Entsalzung: Entwicklungen im Vorfeld

Die Koagulation ist seit Beginn der Entsalzung durch Umkehrosmose in den 1960er Jahren eines der beliebtesten Vorbehandlungsverfahren zur Entfernung potenzieller Verschmutzungen wie kolloidaler und partikulärer Materie. Bei der Koagulation werden kleine Partikel zu größeren Flocken zusammengefasst, indem die mit den Partikeln verbundenen elektrostatischen Ladungen neutralisiert werden. Dieser Vorgang wird als Flockung bezeichnet. In SWRO-Systemen werden typischerweise anorganische Koagulationsmittel wie Eisenchlorid verwendet. Diese können mit organischen Flockungsmitteln wie Polyelektrolyten kombiniert werden, um sie vor nachgeschalteten Klär- und Filtrationsprozessen inline zu dosieren. Zusätzlich zur Partikelverschmutzung sind SWRO-Membranen anfällig für Ablagerungen und Salzausfällungen. Dies liegt daran, dass sie bei Meerwasseranwendungen typischerweise mit einer Systemrückgewinnung von bis zu 50 % arbeiten und daher die Salzkonzentration doppelt so hoch sein kann wie der eingehende Pegel im Ausschussstrom von den RO-Membranen. Die Ablagerungskontrolle kann durch die Dosierung von Säure (zur Senkung des pH-Werts) und verschiedenen proprietären Antikalk-Chemikalien erreicht werden, die auf bestimmte übersättigte Ionen, wie z. B. Bor, abzielen. Voroxidation wird auch eingesetzt, um RO-Biofouling durch gezielte Bekämpfung von NOM wie Humin- und Fulvosäuren zu reduzieren. Dies kann sich jedoch nachteilig auf Membranen auswirken, die gegenüber Oxidation intolerant sind, und einige Mikroorganismen und Mikrobiota sind gegenüber Oxidation resistent. Außerdem kann die Chlorierung zur Zelllyse und damit zur Freisetzung von Substrat führen, was das Wachstum fördert. Zu den verwendeten Voroxidationschemikalien gehören Chlor, Bromid, Jod oder Ozon. UV-Bestrahlung kann zusammen mit der Biofiltration auch zur Entfernung von Nährstoffen eingesetzt werden, und proprietäre Biozide können als kontinuierliche Dosis oder als Teil des Membranreinigungsprogramms hinzugefügt werden. Es können verschiedene Kombinationen von Voroxidationsmethoden eingesetzt werden, beispielsweise UV in Verbindung mit Ozon. Durch Elektrochlorierung wird mithilfe von elektrischem Strom oxidatives Chlor aus Meerwasser hergestellt, obwohl dies an manchen Standorten unerschwinglich sein kann.

Zu den traditionellen konventionellen Methoden zur Aufbereitung von Meerwasser, das über SWRO verarbeitet werden soll, gehören Sedimentation (nach Inline-Koagulation), Medienfiltration und Kartuschenfiltration. Die Filtration umfasst in der Regel Einzel- oder Doppelstufen der Dual-Media-Filtration (DMF). Während diese Filtertechnologie im Allgemeinen in der Lage war, geringere Schwebstoffgehalte und andere Verunreinigungen zu bewältigen, wurde es immer schwieriger, der schwimmfähigeren und empfindlicheren Natur von Algen gerecht zu werden. Darüber hinaus besteht die Notwendigkeit, die Koagulationsmitteldosierung zu Zeiten der Algenblüte zu erhöhen, was letztendlich zu einer erhöhten Feststoffbelastung der Filter und unweigerlich zu kürzeren Filterlaufzeiten oder häufigerem Rückspülen führt, was alles Faktoren ist, die die Betriebskosten erhöhen. Eine etablierte Technologie, die anerkanntermaßen in der Lage ist, die Algenlast effizient zu entfernen und damit die Feststofflast auf nachgelagerte Prozesse zu reduzieren, aber auch den Bedarf an Gerinnungschemikalien zu minimieren, ist die Flotation mit gelöster Luft (DAF). DAF funktioniert im Wesentlichen durch die Freisetzung zuvor gelöster Luft und die Dosierung von Gerinnungsmitteln in die Futterversorgung, um ein behandeltes Unterwasser und einen konzentrierten Abfallschlamm zu erzeugen, der aufgefangen wird und an der Oberfläche der DAF-Einheit schwimmt. Durch Variieren der hydraulischen Belastung der DAF-Einheit sowie durch Optimieren der Luftkonzentration, der Koagulationsmittelkonzentration sowie der Schlammentfernungsrate und des Schlammentfernungsmechanismus kann die beste DAF-Effizienz ermittelt werden. Da Algen von Natur aus leicht sind und eine geringe Dichte aufweisen, eignet sich das Material von Natur aus für die Flotation mittels DAF statt für Absetzprozesse. Die Anwendung von DAF in der Wasserwirtschaft im weiteren Sinne sowohl für die kommunale Trinkwasserversorgung als auch für die industrielle Verarbeitung ist gut etabliert und es hat sich gezeigt, dass diese Technologie zuverlässig und robust ist. DAF-Einheiten können von einer Reihe von Auftragnehmern geliefert werden, darunter Enpure Ltd. Enpures Pakete, wie die Enflo-DAF™-Produkte, minimieren die Anforderungen an die Verweilzeit der Flockung auf typischerweise 10 Minuten oder weniger und arbeiten bisher mit einer hohen Geschwindigkeit von bis zu 30 m3/h in SWRO-Vorbehandlungsanwendungen, wodurch der Platzbedarf für die gesamte Anlage reduziert wird. Weitere Arten der konventionellen Vorfiltration sind Adsorption und Multimediafiltration (MMF). Die Absorption wird typischerweise durch die Verwendung von körniger Aktivkohle zur Reduzierung von NOM erreicht, entweder als Filtermedium oder durch Dosierung und Rückführung durch ein Kontaktsystem. Bei MMF-Systemen handelt es sich in der Regel um Druckfilter, die mit einer höheren Geschwindigkeit arbeiten, jedoch tendenziell geringere Durchflussmengen verarbeiten als die größeren DMF-Prozesse mit Schwerkraftzufuhr.

