Behandlung und Wiederverwendung von Abwasser in Erdölraffinerien

• 1. Schadstoffe im Abwasser von petrochemischen Industriebetrieben und Erdölraffinerien                                                                      
• 2. Kläranlagen für Erdölraffinerien 
• 3. Einsatz von Dissolved-Air-Flotation-Anlagen (DAF)
• 4. Schlussfolgerung

Petrochemische Anlagen und Ölraffinerien verbrauchen große Mengen an Wasser. Hier sind die wichtigsten Verwendungszwecke von Wasser in diesen Anlagen:

• Kühlung von Anlagen und Prozessen.
• Dampferzeugung.
• Injektion in Lagerstätten.
• Reinigung von Behältern und Geräten.
• Aufbereitung von Rohöl und anderen Materialien während des Raffinationsprozesses.

Die petrochemische Industrie stellt hohe Anforderungen an die von ihr befolgten Umweltkontrollen, -normen und -protokolle, da das von ihr erzeugte Abwasser eine hohe Schadstoffbelastung aufweist. Aus diesem Grund verfügen Erdölraffinerien über eigene Wasseraufbereitungsanlagen, die die Umweltauswirkungen ihrer Abwässer mindern. Diese Anlagen nutzen unter anderem verschiedene physikalische, chemische, biologische und Filterverfahren, um die Schadstoffe aus dem Abwasser zu entfernen, bevor es abgeleitet oder in anderen Bereichen der Raffinerie wiederverwendet wird.

Andererseits zwingt die Wasserknappheit in der Umgebung einiger Ölraffinerien dazu, Maßnahmen zu ergreifen, um einen möglichst großen Teil des Abwassers wiederzuverwenden.

1. Schadstoffe im Abwasser der petrochemischen Industrie und der Erdölraffinerien

Ölraffinerien produzieren im Rahmen ihres Betriebs große Mengen an Abwasser. Diese Abwässer enthalten verschiedene Arten von Schadstoffen, darunter organische Verbindungen, Schwermetalle und andere giftige Substanzen.

In einer Ölraffinerie fallen verschiedene Arten von Abwässern an:

• Entsalztes Wasser (Rohölwäsche)
• Sauerwasser (aus der Erdölverarbeitung)
• Prozesswasser (Produktreinigung, Katalysatorregeneration)
• Verbrauchte Laugen (schwer zu behandeln)
• Tankbodensedimente
• Abwasser (aus Kühltürmen)
• Nebenprodukte der Aufbereitung (Schlämme, Osmose-Rücklauf, Harzregeneration)
• Regenwasser (das wiederverwendet werden kann)
• Ballastwasser (muss behandelt werden, um Krankheiten und invasive Arten zu vermeiden)

Die wichtigsten Abwasserquellen in Erdölraffinerien sind folgende:

• Kühlung von Anlagen und Maschinen.
• Reinigung von Behältern und anderen Geräten.
• Verarbeitung von Rohöl und anderen Rohstoffen.
• Das Abwasser kann auch Nebenprodukte des Raffinationsprozesses enthalten, wie beispielsweise Schlamm, die einer weiteren Aufbereitung und Entsorgung bedürfen.

Die Abwässer von Erdölraffinerien enthalten hohe Konzentrationen an Kohlenwasserstoffen, Ölen und Fetten, die zu einem hohen CSB-Wert und damit zu einem Sauerstoffmangel im Wasser führen.

Zu den in diesem Abwasser enthaltenen Stoffen zählen insbesondere die folgenden:

