Ein Modell für die ZLD-Behandlung von Abschlämmungen aus Kühltürmen – sogar den Großen

Wertvolle Wasservorräte können leicht mit Salzwasser verunreinigt werden, die Entfernung des Salzes jedoch nicht. Wie in Abbildung 1 dargestellt, stammt Salz aus verschiedenen Quellen. Das Verständnis der Quelle in einem Wassereinzugsgebiet schafft die Grundlage für das Salzgehaltmanagement. Oft gibt es bewährte Managementpraktiken, die die Salzbelastung reduzieren und so die Behandlungsintensität reduzieren können.

1. Salzbeladung des Wassereinzugsgebiets. Mit freundlicher Genehmigung: Garver USA

Kühltürme (CTs) von Kraftwerken sind manchmal ein wesentlicher Salzverursacher von Wassereinzugsgebieten durch CT-Abschlämmung. Viele industrielle und gewerbliche Kühlsysteme nutzen Verdunstungs-CTs, insbesondere in trockenen Regionen, in denen Verdunstungskühlung die höchste Kühleffizienz aufweist und die Wasserversorgung knapp ist. Laut der Central Arizona Salinity Study zeigen Umfragen der Wasserschutzbehörde der Stadt Phoenix, dass Hersteller zwischen 25 und 50 % ihres gesamten Wasserverbrauchs für die Kühlung verwenden.

Kühltürme werden in der Regel zwischen drei und vier Konzentrationszyklen (COC) betrieben. Das bedeutet, wie oft das Wasser recycelt werden kann, bevor es zu Betriebsproblemen durch Ablagerungen kommt. Daher ist die Gesamtkonzentration an gelösten Feststoffen (TDS), die durch die Abschlämmung in den Abwasserkanal gelangt, drei- bis viermal höher als der Salzgehalt des Quellwassers.

Garver erkannte, wie wichtig das CT-Abschlämmungsmanagement für die Gesundheit von Wassereinzugsgebieten ist, insbesondere im Zeitalter der indirekten und direkten Wiederverwendung von Trinkwasser, und sah darin eine perfekte Forschungsmöglichkeit. Im Jahr 2019 schlug das Garver-Büro in Denver die Erforschung eines innovativen Prozessstrangs zur Rückgewinnung der Salzlösung aus kommerziellen und industriellen CTs im Rahmen der Pitch-to-Pilot (P2P)-Entsalzungsforschungsförderung des US Bureau of Reclamation (BOR) vor.

Garver war eines von sieben Teams, die im November 2019 einen Teil des P2P-Zuschusses in Höhe von 1,5 Millionen US-Dollar erhielten, der auf die Erforschung bahnbrechender Entsalzungstechnologien abzielte, die weniger Strom verbrauchten als das, was damals auf dem Markt angeboten wurde. Garver arbeitete mit mehreren Unternehmen zusammen, die eine wichtige Rolle für den Projekterfolg spielten, beispielsweise dem Red Rocks Community College (RRCC), Dr. Mike Mickley und anderen Industriepartnern. Gemeinsam spendeten diese Partner mehr als 480.000 US-Dollar an Sachgeräten, Instrumenten und Arbeitskräften für dieses 200.000 US-Dollar teure Forschungsprojekt.

Die Pilotversuche wurden Ende November 2021 abgeschlossen und im Juni 2022 wurde dem BOR ein Berichtsentwurf vorgelegt. Derzeit befindet sich der Bericht noch im Prüfungsstatus; Allerdings wird der P2P-Trailer bereits seit mehr als 1,5 Jahren in der Fehlermodusanalyse (FMA) betrieben. Die FMA-Ergebnisse werden am Ende dieses Artikels vorgestellt.

Garver schlug die Erforschung eines Konzentratbehandlungsverfahrens mit Elektrokoagulation (EC), Klärung (CLAR), Mikrofiltration (MF) und Umkehrosmose (RO) mit vakuumunterstützter Elektrodestillation (VAED) für 1,5 Gallonen pro Minute vor Rückgewinnung der salzhaltigen CT-Abschlämmung in einer Zero-Liquid-Discharge-Konfiguration (ZLD), wodurch verhindert wird, dass hochsalzhaltiges Abwasser in die Kanalisation gelangt. Abbildung 2 zeigt ein Prozessablaufschema des Behandlungsstrangs und wie dieser in das bestehende CT-System integriert wurde.

2. Garvers Prozessflussdiagramm für das am Red Rocks Community College (RRCC) in Lakewood, Colorado, getestete System. Hinweis: NaOCl = Natriumhypochlorit, EC = Elektrokoagulation, CLAR = Klärung, MF = Mikrofiltration, RO = Umkehrosmose, VAED = vakuumunterstützte Elektrodestillation, O/F = Überlauf, M = Messgerät, WWTP = Abwasser Kläranlage, UF = Ultrafiltration und TDS = Gesamt gelöste Feststoffe. Mit freundlicher Genehmigung: Garver USA

Die Wasserqualität des behandelten Permeats und Destillats wurde analysiert, um festzustellen, ob es für CT-Zusatzverdünnungswasser zum Ausgleich der Wasserchemie wiederverwendet werden kann. Die Salzaufschlämmung aus dem VAED-System wurde daraufhin untersucht, ob sie rein genug war, um sie als Ausgangsmaterial für die Natriumhypochloriterzeugung vor Ort im CT zu verwenden und eine Kreislaufwirtschaft zu fördern.

