Vorbehandlung von Meerwasser in Entsalzungsanlagen

• 1. Algenwachstum in Meerwasserentsalzungsanlagen mittels Umkehrosmose
  • 1.1. Verteilung der Wasseransammlungen
• 2. Vorbehandlung von Meerwasser in Entsalzungsanlagen
  • 2.1 Konventionelle Vorbehandlung
  • 2.2 Erweiterte Voreinstellungen
  • 2.3. Schlussfolgerungen zur Konfiguration der Vorbehandlung
• 3. DAF-Technologie als wichtiger Bestandteil der Vorbehandlung in Entsalzungsanlagen
• 4. Glossar
• 5. Literaturverzeichnis

1. Algenwachstum in Meerwasserentsalzungsanlagen mittels Umkehrosmose

Die Wasserverteilung auf unserem Planeten ist ungleichmäßig.

• 97 % des Wassers befinden sich in den Ozeanen.
• 3 % sind Süßwasser an der Oberfläche.

3 % des Süßwassers verteilen sich wie folgt:

• 69 % davon sind in den Gletschern gebunden.
• 30 % davon sind Grundwasser.
• Weniger als 1 % des Wassers befindet sich in Seen, Sümpfen und Flüssen.

Aufgrund des raschen Bevölkerungswachstums und des steigenden Wasserverbrauchs besteht ein dringender Bedarf, auf alternative Quellen für die Süßwasserversorgung zurückzugreifen. Die Aufbereitung von Meerwasser durch Entsalzung ist eine der gängigsten Lösungen zur Gewinnung von Trinkwasser und Wasser für industrielle Zwecke.

Meeresalgen spielen eine entscheidende Rolle im marinen Nahrungsnetz, indem sie Kohlendioxid (CO2) in Biomasse umwandeln, die als Grundlage für die Nahrungskette dient.

Algenblüten sind in Meeresgebieten ein weit verbreitetes Phänomen. Sind diese Blüten schädlich, können sie schwerwiegende Auswirkungen auf die Meeresökosysteme und die Nutzung der Meeresressourcen durch den Menschen haben.

Schädliche Algenblüten können in jedem Küstengebiet auftreten und den Betrieb von Entsalzungsanlagen beeinträchtigen. Die von den Algen während dieser Blüten freigesetzten organischen Stoffe führen zu Ablagerungen auf den Umkehrosmosemembranen, was den Betrieb und die Wartung dieser Anlagen erschwert.

Umkehrosmosemembranen sind dafür ausgelegt, im Wasser gelöste Stoffe, insbesondere anorganische Ionen, zu entfernen.

Die Umkehrosmose ist die effizienteste Technologie zur Meerwasserentsalzung, ist jedoch anfällig für Verschmutzungen und Verstopfungen der Membranen, die durch die Ablagerung von Partikeln sowie das Wachstum von Bakterien und anderen Mikroorganismen verursacht werden, welche einen Biofilm auf der Membranoberfläche bilden. Dies führt zu:

• Ein Anstieg des Strömungswiderstands.
• Ein deutlicher Anstieg des Transmembrandrucks.
• Ein deutlicher Rückgang des Durchflusses.

Diese negativen Auswirkungen verkürzen die Lebensdauer der Membran und die Dauer der Filterzyklen, was sich nachteilig auf deren Leistung auswirkt.

Nebenprodukte von Algen und deren Toxine können ebenfalls in das Wasserversorgungsnetz gelangen, wodurch die Wasserqualität beeinträchtigt wird und schwerwiegende technische und gesundheitliche Probleme entstehen.

Durch diese Vorbehandlung bleiben die Membranen länger in gutem Zustand, sodass sie nicht so oft gereinigt werden müssen. Dies ist wichtig, da eine häufige chemische Reinigung möglichst vermieden werden sollte.

Das Auftreten schädlicher Algenblüten bei der Meerwasserentsalzung mittels Umkehrosmose bringt folgende Herausforderungen mit sich:

1. Eine Vorbehandlung durchführen, die sicherstellt, dass die Entsalzung durch Umkehrosmose die Algentoxine aus dem Meerwasser wirksam entfernt.
2. Bewältigung der betrieblichen Herausforderungen, die durch den Gehalt an gesamten suspendierten Feststoffen und die mit der Algenbiomasse im Rohwasser verbundene organische Belastung verursacht werden.

1.1. Verbreitung von Algenblüten

Schädliche Algenblüten treten entlang der gesamten Küstenlinie auf und haben weltweit schwerwiegende Auswirkungen auf Entsalzungsanlagen gehabt.

