MTI HOLLAND BV - KINDERDIJK

SL 020

Inventarisatie van de ontwateringstechnieken

voor bentoniethoudende slurry's

Samenvatting

Dit rapport geeft een overzicht van beschikbare en nieuwe technieken voor het ontwateren

van bentoniethoudende slurry's. De eigenschappen van bentoniet worden weergegeven,

zodat er een beeld ontstaat waarom deze slurry moeilijk ontwaterbaar is. De

bentoniet/grond scheiding en ontwatering van de bentoniethoudende slurry, zoals deze

reeds uitgevoerd wordt, is beschreven. Verder worden er twee methoden geëvalueerd die

reeds op de markt zijn. Daarnaast worden enkele andere eventueel geschikte methodes

beschreven en geëvalueerd.

Opdrachtgever : CURJCOB

Ordernummer : C494 / 50740

Rapportdatum : 30 Januari 1998Trefwoorden : Ontwateringsmethoden, Bentoniet, Klei, Tunnelboren, HeinenoordOpsteller : Ir. M.K. de Kreuk, Ir. H. van Muijen

"Regulations conceming the relationship between clients and consuiting engineers", filed at the Cler1<'sOffice of the District Courtin The Hague by the association of Delft Engineers shall apply to our offers and to orders aceepted by us.

Inhoud

SAMENVATTING 11

1. INLEIDING 1

2. BENTONIET 4

2.1 EIGENSCHAPPEN VAN BENTONIET ...••....•••••••.•..••••••••...••....•••••.•.••••••••••..•••••.•••... 42.2 GEBRUIK VAN BENTONIET IN DE TUNNELBOUW ••••.•.•.•.••..•••••.•..••..•••.••.•••.••.••.••....•• 6

3. ONTWATERING 11

3.1 ALGEMENE INVENTARISATIE VAN DE ONTWATERINGSMETHODEN .•..•...•..•.....••.•.•••.... 113.2 SPECIFIEKE PROBLEMEN BIJ DE ONTWATERING VAN DE BENTONIETHOUDENDE SLURRY'S 123.3 ONTWATERINGSMETHODEN BENTONIETHOUDENDE SLURRY'S IN DE PRAKTIJK •••....•.•.••. 13

3.3. 1 Vloeivelden 143.3.2 Vlokkingsmiddelen 153.3.4 Filterpersen 17

3.4 ANDERE ONTWATERINGSMETHODEN ••.•...••••..•••.•••..••.•••..•..•.•..••••...•.•.•••.••.••••.••. 183.4. 1 Droging 183.4.2 Electro-osmose 20

4. EVALUATIE ONTWATERINGSMETHODEN 21

4.1 SELECTIECRITERIA ...............•...•..•.•..••.......•..••••.......•..•..•..•..•........•..•.•.•...•...• 214.2 EVALUATIES ..•••.•..••..........•....•..•.............•.••...•.•...•..........•....••.•.•.•.••••..••...•. 21

4.2. 1 Vloeivelden 214.2.2 Mechanische ontwateringsmetoden 224.2.3 Alternatieve methoden 24

5. CONCLUSiES ...............................................•................................................ 26

6. AANBEVELINGEN 28

LITERATUUR 29

BIJ LA GE A ., ............................................................................•.......................... .1

BIJLAGE B ........................................................................................•............... 111

BIJLAGE C VII

Samenvatting

Dit rapport geeft een inventarisatie van de technieken voor de ontwateringbentoniethoudende slurry's, die reeds met dit doel gebruikt worden of die gebruikt

worden voor andere toepassingen, maar ook geschikt kunnen zijn voor de

ontwatering van genoemde slurry's, De inventarisatie is gemaakt met behulp vanliteratuur, brochures en persoonlijk contact met leveranciers van bentoniet enleveranciers van ontwateringsmethoden, alsmede door gesprekken te voeren metbedrijven die reeds ervaring hebben met het ontwateren van deze slurry's.

Bij het boren van tunnels met behulp van een vloeistofschild komen grotehoeveelheden bentoniethoudende slurry's vrij, welke als boorvloeistof gebruiktworden. Door de eigenschappen van het bentoniet kan zo'n slurry slecht ontwaterdworden. Deze eigenschappen zijn o.a.: de elektrische dubbellaag, de kaartenhuisstructuur, de zeer geringe grootte van de deeltjes en het thixotrope karakter.De grond die uit de tunnel wordt afgegraven, wordt samen met de bentonietslurrynaar een scheidingsinstallatie gevoerd, waar het bentoniet gescheiden wordt van degrootste gronddeeitjes. Als het bentonietmengsel verzadigd is met klei moet hetafgevoerd worden naar een depot, waar ze in het algemeen alleen steekvastmateriaal accepteren. Daarom zal de slurry ontwaterd moeten worden. Hiervoor kaneen vloeiveld gebruikt worden, waar het water uit kan zakken en verdampen,waardoor er uiteindelijk steekvaste bentoniet ontstaat. Dit blijkt een zeer goedemethode te zijn, mits er voldoende ruimte is. Het proces is langdurig, maar goedkoop.Door het gebruik van elektro-osmose of droging door zonne-energie in combinatiemet een vloeiveld kan het proces versneld worden. Deze methoden worden gebruiktvoor het ontwateren van sllimes in de mijnbouw en het drogen van slib.

Bestaande methoden voor de ontwatering van bentoniet houdende slurry's incompacte installaties zijn uitvlokking van de bentoniet gevolgd door indikking enpersing met behulp van kamerfilterpersen en ontwatering met behulp van decanteer-centrifuges. Dit zijn goede, methoden, waarmee een grote volume reductie bereiktkan worden. Verder kan het materiaal op vele manieren gedroogd worden, maar ditblijkt in de meeste gevallen een erg groot energieverbruik met zich mee te brengen.De overige methoden die gevonden zijn, zijn aanvullingen op voorgenoemde, zoalsmembraanfilterpers en filterpersing met luchtdoorblazing.

In het algemeen geldt dat een vloeivelden de beste, goedkoopste oplossing biedt,wanneer er voldoende ruimte is. Wanneer dit niet het geval is moet de meestgeschikte installatie gekozen worden uit de genoemde opties, afhankelijk van dewensen van het eindproduct (hergebruik of stort) en de investerings- enproductiekosten voor ontwatering van de specifieke afgewerkte slurry.

ii

1. Inleiding

In opdracht van CUR/COB is in het kader van het beleid ten aanzien van de

preventie en hergebruik van afvalstoffen een literatuurstudie uitgevoerd naar de

ontwateringsmogelijkheden van bentoniethoudende slurry's. Deze studie is

uitgevoerd bij MTI Holland BV, in samenwerking met Heijmans Milieutechniek BV.Bij het boren van tunnels met behulp van een vloeistofschild wordt meestal eenbentoniethoudende slurry gebruikt als boorvloeistof, welke de afgegravengronddeeitjes transporteert. De gronddeeitjes kunnen met behulp van eenscheidingsinstallatie worden afgescheiden, waarna de slurry kan worden hergebruikt.Niet alle deeltjes kunnen worden afgescheiden en vooral kleideeitjes blijven vaakachter. Na verloop van tijd is de slurry verzadigd en moet deze vervangen wordendoor nieuw materiaal. De verzadigde boorspoeling, bestaande uit klei en een grotehoeveelheid bentoniet moet afgevoerd en eventueel verwerkt worden.

In Nederland zijn een aantal projecten in uitvoering of in voorbereiding, waarbij eengrote hoeveelheid fijn materiaal te verwachten is (± 1 miljoen m3 per jaar). Een aantalhiervan gaan uit van een vloeistofschildmethode, waarbij gebruik gemaakt wordt vaneen bentonietlwatermengsel. Met de huidige scheidingsmethode van de grond enhet bentoniet ontstaat er een schone zandfractie, maar blijft er ook een zeer grotewaterige stroom klei over met een grote hoeveelheid bentoniet (verzadigdebentonietslurry). Tot nu toe zijn er slechts minder adequate ontwateringsmethodenvoor handen om deze grote hoeveelheden slurry ter plaatse te behandelen, watbetekent dat er grote depots in gebruik genomen moeten worden om dezereststroom in op te slaan. De niet ontwaterde bentoniethoudende slurry kan niet bijde huidige depots worden afgezet. De Slufter wil alleen nautisch materiaal bergen enandere depots willen alleen steekvast materiaal opslaan. Bij boringen in hetbuitengebied hoeft dit tijdelijk in gebruik nemen van nieuwe depots geen problemente veroorzaken, maar vooral voor boringen waar weinig ruimte is en voor de langetermijn, zijn tijdelijke vloeivelden geen oplossing. Daarom moet eenontwateringsmethode aangedragen worden, zodat deze afvalstroom daadwerkelijk ineen depot opgeslagen kan worden.

Om het probleem van de depots te ontlopen moet er gedacht worden aan hergebruikvan het restmateriaal. Daartoe zal het materiaal eerst ontwaterd moeten worden, watnaast het geschikt maken voor hergebruik ook een grote volume reductie als gevolgheeft. Hierdoor wordt het materiaal beter transporteerbaar en opslagkosten wordenbeperkt.

1

In deze studie komen, conform de opdracht van de studie, de volgende onderwerpenaan de orde:• huidige ontwateringssystemen en/of methoden worden geïnventariseerd, waarbij

zowel de mechanische als de fysisch/chemische worden meegenomen;• er wordt bekeken of de huidige systemen eventueel aangepast of verbeterd

kunnen worden voor de ontwatering van de bentoniet/grondslurry;• er wordt vastgesteld welke technieken geschikt zouden kunnen zijn voor de

ontwatering van de bentoniethoudende slurry;• de criteria om te bepalen of een installatie kansrijk is, worden vastgesteld,

waarbij o.a. gekeken wordt naar kosten, effectieviteit, energieverbruik enaanpassi ngsmogelijkheden;

• uit de geïnventariseerde methoden en installaties zal de meest kansrijkeinstallatie worden geselecteerd.

I Algemene i I Huidige stand vaninventarisatie ont- i zaken in de tunnel-wateringsmethoden I boortechnologie(Paragraaf 3.1) . (Paragraaf 2.2)

Evaluatie Ieigenschappen Ibentoniet

Paragraaf 2.1 )

ProbleemanalyseOpstellen randvoorwaardenen selectiecriteria(Paragraaf 3.2)

Bruikbare ontwaterings-technieken, rekeninghoudend met selectiecriteria(Paragraaf 3.3 en 3.4)

Selectie ontwaterings-technieken voor bentoniet-slurries.(Hoofdstuk 4 en 5)

Figuur 1 Opzet inventarisatie slurry's.