Enpure arbeitet derzeit am Ras Al Khair-Projekt in Saudi-Arabien, einer DAF/DMF SWRO-Vorbehandlungsanlage im Wert von 16,3 Mio. GBP für die Doosan Heavy Industries and Construction Company Ltd. an einem Standort der Saline Water Conversion Corporation (siehe Abbildung 3). Die DAF-Anlage ist für die Behandlung von 41.922 m3/h ausgelegt, die DMF-Anlage für 39.654 m3/h. Enpure wurde mit der Planung des Systems, der Lieferung wichtiger Ausrüstung und der Überwachung der Installation beauftragt. Die Inbetriebnahme soll im Mai 2013 abgeschlossen sein. Ein integraler Bestandteil der Projektphilosophie war die Bereitstellung und Durchführung einer integrierten Pilottestphase. Ras Al Khair liegt an der Ostküste Saudi-Arabiens und die Bedingungen für raues Meerwasser sind im Allgemeinen typisch für die Bedingungen am nördlichen Ende des Arabischen Golfs. Eine Pilotanlage wurde für die Behandlung von Meerwasser mit einem Gesamtgehalt an gelösten Feststoffen (TDS) im Bereich von 38.000 mg/l bis 47.000 mg/l und einem Gesamtgehalt an suspendierten Feststoffen (TSS) im Bereich von 20 mg/l bis 40 mg/l konzipiert. Das vollautomatische DAF-System im Vollmaßstab umfasst 16 Ströme des EnFlo-ViteTM-Hochgeschwindigkeitsprozesses von Enpure und umfasst ein kürzlich entwickeltes Verteilungssystem, statische Mischer, Düsen, Sammler, Luftsättiger, Rückführpumpen, Dosierpumpen, Instrumente, Ventile und Druckleitungen. Das behandelte Filtrat aus dem DAF-System wird über einen Schwerkraftfluss zu 40 DMF-Strömen weitergeleitet, die aus Filtermedien, Filterböden, Gebläsen, Rückspülpumpen, Instrumenten und Ventilen bestehen. Die DAF- und DMF-Stufen müssen das Meerwasser so aufbereiten, dass es strenge Kriterien erfüllt (Post-DMF), bevor es in die SWRO-Prozessstufe gepumpt wird. Dies sind Trübungen <0,5 NTU und SDI (Schluffdichteindex, nach einem 15-minütigen Test) <4 beim DMF-Gemeinschaftsfiltrat. Die DAF-Pilotanlage umfasste einen einzelnen EnFlo-Vite™-Strom zur Behandlung von 61,2 m3/h, gefolgt von vier DMF-Einheiten zur Behandlung von jeweils 2,5 m3/h. Die Pilotanlage hat über 9 Monate Dauerbetrieb absolviert. Laut Enpure zeigen die bisherigen Ergebnisse, dass der Prozess innerhalb der festgelegten Leistungsgrenzen gut funktioniert; wobei das DMF die erforderliche SWRO-Speisewasserspezifikation erreicht. Die Pilotanlage umfasste Hilfspumpen, chemische Dosiersysteme, Bedienfelder (einschließlich speicherprogrammierbarer Steuerung (mit Benutzerschnittstelle) für den automatischen Betrieb) und ein voll ausgestattetes Labor, alles untergebracht in zwei vollklimatisierten Containereinheiten.

