Abwasserbehandlung in der Erdöl- und Erdgasindustrie

• 1. Abwässer aus der Erdöl- und Erdgasindustrie: eine technologische Herausforderung
  • 1.1 Kreislaufwirtschaftslösungen für die Wasserwiederverwendung in der Öl- und Gasindustrie
  • 1.2 Abwässer aus der Öl- und Gasindustrie und Möglichkeiten ihrer Entsorgung
• 2. SIGMA-Erfolgsgeschichte: Wasseraufbereitung in der thermischen Produktionsanlage UPT auf Ibiza.
  • 2.1 Allgemeine Projektdaten
  • 2.2 Beschreibung der Kläranlage der UPT Ibiza
• 3. Literaturverzeichnis

1. Abwässer aus derErdöl- und Erdgasindustrie: eine technologische Herausforderung

1.1 Kreislaufwirtschaftslösungen für die Wasserwiederverwendung in der Öl- und Gasindustrie

Die Erdöl- und Erdgasindustrie liefert die Energie, die für zahlreiche menschliche und industrielle Aktivitäten benötigt wird.

Der hohe Wasserverbrauch bei der Förderung und Verarbeitung von Erdöl und Erdgas erfordert die Entwicklung effizienter, nachhaltiger und wirtschaftlicher Lösungen für die Aufbereitung der in Raffinerien anfallenden Abwässer sowie der Schlämme aus den Förderbohrlöchern. Diese Abwässer haben direkte Auswirkungen auf die Nachhaltigkeit der Wasserressourcen, die Umwelt sowie andere Industriezweige und Sektoren.

Eines der wichtigsten Umweltziele der Öl- und Gasindustrie ist dieSenkung des Wasserverbrauchs. Dies erfordert die Umsetzung von Lösungen im Sinne der Kreislaufwirtschaft, die dieWiederverwendung von Abwassersowie die Einsparung von Ressourcen und Rohstoffen fördern und so zur wirtschaftlichen und ökologischen Nachhaltigkeit beitragen.

Ordnungsgemäß behandeltes Abwasser kann für verschiedene Zwecke wiederverwendet werden, zum Beispiel:

• Bewässerung der angrenzenden Grünflächen
• Brandschutz-Sprinkleranlage
• Kühlsysteme
• Heizkessel
• Reinigungswasser

1.2 Abwässer aus der Öl- und Gasindustrie und Möglichkeiten ihrer Entsorgung

Die drei Haupttätigkeitsbereiche dieser Branche sind:

• Förderung von Erdöl und Erdgas.
• Verarbeitung von Rohöl in seine Bestandteile.
• Energiegewinnung aus Erdölprodukten und Erdgas.

Das Abwasser aus der Öl- und Gasindustrie kann je nach Anlage (Rohölförderung, Cracking, Nutzung von Brennstoffen und Gas usw.) sehr unterschiedliche Eigenschaften aufweisen und unterliegt zudem Schwankungen, weist jedoch folgende grundlegende Merkmale auf:

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

Für die Aufbereitung dieses Abwassers muss ein effizientes, flexibles und robustes Verfahren entwickelt werden, das verschiedene Technologien miteinander verbindet.

Die wirksamsten Verfahren zur Abscheidung von Ölen, Fetten und Kohlenwasserstoffen sind die API- und CPI-Verfahren sowie die Flotation mit gelöstem Luft (DAF).

• API: Spezialbehälter, in denen eine natürliche Abscheidung der schwereren Sedimente stattfindet. Die leichten Stoffe mit geringer Dichte, die leicht aufschwimmen, werden durch API-Schaber aufgefangen und aus dem Wasser entfernt.
• CPI: Der CPI (Corrugated Plate Interceptor, d. h. ein Abscheider mit gewellten Platten) ist ein Koaleszenzabscheider, der zur Abscheidung von Ölen und Kohlenwasserstoffen eingesetzt wird.

Die API- und CPI-Technologien können zur Prozessoptimierung in ein und demselben Tank kombiniert werden.

• DAF: DAF-Anlagen ermöglichen das Aufschwimmen von Schwebstoffen und kolloidalen Substanzen, um diese vom Wasser abzutrennen. Bevor das Wasser in eine DAF-Anlage geleitet wird, ist ein Koagulations- und Flockungsprozess erforderlich, um diese Schwebstoffe und Kolloide zu bündeln.