De opzet van het literatuuronderzoek is weergegeven in Figuur 1. In de eerste fasevan het onderzoek wordt weergegeven wat de eigenschappen van bentoniet zijn enwaarom het zo moeilijk te ontwateren is (paragraaf 2.1). Daarnaast wordenbestaande ontwateringstechnieken bekeken. Hierbij worden ook conventioneleslibontwateringstechnieken bekeken en deze worden weergegeven in tabelvorm

(paragraaf 3.1). Verder wordt de huidige stand van zaken in de boortechnologie

bekeken en wordt een beeld geschapen van de grond/bentoniet scheiding en deontwatering, zoals deze nu plaatsvind (paragraaf 2.2).Uit deze drie aspecten wordt een probleemstelling gedistilleerd. Er wordtweergegeven waarom nu juist bentoniethoudende slurry zo'n moeilijk ontwaterbare

substantie is en waar de ontwateringsinstallaties aan moeten voldoen om geschikt te

2

zijn voor de ontwatering van deze bentoniethoudende slurry (paragraaf 3.2). Metdeze criteria worden eventueel geschikte systemen beschreven en wordtweergegeven welke systemen reeds worden gebruikt in de ontwatering vanbentoniethoudende slurry's (paragraaf 3.3 en 3.4). Hiervoor is contact gelegd metbentoniet verwerkers en leveranciers van ontwateringsapparatuur. De voor ennadelen van de geselecteerde installaties worden beschreven en er zal een afwegingvan deze aspecten worden gegeven. Uiteindelijk zullen deze voor- en nadelen naastelkaar worden geplaatst, waaruit zal blijken welke systemen geschikt zijn voor dezetoepassing (hoofdstuk 4). Tot slot worden de conclusies van dit onderzoekweergegeven (hoofdstuk 5) en worden een aantal aanbevelingen voor eventueelvervolgonderzoek gedaan (hoofdstuk 6).

3

2. Bentoniet

2.1 Eigenschappen van Bentoniet

Bentoniet is een smeetiet met minimaal 70% montmorilloniet. Dit gehalte is in depraktijk vaak hoger, tot 90%. Verder bevat het stoffen als kwarts, veldspaat, pyriet,kalk en gebonden water. Montmorilloniet klei is voornamelijk opgebouwd uit silicium,aluminium, magnesium, zuurstof en calcium of natrium. Verder bevat het kleinehoeveelheden waterstof, ijzer en andere sporenelementen. Een voorbeeld van eensamenstelling waarin bentoniet geleverd kan worden staat weergegeven in tabel A. 1(Bijlage A). Deze elementen zijn gerangschikt in een plaatstructuur. met een laagvan octaëdrisch aluminium oxyde die zich tussen twee lagen met tetraëdischsilicium oxyde bevindt. Als montmorilloniet in water gesuspendeerd wordt, zullen departikels loskomen van elkaar en blijven er deeltjes met een gelaagde structuur over,die een lengte hebben tot 1.0 urn en een dikte hebben van 0.92* 10-3 urn. 26,29

leder montmorilloniet kristal heeft een netto negatieve lading, welke geneutraliseerdwordt door de aanwezigheid van natrium, magnesium of calcium ionen die wordenaangetrokken door het kleioppervlak en zich tussen de kleilagen bevinden, Calciumen magnesium vormen een sterke binding met de kristallen, want ze zijn klein enhebben een grote lading. Daardoor is het moeilijk om deze kristallen te hydraterenen het mogelijk te maken om deze klei te dispergeren.

Figuur 2 Moleculaire structuur van bentoniet

4

Als de kristallen natrium bevatten zijn ze veel actiever en kunnen ze beter

gedispergeerd worden in water. In het water zullen de watermoleculen,aangetrokken door de hydratie en ionisatie van de kationen, tussen de plaatjeskomen. Er ontstaat dan een evenwicht tussen de osmotische druk waardoor denatrium ionen van het deeltje af bewegen en de electrostatische druk die de ionennaar het deeltje toe trekt. Hierdoor ontstaat er een positieve laag rond het deeltje,ook wel electrische dubbel laag genoemd. 26.29,37

In gedispergeerde toestand zullen de positieve zijkanten van de plaatjesaangetrokken worden door de negatieve oppervlakten, waardoor een zgn.kaartenhuis structuur ontstaat. Het aanwezige water wordt door zijn dipolairekarakter zwak gebonden aan de electrostatische dubbellaag rond de kleiplaatjes ende dispersie wordt een gel. Deze binding tussen de oppervlakten en randen is zwaken kan makkelijk verbroken worden door schuifspanningen. In rust zullen debindingen ook weer snel ontstaan en wordt er weer een gel gevormd. Ditverschijnsel, bekend als thixotropie is een van de belangrijkste eigenschappen vansmeetiet klei (Figuur 3). 3.28,31

Figuur 3 Kaartenhuis structuur vanNatrium bentoniet versus de laagstructuur van calciumbentoniet(bron: Brochure Süd-Chemie AG)

Er zijn twee soorten bentoniet, namelijkcalcium bentoniet en natrium bentoniet.Het natrium bentoniet wordt alleen in deU.S.A. gevonden, het calcium bentonietwordt voornamelijk in het middellandsezee gebied (Griekenland) gevonden.De produktie bestaat uit het drogen enmalen van het materiaal. Het calciumbentoniet wordt tussentijds geactiveerdmet een natriumcarbonaat (soda)oplossing. De natriumcarbonaatoplossing wordt hierbij over hetcalciumbentoniet gesproeid, waardoorer ionen wisseling plaatsvindt encalciumcarbonaat en natriumbentonietontstaat. Het natriumbentoniet wordtmet behulp van zonnewarmte gedroogdtotdat het een droge stof gehalte heeftvan ongeveer 85%. Na verschepingwordt het vermalen, waardoor hetdroge stof gehalte tot 90% stijgt. 28

Het bentoniet wordt vervolgens bij de productie van sterk uiteenlopende productengebruikt, van kattenbakvulling tot lippenstift. Verder wordt bentoniet in combinatiemet cement gebruikt voor waterafdichtingen, zoals diepwanden. In combinatie metzand wordt het ook veel gebruikt als waterdoorlatende afdeklaag voor vuilstorten.

5

Door toevoegen van bentoniet aan dit soort lagen wordt het geheel zelfherstellend bij

worteldoorgroei, muizengaten of anderszins beschadigingen in de afdeklaag. 4,28

In de olie- en gasindustrie wordt vaak een bentonietmengsel gebruikt bij hetinstandhouden van boorgaten. Net als bij het tunnelboren wordt hierbij eenbentonietslurry gebruikt om de benodigde stabiliteit, viscositeit en dragendvermogen aan de boorvloeistof te geven. 28.34

Het specifieke gebruik van bentoniet in de tunnelbouw zal in de volgende paragraafaan de orde komen.

2.2 Gebruik van bentoniet in de tunnelbouw

Het slurry systeem van een Hydroschild boormachine is een van de belangrijkstesystemen die de voortgang van de tunnelboormachine (TBM) bepalen. Dit systeemzorgt voor het aanbrengen van de steundruk, vermindering van wrijving en afvoervan de grond.Het boorfront wordt gedurende het hele boorproces ondersteund d.m.v.vloeistofdruk. Daartoe bevindt zich in de boorkamer, die afgesloten is van de restvan het boorschild, een vloeistof onder druk. Deze vloeistof is meestal een bentonietslurry. Vanwege de overdruk in de boorkamer dringt de boorvloeistof enigszins in degrond en zullen de bentoniet deeltjes zich aan het grondfilter hechten, terwijl het vrijewater verder de grond indringt. Door deze filterlaag wordt de steundruk overgebrachtop het grondmassief voor het boorfront en wordt afgraven zonder instorting mogelijk.Vlak achter de boorkop worden klei, veen en zand, afhankelijk van het aangeboordebodemprofiel, samen met de bentoniet vloeistof gemengd. Hierdoor ontstaat eenslurry die naar de oppervlakte kan worden gepompt. Hier wordt de slurry gescheidenin bentoniet en grond, met behulp van cyclonen, centrifuges en zeven. Vervolgenskan de schone grond worden afgevoerd naar een depot en kan de bentoniet vloeistofworden terug gepompt naar de boorkop. 10,26

Bij de boring van de eerste tunnelbuis van de Heinenoordtunnel zijn slechts eenbeperkt aantal parameters gemeten en is de hoeveelheid bentoniet die afgevoerdwordt en de samenstelling hiervan niet bekend." Deze parameters worden in hetK100 project gemeten, maar op dit moment zijn er nog geen gegevens over bekend.In het rapport "prevaluatie onderzoek boortunnels", bij de uitvoering van de TweedeHeinenoord tunnel, uitgevoerd door MTI Holland b.v. wordt uitgegaan van een aantalgrond- en vloeistofstromen.

6

Deze zijn als volgt:

• massastroom toevoerleiding 336.8 kg/s ± 0.288 kgIs• stroomsnelheid toevoerleiding 3.33 mis• dichtheid bentonietmengsels 1050 kg/m3

• massastroom afvoerleiding 404.1 kgIs ± 0.144 kg/s

• stroomsnelheid afvoerleiding 3.5 mis• dichtheid bentoniet/grond mengsel 1200 kg/m3

• gemiddelde dichtheid grond 1800 kg/m3

• er is geen verlies van bentoniet naar de omgeving• de indringdiepte van bentoniet is groter dan de snijdiepte"

Uit deze schatting volgt dat er 1212 m3 bentoniet/grond slurry per uur in descheidingsinstallatie gescheiden zal moeten worden. De scheiding moet dusdaniguitgevoerd worden, zodat het zand geschikt is voor hergebruik elders en hetbentoniet terug gevoerd kan worden naar de boorkop en kan worden hergebruikt alsboorvloeistof. Het is niet noodzakelijk de boorvloeistof voor 100% te reinigen, wanteen laag grondgehalte in de vloeistof heeft een gunstig effect op het afpleister-gedrag van bentoniet. De concentratie gronddeeitjes mag echter niet zo hoog zijndat ze de eigenschappen van de boorvloeistof, zoals de viscositeit en de thixotropeeigenschappen, veranderen. In de praktijk zal het bentoniet 3-5 keer hergebruiktkunnen worden, afhankelijk van het kleigehalte van de grond, omdat deze kleivoornamelijk moeilijk af te scheiden is en dus het meeste invloed heeft op dekwaliteit van het herbruikbare bentonietmengsel. De afkeuringscriteria vanbentonietmengsel bij de bouw van de tweede Heinenoordtunnel zijn30

• soortelijk gewicht 1300 kg/m3

• Filterverlies 40 mi;• Cakedikte 15 mm• Bleeding 2%• Vloeigrens 40 N/mm2

De eigenschappen van het afgekeurde bentoniet dat naar het vloeiveld wordtafgevoerd bij de bouw van de Tweede Heinenoordtunnel zijn nog niet bekend, maarworden echter door de CUR/COB-uitvoeringscommissie K100 "Praktijkonderzoekboortunnels" gemeten.30

