Auswirkungen der Wiederverwendung von Rechwasser auf das Kreislaufwasser und Gegenmaßnahmen

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Die Wiederverwendung von Rechenwasser gibt es in China bereits seit fast 30 Jahren. Schon im Jahr 1973 nutzte die Raffinerie Dongfanghong einen Teil des zweimal aufbereiteten Abwassers für das Kreislaufwassersystem. Später begannen weitere Unternehmen, Rechenwasser zur Aufrechterhaltung des Wasservorrats in ihren Systemen zu verwenden. Aufgrund der unzureichenden Reinigungseffekte der Abwasseraufbereitung war die Qualität des Rechenwassers jedoch instabil, was die tatsächliche Nutzung dieses Wassers beeinträchtigte. Deshalb wurde in den Abwasserbehandlungsanlagen eine Anlage mit einer Kapazität von 200 t/h zur Aufbereitung von Abwasser eingebaut. Aufgrund von Faktoren wie der Verfügbarkeit von Rechenwasser sowie der Menge an zu behandelndem Wasser wird Rechenwasser seit 2012 hauptsächlich zur Ergänzung des Wassers in den Kreislaufsystemen verwendet. Die Menge des wiederverwendeten Wassers wird je nach Produktionsbedarf auf 50–90 t/h begrenzt; die Wiederverwendungsrate liegt bei 30–60 %. 1 Auswirkungen der Wiederverwendung von Rechengewässern auf das Kreislaufwassersystem: Wenn Rechengewässer als Ersatzwasser im Kreislaufwassersystem verwendet werden, muss darauf geachtet werden, dass alle relevanten Parameter im richtigen Bereich liegen. Nur so kann die Auswirkung auf die Wasserqualität des Kreislaufwassersystems verringert werden. In der Praxis treten jedoch aufgrund vieler unkontrollierbarer Faktoren während der Abwasserbehandlung häufig Schwankungen in der Wasserqualität auf. Kurzfristig hat dies nur geringe Auswirkungen auf das Kreislaufwassersystem. Wenn diese Situation jedoch über einen längeren Zeitraum anhält, können die Kontrollparameter des Kreislaufwassers beeinträchtigt werden, was die Verwaltung des Kreislaufwassers erschwert. 1.1 Auswirkungen von Ammoniakstickstoff In der Fabrik, in der ich arbeite, wird in der Regel direkt Abwasser, das den geltenden Standards entspricht, als Quelle für die Aufbereitung von Prozesswasser verwendet. Wenn jedoch die Abwasseraufbereitungsanlage durch äußere Einflüsse belastet wird, kann die Effektivität bei der Behandlung des Ammoniakstickstoffs beeinträchtigt werden. Dies zeigt sich letztendlich in der Aufbereitungsstufe des Prozesswassers – dort kann der Ammoniakstickstoffgehalt zu hoch werden. Wenn der Ammoniakgehalt zu hoch ist, hat das Auswirkungen auf verschiedene Aspekte wie die Qualität des Zirkulationswassers sowie auf die Steuerung der zugeführten Chemikalien. (1) Verursacht einen niedrigen pH-Wert des Zirkulationswassers. Ammoniakstickstoff unterliegt unter dem Einfluss von Bakterien einer Nitrifizierungsreaktion, wodurch H+ entsteht und dadurch Schwankungen im pH-Wert des Kreislaufwassers verursacht werden. Der pH-Wert wird stark vom hohen Ammoniakstickstoffgehalt im Wasser beeinflusst; insgesamt liegt der pH-Wert auf niedrigem Niveau. Wenn keine Anpassungen vorgenommen werden, steigt das Risiko von Korrosion im System. (2) Es wird schwieriger, die heterotrophen Bakterien im Zirkulationswasser unter Kontrolle zu halten. Stickstoff und Phosphor sind selbst notwendige Nährstoffe für das Wachstum von Bakterien und Algen. Bei hohem Ammoniumgehalt können sie den Bakterien ausreichende Nährstoffe liefern. Unter den für sie geeigneten Temperaturen vermehren sie sich stark, was