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Mar 10, 2023

ZLD-Erfolgsfaktoren

Die Energiewirtschaft sowie Öl und Gas, Chemie, Petrochemie, Bergbau und

Die Energiewirtschaft sowie die Öl- und Gasindustrie, die chemische Industrie, die Petrochemie, der Bergbau und andere Industriezweige erzeugen große Mengen an Abwasser, die entsorgt werden müssen.

Von Daniel Björklund

Die Energiewirtschaft sowie die Öl- und Gasindustrie, die chemische Industrie, die Petrochemie, der Bergbau und andere Industriezweige erzeugen große Mengen an Abwasser, die entsorgt werden müssen. Üblicherweise werden diese Abwässer über einen Anlagenauslass in ein Oberflächengewässer, ein Verdunstungsbecken oder in manchen Fällen in eine Tiefbrunneninjektion eingeleitet. Es gibt jedoch wachsende Umweltbedenken hinsichtlich solcher Entladungspraktiken, was zur Entwicklung von Zero Liquid Discharge (ZLD)-Verfahren geführt hat.

ZLD kann im weitesten Sinne als ein Prozess zur maximalen Rückgewinnung von Wasser aus einer Abwasserquelle definiert werden, die andernfalls eingeleitet würde. Dieses Wasser wird sinnvoll wiederverwendet und die im Abwasser enthaltenen Salze und anderen Feststoffe fallen an und werden im Allgemeinen auf einer Mülldeponie entsorgt.

Zu den Treibern für ZLD gehört die wachsende Besorgnis der Öffentlichkeit über die Auswirkungen solcher Einleitungen auf die Umwelt, und in vielen Teilen der Welt ist Wasser eine knappe Ressource. Diese Besorgnis führt zu einer verstärkten Regulierung und Begrenzung der Abwassereinleitungen. Auch ohne regulatorischen Vorstoß schreiben viele Unternehmen in verschiedenen Branchen Initiativen zur Reduzierung des Wasserausstoßes durch Recycling-Wiederverwendung sowie ZLD vor, um ihren ökologischen Fußabdruck zu verringern und die Nachhaltigkeit zu verbessern.

Eine Null-Flüssigkeitsabgabe kann auf verschiedene Weise erreicht werden. Es gibt keine Einheitslösung, da das optimale Systemdesign standortspezifisch ist. Die Zusammensetzung des Abwassers, die verschiedenen zu behandelnden Ströme, die standortspezifischen Betriebskosten, die verfügbare Stellfläche und andere Faktoren sind entscheidende Faktoren für ein optimales Design. Dieser Artikel bietet eine kurze Einführung in verschiedene typische ZLD-Konfigurationen und konzentriert sich auf Faktoren, die für den erfolgreichen Entwurf und Betrieb eines ZLD-Systems entscheidend sind.

Die Systemziele eines ZLD-Systems bestehen darin, die Einleitung von flüssigem Abwasser zu vermeiden, Feststoffe für die Deponieentsorgung oder Wiederverwendung zu erzeugen und ein hochwertiges Wasser zu recyceln, das sinnvoll wiederverwendet werden kann. Die Entwurfsziele bestehen darin, die Kapitalinvestition und die Betriebskosten des Systems zu minimieren und gleichzeitig die für den Betrieb erforderliche Arbeitskraft nicht wesentlich zu beeinträchtigen. Darüber hinaus muss das System betriebsflexibel gestaltet sein, um den Anforderungen der Anlage gerecht zu werden und sicher und zuverlässig zu sein.

Für den erfolgreichen Entwurf und Betrieb eines ZLD-Systems ist eine sorgfältige Betrachtung der Abwasserchemie erforderlich. Manchmal verfügt der ZLD-Designer über Vorerfahrungen mit ähnlicher Wasserchemie. Wo es an Erfahrung mangelt, kann proprietäre Software zur Modellierung der Wasserchemie eingesetzt werden, um die Löslichkeitsgrenzen verschiedener Arten zu verstehen, wenn das Wasser auf eine Sole mit hohem TDS konzentriert wird. Eine solche Software eignet sich auch zur Schätzung des Chemikalienverbrauchs verschiedener Chemikalien, die im ZLD-Prozess zur Konditionierung und pH-Kontrolle verwendet werden können. Wenn Wasser verfügbar ist, können Laborstudien auch zur Validierung chemischer Modelle nützlich sein. Wo Wasser möglicherweise nicht verfügbar ist, können manchmal synthetische Analoga verwendet werden. Eine solide Designbasis für die Wasserchemie ist der Schlüssel zum erfolgreichen ZLD-Design.

In einem ZLD-System wird das verarbeitete Abwasser bis zur Löslichkeitsgrenze der gelösten Salze konzentriert. Bei Überschreitung der Löslichkeitsgrenzen kristallisieren Salze und können dann mit geeigneten Mitteln geerntet werden. Solechemien, bei denen einwertige Kationen wie Natrium mit Sulfat und Chlorid ausgeglichen werden, sind im Allgemeinen auf einen maximalen TDS von weniger als 30 % und eine Chloridkonzentration (wichtiger Faktor bei der Auswahl der Metallurgie) von weniger als 170.000 ppm beschränkt.