In de praktijk worden twee verschillende methoden gebruikt voor de vervanging vanhet bentoniet. Het mengsel kan gebruikt worden totdat het verzadigd is metkleideeitjes en het de genoemde eigenschappen verliest. Het zal dan in een keervervangen worden, waardoor er steeds een grote hoeveelheid te ontwaterenbentoniet in één keer vrijkomt. Wanneer dit het geval is zal de vrijgekomen slurry ineen tussenbassin moeten worden opgeslagen en wordt de ontwateringsinstallatievanuit dat bassin gevoed. Bij de tweede methode wordt de kwaliteit van deboorspoeling continu gemeten. Er wordt verzadigde bentoniet afgevoerd en nieuwebentoniet wordt bijgemengd wanneer de kwaliteit achteruit gaat. Hierdoor ontstaat er

7

Grote Cyclonen Kleine Cyclonen

Ontwaterings-zeven

Figuur 4 Scheidingsinstallatie Tweede Heinenoordtunnel (in aanbouw)

een continue stroom slurry die naar de ontwateringsinstallatie gevoerd wordt. Ookhier is een buffertank nodig omdat de stroom niet altijd gelijk zal zijn, maar deze kanveel kleiner zijn dan in het eerste geval. 10

Wanneer het om grote hoeveelheden afgevoerd mengsel gaat, zoals bij tunnellinghet geval is, verloopt de scheiding van de grond en het bentoniet van het uit detunnel afgevoerde grond/bentoniet mengsel meestal als hierna wordt beschreven.Deze methode is de scheidingsmethode zoals deze bij de Tweede Heinenoordtunnelgebruikt wordt. Het afgevoerde mengsel wordt eerst over een stationaire voorzeefgeleid, welke gevolgd wordt door een trilzeef. Hier wordt het materiaal afgescheidendat groter is dan 4 mm, wat direct kan worden afgevoerd naar een depot. De doorvalvan de zeef wordt opgevangen in een buffertank, waaruit de eerste cycloongroepwordt gevoed. Het scheidingspunt van deze cyclonen ligt rond 100-125 urn. Hetvloeistofniveau in de genoemde buffertank wordt op peil gehouden met een bypassvan de bovenloop van de eerste cycloongroep. Hierdoor worden de cyclonen gevoedmet een constante vloeistofdruk, wat een positief effect heeft op hetscheidingsrendement. 10,26

Het zand uit de onderloop wordt verder ontwaterd met behulp van een

ontwateringszeef. Deze zeef heeft een iets hoger scheidingspunt dan de cyclonen,zodat de ontwatering makkelijker en beter verloopt. De onderloop van deontwateringszeef wordt samen met de bovenloop van de eerste cycloongroepopgevangen in een tweede buffertank en vervolgens naar een tweede cycloongroep

geleid. Deze tweede cycloongroep moet de deeltjes kleiner dan 30-60 urn

8

afscheiden, waardoor een groter aantal kleinere cyclonen dan bij de eerste groepnodig is. 10,26

De onderloop van deze groep (>60 urn) wordt ontwaterd door het op het zandbed tebrengen, wat op de ontwateringszeef is ontstaan door het zand uit de onderloop vande eerste cycloonqroep." Er kan ook gekozen worden voor een tweedeontwateringszeef met kleiner scheidingspunt. In beide gevallen kan ook het met dezeefàfgescheiden zand worden afgevoerd naar een depot.

•••1. Grovezeef2/3. Fijne zeef4. Verzameltank5. Grote cycloon6. Kleine cyclonen7. Centrifuge'8. PompJ .••••••.9. Grond, ,.10. Slib •..•..:E)11. Nieuwaangemaakteslurrie

Figuur 5 Scheidingsinstallatie zoals wordt gebruikt bij de grond/bentoniet scheidingin de Tweede Heinenoordtunnel.(Bron: Brochure Tweede Heinenoortunnel)

De bovenloop van de tweede cycloongroep wordt naar de bentonietbuffertankgevoerd, evenals de onderloop van de eventuele tweede ontwateringszeef. Indiennoodzakelijk kan er nog een extra zuiveringsstap volgen, welke uit eencentrifugegroep bestaat. Deze centrifuges worden gevoed uit de bentonietbuffertanken hebben een scheidingspunt van 10-20 IJ.m,zodat de kleideeitjes kunnen wordenafgescheiden en worden gestort. De deeltjesstroom kleiner dan 10 IJ.muit decentrifuges wordt naar een verzamelbak geleid, welke uit twee delen bestaat.Afhankelijk van de kwaliteit van het mengsel wordt in het eerste deel nieuw enschoon bentoniet toegevoegd en gemengd. Tevens wordt een deel van het mengselafgevoerd naar een zuiveringsinstallatie of vloeivijver. Uit het tweede deel, waar deoverloop van de eerste bak in terecht komt wordt de slurry hergebruikt. 10,26

9

Eventueel kan de laatste scheidingsstap, de centrifugestap, worden overgeslagen.De bentonietbuffertank bestaat dan uit drie delen; een bassin om het boorproces vanvloeistof te voorzien, een bassin waar verse bentoniet wordt toegevoegd (35 kg/m3)

en een bassin van waaruit boorvloeistof wordt onttrokken en wordt afgevoerd naarde ontwateringsinstallatie of het vloeiveld. Volgens mondelinge informatie wordt decentrifugestap bij de Tweede Heinenoordtunnel nauwelijks gebruikt, maar is welaanweziç."Andere installaties voegen, indien noodzakelijk, schoon bentoniet toe in debentonietbuffertank, waar het gemengd wordt met de bentoniethoudende slurry.Vanuit de bentonietbuffertank wordt de centrifuge gevoed. De bovenloop van decentrifugestap wordt direct naar de TBM geleid, waar het als boorvloeistof gebruiktwordt. De onderloop van de centrifuge wordt dan teruggeleid naar debentonietbuffertank. In beide laatste gevallen wordt het bentoniethoudende mengsel,als de kwaliteit te slecht is, in één keer naar de zuiveringsinstallatie geleid.Bij het gebruik van minder grote hoeveelheden bentoniet, zoals bij directional drilling,doorpersing, alsmede olie- en gasboringen, wordt meestal geen grotescheidingsinstallatie gebruikt. De grond wordt daar van het bentoniethoudendemengsel gescheiden door het mengsel in een container te pompen, waar de grondkan uitzakken. Het water/bentoniet mengsel stroomt over in een tweede container,waar de samenstelling continu gemonitored wordt. Afhankelijk van de benodigdesamenstelling wordt in deze bak bentoniet bijgevoegd of slurry afgevoerd. Deafgevoerde slurry wordt vaak niet ontwaterd, maar uitgereden op landbouwçrond."Dit deels af voeren van de bentoniethoudende slurry is ook een mogelijkheid voor detunneling. Hierdoor zou er een veel minder grote buffertank nodig zijn om debentoniethoudende slurry tussentijds in op te slaan, dan wanneer alle bentoniet inéén keer vrijkomt.

Samenvattend kan gesteld worden dat bij het gebruik van bentoniethoudendemengsels in de tunnelbouw het scheidingsprobleem terug te brengen is tot deuiteindelijke ontwatering van de bentoniethoudende slurry. Alle eerdere stappenkunnen als bekend en geheel ontwikkeld beschouwd worden, waarbij het bentoniet-water mengsel redelijk eenvoudig te scheiden is van de meegekomen grond uit hetboorproces.

10

3. Ontwatering

3.1 Algemene inventarisatie van de ontwateringsmethoden

Een te ontwateren slurry kan in het algemeen verschillende soorten water bevatten,namelijk (Figuur 6):1. Vrij water;2. Colloïdaal gebonden water (binding van water door de electrische dubbellaag);3. Capillair gebonden water (het water dat de tussen de vaste stof aanwezige

capillairen opvult);4. Cellulair gebonden water."

In het geval van een bentoniethoudende slurry komt alleen vrij, colloïdaal gebondenen in een latere ontwateringsfase, capillair gebonden water voor. Het vrije water kaneenvoudig verwijderd worden onder invloed van zwaartekracht: bezinking in eenbezinktank is vaak voldoende. Colloïdaal en capillair gebonden water is echterslechts te verwijderen door een kracht uit te oefenen om de bindingen te doorbreken.Het ontwateringsprobleem is dus een energieprobleem. Thermische krachten,bijvoorbeeld drogen door verwarmen, zijn altijd in staat het gebonden water teverwijderen. Dit gaat echter met een hoog energiegebruik en dus hoge kostengepaard. Een andere mogelijkheid om dit water te verwijderen gaat gepaard metmechanische krachten, zoals in praktijk vaak toegepast wordt. 22

Groot capillairwater

Figuur 6 Waterbinding in, aan en tussen deeltjes"

11

Uit de literatuur blijkt dat op grond van bovenstaande theorie zeer veel

ontwateringsmethoden ontwikkeld zijn, welke zijn in te delen op soort ontwatering(mechanisch en fysisch/chemisch). In Tabel B.2 in Bijlage B is een overzichtgegeven van de in de literatuur gevonden methoden, volgens genoemde indeling.Deze ontwateringsmethoden worden meestal in combinatie gebruikt. In deslibverwerking is het bijvoorbeeld gebruikelijk om het materiaal eerst uit te latenvlokken, het daarna te laten bezinken of floteren en het ingedikte slib vervolgensover een filterpers te leiden, waarna de slibkoek afgevoerd kan worden.Er zijn weinig systemen ontwikkeld specifiek voor de ontwatering van debentoniethoudende slurry. Vele bestaande systemen die gebruikt worden voorslibverwerking zullen echter met een aantal aanpassingen ook bruikbaar zijn voor debentoniethoudende slurry. Er moet dan rekening gehouden worden met deeigenschappen van het bentoniet die in de volgende paragraaf behandeld worden.Deze methoden komen later in dit hoofdstuk uitgebreid aan bod.

3.2 Specifieke problemen bij de ontwatering van de bentoniethoudendeslurry's

In de paragraaf 2.1 zijn de eigenschappen van het bentoniet behandeld. Een aantalvan deze eigenschappen hebben een zeer negatief effect op de ontwatering. Dezeworden in deze paragraaf behandeld. Hieruit volgen direct de voorwaarden waaraande ontwateringsystemen moeten voldoen.