2. Vorbehandlung von Meerwasser in Entsalzungsanlagen

Die Membrantechnologie ist die effizienteste Methode zur Entfernung von Algen, Bakterien, Viren und anderen im Wasser vorhandenen Mikroorganismen. Allerdings wird dieser Prozess stark durch Ablagerungen beeinträchtigt, weshalb eine Vorbehandlung unbedingt erforderlich ist, damit die Membrantechnologien effizient arbeiten können.

2.1 Konventionelle Vorbehandlung

Das herkömmliche Vorbehandlungsverfahren lässt sich in zwei Kategorien unterteilen: physikalische und chemische Verfahren.

• Im physikalischen Prozess erfolgt eine mechanische Absiebung von Partikeln durch Siebe und Filter.
• Der chemische Prozess umfasst die Zugabe von Kalkablagerungshemmern wie Oxidationsmitteln, pH-Regulierungsmitteln, Koagulierungsmitteln, Flockungsmitteln und Desinfektionsmitteln.

Die Schadstoffe, die bei der Vorbehandlung zurückgehalten werden müssen, sind:

• Partikel und Schwebstoffe.
• Mikrobiologische Verunreinigungen.
• Algen und AOM.
• Gelöste organische Substanzen.

Das Standardverfahren kann an die spezifischen Anforderungen jedes einzelnen Projekts angepasst werden, indem die beschriebenen Schritte entsprechend geändert werden.

Desinfektion, mechanische Siebung und pH-Wert-Einstellung

Die Desinfektion durch Chlorung wird eingesetzt, um biologisches Wachstum zu verhindern, das zu einer Verschmutzung von Filtern und Membranen führt. Es ist ein anschließender Entchlorungsprozess erforderlich, um das Vorhandensein von Restchlor im Wasserstrom zu vermeiden.

Beim Siebverfahren werden Gitter oder Siebe eingesetzt, um schwimmende Gegenstände, Pflanzen und andere grobe Abfälle zurückzuhalten und so zu verhindern, dass diese in die Vorbehandlungsanlagen gelangen und dort Schäden oder Verstopfungen verursachen. Die verschiedenen Abfälle, die in den Gittern zurückgehalten wurden, werden mithilfe eines an den Sieben angebrachten mechanischen Rechens entfernt.

Der pH-Wert von Meerwasser ist aufgrund der darin enthaltenen Salze stets alkalisch, was zur Bildung von Ablagerungen auf den Umkehrosmosemembranen führt. Eine Anpassung des pH-Werts wirkt sich zudem positiv auf die Beseitigung von Algen und des gesamten organischen Kohlenstoffs (TOC) aus.

Die Leistung von Umkehrosmosemembranen ist bei niedrigen pH-Werten optimal. Daher muss der pH-Wert des Wassers durch Zugabe von Schwefelsäure oder einem anderen Säuerungsmittel, das die Flockenbildung optimiert, zwischen 5,5 und 6,0 gehalten werden. Es wird nicht empfohlen, mit einem pH-Wert unter 5,5 zu arbeiten, da die Zellen aufbrechen und intrazelluläre Substanzen freisetzen, die während der Vorbehandlungsphase möglicherweise nicht vollständig entfernt werden können.

Gerinnung und Ausflockung

Das Hauptziel des Koagulations- und Flockungsprozesses ist die Entfernung von Trübungen und Feststoffen. Zu diesem Zweck wird dem Wasser ein Koagulierungsmittel zugesetzt, das die negativ geladenen Partikel neutralisiert. Die Art des Koagulierungsmittels und seine optimale Dosierung werden durch die Durchführung eines Jar-Tests mit dem Wasser ermittelt. Die am häufigsten verwendeten Koagulierungsmittel sind Aluminiumverbindungen und Eisensalze wie Eisensulfat und Eisenchlorid. Der Koagulations- und Flockungsprozess entfernt kolloidale Verunreinigungen, Schwebstoffe, Algen, organische Stoffe (AOMs) und einige Bakterien aus dem Meerwasser.

Die Algenzellen müssen vollständig destabilisiert werden, damit die Behandlung ihre maximale Wirksamkeit entfalten kann. Dies wird durch die richtige Dosierung von Koagulierungs- und Flockungsmitteln sowie durch die Einstellung des pH-Werts erreicht (für eine bestimmte Koagulierungsmitteldosis gibt es einen optimalen pH-Wert, bei dem die Algenentfernungsleistung am höchsten ist).

