuskanavassa, sitä lyhyemmäksi juoksutuskanava voidaan 25 virtaussuunnassa valmistaa, jotta epäpuhtaudet ehtivät siirtyä puhtaan veden päälle flokiksi juoksutuskanavassa.

Epäpuhtauksien poistaminen ja ilokin muodostuminen juoksutuskanavassa veden pinnalle tapahtuu tekniikan tason mukaisella elektroflotaatioprosessilla, joka on kuvattu esimerkiksi eurooppapatentissa 30 1583719. Rautaelektrodilla 1 varustetussa elektrodissa muodostuu rautahydroksidia ja alumiinielektrodilla 3 varustetussa elektrodissa muodostuu alumiinihydroksidia ja alumiinisulfaattia. Puhdistettava prosessivesi ja elektrodeissa muodostuneet reaktiotulokset johdetaan poistoputkeen ja elektrolyysissä vapautuvalla vedyllä nostetaan rautahydroksidin ja

20145700 prh 30 -12- 2015 alumiinihydroksidin, alumiinisulfaatin muodostama sakka eli flokki veden pinnalle.

Kuviossa 2 on esitetty erään suoritusmuodon mukainen sivuprofiili juoksutuskanavasta sekä siihen johtavista tulo- ja poistoputkista. Keksinnön 5 mukaisessa menetelmässä ja järjestelmässä käytetään oleellisesti vaakatasossa olevaa juoksutuskanavaa, jonka alaosassa olevat elektrolyysielementit muodostuvat lamelleista, jolloin saavutetaan suuri tehollinen pinta-ala elektrolyysiä varten. Oleellisesti vaakatasossa oleva juoksutuskanava 20 voi olla esimerkiksi virtaussuuntaan nouseva tai laskeva 10 keskimäärin alle 5°, alle 10° tai alle 15° kulmassa. Puhdistettava prosessivesi joko virtaa vapaasti juoksutuskanavassa, joka on sähköä eristävää materiaalia, prosessivesi voi virrata sinne putkea pitkin tai se syötetään pumpulla juoksutuskanavaan.

Virtaussuunnassa ensimmäisenä on rautalamellielementti 1, 2 ja 15 seuraavana on alumiinilamellielementti 3, 4, jotka on eristetty toisistaan ja kunkin elementin läpimenevää sähkövirtaa säädetään erikseen. Lamellielementit on kytketty erillisiin ja erikseen säädettäviin virtalähteisiin. Rautalamellielementissä rautalamellien 1 välissä ovat negatiiviset lamellit 2, jotka voivat olla eri ainetta kuin positiiviset rautalamellit. Vastaavasti 20 alumiinilamellielementissä alumiinilamellien 3 välissä ovat negatiiviset lamellit 4, jotka voivat olla eri ainetta kuin positiiviset alumiinilamellit. Olennaista on, että negatiivinen lamelli 2, 4 on elektronegatiivisempi kuin positiivinen lamelli 1, 3, joka voi olla esim, alumiini- tai rautalamelli. Negatiivinen lamelli voi olla ruostumatonta terästä, nikkeliä, kromia, platinaa tai jalometalliseoksia, joilla on 25 suuri elektronegatiivisyysero positiiviseen lamelliin nähden. Virtalähteiden navat on kytketty lamellien yläosaan esimerkiksi noin 500 mm välein.

Puhdistettava vesiliuos johdetaan lamellien 1-4 välistä ja elementtien virrat säädetään niin, että rautalamelleilla varustetussa lamellielementissä muodostuu rautahydroksidia ja alumiinilamelleilla 30 varustetussa lamellielementissä muodostuu alumiinihydroksidia ja alumiinisulfaattia. Sopiva virta riippuu puhdistettavasta vesiliuoksesta, joten virta on tyypillisesti säädettävä aina puhdistettavan vesiliuoksen koostumuksen muuttuessa selvästi.

