Wat zijn de toepassingen van aluminiumsulfaat in waterbehandeling?

Hoe aluminiumsulfaat fungeert als coagulans in waterbehandeling

Inzicht in coagulatie en de rol van aluminiumsulfaat bij het destabiliseren van geheelde deeltjes

Waterbehandeling begint met coagulatie, een proces waarbij kleine verontreinigingen worden samengebracht zodat ze later kunnen worden verwijderd. Alum werkt hierbij erg goed omdat het bij oplossen driewaardige aluminium-ionen (Al³⁺) vrijmaakt, die in feite de negatieve lading neutraliseren van zwevende bestanddelen in het water zoals kleideeltjes, organische resten en zelfs sommige schadelijke micro-organismen. Wanneer deze ladingen worden gecompenseerd, houden de deeltjes op elkaar af te stoten en beginnen ze aan elkaar te klitten tijdens de snelle mengfase, die meestal ongeveer één of twee minuten duurt. De meeste waterzuiveringsinstallaties constateren dat alum de beste resultaten geeft wanneer de pH van het water tussen 5,5 en 7,5 ligt. De hoeveelheid alum die nodig is, varieert echter behoorlijk en ligt meestal tussen 50 en 300 milligram per liter, afhankelijk van de troebelheid van het water en de aard van de aanwezige verontreinigingen.

Chemisch mechanisme van aluminiumsulfaat bij de vorming van vlokken en verwijdering van verontreinigingen

Nadat de ladingen zijn uitgebalanceerd, begint alum zich te ontleden via hydrolyse, wat aluminiumhydroxide (Al(OH)3) oplevert. Deze stof vormt een gelachtige massa die zeer goed is in het vasthouden van stoffen die we uit water willen verwijderen. Naarmate deze kleine clusters, flocs genaamd, groeien, kunnen ze een grootte bereiken van een halve millimeter tot wel drie millimeter. Hierdoor zakken ze gemakkelijk naar de bodem in de behandelingstanks. Wanneer alles goed verloopt, verwijdert deze methode ongeveer 85 procent tot bijna 100 procent van de troebelheid in watermonsters en wordt zo'n twee derde tot vier vijfde van de vervelende organische verbindingen verwijderd. Onderzoeken tonen aan dat deze hydroxide-flocs zich hechten aan diverse opgeloste verontreinigingen zoals fosfaationen en verschillende soorten zware metalen door bindingen op hun oppervlak te vormen. Deze hechtingswerking verbetert daadwerkelijk de algehele efficiëntie van het zuiveringsproces.

Vergelijking met alternatieve coagulantia: Efficiëntie, kosten en praktische overwegingen

IJzertrichloride kan bijna alle fosfor uit water verwijderen, soms wel 98%, wat veel beter is dan alun dat ongeveer 70 tot 85% haalt. Het nadeel is echter dat ijzertrichloride buizen en apparatuur veel sneller aantast, waardoor gemeenten uiteindelijk meer uitgeven aan reparaties en vervanging. Synthetische polymeren zijn een andere optie die zeer helder water oplevert met weinig slib achteraf na de behandeling, maar deze materialen hebben prijzen die ze onpraktisch maken voor de meeste alledaagse rioleringsinstallaties. Daarom blijven veel steden nog steeds bij alun, ondanks nieuwere alternatieven. Alun bestaat al decennia, werkt betrouwbaar zonder ingewikkelde opstartprocedures en overschrijdt niet de begroting zoals sommige duurdere opties. Voor geldnood lijdende lokale overheden die te maken hebben met verouderde infrastructuur, is het logisch om bij het bekende te blijven, zelfs als het technisch gezien niet de beste prestaties levert.

Milieubelang: Residu Aluminium en Lange-termijnveiligheid in Behandeld Water

De Wereldgezondheidsorganisatie heeft een maximaal toelaatbaar niveau vastgesteld van 0,2 milligram per liter aan resterend aluminium in leidingwater vanwege bezorgdheid over mogelijke effecten op de hersenfunctie op lange termijn. Waterzuiveringsinstallaties die gebruikmaken van modernere filtratietechnieken, kunnen deze aluminiumsporen verminderen met ongeveer 70 tot wel 90 procent in vergelijking met oudere methoden. Het bijhouden van pH-niveaus tijdens het proces en het toevoegen van een extra stap met speciale membranen na de behandeling zorgen ervoor dat we binnen de veilige limieten blijven die door gezondheidsinstanties zijn vastgesteld. Dit beschermt de volksgezondheid zonder de efficiëntie van het zuiveringsproces te verlagen.