Flotation mit gelöstem Luft

Ein DAF-System scheidet Partikel, Algenzellen, Öl und Fett ab, die nicht durch Sedimentation entfernt werden können. Auch die in der Koagulations- und Flockungsphase gebildeten Flocken werden entfernt.

In Meerwasserentsalzungsanlagen sind DAF-Systeme ständig salzhaltiger Luft, hoher Luftfeuchtigkeit und aggressiven Betriebsbedingungen ausgesetzt.

Die SIGMADAF-beschichteten DAF-Systeme aus Kohlenstoffstahl wurden speziell entwickelt, um unter rauen Betriebsbedingungen Zuverlässigkeit und optimale Langzeitleistung zu gewährleisten, und bieten eine hervorragende Leistung bei der Abscheidung von Schwebstoffen.

Der Tank der Anlage besteht aus beschichtetem Kohlenstoffstahl, während die übrigen Komponenten aus Superduplex-Edelstahl gefertigt sind.

Darüber hinaus werden unsere DAF-Anlagen für Meerwasserentsalzungsanlagen mit hochleistungsfähigen Beschichtungssystemen behandelt, die für den Einsatz in maritimen Umgebungen zertifiziert sind. Vor dem Auftragen der Beschichtung durchlaufen alle Einheiten einen Oberflächenbehandlungsprozess, der eine optimale Haftung und einen langfristigen Korrosionsschutz gewährleistet.

Filterung

Bei diesem Verfahren werden die Schwebeteilchen entfernt, die bei der Flotation mit gelöster Luft nicht abgeschieden wurden.

Die gängigsten Filtertypen sind Schwerkraftfilter (Sand oder Sand mit Anthrazit) und Filterpressen.

Schwerkraftfilter kommen in Entsalzungsanlagen mit großer und mittlerer Kapazität zum Einsatz, da sie eine bessere Wirtschaftlichkeit bieten. Das Schwerkraftfiltersystem entfernt Ton, kolloidales Siliziumdioxid, ausgefällte Metallhydroxide, Huminsäuren und Fulvosäuren, Algen und Bakterien.

Zugabe von Antiskalant

Die Ablagerung von Salzen und Mineralien aus dem Meerwasser auf der Oberfläche der Umkehrosmosemembran kann deren Leistung beeinträchtigen und die Wasserrückgewinnung verringern.

Die zur Einstellung des pH-Werts zugesetzte Schwefelsäure kann auch die durch Kalziumkarbonat verursachte Ablagerung verhindern. Seit kurzem werden auch bestimmte Polymere als Antifouling-Mittel eingesetzt.

Erklärung

Wenn Chlor als Desinfektionsmittel verwendet wird, kann das im Speisewasser enthaltene Restchlor die Umkehrosmosemembranen beschädigen. Die gängigsten Mittel zur Entchlorung sind Natriumbisulfit oder Aktivkohle.

2.2 Erweiterte Voreinstellungen

Einige Entsalzungsanlagen haben Mikrofiltrations- (MF) und/oder Ultrafiltrationsmembranen (UF) als eigenständigen Vorbehandlungsprozess eingesetzt. Dieser Prozess wird als erweiterte Vorbehandlung bezeichnet, hat sich jedoch nicht als wirksame Lösung erwiesen, da Verschmutzungen alle Arten von Membranen beeinträchtigen.

Die erweiterte Vorbehandlung kann Teil der konventionellen Vorbehandlung sein, stellt jedoch keine eigenständige Vorbehandlung dar. Es hat sich gezeigt, dass eine Kombination aus konventioneller und erweiterter Vorbehandlung eine kostengünstige Lösung für die Süßwassergewinnung bei Meerwasserentsalzungsprozessen darstellen kann.

In einer Pilotanlage im industriellen Maßstab in Barcelona wurde im Rahmen der Vorbehandlung nach einer DAF-Anlage ein Vergleich zwischen einem Filter mit doppeltem Filtermedium (DMF) und Ultrafiltrationsmembranen durchgeführt.

Ultrafiltrationsmembranen zeichnen sich durch eine hervorragende Stabilität aus und liefern ein Permeat von hoher Qualität. Die Kombination aus einer DAF-Anlage und einer nachgeschalteten UF-Membran filtert fast 100 % der Algenverunreinigungen und einen Großteil der Bakterien aus dem Wasser.

Dies ist ein anschauliches Beispiel dafür, wie die Kombination aus konventionellen und fortschrittlichen Vorbehandlungstechnologien hervorragende Ergebnisse bei der Vorbehandlung von Meerwasser liefert.