Rautalamelleilla 1 varustetussa lamellielementissä muodostuva rautahydroksidi muodostaa molekyyliverkon, joka toimii molekyylisiivilänä, joka on tiheämpi kuin alumiinihydroksidin muodostama molekyyliverkko. Rauta- ja

20145700 prh 30 -12- 2015 alumiinihydroksidin yhdessä muodostama sakka pystyy hyvin sitomaan reaktioissa syntyvät hyvin pienet vetykuplat ja samalla se sitoo myös alumiinisulfaatin muodostuvaan flokkiin, jota negatiivisilla lamelleilla muodostuvat vetykuplat nostavat ylöspäin kohti veden pintaa. Muodostuvan 5 sakan ja vetykuplien yhdessä muodostaman ilokin ominaispaino on hieman pienempi kuin veden ominaispaino, jolloin flokki 7 nousee ylöspäin nopeammin kuin siinä tapahtuva vedenvirtaus.

Alumiinilamellielementti 3, 4 on virtaussuunnassa jälkimmäisenä.

Alumiinilamellielementin käyttö on edullista, koska se poistaa liuenneen 10 jäännösraudan puhdistettavasta vesiliuoksesta. Rautalamellielementissä 1, 2 syntyvä rautaioni Fe3 on riittävän suuri jäädäkseen kiinni alumiinilamellielementissä muodostuvaan alumiinihydroksidiverkkoon.

Puhdistettava vesiliuos ja edellä kuvatulla tavalla lamellielementeissä muodostuneet, kiintoaineiksi saostuneet reaktiotulokset 15 johdetaan juoksutuskanavan lopussa olevaan nousuputkeen, jossa ne nousevat elekrolyysissä vapautuvalla vedyllä puhtaan veden 6 pintaan kasautuvaksi flokiksi 7.

Eräässä suoritusmuodossa flokki erotetaan vedestä säädettävällä leikkauslevyllä 5, joka on veden 6 ja ilokin 7 rajapinnassa. Flokki ohjataan 20 omaan säiliöön tai takaisin prosessiin, jos se on tarpeen ja mahdollista, sekä puhdas vesi omaan säiliöönsä tai takaisin prosessiin. Nousuputken pituudella säädellään ilokin kosteuspitoisuutta. Viimeisen elementin ja ilokin poistoputken etäisyys riippuu käsiteltävässä jätevedessä olevien epäpuhtauksien määrästä.

Eräässä suoritusmuodossa poistoputken alussa on sen alaosassa 25 suodatin, josta mahdollinen ylimääräinen vesi valuu puhtaan veden poistoputkeen. Flokin kosteusprosentti on edullisesti niin suuri, että flokki valuu itsellään omaan tankkiinsa.

Esitetyllä menetelmällä ja järjestelmällä saadaan suuretkin jätevesivirtaukset puhdistettua. Lamellielementtien määrää, pituutta tai leveyttä 30 voidaan kasvattaa tapauskohtaisesti.

Eräässä suoritusmuodossa rauta- ja alumiinilamellien paksuus on 10-30 mm. Eräässä suoritusmuodossa negatiivisen lamellin paksuus on 2-5 mm.

Lamellielementtien virran ja jännitteen arvot, joilla halutut reaktiot 35 saadaan aikaan, riippuvat monista liuoksen tekijöistä, kuten konduktanssista, virtausnopeudesta ja liuoksen komponenttien ja anodin välisestä elektronegatiivisuudesta. Liuoksen konduktanssia voidaan säätää lisäaineilla ja virtausnopeus voidaan säätää halutuksi. Koska liuos osallistuu reaktioon, sen konduktanssi muuttuu reaktion aikana.

Edellä mainituista syistä johtuen on kulloisellekin sovellutukselle optimaaliset virran ja jännitteen arvot haettava kokeellisesti. Eräässä suoritusmuodossa tyypilliset virran arvot ovat 20-100 Aja jännitteen arvot 20100 V.

Edellä esitetty vaakasuuntainen lamelleihin perustuvat menetelmä ja järjestelmä on suunniteltu suurien jätevesi virtojen puhdistamiseksi, jolloin 10 kapasiteetti (litraa tunnissa) on huomattavasti parempi kuin tekniikan tason mukaisilla laitteilla, joissa käytetään elektrolyysikennoa, joka on pystysuorista putkimaisista elektrodeista koostuva torni. Lisäksi sähkönkulutus, valmistuskustannukset sekä huolto-ja käyttökustannukset ovat pienempiä kuin tekniikan tason mukaisissa järjestelyissä.