De belangrijkste specifieke problemen voor de ontwatering van bentoniethoudendeslurry's zijn:• de deeltjes zijn zeer klein «1 urn):• de kleiplaatjes zijn gehydrateerd door de electrische dubbellaag rond de deeltjes;• bentoniet komt in gedispergeerde vorm voor (kaartenhuisstructuur);• het bentoniet heeft een thixotroop karakter.Door deze eigenschappen zullen de deeltjes zonder toevoegingen van toeslagstoffen zeer slecht te ontwateren zijn met de conventionele technieken. Doordat debentoniet deeltjes zo klein zijn, blijkt in de praktijk dat de deeltjes in cyclonen encentrifuges in de bovenloop met het water meekomen, filters verstopt raken en/ofoverstromen en door het thixotrope karakter de deeltjes niet bezinken of floteren dedeeltjes. Doordat het in gedispergeerde en gehydrateerde vorm voorkomt zal,wanneer geen vlokkingsmiddel wordt toegevoegd, bij gebruik van filterpersen encentrifuges het gebonden water achterblijven, waardoor nooit een heel hoog drogestof gehalte behaald kan worden.Door deze beperkingen zullen zeer veel systemen afvallen en zullen er altijd toeslagstoffen gebruikt moeten worden bij de behandeling van de slurry.

12

Een bijkomend probleem is dat er zeer grote hoeveelheden bentoniethoudende

slurry tegelijk behandeld moeten worden. Natuurlijk kan er een buffertank geplaatstworden, maar het ontwateringsproces moet de afvoer van bentoniethoudendeslurry's wel bijhouden. In geen geval mag de boorsnelheid afhangen van deontwateringsnelheid.

Uit het bovenstaande volgt dat de ontwateringsinstallatie moet voldoen aan devolgende (rand)voorwaarden:• de installatie moet geschikt zijn voor het ontwateren van een zeer fijne fractie;• de kaartenhuisstructuur moet worden verbroken: er moeten aggregaten (vlokken)

worden gevormd;• de installatie moet economisch haalbaar zijn: de kosten van de volumereductie

moet opwegen tegen de verminderde stortkosten;• de installatie moet milieutechnisch positief naar voren komen (energieverbruik,

kwaliteit van effluent enz.)• er moet een keuze gemaakt worden tussen het continu aanpassen van de

boorvloeistof, waardoor er een continue stroom te ontwateren materiaal ontstaatof het bouwen van een tussenopslag voor de slurry;

• het toepassen en de keuze van bepaalde toeslagstaffen moet afhangen van hetgebruik van de bentoniet na ontwatering.

Deze voorwaarden zullen gebruikt worden bij de selectie van deontwateringsmethode van de bentoniethoudende slurry, waarbij deze voorwaardentegen elkaar afgewogen zullen worden.

3.3 Ontwateringsmethoden bentoniethoudende slurry's in de praktijk

Voor de ontwatering van bentoniethoudende slurry's zijn nog maar weinig systemenin gebruik. Bij de produktie van bentoniet wordt het materiaal in de zon gedroogd enis er dus geen speciaalontwateringsysteem nodig. De toepassingen van bentonietzijn verder dusdanig, dat ontwatering vaak niet nodig is. Als het om kleinehoeveelheden bentoniethoudende slurry's gaat, ontwatert men in de praktijk ook niet,maar rijdt het uit over landbouwgrond, zoals al eerder genoemd is. Er zijn ook enkeleverwerkingsbedrijven, die dit materiaal kunnen ontwateren (zoals de VAM te Wijster,die met een decanter dit meteriaal kan ontwateren).25.28.31.42

Er zijn wel een aantal systemen beschikbaar, die zijn ontwikkeld voor de behandelingvan grote hoeveelheden bentoniethoudende slurry. In het kader van dit onderzoek iseen kleine patent research gedaan, om patentaanvragen op het gebied vanbentoniethoudende slurry ontwatering en die de laatste jaren gedeponeerd zijn, teinventariseren. De US-patenten en de Europese patenten van de laatste twee jaar(1996 en 1997) als mede de PCT aanvragen van 1997, zijn doorgenomen opontwateringsinstallaties en methoden. Er zijn veel patentaanvragen geweest voor

13

ontwateringsinstallaties voor slib en fijne deeltjes, maar de laatste twee jaar isbentoniet niet specifiek genoemd. Wel is een patentaanvraag gevonden van MS(Materiél de séperation), die handelt over een installatie die in paragraaf 3.3.4uitgebreid wordt behandeld. Deze is oktober 1996 gedeponeerd bij het Duitsepatentbureau, met een prioriteit voor Frankrijk. 16

In Tabel B.3 in bijlage B wordt een overzicht gegeven van verschillende ontwikkeldesystemen, die geschikt zijn om een bentoniethoudende slurry te ontwateren. Dezeverschillende methoden worden in onderstaande paragrafen behandelt.

3.3. 1 Vloeivelden

In de praktijk wordt veel gebruikgemaakt van vloeivelden. De slurrywordt op een veld gepompt, watomgeven is door taluds. Hier heefthet water de tijd om in de grond tezakken (natuurlijke filtratie) en zalhet vocht deels verdampen. Doorhet graven van greppels of hetaanleggen van drainagepijpenwordt de ontwatering bevorderd.Ook planten van geschiktebegroeiïng kan ervoor zorgen dathet materiaal sneller steekvast en te betreden is. De eenvoudigste waterstromen,zoals deze zullen voorkomen op een vloeiveld staan weergegeven in Figuur 7.Uiteindelijk ontstaat er steekvaste bentoniet wat afgevoerd kan worden. Dit isverreweg de eenvoudigste en goedkoopste manier zonder investeringen inmachines. Wel is er veel ruimte nodig; is deze er niet wordt de methode al snel ergduur, omdat de slurry dan eerst vervoerd moet worden naar het veld. Gezien desamenstelling van de slurry (groot watergehalte) en het grote volume, is dit zeer duuren zal men dit proberen te vermijden. Wanneer er dus voldoende ruimte is bij eenlocatie, of wanneer het materiaal makkelijk in geslurificeerde toestand kan wordenafgevoerd naar een vloeiveld in de omgeving, verdiend deze methode de voorkeur,vanwege de eenvoud en geringe kosten.Bij de Tweede Heinenoordtunnel is een groot stuk grond ingericht als vloeiveld. Hierwordt het bentoniethoudende slurry naar toe gepompt. Na uitzakking van het waterzal er een afdeklaag over de bentoniet komen en wordt het terrein ingericht alsrecreatie gebied. 26,42

y y

Natuurlijke Filtratie

Figuur 7 Waterstromen in een vloeiveld

14

Indien de bentoniethoudende slurry op enige andere wijze ontwaterd wordt danmiddels een vloeiveld, is het gebruik van vlokkingsmiddelen onvermijdelijk. Bij detoevoeging van verschillende vlokkingsmiddelen verdwijnt de gedispergeerde

structuur en vormen de bentonietplaatjes agglomeraten en vlokken."De agglomeraten kunnen gevormd worden onder invloed van een zout. De positiefgeladen ionen zullen zich binden aande plaatjes, waardoor de negatievelading geneutraliseerd wordt. Hetomgekeerde van de activering van hetbentoniet wordt hierdoor bereikt. Dekaartenhuisstructuur en het thixotropekarakter zullen verdwijnen en deplaatjes zullen weer als agglomeratenvoorkomen. Het neutraliseren kan inprincipe met ieder positieve ion, er zalechter meer materiaal nodig zijn bijtoevoeging van een eenwaardig ion(concentratie in oplossing 25-1250mmolIl) dan bij een tweewaardig (0.5-2 mmolIl) of een driewaardig ion (0.01-0.1mmolIl). De concentraties, die zijn weergegeven tussen haakjes, zijn de kritischecoagulatie concentraties en zijn afhankelijk van de concentratlebentonletptaetles."In de praktijk wordt voor de neutralisatie kalk (Oa003) gebruik, waardoor calciumbentoniet wordt teruggevormd. 28

Samen met kalk wordt vaak een synthetisch anionisch polymeer toegevoegd,meestal een polyacrylamide. Dit zijn wateroplosbare polymeren met een hoogmoleculair gewicht. De functie van het synthetisch polymeer is de vorming vanmacrovlokken, door het vormen van bruggen tussen de verschillende deeltjes. Dezemacrovlokken zorgen voor een snellere bezinking en een verminderdefilterweerstand. 13

De werking van een polymeer is afhankelijk van een aantal factoren. Dit zijnvoornamelijk factoren gerelateerd aan de electrolytische eigenschappen, zoals pH,hardhe.id van de oplossing, electrische conductlvitelt enfäctorenalstemperatuur,concentratie en korrelgrootte verdeling van de te ontwateren oplossing. Bekend isdat de toevoeging van kalk de pH verandert en zo ook de werkingivanhetpolymeerkan beïnvloeden. Daarom moet hetgebruik vanvlokkingsmiddelen in iedere situatieuitgebreid op laboratorium schaal en/of semi-technische schaal worden getest,voordat het in de praktijk wordt toeqepast.":"Een richtlijn voor de hoeveelheid benodigd flocculant bij de ontwatering vanbentoniet is 100 tot 200 gram synthetisch vlokkingsmiddel per ton solids (600-1000ppm) en 2 tot 5 gewichtsprocent kalk. De polymeren en de kalk kunnen het beste intwee fasen worden toeqevoeçd." Bij de door Materiél de Séperation ontwikkelde

3.3.2 V/okkingsmidde/en

'\\..

0·\..'" .\.• .••,t

.... \".[]-,~~.._-_ ..~./..

.Bentonietmetpositiefgeladenranden

Figuur 8 Invloed van polymeren op debentonietplaatjes(Bron: BTL-rapport 18)10

15

ontwateringsmethode, die in paragraaf 3.3.4 wordt beschreven, wordt eerst hetsynthetische vlokkingsmiddel toegevoegd, waarna het bentoniet ingedikt wordt tothet een dichtheid van 1.35 kgf I bereikt. Voordat de slurry naar een filterpers wordtgeleid, wordt het kalktoegevoe.gd(tweede voorbehandeltnqsfase)."

De meestepolymerendie~lsvlqkkingsmiddel gebruikt worden, zijn biologischafbreekaaár .:Ditbetekendd~t •••n~verlqOp.van tijd, de toevoeging dooractiviteitverdwijnt.De oorspronkelijkenatriumbentonietblijft dan over en kaneventueel hergebruikten ingezetvoorandere doeleinden. Wanneer kalk wordttoegevoegd verdwijnt de kaartenhuisstructuur en het thixotrope karakter en krijgende kleipla~tjeseen· gelaagclestructuur krijgen. (calcium bentoniet wordt gevormd). Omdaarnavoorhergebruikde structuuren eigenschappen van natrium bentoniet terug tekrijgen betekend de calciumionenweeruitgewisseld moeten worden voor natriumionen, net als bij de produktie van natriumbentoniet gedaan wordt (paragraaf 2.1).