2.3. Schlussfolgerungen zur Auslegung der Meerwasser-Vorbehandlung in Entsalzungsanlagen

Der wichtigste Vorteil des herkömmlichen Vorbehandlungsverfahrens besteht darin, dass es sich um ein bewährtes Verfahren handelt, das in jeder einzelnen Stufe durch fortschrittliche Technologien optimiert werden kann. Das System entfernt sowohl organische Stoffe als auch Schwebstoffe aus dem aufbereiteten Meerwasser.

Die herkömmliche Vorbehandlung kann angepasst werden, indem Schritte wie die Filtration oder die Filtration mittels UF-/MF-Membranen geändert oder hinzugefügt werden.

In jüngster Zeit hat sich die Forschung darauf konzentriert, die herkömmliche Vorbehandlung von Meerwasser durch folgende Maßnahmen effektiver zu gestalten:

• Veränderungen an den Meerwasserentnahmestellen.
• Einführung der DAF-Technologie für den Flotationsprozess.
• Dynamische Rückspül- und Reinigungsprozesse für Filter oder Membranen
• An das System angepasste Chemikaliendosierungen.

3. Die Flotation mit gelöstem Luft bei der Vorbehandlung in Entsalzungsanlagen

Das Meerwasseraufbereitungssystem, das sich als am wirksamsten, zuverlässigsten und kostengünstigsten erwiesen hat, ist das folgende:

• Flockung und pH-Wert-Einstellung.
• Peroxidation.
• Flotation mit gelöstem Luft (DAF).
• Schwerkraftfiltration.

Diese Kombination von Verfahren entfernt Fett, Öle, Schwebstoffe, Trübungen, Farbe, bestimmte Bakterien, Algen, Eisen, Mangan, Phosphor und den gesamten organischen Kohlenstoff.

Die Effizienz bei der Algenbeseitigung liegt zwischen 99 % und 99,9 %, selbst bei starken Ausbrüchen schädlicher Algenblüten.

Die Flotation mit gelöstem Luft wird bei Partikeln angewendet, deren Dichte geringer ist als die der Flüssigkeit, in der sie sich befinden. Während des Prozesses haften die ausgeflockten Partikel, wie beispielsweise Algen, an den im Inneren des DAF-Systems erzeugten Blasen und steigen an die Oberfläche der Wassersäule auf, wo sie mechanisch oder hydraulisch entfernt werden.

In Entsalzungsanlagen, die Trinkwasser produzieren, geht der aktuelle Trend zur Entwicklung von DAF-Systemen mit dichten Mikrobläschenbetten und hoher Durchflusskapazität. Dieses Verfahren bietet folgende Vorteile:

• Reduziert den Platzbedarf.
• Senkt die Betriebskosten.
• Senkt die Wartungskosten.
• Verbessert die Reinigungsergebnisse.

Die von SIGMADAF hergestellten DAF-Systeme bieten folgende Vorteile:

• Bessere Qualität des aufbereiteten Wassers.
• Schnelle Inbetriebnahme.
• Hochgeschwindigkeitsbetrieb.
• Dickflüssigerer Schlamm (geringere Schlammbildung).
• Geringer Platzbedarf.
• Einfach zu bedienen.
• Fähigkeit, Meerwasser-Aufbereitungsanlagen vor Schäden durch HAB zu schützen.

Tabelle 2.Vergleich der Algenabbaueffizienz bei Verwendung verschiedener Behandlungsverfahren unter optimierten Bedingungen. Quelle: Mouchet und Bonnelye 1998.

Tabla 3. Eficiencias de eliminación de Sigma DAF modelo FPAC-CW®. La unidad incluye ajuste de pH, sistema de coagulación-floculación más sistema DAF, que se muestra en la Figura 12 (a). La calidad del agua utilizada para esta estimación es: Tipo de afluente: agua de mar más agua de río; caudal = 10500 m3 / h dividido en tres líneas de operación de 3500 m3 / h promedio cada una; sólidos totales disueltos <40000 mg / L; pH = 8.2-8.3, temperatura = 17-39ºC; algas: 5 Mcélulas / L; sólidos suspendidos totales <200 mg / L; turbidez = 5-30 NTU; aceite y grasa <3 mg / L.