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

Tabelle 1.Technologien zur Abscheidung von Ölen, Fetten und Kohlenwasserstoffen.

Technologie	Eigenschaften	Leistung
Getrennte APIs	Die Auslegung muss unter Berücksichtigung der Verweildauer erfolgen	Unwirksam bei emulgierten Ölen
CPI-Trennzeichen	Die Auslegung erfolgt unter Berücksichtigung von Dichte, Viskosität, Temperatur und Durchflussrate. Die Verweilzeiten sind lang.	Unwirksam bei emulgierten Ölen. Wird in der Regel mit dem API-Abscheider kombiniert.
DAF-Klärbecken	Durch die Zufuhr von Druckwasser, das gelöste Luft enthält, entstehen Mikrobläschen, die das Aufschwimmen der Flocken ermöglichen.	Sehr hohe Abscheideleistung bei Feststoffen, Ölen, Fetten und Kohlenwasserstoffen dank eines gut durchdachten Koagulations- und Flockungssystems.
Hydrozyklone	Geeignet für hohe Ölkonzentrationen. Hohe Wartungskosten.	Durch die Reihenschaltung mehrerer Hydrozyklone lässt sich die Effizienz steigern.
Membranfiltration	Porengrößen von 0,01 µm	Extrahiert effizient dispergierte Öle und Aromastoffe.

Die wirksamsten Technologien zur Entfernung gelöster organischer Verbindungen sind Adsorptions-, Extraktions- und fortgeschrittene Oxidationsverfahren.

Tabelle 2.Technologien zur Entfernung gelöster organischer Verbindungen.

Tabelle 2.1. Absorption

Hauptkomponente	Eigenschaften	Leistung
Aktivkohle	Entfernung von Benzol, Toluol und Spuren von Kurdu. Es gelten lange Verweilzeiten, die von der Porengröße des Aktivkohlefilters abhängen.	Es ist ein Aktivierungsprozess der Kohle erforderlich. Die Entfernung liegt zwischen 50 und 75 %.
Zeolith	BTEX-Entfernung (Benzol, Toluol, Ethylbenzol und Xylol). Es werden kompakte Module hergestellt.	Entfernung zwischen 70 und 80 %. Hohe Regenerierungskosten. Hängt von der Hydrophobie der Verbindungen ab.
Walnuss	Entfernung von Ölen und Käsemitteln.	Entfernung zwischen 60 und 80 %. Niedrige Rohstoffkosten.
Nanokomposite	Entfernung von Ölen und Käsemitteln.	Reduzierung um 50 % bei verkürzten Kontaktzeiten.
Polymer	Entfernung von Benzol, Toluol und Spuren von Kurdu. Dabei kann es sich um PET (Polyethylenterephthalat) oder Polystyrol handeln.	Bis zu 99 % Entfernung.

Tabelle 2.2. Gewinnung

Hauptkomponente	Eigenschaften	Leistung
Lösungsmittel	Entfernung von freien und/oder gelösten Fetten.	Effizient, aber aufgrund der Lösungsmittelrückgewinnung kostspielig. Das Lösungsmittel muss als Abfall behandelt werden.

Tabelle 2.3. Oxidation

Hauptkomponente	Eigenschaften	Leistung
Photokatalytisch	Abbau von POPs, Phenolen, BTEX und TPH (Gesamtkohlenwasserstoffe). Starker Einfluss des pH-Werts. Katalysator: TiO₂	Abbau von >80 % der BTEX-Verbindungen, >95 % des TOC, >60 % der Phenole und >75 % der TPH.
UV / 03	Entfernung von Naphthinsäuren, Ammonium und aromatischen Kohlenwasserstoffen. Der pH-Wert darf nicht alkalisch sein. Ungünstig bei hohen Konzentrationen an Bicarbonaten und Cl-.	Eliminierung >80 %.

Der bei der Abwasserbehandlung anfallende Schlamm muss als Sonderabfall behandelt werden. Zu seiner Entwässerung und Stabilisierung kommen leistungsstarke Trenntechnologien wie Filterpressen und Zentrifugen zum Einsatz.

2. SIGMA-Erfolgsgeschichte: Wasseraufbereitung in der thermischen Produktionsanlage UPT auf Ibiza.

2.1 Allgemeine Projektdaten

• PROJEKTSTANDORT: Wärmekraftwerk Ibiza.
• EIGENTÜMER: Endesa.
• BETREIBER: Endesa Generación.
• PROJEKTZEITRAUM: 2012 – 2013.