Das Ziel dieses Projekts bestand darin, zu beweisen, dass ein EC/CLAR/MF/RO mit VAED-Konzentrataufbereitungssystem bei der Behandlung von kommerziellen CT-Abschlämmungen mit hohem TDS aus dem 600-Tonnen-Verdunstungskühlsystem im Hauptcampusgebäude des RRCC in Lakewood wirksam sein kann. Colorado. Der RRCC CT arbeitete mit drei bis vier Konzentrationszyklen.

Wie in Abbildung 2 dargestellt, besteht der Zweck von EC darin, die Bestandteile in der CT-Abschlämmung auszufällen, die den CT und die zur Behandlung der Abschlämmung verwendeten RO-Membranen verunreinigen könnten (eine Liste dieser Hauptbestandteile finden Sie in Tabelle 1). EC ist eine alternative Methode zur Zugabe eines Metallkoagulans ohne Zugabe eines Salzgegenions unter Verwendung von Gleichstrom und Metallelektroden.

Tabelle 1. Daten zur Wasserqualität. Mit freundlicher Genehmigung: Garver USA

Unter Gleichstrom löst sich die Metallanode im Wasser auf und fügt dem Wasser das Metallgerinnungsmittel hinzu, während an der Kathode Hydroxid erzeugt wird. Je nachdem, welche Klingen verwendet werden, bildet sich eine Eisenhydroxid- oder Aluminiumhydroxid-„Sweep“-Flocke. Das MF-System entfernte die Nadelflocken aus dem EC-Überstand, die sich nicht im Klärbecken absetzten und andernfalls den RO verunreinigen würden. Wenn die Vorbehandlungsanlage vor der Umkehrosmose die üblichen Verschmutzungen wirksam entfernen würde, würde die Umkehrosmose konstruktionsbedingt einen höheren spezifischen Durchfluss (Gallonen/ft2/Tag [gfd]/psi) und eine höhere Rückgewinnungsleistung erzielen, ohne die Membranen zu beschädigen.

Das Konzentrat aus der Umkehrosmose wurde in einen Vorratstank geleitet, wo das VAED-System die 2.200 Milligramm pro Liter (mg/L) zu 4.100 mg/L TDS in 8-Gallonen-Chargen verarbeitete. Das VAED-System ist ein patentiertes Destillationsverfahren zur Behandlung verbrauchter Sole aus Wasserenthärtern, das Wechselstrom-EC- und Vakuumdestillation in einem Einheitsprozess kombiniert. Es verdampft Wasser mit hohem TDS-Gehalt und kondensiert den Dampf zu Kondensat mit niedrigem TDS-Gehalt, wodurch eine Salzaufschlämmung mit 80 % (Gewichtsprozent) zurückbleibt. Am von Salt Miner LLC gespendeten VAED-System zur Aufbereitung verbrauchter Sole im Wasserenthärter wurden Änderungen vorgenommen, um die 3 bis 5 Gallonen pro Stunde (gph) Konzentrat aus der Umkehrosmose aufzunehmen. Die Standardeinheit ist für 1 gph verbrauchte Enthärtungssole ausgelegt, die 120.000 mg/L TDS überschreiten kann.

An jeder Komponente des Prozessstrangs wurden Stromqualitätsmonitore von Rockwell Automation installiert, um kW und kWh zu messen. Während des gesamten Prozesses wurden Pico-Mag-Messgeräte und Inline-Wasserqualitätsanalysatoren von Endress Hauser installiert, um den Gesamtdurchfluss, den momentanen Durchfluss, die Leitfähigkeit, den pH-Wert, das Redoxpotential (ORP) und die Temperatur zu messen. Zusammen ermöglichten diese Instrumente dem Team, den Stromverbrauch in kWh pro 1.000 behandelten Gallonen (kgal) und die Wirksamkeit der Behandlung in Echtzeit zu ermitteln.

Während der Feldtests wurden Parameter im EC-Prozessstrang angepasst, wie z. B. die hydraulische Verweilzeit (HRT), das Elektrodenmaterial, die Elektrodensprungkonfiguration, die Stromdichte, die Vorbehandlungschemie für den pH-Wert und die Mikrometerentfernungsgröße der nachgeschalteten Filtration. Der Permeatfluss und die Permeabilität der Umkehrosmose wurden aufgrund der verschiedenen EC-Konfigurationen und der Tatsache, dass die dreistufige Umkehrosmose aus Budgetgründen nur über ein 29-ft2-Element in jeder Stufe verfügte, in Frage gestellt. Typischerweise verfügt ein dreistufiges RO über mehrere Elemente in der ersten Stufe und deren Anzahl nimmt mit zunehmender Stufenzahl ab. Während der Tests wurden am VAED-System Elektrodenkonfiguration, Stromdichte, Nachsaat von Salzschlamm und Kondensationsenergie angepasst.