Verbetering van Waterdoorzichtigheid en Verwijdering van Troebelheid in Gemeentelijke Wassystemen

Aluminiumsulfaat blijft een gangbare keuze voor het behandelen van water in steden, omdat het de troebelheid van water met ongeveer 90% kan verminderen. Wat er gebeurt, is dat het de elektrische ladingen neutraliseert van kleine deeltjes zoals kleideeltjes, fijn vuil en zelfs kleine organismen die in de watervoorziening zweven. Deze deeltjes klonteren dan samen tot grotere vlokken die gemakkelijker kunnen bezinken. Uit in 2021 gepubliceerd onderzoek bleek dat, bij correct gebruik, de troebelheid daalt tot onder de 0,3 NTU, wat overeenkomt met de richtlijnen van de Wereldgezondheidsorganisatie (WHO) voor helder drinkwater. Het feit dat dit zo goed werkt, betekent minder belasting op filters verderop in het systeem. Waterzuiveringsinstallaties functioneren hierdoor beter en besparen ook geld, vooral belangrijk voor grote stedelijke watervoorzieningen die miljoenen mensen dagelijks van water voorzien.

Verwijdering van organisch materiaal, ziekteverwekkers en zware metalen via coagulatie

De manier waarop alunijn werkt bij coagulatie betekent dat het tegelijkertijd allerlei verschillende verontreinigingen kan verwijderen. Organische stoffen die in water zijn opgelost, hechten zich aan de aluminiumhydroxide-vlokken die tijdens de behandeling ontstaan. En bacteriën zoals E. coli en parasieten zoals Giardia worden hier fysiek mee opgevangen. Wanneer de pH tussen de 6,5 en 7,5 blijft, geven onderzoeken aan dat verwijderingspercentages tussen 85% en 92% behaald kunnen worden voor zware metalen zoals lood, arseen en chroom. Wat deze aanpak zo waardevol maakt, is dat meerdere verontreinigende stoffen tegelijk worden behandeld, waardoor extra desinfectiebehoefte afneemt. Toch is het cruciaal om de juiste dosering te hanteren, omdat te veel resterend aluminium boven de veilige limiet van 0,2 mg per liter kan uitkomen, wat niet goed is voor iedereen.

Verbetering van bezink- en filtratie-efficiëntie na alunijnbehandeling

Wanneer behandeld met alun, zakken de vlokken ongeveer 40 tot 60 procent sneller in bezinkingsbassins dan onbehandelde deeltjes, waardoor de scheiding van vaste stoffen veel beter verloopt. De snellere bezinking betekent dat filters minder snel verstopt raken, zodat ze langer kunnen blijven draaien voordat ze gereinigd moeten worden, wat het terugspoelen met ongeveer 30% vermindert. Interessant is hoe de kleverige consistentie van aluminiumhydroxide-vlokken werkt als een extra filterlaag binnen zandbedden. Deze vlokken vangen minuscule deeltjes op kleiner dan een micrometer die toevallig zijn doorgeglipt tijdens de eerste coagulatiestap. Samen zorgen al deze verbeteringen ervoor dat goed functionerende behandelingsystemen meer dan 99,9% van alle zwevende stoffen uit het eindresultaat van water kunnen verwijderen.

Effectieve fosforverwijdering in gemeentelijke en industriële afvalwaterzuiveringsinstallaties

Alum werkt vrij goed bij het verwijderen van fosfor, dankzij die liganduitwisselingsreacties waar we in kringen van waterzuivering zo vaak over praten. Kort gezegd: wanneer Al3+-ionen reageren met orthofosfaat-ionen (PO4^3-), vormen ze aluminiumfosfaat (AlPO4), dat niet oplost in water. Deze stof zakken naar beneden en wordt mechanisch gefilterd. Uit gegevens van 45 verschillende afvalwaterinstallaties verspreid over Europa blijkt dat het gebruik van alum de totale fosforconcentratie onder 0,5 mg/L bracht in ongeveer 88 procent van deze installaties. Dit voldoet aan de eisen van de EU-richtlijn Waterframework voor schone waterkwaliteit. Het middel presteert vooral goed bij de behandeling van afvalwaterstromen uit voedingsmiddelenverwerkers en textielproducenten, omdat hun afvoer vaak extreem hoge fosforgehalten heeft, soms ver boven de 15 mg/L in concentratietests.