Parameter	Entsorgungseffizienz
Gesamtgehalt an suspendierten Feststoffen	95%
Öle und Fette	98%
Algen	98%
Konzentration des Flotationsschlamms	> 2%

Tabla 4. Eficiencias de eliminación de Sigma DAF modelo FPHF®, que se muestran en la Figura 12 (b). El proceso instalado también incluye ajuste de pH, sistema de coagulación-floculación más sistema DAF. La calidad del agua utilizada para esta estimación es: Tipo de afluente: agua de mar; caudal = 832 m3 / h dividido en dos líneas de operación de 416 m3 / h promedio cada una; sólidos suspendidos totales <50 mg / L; pH = 8.0, temperatura = <34.6ºC; algas <100000 células / ml; aceite y grasa <3 mg / L.

Parameter	Wert im Abwasser
Gesamtgehalt an suspendierten Feststoffen	< 10 ppm
Trübung	< 5 NTU
Gesamter organischer Kohlenstoff	< 7 ppm
Algenbekämpfung	> 98%
Entfernung von Ölen und Fetten	> 90%

Aufgrund der schwimmenden Eigenschaft von Algen werden DAF-Systeme zunehmend in der Vorbehandlung von Meerwasser eingesetzt. Die hohen Algenabscheidungsraten, die mit einem DAF-System erzielt werden, verhindern eine Verschmutzung und Verstopfung der Umkehrosmosemembranen und beugen so einem vollständigen Stillstand der Anlage während schädlicher Algenblüten vor.

Umkehrosmosemembranen reagieren sehr empfindlich auf Verschmutzungen, die verursacht werden durch:

• Kolloide.
• Anorganische Ablagerungen.
• Entstehung von Biofilmen.
• usw.

Bei einer offenen Meerwasserentnahmestelle wären die Membranen verschiedenen Arten von Verunreinigungen ausgesetzt: Algen, ausgefällten Metallen, organischen Stoffen, Kohlenwasserstoffen, Partikeln, Trübung usw.

Die Vorbehandlung muss so ausgelegt sein, dass sie dem schlimmsten denkbaren Fall gewachsen ist und dennoch eine konstante Wasserqualität gewährleistet, die den Umkehrosmoseanlagen zugeführt wird – selbst bei Auftreten schädlicher Algenblüten. Die Vorbehandlung muss zudem dazu beitragen, die Kosten für die Reinigung der Umkehrosmosemembranen zu senken.

Das schwere Auftreten schädlicher Algenblüten im Golf von Oman in den Jahren 2008 und 2009 führte zur Stilllegung mehrerer Entsalzungsanlagen in der Region, was die Suche nach neuen Lösungen für die Vorbehandlung von Meerwasser beschleunigte, wobei sich insbesondere die Flotation mit gelöstem Sauerstoff als vielversprechend erwies.

Die DAF-Technologie wird regelmäßig in neuen SWRO-Anlagen am Persischen Golf eingesetzt:

• In der Anlage in Al-Dur wurde eine Pilotanlage installiert, die mit einem DAF-System sowie einer Koagulations- und Flockungsstufe vor dem GMF-Filtermedium ausgestattet ist. Durch dieses Verfahren lassen sich mehr als 99 % der Algenzellen entfernen.
• Die Entsalzungsanlage in Al-Shuwaik in Kuwait ist ihrerseits mit DAF-Anlagen und UF-Membranen zur Vorbehandlung ausgestattet. Diese Anlage liefert durchweg Speisewasser von optimaler Qualität, selbst unter den verschlechterten Bedingungen während Algenblüten.
• Bei der Erweiterung der Anlage in Fujairah wird die DAF-Technologie als wesentlicher Bestandteil des Vorbehandlungsverfahrens eingesetzt.

Für eine korrekte und optimale Auslegung der Meerwasser-Vorbehandlungsanlage ist es erforderlich, eine Jar-Test-Analyse mit Meerwasserproben durchzuführen, die den gesamten zu erwartenden Qualitätsbereich abdecken: von weniger salzhaltigem Meerwasser bis hin zum Worst-Case-Szenario, das durch das Auftreten schädlicher Algenblüten gegeben ist.

Bei SIGMADAF führen wir sowohl diese Analysen als auch die Konstruktion und Fertigung von DAF-Systemen und Koagulations-Flockungsanlagen durch.

4. Glossar

AOM:Algen-Organik: von Algen gebildete organische Substanz

DAF:Dissolved Air Flotation: Flotation mit gelöster Luft

DMF:Dual Media Filter: Doppelfiltermedium

GMF:Granular Media Filters: Granularfilter

HAB:schädliche Algenblüte

MF:Mikrofiltration

RO:Umkehrosmose

SWRO:Meerwasser-Umkehrosmose

TOC:Total Organic Carbon: Gesamtgehalt an organischem Kohlenstoff

UF:Ultrafiltration

5. Literaturverzeichnis

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