Abwasserbehandlung in der Erdöl- und Erdgasindustrie

15. November 2021 (12 Minuten lesen)
Jordi Fabregas

1. Abwässer aus der Erdöl- und Erdgasindustrie: eine technologische Herausforderung

1.1 Lösungen der Kreislaufwirtschaft für die Wasserwiederverwendung in der Öl- und Gasindustrie

Die Erdöl- und Erdgasindustrie, gemeinhin als Öl- und Gasindustrie bezeichnet, erzeugt die Energie, die für zahlreiche menschliche und industrielle Aktivitäten benötigt wird.

Aufgrund des hohen Wasserverbrauchs dieser Industrie müssen effiziente, nachhaltige und kostengünstige Lösungen für die Behandlung der in den Ölraffinerien anfallenden Abwässer, des in den Förderbohrungen entstehenden Schlamms usw. entwickelt werden, da diese Abwässer direkte Auswirkungen auf die Nachhaltigkeit der Ressourcen, die Umwelt und die übrigen Industrien und Sektoren haben.

Eines der Hauptziele der Öl- und Gasindustrie ist die Verringerung des Wasserbedarfs, was die Umsetzung von Lösungen der Kreislaufwirtschaft voraussetzt, die die Wiederverwendung von Abwasser und die Einsparung von Ressourcen und Rohstoffen fördern und so zur wirtschaftlichen und ökologischen Nachhaltigkeit der Öl- und Gasindustrie beitragen.

Richtig aufbereitetes Abwasser kann zum Beispiel auf vielfältige Weise wiederverwendet werden:

  • Bewässerung der angrenzenden Grünflächen
  • Netzwerk der Brandbekämpfung
  • Kühlungssysteme
  • Heizkessel
  • Wasser für die Reinigung von Lastwagen, Autos usw.

Um die Nachhaltigkeit des Wassers und der Öl- und Gasindustrie selbst zu gewährleisten, müssen diese Grundsätze der Kreislaufwasserwirtschaft, bei der Abwasser zu einer Ressource wird, angewandt werden.

Wie werden DAF-Systeme in der Öl- und Gasindustrie eingesetzt?

Die Druckentspannungsflotation ist die effizienteste Technologie für die primäre Abwasserbehandlung in den verschiedenen Bereichen des Öl- und Gassektors. Ziel dieser Erstbehandlung ist es, die Öle und Schwebstoffe aus dem Abwasser abzutrennen, damit es in eine nachfolgende Behandlungsstufe gelangen kann.

DAF-Systeme werden in vielen Bereichen des Öl- und Gassektors eingesetzt, z. B. auf Ölfeldern, in Ölraffinerien, chemischen und petrochemischen Anlagen, Erdgasverarbeitungsanlagen und ähnlichen Industrieanlagen.

1.2 Öl- und Gasabwässer und Alternativen für ihre Bewirtschaftung

Die drei Hauptaktivitäten dieses Wirtschaftszweigs sind:

  • Erdöl- und Erdgasförderung.
  • Umwandlung von Rohöl in seine Fraktionen.
  • Energieerzeugung aus Erdöl- und Erdgasderivaten.

Abwässer aus der Öl- und Gasindustrie können in den einzelnen Anlagen (Rohölförderung, Cracken, Brennstoff- und Gasverwertung usw.) sehr unterschiedliche Eigenschaften aufweisen und schwanken auch selbst, haben aber folgende grundlegende Merkmale:

  • Hoher Gehalt an Fetten, Ölen und Kohlenwasserstoffen.
  • Gelöste organische Stoffe.
  • Ölrückstände.
  • Hoher Gehalt an Schwebestoffen.
  • Erhebliche Viskosität.
  • Gelöste Salze.
  • Schwermetalle.

Die am wirksamsten zu entfernenden Bestandteile sind Öle, Fette, Kohlenwasserstoffe, Schwebstoffe und gelöste organische Stoffe.

Für die Behandlung dieser Abwässer ist eine Technik erforderlich, die integrierte, robuste, effiziente und optimierbare Lösungen bietet.

Die effektivsten Technologien für die Abscheidung von Ölen, Fetten und Kohlenwasserstoffen sind die API-, CPI- und DAF-Technologien:

  • API: spezielle Tanks, in denen eine natürliche Trennung der schwereren Sedimente stattfindet. Leichte, schwache und schwimmende Stoffe werden von API-Kratzern (nach den Normen des American Petroleum Institute) aufgefangen und aus dem Wasser entfernt.
  • CPI: Der CPI (Corrugated Plate Interceptor) ist ein Koaleszenzplattenabscheider, der für die Abscheidung von Ölen und Kohlenwasserstoffen eingesetzt wird.