BETRIEB DES KRAFTWERKS: Das Wärmekraftwerk (UPT) von Ibiza ist ein thermisches Kraftwerk mit konventionellem Kreislauf, das sich im Gemeindegebiet von Ibiza befindet. Es verfügt über 13 aktive Kraftwerksblöcke mit einer Gesamtleistung von 270 MW (sechs Motoren, vier Gasturbinen und drei Doppelgasturbinen), die Erdgas als Hauptbrennstoff und Diesel als Hilfsbrennstoff nutzen:

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-Gasturbinen

3 x 25-MW-Doppelgasturbinen

ZIEL DER BEHANDLUNG: Entfernung von Ölen, Kohlenwasserstoffen und Schwebstoffen aus dem Abwasser der UPT. 

WASSEREIGENSCHAFTEN: Hoher Gehalt an Ölen und Kohlenwasserstoffen sowie an Schwebstoffen: 1100 mg/l.

PROZESSKONZEPT: Die Abwasserbehandlung gliedert sich in folgende Stufen, deren Hauptziel die Entfernung der im Wasser enthaltenen Schwebstoffe, Öle und Kohlenwasserstoffe ist:

• Grobtrennung von Heizöl und Kohlenwasserstoffen mittels API- und CPI-Technologie
• Verfahren zur Abscheidung von Feststoffen durch Sieben und Entsanden
• Verfahren zur Feinabtrennung von Kohlenwasserstoffen
• Dosierverfahren für Reagenzien: Koagulation – Flockung
• DAF-Flotationsverfahren (Anlage SIGMADAF FPAC-20-S)

LEISTUNG:Die installierten Anlagen ermöglichen es, Konzentrationen von unter 55 mg/l an gesamten Schwebstoffen, Ölen und Fetten zu erreichen, was einer Abscheideleistung von 95 % entspricht.

2.2 Beschreibung der Kläranlage der UPT Ibiza

GROBTRENNUNG VON KRAFTSTOFF UND KOHLENWASSERSTOFFEN, API- + CPI-TECHNOLOGIE.

Das von der SIGMA WATER GROUP entwickelte System nutzt die CPI-Trennplattentechnologie zur Abscheidung von Kohlenwasserstoffen im Tank.

Der Tank ist ein rechteckiger Behälter mit geneigtem Boden, der über eine Entleerungsschraube für die abgesetzten Feststoffe verfügt und mit einem Skimmer-System zur Abscheidung von Kohlenwasserstoffen und Ölen nach API-Technologie ausgestattet ist.

Es verfügt über einen Warmwasser-Heizkreislauf aus hochwertigem Stahl.

ABTRENNUNG VON FESTSTOFFEN DURCH SIEBEN UND ENTSANDEN

Es umfasst ein geneigtes Sieb und eine achslose Förderschnecke zum Abtransport der abgeschiedenen Feststoffe. Der Entsandungsabschnitt umfasst eine horizontale Sandförderschnecke.

FEINE TRENNUNG VON KOHLENWASSERSTOFFEN

Es handelt sich um einen rechteckigen Tank mit trapezförmigem Boden, der mit einer Reihe unabhängiger Koaleszenzlamellen für eine optimale Wasserverteilung ausgestattet ist. Er verfügt über ein Skimmer-System zur Abscheidung von Kohlenwasserstoffen und Ölen. Außerdem ist er mit einem Warmwasser-Heizkreislauf ausgestattet.

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

Physikalisch-chemische Behandlung und DAF-Klärung

Die physikalisch-chemische Behandlung besteht in der Zugabe von Koagulierungs- und Flockungsmitteln, um Flocken zu bilden, die sich an die im Wasser vorhandenen Schwebstoffe anlagern, die aufgrund ihrer geringen Dichte nicht auf natürliche Weise durch Sedimentation abgeschieden werden können. Dieser Prozess erleichtert auch die teilweise Entfernung der mit diesen Feststoffen verbundenen organischen Stoffe sowie die Beseitigung von Öl- und Kohlenwasserstoffrückständen, die nach der vorherigen Behandlung möglicherweise zurückgeblieben sind.