3.3.3 Decanteer centrifuges

De benadercleverwerkingsbedrijven voor bentoniethoudende slurry's gebruikendecanteer centrifuges, met of zonder toevoeging van vlokkingsmiddelen. Eenvoorbeeld van een dergelijke opstelling, zoals gebruikt wordt bij de VAM te Wijster,bestaat uit 3 decanteer centrifuges en een flocculant doseringsinstallatie. In deeerste twee stappen wordt de bentoniethoudende slurry alleen middels eencentrifuge ingedikt. Als het droge stof gehalte niet hoog genoeg is na de tweede stap(40-35% ds.) wordt een vlokkingsmiddel toegediend en wordt de stroom door dederde decanteer centrifuge geleid. Het vlokkingsmiddel bestaat uit een organischpolymeer en ijzerchloride. In deze laatste stap wordt een droge stof gehalte van 60%bereikt. Zoals in bijlage B staat vermeld, heeft deze methode slechts een doorzetvan 5 m3fuur per decanteer centrifuge en verbruikt het 1OkWfm3 ontwaterdslib.33,37,41

Figuur 9(bron: Brochure Siebtechniek)

16

3.3.4 Filterpersen

Een andere methode, 2000 m3 slib per uur ontwateren met behulp van flocculatie,bezinking en filterpersen (membraanpers, hoge druk filterpers of kamerfilterpers). Bijdeze methode, ontwikkeld door M.S., wordt het slib voorbehandeld door het in telaten dikken na toevoeging van een synthetisch vlokkingsmiddel. Het ingedikte slibwordt opgeslagen in een silo. Vanuit deze silo wordt de filterpers gevoed. Alvorenshet slib in de filterpers te leiden, wordt de disperse toestand van de bentonietplaatjesopgeheven met behulp van kalk (CaC03) waardoor de ontwatering beter zalverlopen. Meestal zal er 2 tot 6 gewichtsprocent kalk toegevoegd moeten worden.De slurry zal onder druk in defilterpers worden gebracht (0-4 bar), waarna de personder druk wordt gebracht (16 bar). Meestal wordt voor de bentoniethoudende slurrytoepassing een kamerfilterpers gebruikt. Per kamerfilterpers kan 10 tot 12 ton drogestof per uur behandeld worden. Afhankelijk van de hoeveelheid te ontwaterenbentoniethoudende slurry kan de hoeveelheid kamerfilterpersen, de grootte van debezinktank en daarmee nauw samenhangend, de investeringskosten en de kostenper ton ontwaterd materiaal, vastgesteld worden.': 35

In plaats van een gewone kamerfilterpers kan ook een membraanfilterpers (Figuur10) of een hoge drukfilterpers overwogen worden. De traditionele filterpers past eendruk van 10-15 bar toe, terwijl deze opgelegde druk bij de hoge drukfilterpers tot 50-65 bar wordt verhoogd. De hoge drukfilterpers produceert een cake met 77-80gewichtsprocent droge stof (gew% d.s), terwijl de traditionele filterpers slechts 65-70gew% d.s. bereikt. Wordt genoegen genomen met een droge stof gehalte van 73/74gew% d.s. kan de cyclus tijd gehalveerd worden ten opzichte van een traditionelekamerfilterpers. Wordt een hoge drukfilterpers vergeleken met eenmembraanfilterpers, kan geconstateerd worden dat een membraanfilterpers eenkoek produceert waarvan het droge stof gehalte slechts 1-5% lager is (ongeveer 77gew% d.s.), maar dat de investeringskosten van een membraanfilterpers 30-50%lager zijn dan die van een hoge drukfilterpers bij een gelijke capaciteit. 5, 27

'w LIJ1. 2. 3. 4. 5. 6.1. Lege kamer 4. Wegblazen slurrie2. Vullen en filtreren 5. Membraan verwijderen3. Membraan persen 6. Koek verwijderen

Figuur 10 De ontwateringscyclus in een membraanfilterpers (bron: Brochure R&B Filtration)

17

3.4 Andere ontwateringsmethoden

Er zijn ook nog veel bestaande ontwateringsmethoden, die (nog) niet wordentoegepast in de tunnelbouw, maar wel in de verwerking van zuiveringsslib ofgrondontwatering, wat bijvoorbeeld toegepast wordt na het wassen van grond (TabelB.2 en Tabel BA).

3.4. 1 Droging

Een eventueel toepasbare methode is de 3-fase intensieve ontwatering. Dezemethode is op het principe van een kamerfilterpers gebaseerd maar heeft een extrastap, waarin het materiaal met warme lucht doorblazen wordt. Hierdoor wordt eenveel lager vochtgehalte bereikt, namelijk een droge stof gehalte van 84% i.p.v. 70%.De doorzet van de grootste intensieve filterpers is 28 ton/uur, wat bij het inkomendedroge stof gehalte van de bentoniethoudende slurry neerkomt op 21.5 m3 per uur."In plaats van luchtdoorblazing kan ook stoomdoorblazing gebruikt worden7

.15

• In eenandere droogsystemen, zoals Hl-Bar steam Pressure Filtration 2 wordt stoom reedsgebruikt en blijkt dit gebruik energetisch veel voordeliger te zijn dan het gebruik vanhete lucht. Middels deze methode kan een droge stof gehalte van 91.5% bereiktworden, wanneer het wordt toegepast bij de ontwatering van steenkoolstof. Metvacuümfiltratie of standaard filterpersen kan dit materiaal een droge stof gehalte van80.5% bereiken. Deze intensievere ontwateringsmethode kan zeer goed gebruiktworden in plaats van de gewone kamerfilterpers bij het door MS ontwikkeldesysteem. Wel moet dan afgewogen worden of deze extra investeringskostenopwegen tegen de verminderde stort en transportkosten of betereafzetmogelijkheden van het drogere materiaal. Dit geldt overigens voor allemethoden die in deze paragraaf genoemd worden.

Figuur 11 Principe van droging door middel vanzonne-energie en natuurlijke convectie.

(Bron: Luboschik (1997))

18

Een tweede methode is het thermisch drogen van het slib, wat nauw samenhangtmet de vorige methode. Er zijn zeer veel droogsystemen op de markt, zoalssproeidrogers, dunne laagdrogers, trommeldrogers, fluïdbed drogen enz. Ook hetvoorgenoemde stoomdrogen is een thermische droogmethode. De verschillendemethoden hebben, volgens de brochures van de leveranciers, allen een zeer hoogenerqieverbruik". Daarom lijken de droogmethodes minder geschikt voor detoepassing van de bentonietontwatering.Luboschnik (1997)11 handelt over een slibdroogsysteem met behulp van zonne-energie. Dit zou een interessant alternatief kunnen zijn voor de slibontwatering als ervoor het gebruik van vloeivelden gekozen wordt. Het artikel handelt over eendrogingsinstallatie in Zuid-Duitseland, Hammerstein, waar slib uit eenzuiveringsinstallatie op deze manier gedroogd wordt. Het systeem bestaat uit eenasfalt vloer en een overkapping van transparant landbouwplastic. Verder zijnventilatoren, een schoorsteen en machines voor het keren van de grondnoodzakelijk. De toegevoegde energie van dit systeem is slechts 20-30 kWh/tonverdampt water. Dit komt overeen met een energieverbruik van 175-260 kWh/tonslurry, wanneer het droge stof gehalte stijgt van 10 naar 80 gew% d.s .. Dit komtovereen met zo'n 2-3% van het totale energie verbruik van een industrieeldroogproces. Er is gevonden dat in midden Europa ongeveer 700 kg water per m2

verdampt kan worden. In Nederland zal deze gemiddelde hoeveelheid iets lager zijnomdat de stralingsintensiteit lager is (Figuur 12). Er kunnen droge stof gehaltesbereikt worden tot 90%. Het grote nadeel van dit systeem is de hoeveelheid plaatsdie het inneemt en de lange tijdsduur van het ontwateren." In het algemeen wordtgesteld dat per jaarlijks geproduceerde ton slib 1 m2 nodig is om te ontwateren. Alser bij de bouw van een tunnel voor een vloeiveld gekozen wordt om het water uit telaten zakken is het goed de mogelijkheid van de overkapping te overwegen, zodat ereen drogere substantie kan ontstaan, i.p.v. een moerassig terrein.

Hoort! J F M A M J J A S 0 N o Noord

80 8060 60

'ti 40 40Ol 20Ol 20...Cl 0CD 0~ 20 20alal... 40 401I2

60 6080 80

Zuid J F MAM J JAS 0 N 0 Zuid

Maand

Figuur 12 Stralingsintensiteit op het aardoppervlak in W/m2 als functievan de breedtegraad en de dag van het jaar

19

3.4.2 Electra-osmose

Een ontwateringsmethode, waarbij hoge droge stof gehaltes bereikt kunnen wordenen welke vooral goed toepasbaar is op de geladen bentoniet deeltjes, iselektroforese en elektro-osmose. Deze methode is ontwikkeld door het U.S. bureauof mines om een oplossing te bieden voor de 100 tot 200 miljoen ton slimes, diejaarlijks ontstaat in de mijnbouw in de VS. De ontwatering kan bereikt worden dooreen spanning van 60 tot 240 volt per meter tussen twee electroden aan te brengendie in de slurry zijn geplaatst. De negatief geladen deeltjes zullen naar de positiefgeladen anode migreren (electroforese). In een dichtere pakking zullen dewatermolekuien naar de negatieve kathoden bewegen, waardoor nog verderontwatering kan plaatsvinden." Sprute (1980) geeft een voorbeeld van eenlaboratorium test die zeer goed met de praktijk overeenkomt. Het geteste materiaalis een klei met een gehalte van SOgew% d.s., 100% van de deeltjes was kleiner dan74 urn in diameter en SO% kleiner dan 20 urn en de opperlading was -26 mV. Er koneen gehalte van 81 gew% d.s. bereikt worden bij een energietoevoer van 37 kWhper ton eindproduct. Bij een 24 uur cyclus, bestaande uit aan het eind van de middagvullen van de cellen, IS nachts behandelen en 's ochtends uitscheppen, werd eenproductie van SSOton koek per cel per week verwacht (= 140 ton slurry per dag).Indien er meerdere cellen nodig zouden zijn, zal dit systeem veel ruimte innemen. Indeze vorm zal het ook minder makkelijk verplaatsbaar zjjn.21

Gebaseerd op het principe van de electro-osmose is een patent aanvraag (WO97/11767) ingediend voor een methode, waarbij het slib in de eerste fase ontwaterdwordt door het over een geperforeerde filterband te leiden. In de tweede fase wordthet slib middels een spanning tussen twee electroden (electra-osmose) verderontwaterd. De onderste electrode is ook in de vorm van een geperforeerde bandaanwezig, waardoor het water goed uit het slib wordt getrokken. Deze methode,gebaseerd op een filterpers is continu te bedrljven."