API- und CPI-Technologien können zur Prozessoptimierung im selben Tank kombiniert werden.

  • DAF: DAF-Anlagen ermöglichen die Flotation von Schwebstoffen und kolloidalen Stoffen zu deren Abtrennung aus dem Wasser, nachdem ein Koagulations-Flockungsprozess zur Gruppierung dieser Feststoffe und Kolloide durchgeführt wurde.

Andere weniger verbreitete, aber ebenso wirksame Technologien sind Zyklone/Hydrozyklone und Membranfiltrationssysteme.

Tabelle 1. Technologien für die Abscheidung von Ölen, Fetten und Kohlenwasserstoffen.

TechnologieEigenschaftenLeistung
Getrennte APIsEntsprechend der Verweildauer zu gestaltenIneffizient bei emulgierten Ölen
CPI-TrennzeichenEs wird nach Dichte, Viskosität, Temperatur und Fließverhalten ausgelegt. Die Retentionszeiten sind hochIneffizient bei emulgierten Ölen. Normalerweise mit API-Abscheider gekoppelt.
DAF-KlärerEinleitung von Wasser unter Druck, das gelöste Luft enthält und Mikroblasen bildet, die das Aufschwimmen der Flocken ermöglichen.Sehr hohe Abscheideleistung von Feststoffen, Ölen, Fetten und Kohlenwasserstoffen durch ein gut durchdachtes Koagulations-Flockungs-System. 
HydrozykloneGeeignet für hohe Ölkonzentrationen. Hohe Wartungskosten.Die Effizienz wird erhöht, indem mehrere Hydrozyklone in Reihe geschaltet werden.
MembranfiltrationPorengrößen ab 0,01µmExtrahiert effizient dispergierte Öle und aromatische Verbindungen.

Die wirksamsten Technologien zur Entfernung gelöster organischer Verbindungen sind Adsorption, Extraktion und fortschrittliche Oxidationssysteme.

Tabelle 2: Technologien zur Entfernung von gelösten organischen Verbindungen.

Tabelle 2.1: Absorption

HauptbestandteilEigenschaftenLeistung
AktivkohleBeseitigung von Benzol, Toluol und Spuren von Curdo. Wendet hohe Retentionszeiten an und hängt von der Porengröße des CA ab.Ein Kohlenstoff-Aktivierungsverfahren ist erforderlich. Eliminierungen zwischen 50 - 75%.
ZeolithBeseitigung von BTEX (Benzol, Toluol, Ethylbenzol und Xylol). Es werden kompakte Module hergestellt.Entfernung zwischen 70 - 80%. Hohe Regenerationskosten. Hängt von der Hydrophobie der Verbindungen ab.
WalnussEntfernung von Ölen und Spuren von Tannin.Eliminierung zwischen 60 - 80%. Niedrige Rohstoffkosten.
Nano-VerbindungenEntfernung von Ölen und Spuren von Tannin.50%ige Eliminierung bei reduzierten Kontaktzeiten.
PolymeresBeseitigung von Benzol, Toluol und Spuren von Curdo. Sie können aus PET (Polyethylenterephthalat) oder Polystyrol bestehen.Eliminierung von bis zu 99 %.

Tabelle 2.2. Extraktion

HauptbestandteilEigenschaftenLeistung
LösungsmittelEntfernung von freien und/oder gelösten Fetten.Wirksam, aber kostspielig wegen der Regeneration des Lösungsmittels. Das Lösungsmittel muss als Abfall entsorgt werden.

Tabelle 2.3: Oxidation

HauptbestandteilEigenschaftenLeistung
PhotokatalytischEntfernung von TOC, Phenolen, BTEX und TPH (Gesamt-Erdöl-Kohlenwasserstoffe). Starker Einfluss des pH-Wertes. Katalysator: TiO2Beseitigung von >80% BTEX, >95% TOC, >60% Phenole, >75% TPH.
UV / 03Beseitigung von Naphthasäuren, Ammonium und aromatischen Kohlenwasserstoffen. Kontrolle des pH-Wertes, der nicht alkalisch sein darf. Ungünstig bei hohen Bikarbonat- und Cl- Konzentrationen.Eliminierungen >80%.