Vermindering van troebelheid en verontreinigingen in zwaar belaste afvalwaterstromen

De dubbele coagulatie-flocculatie werking van alun maakt het geschikt voor de behandeling van complex, hoogbelast afvalwater:

• Colloïdale suspensies : Neutraliseert negatief geladen deeltjes in water met een troebelheid boven de 1.000 NTU
• Zware metalen : Zware metalen: Coprecipiteert Pb²⁺ en Cr³⁺ via hydroxidevorming bij pH 9 - 9,5
• Organische belasting : Vermindert de chemische zuurstofvraag (COD) met 65-80% in papierfabrieksafvalwater door binding met lignine en eiwitten

Veldgegevens uit zeven industrieparken in China tonen aan dat alun een verwijdering van 98% van totaal geplaatste stoffen (TSS) bereikt in stromen met een initieel vastestofgehalte boven de 5.000 mg/L, wat een robuuste prestatie aantoont onder zware omstandigheden.

Casusstudie: Succesvolle implementatie in stedelijke rioolzuiveringsinstallaties

Een Europese gemeentelijke installatie die 1,2 miljoen inwoners bedient, behaalde aanzienlijke verbeteringen na overschakeling op coagulatie met aluminiumsulfaat. Bij de verwerking van 300.000 m³/dag afvalwater rapporteerde de installatie:

Tijdens een achttienmaand durende proef hield de installatie residu-aluminiumniveaus onder de 0,2 mg/L, terwijl tegelijkertijd 94% fosforverwijdering en 82% COD-reductie werd bereikt, wat de effectiviteit en economische haalbaarheid van alum in grootschalige afvalwaterbehandeling bevestigt.

Prestaties van aluminiumsulfaat optimaliseren: dosering, pH en wateromstandigheden

Ideale pH-bereik en doseringsstrategieën voor maximale coagulatie-efficiëntie

De beste resultaten voor de stolling vinden plaats wanneer het pH-niveau tussen ongeveer 5,5 en 7,5 blijft. Binnen dit bereik wordt het proces veel efficiënter, soms zelfs met 40 tot 60 procent beter dan buiten deze cijfers. Wat betreft de hoeveelheid alumin die gebruikt moet worden, vereisen de meeste behandelingen tussen de 5 en 200 milligram per liter. Maar als het water echt modderig is of veel verontreinigende stoffen bevat, kan het in sommige situaties zelfs 500 mg/l nodig zijn. Om precies te weten te komen wat op een bepaalde locatie het beste werkt, blijft de test in potten een van de meest betrouwbare beschikbare methoden. Dit helpt te voorkomen dat te veel aluum wordt gebruikt, waardoor er meer aluminium in het water kan blijven dan de veiligheidsgrens van 0,2 mg/l van de Wereldgezondheidsorganisatie. Dit maakt het moeilijker om goede vlokken te vormen en vermindert uiteindelijk het algemene effect van de behandeling.

Invloed van watertemperatuur, alkaliteit en ionische samenstelling

Water dat onder de 10 graden Celsius blijft, vertraagt de snelheid van reacties tijdens de behandeling. Dit betekent dat de groepen veel langzamer ontstaan, soms 30 tot 50 procent langer dan normaal, en dat de operatoren ook langere tijd dingen moeten mengen. Als het gaat om de alkalische niveaus, spelen ze een grote rol in het voorkomen dat het systeem te zuur wordt na toevoeging van aluum. Als de alkalische waarde daalt tot onder de 50 milligram per liter als calciumcarbonaat, hebben de meeste zuiveringsinstallaties uiteindelijk extra kalk of natron nodig om de pH stabiel genoeg te houden voor een goede werking. Een andere uitdaging komt op als er een hoge ionic sterkte in het water is, boven 1000 microsiemens per centimeter. Deze toestand verplettert die kleine elektrische lagen rond de deeltjes, waardoor ze minder effectief samenklonteren. Wat is het resultaat? De bloedstolling werkt ongeveer 40 procent slechter onder deze omstandigheden. Al deze variabelen wijzen erop dat het beschikken over goede realtime-bewakingssystemen een groot verschil maakt, vooral voor installaties die te maken hebben met veranderende waterkwaliteiten in de verschillende seizoenen.