dazu führt, dass in den Systemrohren mehr biologischer Schmutz entsteht. Dieser Schmutz haftet an der Oberfläche der Geräte – er beeinträchtigt nicht nur die Wärmeübertragung, sondern fördert auch das Auftreten von Korrosion unter dem Schmutz. (3) Erhöhung des Verbrauchs von Desinfektionsmitteln für das Zirkulationswasser. Die derzeit in den Kreislaufwassersystemen verwendeten Desinfektionsmittel sind hauptsächlich oxidierende Chlordesinfektionsmittel. Ammoniak kann mit dem aktiven Chlor eine Oxidations-Reduktionsreaktion eingehen, wodurch Chlamin entsteht. Dadurch sinkt die Konzentration an freiem Chlor im Wasser, das direkt eine desinfizierende Wirkung hat. Andererseits muss zur Gewährleistung der Desinfektionseffekte eine bestimmte Konzentration an überschüssigem Chlor im Zirkulationswasser aufrechterhalten werden. Dafür muss die Menge des eingesetzten Desinfektionsmittels erhöht werden. Dadurch steigen nicht nur die Herstellungskosten, sondern auch ein zu hoher Chlorgehalt im Wasser beschleunigt den Korrosionsprozess in den Anlagen. 1.2 Einfluss der Alkalinität Die Summe aus Kalziumhärte und Methylorange-Alkalinität wird als Toleranzgrenze für Kreislaufwasser bezeichnet. Sie ist ein wichtiger Indikator dafür, wie hoch das Risiko von Ablagerungen im Kreislaufwasser ist. Gemäß den Vorgaben der „Vorschriften für den Betrieb von Industriekreislaufwassern“ sollte der optimale Kontrollbereich unter 1.100 mg/L liegen. Im praktischen Produktionsprozess zeigt die Erfahrung aus jahrelanger Betriebszeit, dass der optimale Kontrollbereich unter 900 mg/L liegen sollte. Überschreitet man diese Grenze, steigt das Risiko von Ablagerungen im System – zudem können auch Werte wie der pH-Wert des Zirkulationswassers außerhalb des Normalbereichs liegen. Durch die Wiederverwendung von Regenwasser kam es zu Veränderungen in der Alkalität und Härte des Kreislaufwassers, was einige Probleme verursachte. (1) Erhöhtes Risiko von Ablagerungen. Wenn die Qualitätsspezifikationen des Reused-Wassers im Normalbereich liegen, bleibt die Toleranzwert bei etwa 800 mg/L. Wenn hingegen die Alkalität des Reused-Wassers hoch ist, führt das zu einer Erhöhung der Toleranzgrenzen für das Zirkulationswasser. Im April 2013 lag die Alkalität des Zwischendurchflusswassers über dem zulässigen Wert. Die Gesamtalkalität des Zirkulationswassers blieb den ganzen Monat über bei über 500 mg/L – der zulässige Wert lag dabei bei 900 mg/L. Die Überschreitung dieses Wertes war außerdem kontinuierlich und erheblich. (2) Verursacht einen zu hohen pH-Wert. Der pH-Wert des Zirkulationswassers wird hauptsächlich durch den Gehalt an OH-, HCO3- und CO32-Ionen im Wasser bestimmt. In demselben Wassersystem spiegelt auch der Alkalitätsgehalt indirekt den pH-Wert wider: Bei hoher Alkalität ist der pH-Wert relativ hoch, bei niedriger Alkalität hingegen relativ niedrig. Unter normalen Bedingungen wird der pH-Wert im Wasser durch OH-, HCO3- und CO32- bestimmt. Dadurch entsteht ein bestimmtes Gleichgewicht: 2HCO3- → H2O + CO2 + CO32-. Wenn der pH-Wert zu hoch ist, steigt die Konzentration von CO32-. Da das Lösungsmittelprodukt von CaCO3 gering ist, erhöht sich dadurch das Risiko von Ablagerungen im System. Im April 2013 lag die Alkalität des Recyclingwassers nicht im zulässigen Bereich, was zu einem erhöhten pH-Wert des Kreislaufwassers führte. Der durchschnittliche pH-Wert im gesamten Monat lag bei etwa 9,1 – das liegt nahe an der