Neben der Wasseraufbereitung muss auch der anfallende Schlamm als Sondermüll entsorgt werden. Zur Entwässerung und Stabilisierung werden leistungsfähige Abscheidertechnologien wie Filterpressen und Zentrifugen eingesetzt.

2. SIGMA Fallstudie: Wasseraufbereitung in der UPT Thermal Production Unit auf Ibiza.

2.1 Allgemeine Projektdaten

PROJEKTSTANDORT: Ibiza Thermische Produktionseinheit.

EIGENTÜMER: Endesa - BETREIBER: Endesa Generación.

PROJEKTJAHR: 2012 - 2013

Abbildung 1: Thermische Produktionseinheit UPT auf Ibiza.

BETRIEB DES KRAFTWERKS: Das Wärmekraftwerk Ibiza (UPT) ist eine thermoelektrische Anlage mit konventionellem Zyklus in der Gemeinde Ibiza. Es verfügt über 13 aktive thermische Gruppen mit einer Gesamtleistung von 270 MW (sechs Motoren, vier Gasturbinen und drei Doppelgasturbinen), die Erdgas als Hauptbrennstoff und Diesel als Hilfsbrennstoff verwenden:

2 x 216-MW-Motoren

4 x 18,4-MW-Motoren

1 x 25 MW Gasturbine

1 x 14 MW Gasturbine

2 x 25 MW Gasturbine

3 x 25-MW-Doppelgasturbine

BEHANDLUNGSZIELE: Entfernung von Ölen, Kohlenwasserstoffen und Schwebstoffen aus den Abwässern der Kläranlage. 

WASSEREIGENSCHAFTEN: hohe Menge an Ölen und Kohlenwasserstoffen sowie Schwebstoffe: 1100 mg/L.

ZUSAMMENFASSUNG DER BEHANDLUNG: Die Abwasserbehandlung gliedert sich in die folgenden Stufen, deren Hauptziel die Entfernung der im Wasser enthaltenen Schwebstoffe, Öle und Kohlenwasserstoffe ist,

  • Verfahren zur Trennung von grobem Heizöl und Kohlenwasserstoffen mit API + CPI-Technologie
  • Verfahren zur Trennung von Feststoffen durch Sieben und Entsanden
  • Verfahren zur Abtrennung feiner Kohlenwasserstoffe
  • Verfahren zur Dosierung von Reagenzien: Koagulation - Flockung
  • DAF-Flotationsbehandlung (SIGMADAF FPAC-20-S Anlage)
Abbildung 2: Von Sigmadaf entwickeltes und installiertes Verfahren für die Abwasserbehandlung in der Öl- und Gasindustrie. Fallstudie der UPT von Ibiza.

LEISTUNG: Die von Agua Sigma installierte Anlage ermöglicht es, am Ausgang der DAF-Anlage Konzentrationen von weniger als 55 mg/L an Gesamtschwebstoffen, Ölen und Fetten zu erreichen, was eine Entfernungsleistung von 95 % bedeutet.

2.2 Beschreibung der Kläranlage des ÖPNV Ibiza

GROBABSCHEIDUNG VON HEIZÖL UND KOHLENWASSERSTOFFEN, API + CPI TECHNOLOGIE.

Das von SIGMA entwickelte System nutzt die CPI-Separatorplatten-Technologie für die Abtrennung von Kohlenwasserstoffen im Tank.

Es handelt sich um einen rechteckigen Tank mit schrägem Boden, der mit einer Abzugsschnecke zur Entfernung der abgesetzten Feststoffe und einem Skimmersystem zur Abscheidung von Kohlenwasserstoffen und Ölen nach API-Technologie ausgestattet ist.

Er verfügt über einen Warmwasser-Heizkreislauf. Hergestellt aus hochwertigem Stahl.

Abbildung 3: SIGMA CPI - API-Ausrüstung für die Trennung von Heizöl und Kohlenwasserstoffen, installiert in der UPT-Aufbereitungsanlage auf Ibiza.
Abbildung 4: Innenansicht der SIGMA CPI - API-Ausrüstung für die Trennung von Heizöl und Kohlenwasserstoffen in der UPT-Aufbereitungsanlage auf Ibiza.

ABTRENNUNG VON FESTSTOFFEN DURCH SIEBUNG UND ENTSANDUNG

Umfasst ein Schrägsieb und eine wellenlose Schnecke zum Anheben der abgeschiedenen Feststoffe. Der Entsandungsteil umfasst eine horizontale Sandförderschnecke.

Abbildung 5: SIGMA Sieb- und Entsandungsanlagen in der Kläranlage der UPT auf Ibiza.