Zweiwertige Kationen wie Calcium und Magnesium sind für den Entwurf eines ZLD-Systems von größter Bedeutung. Hohe Calcium- und Magnesiumkonzentrationen können zur Konzentration hochlöslicher Spezies wie Calciumchlorid und Magnesiumchlorid führen. Hohe Konzentrationen dieser zweiwertigen Kationen können erheblich zur Erhöhung der Siedepunkterhöhung beitragen. Wenn sich Abwassersalzlösungen konzentrieren, steigt die Siedetemperatur aufgrund einer physikalischen Eigenschaft der Lösung, die als Siedepunkterhöhung (BPE) bezeichnet wird, über die von reinem Wasser an. Die Konstruktion eines Verdampfers erfordert eine genaue Kenntnis der Siedepunktshöhe. Darüber hinaus können hohe Konzentrationen dieser zweiwertigen Kationen zu hohen Konzentrationen an Chloridionen führen und zu einer kostspieligeren Metallurgie führen.

Aufgrund des Vorhandenseins von Alkalität und Sulfatkationen ist Calcium im Allgemeinen schwer löslich und muss ordnungsgemäß berücksichtigt werden, um eine Ablagerung eines vorkonzentrierenden Membransystems sowie von Solekonzentrationsverdampfern (Solekonzentrator) zu vermeiden. Membranvorkonzentratoren sind im Allgemeinen auf Weichmacher und Antiscalants angewiesen, um die Ablagerungen zu kontrollieren. Solekonzentratoren sind mit einer Kontrolle der Ablagerungen in der beimpften Gülle ausgestattet. Durch den Einsatz von Solekonzentratoren zur Kontrolle der Ablagerung von Schlammschlamm wird die Ablagerung verzögert, indem eine geeignete Konzentration aufrechterhalten wird, so dass ein hohes Verhältnis der Kristalloberfläche aufrechterhalten wird.

Im Allgemeinen erhalten Zwangsumlaufkristallisatoren die Abschlämmung von vorgeschalteten Vorkonzentrationsmembransystemen oder Solekonzentratoren. Kristallisatoren sind für die Ausfällung hochlöslicher Spezies wie Natriumchlorid und Natriumsulfat sowie schwerlöslicher Salze wie Calciumsulfat konzipiert. Hohe Natriumkonzentrationen im Vergleich zu zweiwertigen Kationen sind für die Kontrolle der Chloridkonzentration von Vorteil.

Kieselsäure kommt in natürlichen Wasserquellen in unterschiedlichen Konzentrationen vor. Die Löslichkeit ist bei nahezu neutralem pH-Wert sehr begrenzt; Allerdings wird die Löslichkeit deutlich verbessert, wenn der pH-Wert erhöht wird. Wenn Kieselsäure unkontrolliert ausfallen kann, kann sie Vorkonzentrierungsmembransysteme und die Wärmeübertragungsoberfläche von Verdampfern verstopfen. Solche Ablagerungen lassen sich durch chemische Reinigung nur schwer entfernen und müssen daher vermieden und bei der Auslegung des Systems berücksichtigt werden.

Wenn Ammoniak vorhanden ist, verflüchtigt es sich in einem Verdampfersystem und verteilt sich zwischen dem Destillat und der atmosphärischen Entlüftung. Da sich das Ammoniak verflüchtigt, kann der pH-Wert des Systems sinken und zur Kontrolle des System-pH-Werts ist möglicherweise Ätzmittel erforderlich. Wenn Ammoniak vorhanden ist, können je nach Konzentration der Entlüftung zusätzliche Kontrollen an der Entlüftung erforderlich sein, um eine Gesundheitsgefährdung, einen Verstoß gegen die Luftgenehmigung oder eine Geruchsbelästigung zu vermeiden.

Verdampfungssysteme sind im Allgemeinen kapital- und betriebskostenintensiver als Membransysteme, wobei Kristallisatoren am teuersten sind. Aus diesem Grund und wenn möglich können Membransysteme eingesetzt werden, um die Kapital- und Betriebskosten des Verdampfungssystems zu senken.

Herkömmliche Membransysteme können bis zu 2 bis 3 Prozent TDS konzentrieren, speziell entwickelte Systeme mit hoher Rückgewinnung können in einigen Anwendungen bis zu 6 bis 8 Prozent konzentrieren. Abhängig von der Zusammensetzung des Abwassers kann die Vorkonzentrierung mithilfe eines Membransystems den Dimensionierungsbedarf des Backend-Verdampfungssystems und damit die Kapital- und Betriebskosten des Systems drastisch reduzieren. Wenn beispielsweise ein Abwasser mit einer TDS-Konzentration im Feed von 5000 mithilfe eines Membransystems mit hoher Rückgewinnung konzentriert wird, kann die Leistungsanforderung des Verdampfungssystems um 90 bis 95 Prozent reduziert werden. Beachten Sie, dass zur Erzielung hoher Rückgewinnungen in einem Abwassermembransystem häufig eine geeignete Vorbehandlung wie Enthärtung und pH-Wert-Einstellung erforderlich ist.