Alan ammattilaiselle on ilmeistä, että tekniikan kehittyessä keksinnön perusajatus voidaan toteuttaa monin eri tavoin. Keksintö ja sen suoritusmuodot eivät siten rajoitu yllä kuvattuihin esimerkkeihin vaan ne voivat vaihdella patenttivaatimusten puitteissa.

Claims (6)

1. 20145700 prh 30 -12- 2015

   Patenttivaatimukset

   1. Menetelmä epäpuhtauksien poistamiseksi vesiliuoksesta, tunnettu siitä, että menetelmässä:

   - johdetaan puhdistettava vesiliuos (8) oleellisesti vaakatasossa olevaan juoksutuskanavaan (20), jonka läpi puhdistettava vesiliuos virtaa,

   - johdetaan juoksutuskanavan alaosassa, virtaussuunnassa aiempana olevaan rautalamellielementtiin (1, 2) sähkövirtaa rautahydroksidin ja vedyn muodostamiseksi,

   - johdetaan juoksutuskanavan alaosassa, virtaussuunnassa jäljempänä olevaan alumiinilamellielementtiin (3, 4) sähkövirtaa alumiinihydroksidin, alumiinisulfaatin ja vedyn muodostamiseksi,

   - erotetaan mainituissa lamellielementeissä muodostuneiden molekyylien muodostamien molekyyliverkkojen avulla ja vedyn aiheuttamalla nosteella pintaan noussut, epäpuhtaudet sisältävä sakka eli flokki (7) puhdistetusta vedestä (6), ja

   - johdetaan puhdas vesi (6) juoksutuskanavan pohjalta omaan poistoputkeensa, jolloin mainitut lamellielementit koostuvat puhdistettavan veden virtaussuunnassa olevista, metallia käsittävistä levyistä eli lamelleista, ja juoksutuskanavan pohja on laskeva siten, että pohja on puhdistettavan veden syöttöpäässä ylempänä kuin puhdistetun veden poistopäässä, jolloin puhdistettava vesi virtaa painovoiman myötävaikutuksella juoksutuskanavan läpi.
2. 2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että lisäksi johdetaan flokki (7) ja pieni osa puhdistetusta vedestä juoksutuskanavan yläosasta omaan poistoputkeensa.
3. 3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että lisäksi suodatetaan puhdistettua vettä ilokin poistoputken alaosasta puhdistetun veden poistoputkeen.
4. 4. Järjestelmä epäpuhtauksien poistamiseksi vesiliuoksesta, joka järjestelmä käsittää puhdistettavan vesiliuoksen syöttökanavan (10), puhdistetun veden poistokanavan (30) sekä niiden välissä olevia elektrolyysielementtejä (1-4) molekyyliverkon ja vedyn tuottamiseksi, joilla epäpuhtaudet nostetaan puhdistettavasta vedestä (6) sen pintaan flokiksi (7), tunnettu siitä, että mainitut elektrolyysielementit ovat oleellisesti vaakasuuntaisen juoksutuskanavan (20) alaosassa, ja siitä, että mainitut elektrolyysielementit koostuvat puhdistettavan veden virtaussuunnassa olevista, metallia käsittävistä levyistä eli lamelleista, ja siitä, että juoksutuskanavan pohja on laskeva siten, että pohja 5 on puhdistettavan veden syöttöpäässä ylempänä kuin puhdistetun veden poistopäässä, jolloin puhdistettava vesi virtaa painovoiman myötävaikutuksella juoksutuskanavan läpi.
5. 5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen järjestelmä, tunnettu siitä, että se käsittää elektrolyysielementtinä toimivan rautalamellielementin, jossa

   10 positiivisten rautalamellien (1) välissä on negatiivisia lamelleja (2), jotka ovat elektronegatiivisempia kuin positiiviset rautalamellielementit (1).
6. 6. Patenttivaatimuksen 4 tai 5 mukainen järjestelmä, tunnettu siitä, että se käsittää elektrolyysielementtinä toimivan alumiinilamellielementin, jossa positiivisten alumiinilamellien (3) välissä on negatiivisia lamelleja (4), jot-

   15 ka ovat elektronegatiivisempia kuin positiiviset alumiinilamellielementit (3).