Die Zugabe von Koagulierungs- und Flockungsmitteln erfolgt in einem mit Rührwerken ausgestatteten Reihenbehälter aus hochwertigem Stahl. Es wird ein speziell für die Behandlung dieser Schadstoffe ausgelegtes Dosiersystem bereitgestellt. Die Dosierungen werden anhand von im Labor durchgeführten Flockungstests ermittelt; anschließend wird die Dosierung im industriellen Maßstab angepasst.

Die gebildeten Flocken werdenmittels eines Flotationsverfahrens mit aufgelöster Luft (DAF) aus dem Wasser abgeschieden. Für die Kläranlage der UPT auf Ibiza wird eine SIGMADAF-Anlage des Modells FPAC 20 hergestellt und installiert.

Das ModellSIGMA DAF FPACist ein Flotationssystem mit gelöstem Luftblasen zur Klärung von Abwasser. Es handelt sich um Kreuzstrom-Trennanlagen mit einer großen freien Oberfläche, auf der sich der aufgeschwemmte Schlamm ansammeln kann. Sie sind für kleine bis mittlere Durchflussmengen (zwischen 5 und 200 m³/h) und sehr hohe Schadstoffbelastungen (Gesamtgehalt an suspendierten Feststoffen, Öle und Fette, organische Belastung) ausgelegt.

Die DAF-FPAC-Systeme wurdenspeziell für die Behandlung von Abwässern mit sehr hohen Feststofffrachten (bis zu 40 kg Feststoffe pro m² freier Systemoberfläche) entwickelt, die nicht schwimmen und eine große Oberfläche für das Aufschwimmen und die Abscheidung benötigen.

Die Einblasluft ist erforderlich, um die Flotation der Flocken zu verbessern, wenn die Mischung aus Emulsionen, Ölen und Feststoffen das spezifische Gewicht beeinflusst.

Eine Umwälzpumpe leitet einen Teil des geklärten Wassers zu einem Druck-Sättigungssystem am Ausgang der DAF-Anlage. Das umgewälzte 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 Druckbedingungen löst sich die Luft im Wasser.

Im Tank der DAF-Anlage findet eine Druckentlastung statt, wodurch Mikrobläschen entstehen. DieseMikrobläschen ausgelöstemLuftermöglichen die Entfernung von Feststoffen, Fettpartikeln, Ölen, Kohlenwasserstoffen und anderen Verunreinigungen, die nicht über ausreichenden Auftrieb verfügen. Die Blasen haben einen Durchmesser von 30 bis 50 Mikrometern – eine für eine effiziente Flotation entscheidende Größe. Die Blasen haften schnell an Partikeln ähnlicher oder größerer Größe und steigen an die Oberfläche.

Diese Mischung aus Wasser und Blasen wird gleichmäßig im Einlaufbereich der DAF-Anlage verteilt. Die aufschwimmenden Partikel werden direkt zum Entwässerungssystem im oberen Teil der Anlage geleitet, wo sie durch Skimmer abgeschöpft werden. Der in Form von Schaum aufschwimmende Schlamm, die Öle, Fette und Kohlenwasserstoffe verlassen die Anlage und werden in einem Schlammbehälter gesammelt.

Die aufgeschwommenen Flocken verlassen die Anlage in Form von Schaum über ein Skimmer-System und werden in einem Schlammtrichter aufgefangen.

Das sedimentierbare Material sinkt in den Sedimentbehälter am Boden der DAF-Anlage und wird über das Schneckenfördersystem zur Schlammabfuhr abgeführt.

Das geklärte Wasser verlässt die Anlage über ein einstellbares Überlaufsystem. Ein Teil dieses geklärten Wasserstroms wird von der Umwälzpumpe umgeleitet und in das zuvor beschriebene Kompressions- und Sättigungssystem geleitet.

3. Literaturverzeichnis 

Lavariega L. 2011, Aufbereitungsanlagen für Wasser aus der Erdölindustrie. Akademischer Fachbereich für Biowissenschaften, Universidad Juárez Autónoma de Tabasco. 17(33), 25–28.

Mesa S.L., Orjuela J.M., Ortega A.T., Sandoval J.A. 2018. Überblick über den aktuellen Stand des Managements von Produktionswasser in der kolumbianischen Erdölindustrie. 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 Produktionswasser der Erdölindustrie unter Verwendung von Nano-Zwischenprodukten aus funktionalisiertem SiO₂ mit magnetischen Nanopartikeln. DYNA. 84(202), 6574.