Mit Ausnahme von DAF werden herkömmliche Verfahren zwar weithin für die SWRO-Vorbehandlung verwendet, die Notwendigkeit einer sorgfältigen Konstruktion und einer genauen Bedienerkontrolle hat jedoch zu einer zunehmenden Beliebtheit der Verwendung von Ultrafiltration (UF), Mikrofiltration (MF) und auch zu a geführt in geringerem Maße Nanofiltrationssysteme (NF) zur SWRO-Vorbehandlung. Verschiedene Hersteller von MF/UF-Technologie garantieren SDI < 2 (vorausgesetzt, dass die angegebenen Einlassparameter nicht überschritten werden), und in den letzten Jahrzehnten wurden umfangreiche Pilotversuche durchgeführt. UF-Membranen bieten dem Prozessdesigningenieur wahrscheinlich das beste Gleichgewicht zwischen Schadstoffentfernung und RO-Zufuhrqualität, aber wie wir bereits festgestellt haben, hängt die Auswahl jedes einzelnen Prozesses von den standortspezifischen Bedingungen ab. Es ist wichtig zu beachten, dass UF-Systeme unter bestimmten Bedingungen möglicherweise eine eigene Vorbehandlung erfordern und diese die bereits beschriebenen Prozesse umfassen können. Die DAF-Technologie kann mit UF kombiniert werden und könnte im Beispiel der Algenentfernung eine Alternative zu entweder ein- oder zweistufigem DMF darstellen. Die Koagulation kann vor UF-Systemen eingesetzt werden und hat das Potenzial, die SWRO-Futterqualität weiter zu verbessern. Die beste Option kann darin bestehen, ein automatisiertes System zu verwenden, um in Zeiten schlechter Futterqualität eine niedrige Gerinnungsmitteldosis zu verwenden, typischerweise bei einem Drittel oder weniger der Konzentration, die bei einer herkömmlichen Vorbehandlung erforderlich ist. Bei guter Futterqualität kann diese Konzentration dann möglicherweise auf Null reduziert werden. Wie in einem früheren Artikel über kostengünstige Entsalzung (Filtration+Separation Juli/August 2011) beschrieben, besteht die etablierte Methode zur Ausnutzung der Osmose darin, den Prozess umgekehrt durchzuführen (Umkehrosmose), indem Druck auf die Salzwasserseite der Membran ausgeübt wird, um den Druck zu überwinden osmotischen Druck und treibt Wasser von der Salzlösung zur Süßwasserseite der Membran. Direkte (im Gegensatz zu umgekehrten) Osmoseverfahren bieten jedoch einen anderen neuartigen Ansatz, da sie das Potenzial haben, Energie durch Ausnutzung des osmotischen Prinzips zu nutzen. Systeme, die gefiltertes Wasser als Vorbehandlungstechnologie direkt vor dem SWRO-System behandeln sollen, werden als Vorwärtsosmose-Systeme (FO) bezeichnet. Im FO-Prozess wird eine Zuglösung verwendet, um eine treibende Kraft für den Durchfluss von Süßwasser durch die FO-Membran zu erzeugen. Diese Ziehlösung ist konzentrierter als das Meerwasser und eine Lösung eines osmotischen Mittels, typischerweise Ammoniumbicarbonat. Die FO-Membran wird mit Salzwasser versorgt und das Permeat gelangt aufgrund des Konzentrationsunterschieds durch direkte Osmose in die Ziehlösung. Die gelösten Stoffe in der Ziehlösung werden dann zurückgewonnen und wiederverwendet und die gereinigte Ziehlösung bildet das aufbereitete Wasser für die Weiterverarbeitung im SWRO-System.

Verschiedene Vorbehandlungstechnologien entfernen häufig bevorzugt bestimmte Verunreinigungen und haben unterschiedliche Auswirkungen auf die Verschmutzung der SWRO-Membran. Daher ist die Rolle des Prozessdesigningenieurs bei der Auswahl der geeigneten Einheitsprozesse von entscheidender Bedeutung, um ein effizientes und optimiertes System sicherzustellen. Stark schwankendes Speisewasser mit Verunreinigungen wie Algen, die traditionell schwer zu behandeln waren, stellt erhebliche Herausforderungen dar. Nur durch die Nutzung der an anderen Standorten gesammelten Erfahrungen und deren Übertragung auf ein effektives Pilottestprogramm kann ein effektives System entwickelt werden. Es kann dann auch wichtig sein zu beachten, dass das gewählte Prozessdesign unter bestimmten Bedingungen oder bei sich ändernden Klima- oder Wetterbedingungen, die sich auf die lokale Meerwasserzusammensetzung und -temperatur auswirken, möglicherweise nicht effizient funktioniert (siehe Abbildung 4). Daher ist eine kontinuierliche Überwachung und Optimierung des Entsalzungssystems erforderlich, um sicherzustellen, dass Änderungen frühzeitig erkannt werden. Durch die effektive und effiziente Kombination verschiedener Vorbehandlungsprozesse, wie der Beliebtheit von UF-Membranen, der Eignung von DAF zur Lösung von Algenproblemen und der Implementierung von FO zur Reduzierung des Energiebedarfs, wird es möglich sein, die Gesamtzuverlässigkeit von SWRO-Systemen zu erhöhen die Gesamtlebenskosten weiter senken. Durch eine ausgefeiltere Prozesssteuerung und Betriebsüberwachung können Systeme auch an die Herausforderungen des Klimawandels angepasst werden.