• Benzol, Toluol und Xylol sind flüchtige organische Verbindungen (VOC), die in Raffinerieprozessen verwendet werden und im Abwasser von Kühl- und Verarbeitungsanlagen vorkommen können. Diese Verbindungen sind krebserregend und können beim Menschen unter anderem Atemwegsprobleme sowie weitere Gesundheitsprobleme verursachen.
•  Polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK) sind organische Verbindungen, die während des Raffinationsprozesses entstehen und im Abwasser aus Kühl- und Verarbeitungsanlagen vorkommen. Sie sind krebserregend und können Wasserlebewesen schädigen, indem sie das Fortpflanzungs- und Immunsystem von Fischen und anderen Organismen beeinträchtigen. 
• Schwermetalle wie Blei, Quecksilber, Cadmium und Chrom, die im Abwasser aus der Reinigung von Geräten und im Prozesswasser vorkommen. Sie können sich in Wasserorganismen anreichern und beim Menschen neurologische Störungen sowie Entwicklungsstörungen verursachen.  
• Ammoniak und stickstoffhaltige Verbindungen, die im Abwasser von Kühl- und Verarbeitungsanlagen enthalten sind. Sie können Wasserlebewesen schädigen, indem sie den Sauerstoffgehalt im Wasser verringern.                                                                                
• Die Sulfide, die im Abwasser aus Raffinerieprozessen vorkommen. Sie können für Wasserlebewesen giftig sein, zum Tod führen und das Wachstum verlangsamen.                                                      
• Chlorierte Verbindungen wie polychlorierte Biphenyle (PCB), Dioxine und Furane, die im Abwasser von Kühl- und Verarbeitungsanlagen vorkommen. Es handelt sich um hochgiftige Verbindungen, die bei Menschen und Tieren Krebs und andere Gesundheitsprobleme verursachen können.

2. Kläranlagenfür Erdölraffinerien

Erdölraffinerien benötigen komplexe Verfahren zur Aufbereitung ihrer Abwässer. Ziel ist es, die Schadstoffbelastung auf die gesetzlich vorgeschriebenen Werte zu senken oder das aufbereitete Wasser innerhalb des Betriebs als Brauchwasser oder sogar als Prozesswasser wiederzuverwenden.

Eine Kläranlage für das Abwasser einer Ölraffinerie umfasst in der Regel mehrere Stufen:

• Vorbehandlung: In dieser Phase werden Feststoffe und grobe Verunreinigungen wie Steine, Kies und große Geräteteile aus dem Abwasser entfernt. Dazu werden in der Regel Siebe, Sandfänge und Absetzbecken eingesetzt.                                                     
• Vorklärung: In dieser Phase werden Schwebstoffe und ein Teil der organischen Stoffe aus dem Abwasser entfernt. Dazu werden in der Regel Ölabscheider, Dissolved-Air-Flotation-Anlagen (DAF) oder Absetzbecken eingesetzt, in denen die Feststoffe an die Oberfläche steigen und als Schlamm abgeschieden werden.
• Zweitbehandlung: Dabei werden gelöste organische Stoffe und andere Schadstoffe aus dem Abwasser entfernt. Zu diesem Zweck kommen in der Regel biologische Behandlungsverfahren zum Einsatz, wie beispielsweise Belebtschlammverfahren, Tropfkörper oder MBR-Systeme, bei denen Mikroorganismen zum Abbau der Schadstoffe genutzt werden.                                                          

• Tertiäre Behandlung: In dieser Phase wird eine weitergehende Aufbereitung des Abwassers durchgeführt, um die für die Einleitung oder die Wiederverwendung des Wassers erforderliche Qualität zu erreichen. An dieser Stelle kommen die modernsten Technologien zum Einsatz, wie die Filtration auf verschiedenen Ebenen (Mikro-/Ultra-/Nanofiltration) bis hin zur Umkehrosmose, Ionenaustauschharze oder die Verdampfung für besonders anspruchsvolle Wasserqualitäten.       
• Sterilisierung von Abwässern: Vor der endgültigen Einleitung werden die Abwässer in der Regel einer Sterilisierung unterzogen, entweder durch Oxidationsmittel oder durch UV-Bestrahlung.
• Schlammbehandlung: Der in den verschiedenen Phasen der Vor- und Erstbehandlung anfallende Schlamm wird in der Regel getrennt vom Abwasser behandelt. Dieser Schlamm kann eingedickt und entwässert werden; anschließend erfolgt eine Weiterbehandlung, wie beispielsweise Faulung, Kompostierung oder Verbrennung. Schlämme aus der biologischen Behandlung werden in der Regel separat behandelt (Faulung, mechanische oder thermische Trocknung).

PROZESSDIAGRAMM FÜR DIE ABWASSERAUFBEREITUNG IN DER PETROCHEMISCHEN INDUSTRIE

ABWASSERAUFBEREITUNGSANLAGE FÜR ERDÖLRAFFINERIEN MIT WASSERRÜCKGEWINNUNG

Im Folgenden wird ein Aufbereitungsverfahren zur Wiederverwendung von Abwasser aus der petrochemischen Industrie vorgestellt. Diese Lösung ermöglicht es, sowohl den Rohwasserverbrauch als auch die Umweltbelastung zu minimieren.