20

4. Evaluatie ontwateringsmethoden

4.1 Selectiecriteria

In dit hoofdstuk worden de ontwateringsinstallaties, die reeds beschreven zijn in heteerste deel van dit rapport, getoetst aan een aantal selectiecriteria. Deze volgen uitde doelstelling en van dit project en de randvoorwaarden, die reeds wordenbeschreven in paragraaf 3.2.De selectiecriteria waar de methoden en installaties op worden beoordeeld zijn:• geschiktheid voor het ontwateren van bentoniet;• kosten van de installatie;• milieutechnische eigenschappen (ruimtebeslag, energieverbruik, kwaliteiteffluent);

• gebruik toeslagstoffen en voorbehandeling;

• capaciteit;• eindgehalte droge stof;• procesvoering;

De twee mechanische installaties worden aan de hand van de gegevens van deleveranciers met elkaar vergeleken. Verder worden ook de andere eerder genoemdealternatieve ontwateringsmethoden geëvalueerd. Aan het eind van het hoofdstukwordt een overzichtstabel gegeven met de beoordeling van de verschillendeinstallaties.

4.2 Evaluaties

4.2.1 Vloeivelden

Het gebruik van een vloeiveld betekent een goede en goedkope oplossing, indien ereen terrein als bij de tweede Heinenoord tunnel beschikbaar is. Het zal echter nietvaak voorkomen dat er een terrein van die grootte voor dit doel gebruikt kan wordenwat ook nog in de nabijheid van het boorproces ligt. Indien de slurry naar een stortgebracht moet worden, moet het steekvast zijn, omdat het anders niet gestort magworden. Ook voor eventueel hergebruik op andere lokaties (zoals afdeklagen voorstortterreinen en toeslagstof voor cementindustrie) zal het materiaal een redelijkdroge stof gehalte moeten hebben (>35 gew% d.s.). Dit droge stof gehalte kan·eventueel bereikt worden met behulp van een vloeiveld, maar dit zal veel tijd inbeslag nemen. Aangezien er bij het gebruik van een vloeiveld meestel geenvlokkingsmiddelen worden toegevoegd, zullen de deeltjes niet bezinken en het zallange tijd duren voordat het water is uitgezakt. Zonder droging zal het colloïdaalgebonden water niet verwijderd worden en ook het capillaire water zal voor hetgrootste deel aanwezig blijven. Het stuk grond is daarom ook voor lange tijd niet

21

bruikbaar voor andere toepassingen, wat problemen met zich mee kan brengen. De

capaciteit van een vloeiveld hangt af van de beschikbare ruimte, maar er zal altijdvoor gezorgd worden dat deze groot genoeg is. Daarom zal men in veel gevallen ineen ontwateringsinstallatie moeten te investeren.

Milieutechnisch gezien is het vloeiveld een redelijke oplossing. Aangezien het

bentoniet op generlei wijze een milieuvreemde stof is, kan het geen schadeveroorzaken aan de samenstelling van gondwater en bodem. Het veranderd echterwel de bodemstructuur; indien het ongemengd blijft met zand of grond, ontstaat eenondoorlatende laag op de bodem. Ook is het ruimtebeslag van het vloeiveld zeergroot, zoals al eerder vermeld is. Het energieverbruik bij deze methode is nihil.Alleen de pompen, die het bentoniet naar het vloeiveld pompen verbruiken energie,maar dit soort pompen zijn bij iedere installaties noodzakelijk.

Samenvattend kan gezegd worden dat een vloeiveld verreweg de goedkoopsteoplossing is voor het ontwateren van de bentoniethoudende slurry, mits er voldoenderuimte beschikbaar is.

4.2.2 Mechanische ontwateringsmetoden

In het rapport van RIZAlPOSW- "Resultaten van een inventarisatie vanpraktijkgegevens van mechanische ontwateringstechnieken voor baggerspecie"-bleek dat de zeefbandpers de meest gebruikte ontwateringsmethode is in het gevalvan de ontwatering van baggerspecie.19 Deze methode blijkt echter geheel nietgeschikt te zijn voor bentoniethoudende slurry's, vanwege voorgenoemdeeigenschappen. De zeefbandpers verstopt en loopt over, als er eenbentoniethoudende slurry met een laag droge stof gehalte met deze installatieontwaterd wordt.Uit het vorige hoofdstuk is gebleken dat in de praktijk buiten het vloeiveld slechtstwee mechanische methoden gebruikt worden welke in deze paragraaf tegenoverelkaar worden geplaatst. Verder zijn er nog de niet gebruikte technieken uitparagraaf 4.5. Deze technieken zullen ook nog kort worden besproken ophaalbaarheid en toepasbaarheid.

In Tabel 1 worden de voor en nadelen van de filterpers ten opzichte van dedecanteer centrifuge gegeven. Ten eerste kan met de filterpers een zeer hoog drogestof gehalte bereikt worden, zeker als gekozen wordt voor lucht en/ofstoomdoorblazing, hoewel dit laatste weer meer productie en investeringskosten metzich meebrengt. De filterpers wordt vaak geassocieerd met hoge investeringskosten,maar men moet bedenken dat de bedrijfskosten lager zullen zijn dan bij de decanter.Ook hoeft minder vlokkingsmiddel toegevoegd te worden, omdat de slurry aanminder grote afschuifspanningen blootgesteld wordt en de energiekosten zullen lagerzfjn.' Daarentegen moet er wel een voorbehandelingsstap plaatsvinden, waarvoor

22

extra installaties gebouwd zullen moeten worden. Daarbij vindt het procesbatchgewijs plaats, waardoor er altijd een tussenopslag voor de ingediktebentoniethoudende slurry aanwezig moet zijn. De gehele installatie neemt dus veelruimte in. In beide gevallen wordt een te storten of zelfs her te gebruiken eindproduktverkregen en kan het water hergebruikt worden binnen de tunnelboring en zal heteindproduct goed stortbaar of zelfs herbruikbaar zijn. 22

De beslissing voor het optimale proces moet voor elke individuele toepassing eerstgetest worden op laboratorium en pilot schaal. Dit geeft een beter beeld van de teverwachten uitvoering van de ontwatering. Volgens Jung et. al. (1996) is dekamerfilterpers echter de enige geschikte methode voor slurry's met een hooggehalte aan fijne deeltjes. Ook enkele grote boorprojecten hebben het gebruik vaneen kamerfilterpers in combinatie met een voorbehandelingsstap in de praktijkbewezen (Cairo subway, Meteor Paris, Airport link Sydney e.a. (MS, references intunnellnç)"). Aan de andere kant wordt de decanter in praktijk at succesvoltoegepast voor de ontwatering van bentoniethoudende slurry's, zoals bij de VAM teWijster.40•41

Tabel 1 Voor- en nadelen: filterpers versus centrifuge voor ontwateringbentoniethoudende slurry's" 12

Kenmerk Filterpers CentrifugeProcestype batch continuCapaciteit per unit hoog laageindgehalte droge stof 70 50(gewichtsprocent)Voorbehandeling noodzakelijk ja neeInvesteringskosten hoog laag

Lopende kosten laag hoog

Energieconsumptie laag hoog

Toevoeging vlokkingsmiddel 100-200 g/ton ds. > 400 g/ton ds.

Onbemande installatie Mogelijk met aanpassingen Goed mogelijk (meestal 2(meestal 2 mensen) mensen aanwezig)

Bedrijfszekerheid zeer goed goed

Frequent onderhoudswerk Filterdoek geen

Verblijfstijd deeltjes in de 20-30 minuten enkele seconden

installatie

Door het aantal grote aantal parameters is het zeer moeilijk om een eenduidigekostenraming van de twee processen weer te geven. Niet op de laatste plaats omdater een aantal parameters, zoals de hoeveel vrijkomende bentoniethoudende slurryper uur en de precieze samenstelling van het vrijkomende bentoniethoudende slurryper tunnelboring verschilt. Een lijst met factoren die bekend moeten zijn voor het

ontwerp van een ontwateringsinstallatie is weergegeven in Bijlage C

23

Afhankelijk van de eisen per boring kan een keuze gemaakt worden tussen dezetwee bestaande systemen, uitgaande van de genoemde factoren.

4.2.3 Alternatieve methoden

Met de alternatieve ontwateringsmethoden, die nog niet voor de ontwatering vanbentoniethoudende slurry's gebruikt worden, wordt wel een zeer hoog droge stofgehalte bereikt. Ook de energieconsumptie is niet hoog, uitgezonderd detrommeldrooginstallatie. Er dient echter rekening gehouden te worden met het feitdat de aangegeven energieconsumptie per onderdeel van de installatie isweergegeven. Wanneer de energiekosten voor de gehele installatie wordengeraamd zal ook het vermogen van de pompen en dergelijke mee gerekend moetenworden. Dit vermogen wordt vaak niet door de leverancier weergegeven. Daarvoormoet er een specificatie van het probleem naar de fabrikant met de eigenschappenen hoeveelheden van het materiaal.

De genoemde systemen voor droging met behulp van zonne-energie en voorelektro-osmose hebben erg veel ruimte nodig. Ook zijn deze systemen moeilijkverplaatsbaar. Droging met behulp van zonne-energie duurt ook erg lang en zal eenafweging moeten worden gemaakt of deze extra droging door overkapping en deinstallatie van ventilators rendabel is ten opzichte van het gebruik van vloeiveldenalleen. Zowel de electre-osmose als de droging met behulp van zonne-energiezouden goede aanvullingen kunnen betekenen op het gebruik van vloeivelden. Erkan zo een veel hoger droge stof gehalte bereikt worden in kortere tijd, zodat deruimte minder lang in gebruik is. Bij beide methoden is er geen gebruik vantoeslagstoffen noodzakelijk, waardoor dezelfde milieu-afwegingen gelden als bij hetvloeiveld. Het energieverbruik van de electro-osmose is echter wel zeer hoog,evenals de investeringskosten. Deze twee aanvullingen op het vloeiveld verdienenzeker aandacht wanneer voor een vloeiveld gekozen wordt De electre-osmotischeinstallatie zoals eerder genoemd20

, 21 hoeft niet verder bekeken te worden. Het is eendure installatie, die veel energie vraagt.

De overige kamerfilterpers met stoomdoorblazing is erg goed te combineren met dereeds bestaande kamerfilterpers methode. Ook hier dient overwogen te worden ofdeze extra investering opweegt tegen de vermindering van het vochtgehalte, watslechts 12 tot 20 gewichtsprocent bedraagt. Dit komt overeen met 6-10

volumeprocent, dus de extra kosten moeten beneden de 6-10% lagere stort- entransportkosten blijven. De capaciteit zal per tijdseenheid iets lager zijn dan bij degewone kamerfilterpers, maar dit is afhankelijk van de hoeveelheid filterdoek, wat

eevoudig vergroot kan worden.