FEINABSCHEIDUNG VON KOHLENWASSERSTOFFEN

Er besteht aus einem rechteckigen Behälter mit trapezförmigem Boden, der mit einer Reihe unabhängiger Koaleszenzlamellen zur optimalen Wasserverteilung ausgestattet ist. Er enthält ein Skimmer-System zur Abscheidung von Kohlenwasserstoffen und Ölen. Er verfügt über einen Warmwasserheizkreislauf.

Diese Ausrüstung ist Teil der Sieb- und Entsandungsanlage und vervollständigt ein kompaktes System aus hochwertigem Stahl.

Abbildung 6: SIGMA-Ausrüstung für die Abtrennung von Kohlenwasserstoffen, installiert in der Kläranlage der UPT auf Ibiza.

CHEMISCH-PHYSIKALISCHE BEHANDLUNG UND KLÄRUNG DAF

Die physikalisch-chemische Behandlung besteht aus der Zugabe von Koagulations- und Flockungsmitteln, die die Bildung von Flocken ermöglichen, die an den im Wasser vorhandenen Schwebstoffen haften, die aufgrund ihrer geringen Dichte nicht auf natürlichem Wege durch Sedimentation abgeschieden werden können. Dieses Verfahren erleichtert auch die teilweise Beseitigung der mit diesen Feststoffen verbundenen organischen Stoffe und die Beseitigung von Öl- und Kohlenwasserstoffrückständen, die nach der vorherigen Behandlung zurückgeblieben sein können.

Abbildung 7: SIGMA Koagulations- und Flockungsreaktor, installiert in der Kläranlage der UPT auf Ibiza.

Die Zugabe von Koagulations- und Flockungsmitteln erfolgt in Serienbehältern, die mit einem Rührwerk ausgestattet sind und aus sehr hochwertigem Stahl bestehen. Es wird ein Dosiersystem geliefert, das speziell auf die erforderliche Dosierung dieser Produkte abgestimmt ist. Diese Dosierungen werden anhand vorheriger Flockungstests im Labor ermittelt, wonach die Dosierung im industriellen Maßstab nachjustiert wird.

Abbildung 8: Koagulations- und Flockungstests, die an einer Abwasserprobe der UPT Ibiza durchgeführt wurden. Die Ergebnisse der Tests werden bei der Planung der Dosierung von Koagulierungs- und Flockungsmitteln im industriellen Maßstab verwendet.

Die entstehenden Flocken werden mit Hilfe der DAF-Technologie (Dissolved Air Flotation) vom Wasser getrennt. Für die bei UPT Ibiza gebaute Kläranlage wurde ein SIGMA DAF-Modell FPAC 20 konzipiert und installiert.

Abbildung 9. SIGMA DAF FPAC - 20 - S Flotationsanlage zur Klärung von Abwasser, installiert in der Kläranlage UPT auf Ibiza.
Abbildung 10: Betrieb der Flotationsanlage SIGMA DAF FPAC 20 zur Klärung von Abwässern, die in der Kläranlage UPT auf Ibiza installiert ist.
Abbildung 11. SIGMA DAF FPAC - 20 - S Flotationsanlage zur Klärung von Abwasser, installiert in der Kläranlage UPT auf Ibiza.

Die SIGMA DAF FPAC-Modelle sind Flotationsanlagen für die Klärung von Abwässern. Sie sind Querstrom-Separationsanlagen mit einer großen freien Oberfläche für die Ansammlung des Schwimmschlamms.

Die SIGMA DAF FPAC-Anlagen arbeiten mit kleinen bis mittleren Durchflussmengen (zwischen 5 und 160 m3/h) und mit sehr hohen Schadstoffbelastungen (Gesamtschwebstoffe, Öle und Fette, organische Belastung).

Sie werden u. a. in FBR (biologischen Flotationsreaktoren), Schlammeindickern, in der Tierkörperverwertungsindustrie, in der Fleisch- und Schlachthofindustrie, in der Lebensmittelindustrie, im Bergbau, in der Petrochemie und in der Papierindustrie eingesetzt.

DAF-FPAC-Systeme sind speziell für die Behandlung von Strömen mit sehr hohen Feststofffrachten (bis zu 40 kg Feststoffe/m2 freie Oberfläche des Systems) ausgelegt, die eine große Oberfläche für die Flotation und Abtrennung benötigen und keinen Auftrieb haben.

Flotationsluft ist notwendig, um die Flockenflotation zu verbessern, wenn die Vermischung von Emulsionen, Ölen und Feststoffen das spezifische Gewicht beeinflusst.