FLUSSCHEMA

Das System ist für einen Durchfluss von 100 m³/h ausgelegt, wobei das Wasser für allgemeine Zwecke und für industrielle Prozesse wiederverwendet werden soll.

Die Flotation mit gelöstem Luft (DAF) ist von entscheidender Bedeutung für die Abscheidung von suspendierten Feststoffen (TSS), Ölen und Fetten, die den ordnungsgemäßen Betrieb von Membran-Wasseraufbereitungssystemen (UF/NF/RO) beeinträchtigen können.

Wie wir sehen, gibt es verschiedene Filterstufen. Die Auswahl der geeigneten Membranen hängt von der Größe und den Eigenschaften der im Abwasser enthaltenen Schadstoffe ab. In der Regel wird empfohlen, vor der Ultrafiltration und der Umkehrosmose eine Mikrofiltrationsstufe einzubauen, um Rückstände gelöster Feststoffe abzutrennen, die die Membranen verschmutzen könnten.

ERWARTETE PARAMETER IN EINER AUFBEREITUNGSANLAGE FÜR ABWÄSSER AUS DER PETROCHEMISCHEN INDUSTRIE MIT WASSERRÜCKGEWINNUNG

Die folgende Tabelle gibt einen Überblick über die Werte der verschiedenen Schadstoffe in den einzelnen Stufen des Aufbereitungsprozesses.

Parameter	Einheit	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14
Durchflussmenge	m³/h	100	98	95	95	90	5	10	105	25	130	125	10	100	15
pH-Wert	-	6,5–8	6,5–8	7–7,5	6,5–7	6,5–7	7,5	8	7–8	7–8	7–8	7–8	7–8	6–7	7
TSS	mg/l	600	450	≤50	≤100	≤40	-	200	≤50	≤10	≤5	≤1	≤1	≤0,1	≤5
Trübung	N.T.U.	≥500	≤300	≤50	≤100	≤20	-	40	≤30	≤5	≤2	≤0,1	≤0,1	≤0,1	≤0,5
Öle und Fette	mg/l	450	≤100	≤10	≤5	≤2	-	≤10	≤2	≤1	≤1	≤0,1	≤0,1	≤0,1	≤0,1
COD	mg/l	≤10000	≤8000	≤5000	≤1000	≤500	20	≤500	≤500	≤10	300	≤100	≤10	≤1	≤5
NTK	mg/l	20	20	20	10	10	≤10	≤10	≤10	≤5	≤10	≤10	≤10	≤5	≤20
Leitfähigkeit.	µS/cm	3000	3000	3000	3000	3000	6000	3000	4000	1500	3000	3000	3000	≤200	≤15000
Phenole	mg/l	60	≤50	≤30	10	10	-	50	15	≤1	≤10	≤1	≤5	≤0,1	≤10
Ca++	mg/l	90	90	90	90	90	180	90	100	50	90	90	90	≤5	≤400
Mg++	mg/l	40	40	40	40	40	80	80	50	20	40	40	40	≤2	≤200
HCO3–	mg/l	150	150	150	150	150	300	150	200	100	150	150	150	≤20	≤600
SO4-2	mg/l	300	300	300	300	300	600	300	400	200	300	300	300	≤20	≤1000
Cl–	mg/l0	500	500	500	500	500	1000	500	400	250	500	500	500	≤50	≤3000

3. EINSATZ VON FLOTATIONSSYSTEMEN MIT GELÖSTEM LUFT (DAF)

Die Flotation mit gelöstem Luft (DAF) ist ein Verfahren, das häufig in Erdölraffinerien, petrochemischen und chemischen Anlagen zur Abscheidung von Schadstoffen aus deren Abwässern eingesetzt wird.

Als Vorkläranlage bieten DAF-Systeme folgende Leistungsmerkmale:

• 90 bis 95 %ige Entfernung der suspendierten Feststoffe (TSS).
• Entfernung von 95 bis 99 % der Öle und Fette.
• Hervorragende Ergebnisse bei der Reduzierung des chemischen Sauerstoffbedarfs (CSB) in Fett, Öl, biologischem Schlamm, farbigen organischen Stoffen und kolloidalen Materialien.