Fallfilm-Solekonzentratoren mit vertikalen Rohren werden im Allgemeinen verwendet, um Solelösungen mit einem geringeren Gesamtfeststoffgehalt (TDS) von bis zu 12 Prozent auf bis zu 25 Prozent Gesamtfeststoffe zu konzentrieren und die Auslegungskapazität eines nachgeschalteten Zwangsumlaufkristallisators zu minimieren. Solekonzentratoren sind speziell für die Bewältigung der Ablagerung schwerlöslicher zweiwertiger Salze wie Calciumsulfat und Calciumcarbonat sowie häufig vorhandener Kieselsäure konzipiert. Zwangsumlaufkristallisatoren werden im Allgemeinen zum Konzentrieren der Soleabschlämmung aus vorgeschalteten Konzentrationsanlagen verwendet, obwohl kleine Abwasserströme manchmal direkt mit einem Zwangsumlaufkristallisator behandelt werden. Bei solchen Anwendungen handelt es sich im Allgemeinen um Abwasserströme von weniger als 20 bis 30 gpm. Kristallisatoren sind so konzipiert, dass sie die Kristallisation aller Salze, sowohl schwerlöslicher als auch hochlöslicher Natriumsalze wie Natriumchlorid und Natriumsulfat, ohne übermäßige Ablagerungen und Reinigungshäufigkeiten bewältigen. Diese Robustheit geht zu Lasten eines höheren spezifischen Energieverbrauchs und höherer spezifischer Kapitalkosten.

Die von einem Zwangsumlaufkristallisator erzeugten Feststoffe werden im Allgemeinen geerntet und entweder durch einen Taktbandfilter oder durch eine Zentrifuge entwässert. In einem solchen Fall werden die Feststoffe gesammelt und in der Regel auf einer konventionellen Deponie deponiert, solange der Abfall die Toxicity Characteristic Leaching Procedure (TCLP)-Prüfung besteht. Bei einigen Anwendungen mit ZLD-Geräten wird die hochkonzentrierte Sole jedoch in ein Verdunstungsbecken abgeleitet. Eine solche Konfiguration reduziert die Stellfläche des Verdunstungsteichs sowie den Arbeits- und Kostenaufwand für den Betrieb der Entwässerungsausrüstung.

Relevante Erfahrung des ZLD-Lieferanten. ZLD-Systeme müssen individuell auf die Chemie des Abwassers und den Durchfluss des zu behandelnden Abwassers abgestimmt sein. Das ZLD-Systemdesign ist geistiges Eigentum des Systemlieferanten und ist im Allgemeinen nicht in Lehrbüchern, Zeitschriften oder Wikipedia verfügbar. Eine erfolgreiche Implementierung eines ZLD-Systems erfordert, dass der Lieferant entsprechende Erfolgserfahrungen nachweisen kann. Ebenso wichtig bei der Lieferung der Geräte ist die Unterstützung, die der Lieferant nach der Inbetriebnahme der Anlage leistet. Der ZLD-Lieferant sollte über eine starke Organisation verfügen, die diese Unterstützung bietet, und in der Lage sein, dies auch nachzuweisen.

Designgrundlage für die Abwasserchemie. Es gibt keine „Einheitslösungen“, die für alle passen. Es ist von entscheidender Bedeutung, eine Entwurfsgrundlage für die Abwasserchemie zu schaffen, die sowohl die durchschnittlichen Bedingungen als auch die minimalen und, was noch wichtiger ist, die maximalen Bedingungen widerspiegelt. Es sollte darauf geachtet werden, bei der Festlegung von Spielräumen für die Designchemie nicht zu schwerfällig vorzugehen, da eine solche Vorgehensweise möglicherweise nicht zum gewünschten Ergebnis führt. Es ist besser, die erwartete Chemie abzuschätzen und die Auswirkungen von Abweichungen mit dem ZLD-Systemlieferanten zu besprechen.

Metallurgie. Die Metallurgie spielt eine bedeutende Rolle bei den Kapitalkosten eines ZLD-Systems. Es sind Legierungen erforderlich, die den hochkonzentrierten Solen Korrosionsbeständigkeit verleihen. Es stehen Optionen zur Verfügung, die eine Kostenoptimierung ermöglichen, ohne die Lebensdauer der Anlage zu beeinträchtigen.

Konservativer Designspielraum. Das ZLD-System ist in den meisten Anlagen das „Ende der Fahnenstange“; Alles, was in einen Abfallsumpf gespült wird, konzentriert sich im ZLD-System. Die Erfahrung zeigt, dass die tatsächliche Abwasserchemie von der geplanten Chemie abweichen wird.

Sobald die Betriebsprobleme richtig konzipiert sind, kann das Anlagenbetriebsteam mit einem ZLD-Systemlieferanten zusammenarbeiten, der nachweislich Erfahrung im Betrieb ähnlicher Anlagen hat.

Autor:

Daniel Bjorklund ist Vizepräsident von Aquatech International, einem weltweit führenden Anbieter von Wasseraufbereitungstechnologie für Industrie- und Infrastrukturmärkte.