Obergrenze, die für die Prozesssteuerung vorgesehen ist. 1.3 Einfluss der Leitfähigkeit Die Leitfähigkeit gibt an, wie viele leitfähige Ionen sich im Wasser befinden. Eine zu hohe Leitfähigkeit deutet darauf hin, dass der Salzgehalt im Wasser hoch ist. Ein hoher Salzgehalt erhöht wiederum unweigerlich das Risiko von Korrosion im System. Im Kreislauf vor der Wiederverwendung des gereinigten Wassers liegt die Leitfähigkeit im Durchschnitt bei etwa 1.800–2.000 μS/cm. Wenn jedoch gereinigtes Wasser zugeführt wird, ist seine Leitfähigkeit in der Regel 2–3 Mal höher als die von frischem Wasser, wodurch die Leitfähigkeit des im Kreislauf befindlichen Wassers schnell auf 2.300–2.500 μS/cm ansteigt. Wenn die Leitfähigkeit des zirkulierenden Wassers die Kontrollgrenze von 1.200 μS/cm überschreitet, führt dies zu einem weiteren starken Anstieg der Leitfähigkeit des zirkulierenden Wassers. Eine zu hohe Leitfähigkeit erfordert im Kreislaufwassersystem eine angemessene Entnahme und Erneuerung des Wassers. Dadurch wird nicht nur frisches Wasser verschwendet, sondern auch die Kosten für Chemikalien steigen. Durch die Abwasserentnahme sinkt das Verdichtungsverhältnis des zirkulierenden Wassers, was wiederum den späteren Wasserverbrauch erhöhen wird. 1.4 Auswirkungen des überschüssigen Chlors: Auch das Wasser muss vor der Überführung in den Kreislaufwasserkreislauf mit Pumpen desinfiziert werden. Derzeit wird dazu Chlorgas verwendet. Da das Analyseprogramm nur eine regelmäßige Untersuchung des Bakteriengehalts vorsieht, muss das Personal selbst Proben entnehmen und analysieren, um den Restchlorgehalt zu überwachen. Dadurch entsteht Unregelmäßigkeit bei der Überwachung des Restchlorgehalts im Rechenwasser. Zudem können individuelle Unterschiede in den Arbeitsmethoden dazu führen, dass die Genauigkeit der Messungen des Restchlorgehalts sinkt. Die Zugabe von Chlorgas kann außerdem zu Schwankungen im Restchlorgehalt des Rechenwassers führen. Durch die Beobachtung der Trends der Restchlorkonzentration in dem wiederverwendeten Wasser sowie im zirkulierenden Wasser im Jahr 2011 wurde festgestellt, dass die Kontrolle der Restchlorkonzentration im Laufe des Jahres insgesamt zu hoch war. Der Durchschnittswert lag bei 8,0 mg/L, und es gab auch große Schwankungen. Nach der Wiederverwendung dieses Wassers kam es zu weiteren Schwankungen in der Restchlorkonzentration im zirkulierenden Wasser. (1) Verursacht einen Anstieg der Chloridkonzentration im Zirkulationswasser. Bei Wärmeaustauschern aus Edelstahl sind Chloridionen ein wichtiger Faktor, der zu Pittingkorrosion führt. Wenn die Restspannungen im Metallmaterial nicht beseitigt sind oder wenn hohe Temperaturen vorliegen, kann das Vorhandensein von Chloridionen zu Spannungskorrosionsrisse führen. In Anlagen zur Zirkulation von Wasser wird in der Regel die Konzentration an Chloriden und Sulfat-Ionen kontrolliert. Da Sulfat-Ionen jedoch nur einen geringen Einfluss auf das System zur Zirkulation von Wasser haben – etwa 1/10 der Konzentration an Chloriden – und im täglichen Betrieb nur eine geringe Menge an Sulfat-Ionen durch wiederverwertetes Wasser zugeführt wird, muss besonders auf die Konzentration der Chloride geachtet werden. Vor der Einführung von Wiederverwendetem Wasser lag die Konzentration an Chloriden im Zirkulationswasser in der Regel zwischen 150 und 250 mg/L. Nach der Verwendung von Wiederverwendetem Wasser stieg diese Konzentration jedoch auf 