Droging met behulp van trommeldrogers blijkt geen goed alternatief, want hetenergieverbruik is zeer hoog. Het stroomverbruik is al ongeveer 8 keer zo hoog als

24

bij de genoemde indikking gecombineerd met de kamerfilterpers en daarbij wordt erveel aardgas gebruikt. Deze grote hoeveelheden aardgas moeten op lokatiegeleverd kunnen worden, wat waarschijnlijk ook problemen met zich meebrengt.Deze manier van drogen lijkt voor dit doel geen goed alternatief.

Nogmaals moet benadrukt worden, dat de juiste installatie per geval getest moetworden op geschiktheid voor het ontwateringsproces. Dit geldt vooral voor deinstallaties, waarbij vooralsnog geen ervaring is met de ontwatering vanbentoniethoudende slurry's.Daarom is het ook moeilijk een kostenoverzicht te geven voor de verschillendeinstallaties. Dit is geheel afhankelijk van het ontwerp van de leverancier en debenodigde capaciteit en dit zal dus ook voor ieder geval apart bekeken moetenworden. Er zal rekening gehouden moeten worden met kosten tussen 150,= en1300,= per ton droge stof. Rijping in een depot zonder toevoeging van flocculanten isverreweg de goedkoopste oplossing (/15,= tot 170,= per ton droge stof), maar hierspeelt de tijdsduur en het benodigde oppervlak een grote rol. 6 De methoden methoog energieverbruik en grote investeringen hebben minder ruimte nodig enontwateren veel sneller, maar hiervan zijn de kosten per ton droge stof dan ook velemalen hoger.

Selectie Filterpersen vloeiveld decanters drogingcriteteria

conventioneel met Trommels electro- zonne-droging osmose energie

Geschiktheid +++ +++ +++ ++ ++ +++ +++

voor bentoniet (mits veel

_ ~~~~!:!!!l~ __ -------- ----- -~~.!~- ------ ------ ----- -----Investerings +/- n.b. +/-

kosten---------- -------- ----- ------ ------ ------ ----- -----~0.P~~d~!~s.!~_ +/- n.b. +/--------- ----- ------ ------ ------ ----- -----kwaliteit effluent ++ ++ n.v.t. + ++ n.v.t.---------- -------- ----- ------ ------ ------ ----- -----_~~e.P~~~__ +/- +/--------- ----- ------ ------ ------ ----- -----~~.!:.gJ.e..Y!:!Ë~~_ +/- +/--------- ----- ------ ------ ------ ----- -----__ ~.e~cJ!~~ __ ++ + +++ +/- +/- + ++-------- ----- ------ ------ ------ ----- -----eindgehalte 70-78% 90.5% 30-40% 35-42% 50-90% 81% <90%

__d.!:~g~~~!..__ -------- ----- ------ ------ ------ ----- -----onbemande +++ + + ++ +++

installatie---------- -------- ----- ------ ------ ------ ----- -----procesvoering batch batch batch continu continu batch batchn.b. niet bekendn.v.t. niet van toepassing

slecht+++ goed

25

5. Conclusies

• In de boortechnologie (olie-, gas- en waterwinning) zijn nauwelijks techniekenvoor de ontwatering van bentoniethoudende slurry beschikbaar, omdat hetmeestal wordt uitgereden op agrarische grond of er wordt gebruik gemaakt vaneen vloeiveld waar het vocht deels kan uitzakken en verdampen. Vloeivelden zijnin principe een zeer goede methode om bentoniet rustig te ontwateren, mits erde ruimte voor is. Het gaat wel langzaam en er worden niet heel hoge droge stofgehaltes bereikt, maar het materiaal wordt wel steekvast op den duur. Eventueelkan er bij gebruik van vloeivelden gebruikt gemaakt worden van alternatievedroogmethoden, zoals zonne-energie en elektro-osmose. Deze twee methodenmoeten dan wel getest worden, want er is op dit gebied nog geen ervaring metdeze ontwateringsmethoden

• Vooralsnog zijn er buiten het vloeiveld slechts twee installaties in gebruik voor deontwatering van bentoniethoudende slurry, te weten indikking onder. invloed vanflocculanten in combinatie met een kamerfilterpers en decanteer centrifuges metflocculant dosering. Deze twee installaties hebben allebei hun eigen voordelen endeze moeten tegen elkaar worden afgewogen per situatie waarin debentoniethoudende slurry ontwaterd dient te worden. De twee methoden zijnreeds voldoende ontwikkeld, maar om de juiste afweging te kunnen makendienen zij wel gemonitored te worden bij de behandeling van een bentoniethoudende slurry. Met deze resultaten kan dan de juiste keuze gemaakt worden.

• De optimale flocculant dosering moet op laboratoriumschaal getest wordenalvorens toediening in de installatie. Dit zal naar alle waarschijnlijkheid hetverbruik van het vlokkingsmiddel drastisch omlaag brengen.

• Bentoniet is door zijn kaartenhuisstructuur en thixotrope karakter zeer moeilijkontwaterbaar. Om dure ontwateringsinstallaties te mijden, kan beter eenvervanger voor het bentoniet gezocht worden om te gebruiken bij het boren vantunnels, voordat er in deze dure apparatuur geïnvesteerd wordt.

• Per situatie of proces moet de gehele installatie op laboratoriumschaal en op pilotschaal getest worden op geschiktheid.

• Indien hogere droge stof gehaltes gewenst zijn in de ontwaterdebentoniethoudende slurry dan met de gewone kamerfilterpers of met demembraanpers gehaald kunnen worden, is een drie fase filterpers(membraanfilterpers met luchtdoorblazing) een goed alternatief voor deconventionele kamerfilterpers.

26

• Het energieverbruik voor thermisch drogen van de slurry is heel hoog inverhouding met de andere methoden en dus minder geschikt voor dezetoepassing.

• Pas als de exacte hoeveelheden bentoniet en de samenstelling van hetafgewerkte bentoniethoudende slurry uit de tweede Heinenoordtunnel bekend is,kan de meest geschikte ontwateringsmethode gekozen worden voorboorsituaties als deze. Hiervoor zal extra informatie ingewonnen moeten wordenbij de leveranciers van ontwateringstechnieken, omdat ze in dit stadium meerinformatie kunnen geven over het gebruik van hun ontwateringsinstallatie voordie situatie.

• Ontwatering van zo'n grote hoeveelheid bentoniethoudende slurry als bijtunnel/ing het geval is, is een kostbare aangelegenheid en de juiste methodedient daarom uiterst zorgvuldig gekozen te worden.

27

6. Aanbevelingen

Als vervolg op deze literatuurstudie zouden de volgende onderzoeken gedaanmoeten worden om een beeld te verkrijgen van toepasbaarheid van de gevondenmethoden in de praktijk:

• De twee bestaande ontwateringssystemen voor bentoniethoudende slurry'smoeten, in dezelfde situatie, on-line gemonitored worden om de twee te kunnenvergelijken. Dit is in de literatuur tot nu toe onvoldoende gedaan.

• Als er gebruik gemaakt gaat worden van een vloeiveld, is het aan te bevelen omde methoden, die in combinatie met het vloeiveld uit te voeren zijn, nader teonderzoeken op deze uitvoerbaarheid

• Onderzoek naar de afzet- en hergebruikmogelijkheden van de ontwaterdebentoniethoudende slurry, zodat niet alles gestort hoeft te worden.

• Onderzoek naar alternatieven voor de conventionele bentoniet boorvloeistof.

• Op laboratoriumschaal testen van de hoeveelheid en soort flocculant omagglomeratie van bentoniet te veroorzaken, zodat deze geen overheersende rolgaat spelen in de kosten van het ontwateren van de bentoniethoudende slurry.

28

Literatuur

1. Bohle, B. Bentonit separieranlage für einen Hydroschildvortrieb in komplexemBaugrund, Tunnel, Nr. 6, 1997

2. Bott, R., T. Langeloh en R. Frieden. Extremely low moisture contents by steampressure filtration: Industrial introduetion of the Hi-Bar filtration, Uit: Proceedingsof the XX IMPC, Aachen, Duitseland, 1997.

3. CUR-rapport 189. Cement-Bentonietschermen, Gouda, Nederland, 1997

4. CUR-aanbeveling 33, Granulaire afdichtingslagen op basis van zandbentoniet aldan niet in combinatie met kunststof geomembranen (tweede druk), Gouda,Nederland.

5. Donhauser, F. Neue Entwicklungen zur Tonentwässerung, Aufbereitungstechnik36, Nr. 11, 1995.

6. Ferdinandy, M. en A. van der Kooy, Eindrapport Programma OntwikkelingSaneringsprocessen Waterbodems Fase I (189-1990), RIZA, nr. 92036,augustus 1992

7. Gerl, S. and W. Stahl. Dewatering of coal and ore concentrate filter cakes bysteam pressure filtration, Uit: Proceedings of the XX IMPC, Aachen, Duitseland,1997.

8. Gierga, Ch. en H. Hoberg. Einsatz der Zentrifugalentwässerung in der Kies- undSandindustrie, Produktion von Kies und Sand, 21 en 22 januari 1998, Aachen,1998.

9. Greadel, T.E. en P.J. Crutzen. Atmospheric Change- an earth SystemPerspective, W.H. Freeman and Company, New Vork, ISBN 0-7167-2334-4, U.S,1993.

10. Greve, H.A., M.W.P. van Lange, H. van Muijen. Prevaluatie onderzoekboortunnels, Rapport TU6, MTI Holland b.v., Kinderdijk, Nederland, 1997.

11. Huisman (M). Meetrapport consistentie Boorvloeistof, BTL-Rapport 18,Waterloopkundig laboratorium, 1996.

12. Jung, R.G., M. Kaiser, H. Hoberg, H.-C. Haarmann. Möglichkeiten und Grenzender Schlammentwässerung in Betrieben der Kies- und sandindustrie, ,Aufbereitungstechnik 37, Nr. 1, 1996.

29

13. Kaiser, M. Anwendung der kombinierten Flockung bei der FesUFlüssig Trennung

in der Steinkohlenaufbereitung, , Aufbereitungstechnik 34, Nr. 1, 1993.

14. Luboschik, U" Solar drying of sewage sludge-system IST, Uit: Proceedings ofthe XX IMPC, Aachen, Duitseland, 1997.

15. Marmor, F. Dreiphasige Intensiventwässerung von Feinstoffen auf Groûplatten-Filterpressen, Aufbereitungstechnik 37, Nr. 1, 1996.

16. M.S. Developpement et parcipation S.A, Station de traitement des boues pourtunnelier a front de taille pressurise, Patentaanvraag: Aanvraagnummer197.45.766.5, Duitsland.

17. van Olphen, An introduction to clay colleid chemistry for clay technolgists,geologists, and soil scientists second edition John Wiley &Sons, New Vork

18. Re~, Ch. Klärung von Trüben in der Steine- und Erden-Industrie durchHochleistungskläreindicker, ,Aufbereitungstechnik 37, Nr. 5, 1996.