Voordelen en uitdagingen van het gebruik van aluminiumsulfaat bij de waterzuivering

Belangrijkste voordelen: Kosteneffectiviteit, betrouwbaarheid en veelzijdigheid van behandelingssystemen

Aluminiumsulfaat valt op als een goedkoop en betrouwbaar stollingsmiddel dat in veel waterzuiveringsinstallaties, zowel in gemeentelijke als industriële omgevingen, wordt gebruikt. Vergeleken met alternatieven zoals ijzerchloride, bespaart het de bedrijfskosten met ongeveer 30 tot 50 procent, terwijl het verwijderingspercentage hoger blijft dan 95% voor dingen als troebelheid en schadelijke ziekteverwekkers. Wat deze stof zo veelzijdig maakt, is hoe goed het werkt, of het nu gaat om kleine landelijke watersystemen of grote stadszuiveringsinstallaties. Operators kunnen de doseringen aanpassen op basis van wat voor soort water ze dagelijks tegenkomen. Wanneer de pH-waarden binnen het sweet spot-bereik van ongeveer 5,5 tot 7,5 blijven, slaagt het aluum erin om ongeveer 70 tot 90% van die vervelende organische verontreinigingen te elimineren. En laten we eerlijk zijn, als geld het belangrijkst is, verslaan alummen vaak PAC-oplossingen voor faciliteiten die hun budgetten nauwlettend controleren.

Algemene beperkingen: slijmopwekking, pH-aanpassingsbehoeften en milieubewustzijn

Alum heeft wel wat nadelen. Het produceert ongeveer 15 tot 30 procent meer slib dan synthetische polymeren, wat hogere afvalverwijderingskosten en ingewikkelder logistiek voor afvalbeheer betekent. Wanneer aluum in waterbehandelingsprocessen afbreekt, verlaagt het de pH-waarde. Om dit effect tegen te gaan, moeten waterzuiveringsinstallaties geld uitgeven aan alkalische stoffen zoals kalk. Deze chemische aankopen kunnen bijna 20% van hun totale operationele begroting in beslag nemen, alleen om het water op het juiste zuurgehalte te houden. Milieurautoriteiten houden nauwlettend toezicht op hoeveel aluminium er na verwerking in het behandelde water blijft, dus het is essentieel om te voldoen aan de aanbeveling van de Wereldgezondheidsorganisatie van niet meer dan 0,2 mg per liter. Het goede nieuws is dat recent onderzoek toont aan dat wanneer exploitanten hun doseringsmethoden afstemmen en ze koppelen aan nieuwere filtratiesystemen, ze de slibvorming met ongeveer 40% kunnen verminderen. Deze aanpak helpt ook om aan de belangrijke EPA- en AWWA-normen voor veilig drinkwater te voldoen zonder de kwaliteit in gevaar te brengen.

Veelgestelde vragen

Wat is de belangrijkste rol van aluminiumsulfaat bij de waterzuivering?

Aluminiumsulfaat fungeert als een stollingsmiddel bij de waterbehandeling en helpt bij het destabiliseren van de in suspendie staande deeltjes, zodat deze effectief kunnen worden verwijderd door verdere behandelingsprocessen.

Hoe beïnvloedt aluminiumsulfaat de pH-waarden van behandeld water?

Aluminiumsulfaat heeft de neiging de pH-waarden van behandeld water te verlagen, daarom moeten inrichtingen vaak alkalische stoffen zoals kalk toevoegen om het optimale pH-bereik voor een effectieve behandeling te behouden.

Zijn er milieuproblemen verbonden met het gebruik van aluminiumsulfaat?

Ja, residuen aluminium in behandeld water zijn zorgwekkend, omdat het potentiële gezondheidseffecten kan hebben. De behandelingssystemen streven er dus naar de restgehalten onder 0,2 mg/l te houden, zoals aanbevolen door de Wereldgezondheidsorganisatie.

Waarom wordt aluminiumsulfaat, ondanks zijn beperkingen, boven andere stollingsmiddelen verkozen?

Aluminiumsulfaat is kosteneffectief, betrouwbaar en veelzijdig, waardoor het een voorkeur heeft voor veel gemeenten, vooral die met budgettaire beperkingen en bestaande infrastructuur.