300 bis 450 mg/L an. Wenn die Konzentration an Chloriden im Wiederverwendeten Wasser über 200 mg/L liegt, führt das dazu, dass auch die Konzentration an Chloriden im Zirkulationswasser weiter ansteigt. Im Jahr 2011 lag die Konzentration an Chloriden im Wiederverwendeten Wasser besonders hoch, wodurch die Konzentration an Chloriden im Zirkulationswasser sogar auf 536 mg/L anstieg. Dies führte dazu, dass in einigen Monaten die Korrosionsrate über dem zulässigen Wert lag. (2) Die Schwankungen des Restchlorids im Rezyklatwasser erschweren die gezielte Zugabe von Chlorgas zum Zirkulationswasser. Je nach Produktionsbedarf wird im Kreislaufwassersystem täglich auf Grundlage der Prüfergebnisse das Desinfektionsmittel Chlorglycerin zugegeben. Da Chlortabletten feste Klumpen sind, hängt ihre Löslichkeit in Wasser von Faktoren wie Wassertemperatur und Strömungsgeschwindigkeit ab. Es ist daher schwierig, die Menge der zugeführten Chlortabletten genau zu kontrollieren – im Gegensatz zur Verwendung von Chlor als Desinfektionsmittel. Die Schwankungen des Restchlorwerts im Rechenwasser erschweren die tägliche Zugabe von Chlorgas, da der Restchlorwert schwer zu kontrollieren ist. 1.5 Der Einfluss des COD: Da die Quelle für das wiederverwendete Wasser aus abgereinigten Abwässern stammt, ist der COD ein sehr wichtiger Kontrollparameter – bei dem es leicht zu Überschreitungen kommen kann. Die Kreislaufwassereinrichtungen haben einen gewissen Einfluss auf die Qualität des Kreislaufwassers, nachdem Wasser mit überhöhtem COD-Gehalt wiederverwendet wird. (1) Der Verbrauch an Desinfektionsmitteln ist gestiegen. Da in den Kreislaufwassersystemen oxidierende Desinfektionsmittel verwendet werden, reagieren diese leicht mit diesen organischen Stoffen. Um die Konzentration der Desinfektionsmittel aufrechtzuerhalten, ist es notwendig, die Menge an Chlorglycerin zu erhöhen – was wiederum die Betriebskosten steigert. (2) Es wurde die Vermehrung von Mikroorganismen gefördert. Organische Stoffe können Mikroorganismen reichhaltige Nährstoffe liefern. Wenn die Umgebungstemperatur günstig ist, vermehren sich die Mikroorganismen in großer Anzahl, was zu einer erhöhten Menge an Schlamm im System führt. Dies wiederum kann dazu führen, dass die Wärmeübertragungseffizienz des Wärmetauschers sinkt, und gleichzeitig kommt es zur biologischen Korrosion. Im April 2014 führte der hohe COD-Gehalt im Zwischenwasser dazu, dass die Anhaftungsgeschwindigkeit des Kreislaufwassers erheblich über den zulässigen Wert lag. 2 Stärkung der täglichen Managementmaßnahmen für die Wiederverwendung von Rechwasser. Die Wiederverwendung von Rechwasser erhöht die Schwierigkeiten bei der Verwaltung des Kreislaufwassersystems. Doch aufgrund des Mangels an Wasserressourcen ist es für Unternehmen eine Notwendigkeit, Wasser zu sparen und Emissionen zu reduzieren. Dies kann durch eine verbesserte tägliche Betriebsführung sowie durch kontinuierliche Optimierung der Prozesse erreicht werden. So können die Probleme, die durch die Wiederverwendung von Rechwasser entstehen, minimiert werden – und somit auch der Einfluss des Rechwassers auf das Kreislaufwassersystem. 