Wie in Tabelle 1 dargestellt, erfüllte die Hauptaufbereitungsanlage durchgängig die Wasserqualitätsziele und führte zu einer hohen Wirksamkeit der TDS-Entfernung, ohne die RO-Membranen zu verschmutzen. Der Hauptbehandlungsstrang wurde zwischen August 2021 und Dezember 2022 drei bis fünf Stunden am Tag an drei Tagen in der Woche betrieben. Nach jedem RO-Lauf wurden die Membranen mit 8 bis 10 Gallonen (<1 % des verarbeiteten Durchflusses) von 10 mg vorwärts gespült /L TDS-Permeat, bis die Leitfähigkeit des Konzentrats innerhalb von 20 % der Leitfähigkeit der Permeatzufuhrspülung lag.

Da VAED zum Erhitzen der Sole eine ohmsche Heizung nutzt, wird sie umso schneller heiß, je höher die Leitfähigkeit ist. Damit das gespendete VAED-System mit der vorhandenen Elektrodenkonfiguration auf dem Konzentrat mit niedrigerem TDS funktionieren konnte (im Gegensatz zu der verbrauchten Sole mit höherem Wasserenthärter, für die es ursprünglich entwickelt wurde), war die Zugabe von Steinsalz erforderlich, um das TDS daraus zu erzeugen verließ die dritte Stufe als Konzentrat auf etwa 56.000 mg/L TDS. Andernfalls würde die Aufbereitung des Salzes viel länger dauern, damit der Elektrodestillationsprozess effizient ablaufen kann.

Durch die Prüfung wurden folgende Erkenntnisse gewonnen:

Nachdem der letzte Test des P2P-Trailers Ende November 2021 durchgeführt wurde, wurde das System in die Fehlermodusanalyse (FMA) versetzt. Das System blieb von Dezember 2022 bis Anfang März 2022 statisch, ohne dass die standardmäßigen RO-Beizroutinen durchgeführt wurden. Nachdem nur eine 20-Gallonen-Permeatspülung durchgeführt wurde, erholte sich der spezifische Fluss des Systems auf seinen ursprünglichen Wert unter der Standardkonfiguration ohne chemische Vorbehandlung, nur EC + CLAR + MF.

Nachfolgende FMA-Tests stellten den Prozessablauf zusätzlich vor Herausforderungen, da sie im Batch-Modus betrieben wurden, bei dem das Konzentrat in einer proprietären Konfiguration recycelt wurde. In diesem Modus stieg die Rückgewinnung von etwa 54 % auf 97 %, ohne dass es zu Verschmutzungen, einer chemischen Vorbehandlung oder Permeatspülungen kam. Später während der FMA wurde der Anhänger durchschnittlich nur einmal im Monat betrieben, ohne dass eine Implementierung der Ausfallzeitwartung für das EC-, MF- und RO-System empfohlen wurde. Diese hohe Erholung ermöglichte es dem Prozessstrang, den ZLD-Kreislauf durch die Hinzufügung des VAED-Systems zu schließen.

Der Nachweis des EC/CLAR/MF/RO mit VAED-Konzentratbehandlungsstrangs wurde erbracht. EC war ein erfolgreicher alternativer Mechanismus zur Fäulnisabscheidung und sorgte für eine ideale Wasserqualität für RO-Membranen ohne den Einsatz von Antikalkmitteln oder pH-Senkung. Während der Pilotphase und der FMA wurde kein RO-Fouling festgestellt, da der spezifische Fluss konstant wiederhergestellt wurde.

Bei zukünftigen Tests sollte eine Automatisierung des Pilotanhängers in Betracht gezogen werden, um einen kontinuierlichen Betrieb zu ermöglichen. Obwohl EC und VAED eine gute Leistung erbrachten, wären mehr Forschung zu den Entfernungsmechanismen und die Optimierung von Designbeschränkungen, Kapitalkosten und Betriebskosten in vollem Umfang für die Weiterentwicklung dieser Technologie als kommerzialisierte Lösung zur Verwaltung der Salzbeladung von Vorteil.

Dr. Peter Fiske, Geschäftsführer der National Alliance for Water Innovation (NAWI), sagte: „Diese Demo ist eine hervorragende Gelegenheit, die Art von kleinem, verteiltem Entsalzungssystem zu sehen, das NAWI mit seinen beiden Pilotprogrammen entwickeln und vorantreiben möchte.“ und unsere allgemeine Ausgangslage und Roadmap.“

—Eric Dole, PE ist der Leiter der Wasser- und Energiepraxis des Wasserteams von Garver USA.

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