Eine Rezirkulationspumpe leitet einen Teil des geklärten Wassers zu einem Drucksättigungssystem am Auslass der DAF-Einheit zurück. Das rezirkulierte Wasser wird von der Pumpe auf etwa 6 bar Druck gebracht und mit Druckluft vermischt. Auf diese Weise wird das unter Druck stehende Wasser mit Druckluft gesättigt. Unter diesen Druckverhältnissen wird die Luft im Wasser gelöst.

Im Inneren der DAF-Einheit kommt es zu einem Druckabfall, der zur Bildung von Mikroluftblasen führt. Die Mikroblasen aus gelöster Luft ermöglichen die Entfernung von Feststoffen, Fettpartikeln, Ölen, Kohlenwasserstoffen usw., die nicht genügend Auftrieb haben. Die Blasen haben einen Durchmesser von 30-50 Mikrometern, was für eine effiziente Flotation unerlässlich ist. Die Blasen heften sich schnell an Partikel ähnlicher und größerer Größe und steigen an die Oberfläche.

Diese Mischung aus Wasser und Luftblasen wird im Einlassbereich der DAF-Einheit unter laminaren Bedingungen homogen verteilt. Die aufgeschwemmten Partikel werden direkt in das Entwässerungssystem am oberen Ende der Anlage geleitet, wo sie von Skimmern entfernt werden. Der Schlamm, die Öle, Fette und Kohlenwasserstoffe, die in Form von Schaum aufschwimmen, verlassen die Anlage und werden in einem Schlammtrichter gelagert.

Die schwimmenden Flocken verlassen die Anlage in Form von Schaum über ein Skimmersystem und werden in einem Schlammtrichter gesammelt.

Die absetzbaren Stoffe fließen in den Sedimentraum am Boden der DAF-Einheit und werden durch das Schneckenschlammabzugssystem ausgetragen.

Das geklärte Wasser verlässt die Anlage durch ein einstellbares Überstandssystem. Ein Teil dieses geklärten Wasserstroms wird von der Umwälzpumpe umgeleitet und gelangt in das oben beschriebene Verdichtungs- und Sättigungssystem.

3. Referenzen 

Lavariega L. 2011, Wasseraufbereitungsanlagen für die Ölindustrie. Akademische Abteilung für Biologische Wissenschaften, Universidad Juárez Autónoma de Tabasco. 17(33), 25-28.

Mesa S.L., Orjuela J.M., Ortega A.T., Sandoval J.A. 2018. Review of the current landscape of produced water management in the Colombian oil industry. Gestión y Ambiente. 21(1), 87-98.

Zeitschrift Petroquímica On Line. 2017. Die Öl- und Gasindustrie, eine der "kritischsten" Branchen der Welt.

Villegas J.P., Arcila N., Ortega D., Franco C.A., Cortés F.B. 2017. Entfernung von Kohlenwasserstoffen aus Produktionswässern der Ölindustrie unter Verwendung von Nano-Intermediaten, die aus SiO2 bestehen und mit magnetischen Nanopartikeln funktionalisiert sind. DYNA. 84(202), 6574.

    Sind Sie an dieser Lösung interessiert?

    GRUNDLEGENDE INFORMATIONSKLAUSEL

    INHABER DER DATENVERARBEITUNG: SIGMADAF CLARIFIERS, S.L.
    ZWECK: Beantwortung der Anfrage des Benutzers und im Falle der Zustimmung zur Zusendung von kommerziellen Mitteilungen, um den Benutzer über Angebote und Neuigkeiten zu informieren.
    RECHTMÄSSIGKEIT: Einverständnis des Interessenten.
    ÜBERTRAGUNGEN: Die Übertragung Ihrer Daten an die in den USA ansässige Gesellschaft PIPEDRIVE ist vorgesehen, abgesehen von denjenigen, die aufgrund einer gesetzlichen Verpflichtung und/oder einer gerichtlichen Auflage erforderlich sind.
    RECHTE: Zugang, Berichtigung, Löschung, Widerspruch, Einschränkung, Übertragbarkeit, Widerruf der Einwilligung. Wenn Sie der Ansicht sind, dass die Verarbeitung Ihrer Daten nicht mit den Vorschriften übereinstimmt, können Sie sich an die Aufsichtsbehörde wenden(www.aepd.es).
    ZUSÄTZLICHE INFORMATIONEN: Weitere Informationen finden Sie in unserer Datenschutzrichtlinie.