Die Flotation mit gelöstem Luft kann auch eingesetzt werden für:

• Schlammverdickung.
• Nachklärung nach einer biologischen Behandlung. In diesem Fall wird das DAF-System eingesetzt, um alle Feststoff-, Öl- und Fettrückstände zu entfernen, die in der Vor- und Nachbehandlung nicht beseitigt wurden.

Damit ein DAF-System effizient funktioniert, muss das Abwasser vor dem Eintritt in die DAF-Anlage einem Koagulations- und Flockungsprozess unterzogen werden. Wird dieser vorangehende physikalisch-chemische Prozess nicht durchgeführt oder nicht korrekt ausgelegt, wird die Leistung der DAF-Anlage beeinträchtigt.

Die Abwasserbehandlung in einer Erdölraffinerie mittels Flotation mit gelöstem Sauerstoff erfolgt in folgenden Schritten:

• Vorbehandlung: Das Abwasser der Raffinerie durchläuft zunächst Vorbehandlungsstufen, um grobe Feststoffe zu entfernen. Anschließend wird das Abwasser gesiebt, um verbleibende grobe Partikel zu entfernen. Danach folgt in der Regel eine Vorbehandlung mit einem API- oder CPI-System, in dem der Großteil der leicht abtrennbaren Kohlenwasserstoffe und Öle nach ihrer Dichte abgeschieden wird.
• Chemische Aufbereitung: Um die Leistung des DAF-Systems zu verbessern, wird ein Koagulations-Flockungs-Prozess durchgeführt, der die Schadstoffe bindet, und es werden chemische Mittel eingesetzt, um den pH-Wert zu optimieren. Je nach Art der im Abwasser vorhandenen Schadstoffe können verschiedene Chemikalien verwendet werden, wie beispielsweise Eisenchlorid, Aluminiumsulfat oder Polymere. Auf diese Weise gelingt es, die im Wasser dispergierten Öle, Fette und Stoffe, die in kolloidaler Form oder fein peptisiert vorliegen, zu binden.            
• DAF-Verfahren: Anschließend wird das Abwasser in eine DAF-Anlage gepumpt, wo Druckluft in den Behälter eingeleitet wird. Dadurch entstehen Mikrobläschen, die sich an die ausgeflockten Partikel anlagern, an die Oberfläche steigen und eine Schlammschicht bilden. 
• Schlammbeseitigung: Die Schlammschicht an der Oberfläche des DAF-Behälters wird mittels eines Abschäummechanismus abgeschöpft und in einem separaten Schlammbehälter zur weiteren Behandlung gesammelt. Anschließend wird das geklärte Wasser zur nächsten Stufe des Aufbereitungsprozesses weitergeleitet.

ARTEN VON DAF-SYSTEMEN

Sigmadaf stellt verschiedene Modelle von DAF-Systemen für die Erdölindustrie her.

Die Modelle FPHF und FPBC können dank einer geringeren Schwimmfläche als Hochlast-Hydraulikaggregate betrieben werden. Sie verfügen über ein Lamellenpaket zur Verbesserung des Trennprozesses. Der FPBC kann Durchflussmengen von 10 bis 250 m³/h bewältigen, während der FPHF im Bereich von 300 bis 1000 m³/h arbeitet.

Das Modell FPAC ist eine lamellenlose Anlage zur Behandlung von Abwasser mit hohem Feststoffgehalt. Es eignet sich ideal für die Aufbereitung von Wasser mit hoher Feststoffkonzentration. Diese Modelle können in Betonbecken gebaut werden, wenn die Aufbereitungskapazität die Grenzen überschreitet, die mit Anlagen aus Edelstahl erreicht werden können.

4. Fazit

Abwässer aus der petrochemischen Industrie enthalten eine hohe Konzentration an organischen Stoffen sowie Rückstände von Kohlenwasserstoffen, Ölen und Fetten. Der zunehmende Trend zur Wasserwiederverwendung in Raffinerien macht die Planung effizienter und zuverlässiger Abwasseraufbereitungsanlagen erforderlich.

Ein Großteil dieser Schadstoffe liegt in kolloidaler Form (TSS) vor, was eine chemische Aufbereitung durch Koagulation/Flockung sowie eine entsprechende pH-Einstellung erfordert. Das DAF-System und insbesondere die von SIGMADAF gelieferten Anlagen sind speziell darauf ausgelegt, die Abscheidung und den Abtransport dieser Stoffe zu erleichtern, wobei der Wirkungsgrad so hoch ist, dass das Risiko von Leckagen minimiert wird.