19. RIZAlPOSW, Resultaten van een inventarisatie van praktijkgegevens vanmechanische ontwateringstechnieken voor baggerspecie, Rapport J2012-75-001,Nederland.

20. Schulte, H.C. Electric-osmotic dewatering of sludges. Patentaanvraag:International publication number: WO 97/11767, 1997

21. Sprute, R.H. en D.J. Kelsh. Dewatering Fine Partiele Suspensions with DirectCurrent, uit: Fine Particles Processing, Volume 2, P. Somasundaran (ed.), TheAmerican Institute of Mining, U.S., 1980

22. Wismeijer, AA Slib, Soorten en eigenschappen, Uit: Cursus slibverwerking,Stichting postakademiale vorming gezondheidstechniek 1973-1974.

30

Informatie van bedrijven (brochures en mondeling):

23. Alfa Laval, Maarssen, Nederland

24. Allied Colloids GmbH, Hamburg, Duitsland

25. Bentoniet Amsterdam, Amsterdam, Nederland

26. Bezoekerscentrum Project Tweede Heinenoord tunnel, Barendrecht, Nederland

27. Bird Humbolt, Köln, Duitseland

28. CEBO Holland b.v., Cruquius, Nederland

29. Chemische Fabrik Stockhausen GmbH, Krefeld, Duitsland

30. Directoraat-Generaal Rijkswaterstaat; Bouwdienst Rijkswaterstaat

31. Districhem b.v., Oosterhout, Nederland

32. Dorr-Oliver Europe, Croydon, Engeland

33. de Friese van de Wiel, Schagen, Nederland

34. Heijmans Milieutechniek, Rosmalen, Nederland, dhr. Huijbrechtsen

35. MS, Mineral Sorting equipment, Aubiere, Frankrijk

36. Rittershaus & Blecher GmbH, Wuppertal, Duitsland

37. Siebtechnik, Mülheim an der Ruhr, Duitsland

38. Stellchem, Stellendam, Nederland

39. Süd-Chemie AG, München, Duitsland

40. TEMA, Rijswijk, Nederland

41. VAM, Wijster, Nederland

42. Visser-Smidt Hanab, Papendrecht, Nederland

31

Bijlage A

Tabel A.1 Specificaties Bentoniet (opgegeven door leverancier)

Chemische samenstelling

sic, 63.3%

Alz03 21.4%

MgO 2.3%

CaO 0.6%

NazO 2.5%

KzO 0.3%

FeZ03 3.8%gloeirest (900°C) 6.7%

Mineralogische samenstelling

Montmorilloniet 94%Calciet 1%Veldspaat 1%Kwarts 4%Deeltjesgrootte <150 Ilm 98.5%

< 75 urn 80 ± 5%Dichtheid 2.6 kgllpH 5% suspensie 8-10Vochtgehalte 10.8%

11

Bijlage B

Tabel 8.2 Voorbeelden verschillende ontwateringsmethoden

Soort Methode Drijvende kracht Bijzonderheden

Mechanische 3 fase intensieve Mechanische druk Membraanfiltering, persfiltering,

ontwatering ontwatering luchtdoorblazing (deeltjes < 20 urn)

Kamerfilterpers Mechanische druk Deeltjes 0-63 urn

Hoge druk filterpers Mechanische druk

Membraanpers Mechanische druk

Zeefbandpers Mechanische druk Deeltjes < 0-63 urn,

groot gedeelte < 16 urn

Bandzeef Mechanische druk Deeltjes> 25 urn

Trommelzeef Mechanische druk--------------- -------------- ---------------------Diep bed filter Gravitatie

Zeven Gravitatie Grof materiaal

Indik schroeven Gravitatie Grof materiaal--------------- -------------- ----------------------Vacuümfilter Vacuüm Deeltjes bijvoorbeeld 95%< 44 urn;

35%<5Ilm

Vacuümdrumfilter Vacuüm Grove deel~es

Vacuümbandfilter Vacuüm Grove deelties--------------- ------------- ----------------------Decanteer centrifuge Centrifugaalkracht Deeltjes < 100 urn

Draaiende buis Centrifugaalkracht Deelljes: 2-8 urn

Cycloon Centrifugaalkracht

Fysisch Toevoeging Chemisch bindingen Anionisch of kattonisch

chemische vlokkingsmiddelen

ontwatering Oppervlakte actieve Chemisch bindingen .stoffen--------------- -------------- ----------------------Droging Thermisch Hoog energie verbruik--------------- r-------------- ----------------------Lamellen scheider Gravitatie Makkelijker o.i.v. fJocculanten

Hoog belastbare Gravitatie Makkelijker o.i.v. flocculanten

indikkers

Conventionele Gravitatie Makkelijker o.l.v. fJocculanten

indikkers

Bezinktank Gravitatie Makkelijker o.i.v. flocculanten-------------- -------------- ----------------------Binding geladen Electro-statische Geschikt voor kleine hoeveelheden

deeltjes aan bindingen/gravitatie

glasbolletjes (80 urn) r-------------- -----------------------"'--------------Directe stroom tussen Electro-osmose Speciaal voor geladen kleideeitjes

2 electrodenr--------------- ------------- ~---------------------Opstroom bellen kolom Flotatie Makkelijker o.i.v. fJocculanten

Floteertank Flotatie Gedispergeerde of opgeloste lucht

IV

Tabel B.3 Verschillende voorbeelden voor ontwatering, ontwikkeld voor debehandeling van bentoniethoudende slurry's

Verschillende processtappen EindproductEerste fase • Eindgehalte ds. 70-78%

• Flocculatie m.b.v synthetische polymeren • Vermogen 2000 kW voor de gehele

• Bezinking/Indikking in settling tank installatie

• Verpompen en opslag slib in silo • Niet arbeidsintensiefeventueel gevolgd door tweede fase: • Productie 10-12 ton deeltjes per uur per

• Toevoegen van kalk (2-6%) filterpers

• Door filterpers leiden (meestal • Investerings- en produktiekosten zijnmembraanpers, druk 12 bar) afhankelijk van het uitgangsprodukt.

• Opslag van filterkoek • Toevoeging flocculant eerste fase 100-200 gr flocculant per ton solids;

(Paragraaf 3.3.2 en 3.3.4) toevoeging kalk tweede fase 2-5gewichtsprocent

• 2 decanteer centrifuges • Eindgehalte ds. 35-42%eventueel gevolgd door: • Product kan volgens bouwstoffen-besluit

• Toevoeging anorganische en organische afgezet wordenflocculanten • Vermogen 50 kW per decanter + overig

• Laatste decanteerstap met derde vermogen (pompen, vlokkingsinstallatiecentrifuge etc.)

• Niet arbeidsintensief (2 personen per(Paragraaf 3.3.3) shift)

• Productie 5 m3 ontwaterd slib per uur

• Investeringskosten f350000,- perdecanter

• Productiekosten f150,- tot f250,- per m3

• Vloeiveld • Steekvast eindprodukt (ds. gehalte 30%-40%)

(Paragraaf 3.3.1) • Lage energiekosten (alleen verpompenslurry)

• Veel ruimte vereist

• Droging met behulp van zonne-energie • Uitsluitend gebruikt voor de productie vannatriumbentoniet

(Paragraaf 2.1) • Eindgehalte ds. 85%

• Lage energiekosten (alleen voor

transport)

• Veel ruimte vereist

• Klimaat-afhankelijk

V

Tabel B.4 Verschillende ontwateringsmethoden ontwikkeld voor slibontwatering,maar eventueel ook geschikt voor bentoniethoudende slurry's

Verschillende processtappen Eindproduct

• Droging met behulp van trommeldrogers • Doorzet 17 ton slurry/uur

• Eindgehalte ds. 50% tot 90%(Paragraaf 3.4.1) • Vermogen gas 1600 kWh/ton

deeltjes; Stroom 220 kWh/tondeeltjes

• Weinig vlokkingsmiddelen vereist

• Droging met behulp van zonne-energie • Eindgehalte droge stof tot 90%

• Energieverbruik 20-30 kWh/ton(Paragraaf 3.4.1) • Lage investeringskosten

• Benodigde ruimte: 1 m2/ton slib

• Kamerfilterpers met stoomdoorblazing Voor kool (40%<63 urn)

• Doorzet 70 ton/uur (= 52 m3/uur)(Paragraaf 3.4.1 ) over 85 m2

• Eindgehalte ds. 90.5%

• Gas doorzet 2100 m3/uur

• stoom consumptie 7 ton/uur

• Vermogen 120 kWVoor bentoniet zal energie- enstoomverbruik hoger zijn en doorzetlager

• Elektro-osmose • Doorzet 140 ton slurry/dag

• Eindgehalte ds. 81%(Paragraaf 3.4.2) • Vermogen ± 41 kWh/ton

eindmateriaal

VI

Bijlage C

Voorbeeld van de benodigde data voor een ontwerpstudie voor een slurrybehandeling installatie voor een gemengd schild TBM, zoals ingediend moet wordenbij het maken van een offerte voor het de behandelen bentoniethoudende slurry.332

Bodem data

1. Geotechnische data2. Lengte doorsnede van het gebied3. Voor elk gebied:

• Korrelgrootte verdeling van de deeltjes

• Vochtgehalte• in-situ dichtheid• droge dichtheid• specifieke dichtheid van de deeltjes (kgs/m3)

Uitvoerings- en technische data1. Inlaat stroom naar de installatie (m3/uur)2. Oppervlakte graafsectie (m2)3. Lengte tunnel (m)4. Slag lengte (rn)5. Maximum boor snelheid (cm/min)6. Duur van een boor slag (min)7. Aantal shiften per dag8. Gemiddelde geboorde lengte per 24 uur (mi)9. Beschikbare elektrische spanning (V, Hz)

Slurry1. Samenstelling:

• Water en klei van terrein (%)• Bentoniet toevoeging (kg/m3)• Toevoeging van polymeren (kg/m3)• Gemengd: Bentoniet (kg/m3) en polymeer (kg/m3)

2. Gewenste yield (Pa)3. Filtraat na 30 minuten (crrr')4. Benodigde dichtheid die teruggevoerd wordt naar TBM5. Andere specifieke criteria

Milieu criteria1. Beschikbare ruimte voor de installatie (m)2. Afvoermethode van vaste stof (vrachtwagens/sloepen/karren/anders)3. Afvoer van de fijne deeltjes (semi-vloeistof/compact)4. Weer condities:

• minimum temperatuur• maximum temperatuur• regen/sneeuw/wind

5. Geluidsniveau

VIII

6. Architectonische criteria (vorm, kleur)7. Afvoer condities rest water8. Aanvoer condities vers water

Andere criteria opgelegd door de specificatie

IX