2.1 Stärkung der Kontrolle der Wasserquellen für die Wiederverwendung von Abwasser – Der Schlüssel zur Wiederverwendung von Abwasser liegt in der Verwendung von Abwasser, das den erforderlichen Qualitätsstandards entspricht. In der Anlage, in der ich arbeite, wurde bei der Planung der Anlagen zur Wiederverwendung von Abwasser nicht berücksichtigt, wie sich der Salzgehalt auf das Kreislaufwassersystem auswirkt. Zudem ist die Fähigkeit der Abwasserbehandlungsanlagen unter den aktuellen Bedingungen begrenzt, Salzwasser zu behandeln. Es ist daher nicht möglich, ausschließlich auf das aufbereitete Abwasser als Quelle für die Wiederverwendung zu setzen, um sicherzustellen, dass der Salzgehalt im Rahmen der zulässigen Werte bleibt. Dazu wurde eine spezielle DN 200-Leitung von dem Notbehälter zur Entwässerungsanlage verlegt, um das gereinigte Abwasser, das im Notbehälter gesammelt wird, in die Entwässerungswerkstätten zu leiten. Dort dient dieses Wasser dazu, die Qualität des Recyclwassers zu verbessern – indem der Salz-, Ammoniak- und COD-Gehalt im Recyclwasser verringert wird. Durch die Verbesserung der Wasserquellen hat sich die Qualität des Wassers, das aus den Reinigungsanlagen ausgegeben wird, deutlich verbessert. Da jedoch derzeit in allen Anlagen versucht wird, Wasser zu sparen und Emissionen zu reduzieren, wird zunehmend weniger sauberes Abwasser gesammelt. Wenn die Kläranlagen unter Belastung geraten oder ihre Funktionsfähigkeit beeinträchtigt wird, kann der Mangel an sauberem Abwasser dazu führen, dass die Qualität des wiederverwendbaren Wassers instabil wird. Daher ist es entscheidend, die Stabilität der Wasserversorgung für die Anlagen zur Wiederverwendung von Abwasser zu gewährleisten, um eine einwandfreie Wasserqualität zu erreichen. Es wird empfohlen, die Reinigungs- und Trennverfahren in den jeweiligen Anlagen zu verbessern. Die Abwasserbehandlungsanlagen sollten außerdem eine strengere Überwachung der Wasserqualität durchführen. Bei Abweichungen von der Norm sollte umgehend die Menge des zur Verdünnung verwendeten Wassers erhöht werden, damit das abgegebene Wasser weiterhin den Anforderungen entspricht. 2.2 Verbesserung der Überwachung der Qualität des Wiederverwendeten Wassers Da in den Anlagen zur Behandlung von Zirkulationswasser die Analyse der Wasserqualität nur wöchentlich durchgeführt wird, erfolgt in den Abwasseraufbereitungsanlagen hingegen täglich eine Analyse der wichtigsten Qualitätsindikatoren des Wiederverwendeten Wassers. Im täglichen Betrieb müssen die Mitarbeiter nicht nur auf die Menge des wiederverwendeten Wassers achten, sondern auch täglich auf die Werte von Ammoniak und COD im Wasser. Sollten diese Werte über dem zulässigen Niveau liegen, muss man die Abwasseraufbereitungsanlagen anpassen. Wenn die Werte kontinuierlich über dem Limit liegen, sollte die Verwendung des Wiederverwendeten Wassers vorübergehend eingestellt werden, um Schäden an der Qualität des Zirkulationswassers zu vermeiden. Auf keinen Fall darf man Wasser verwenden, dessen Qualität nicht den Vorgaben entspricht, nur um die Menge des wiederverwendeten Wassers zu sichern. 2.3 Erstellung eines vernünftigen Plans für die Zufuhr von Chemikalien – Die Zufuhr von Chemikalien ist entscheidend, um die Qualität des Wassers im Kreislauf aufrechtzuerhalten. Nach der Verwendung von Rechenwasser ist es zunächst wichtig, die Entwicklung der Wasserqualität im Kreislaufsystem genau im Auge zu behalten. Wenn die Werte der mit dem Rechenwasser verbundenen Parameter zu hoch sind, sollte man proaktiv die Menge sowie Häufigkeit der Verwendung von Korrosions- und Kalkhemmmitteln sowie Desinfektionsmitteln anpassen. Zweitens sollten Schritt für Schritt Strategien zur Steuerung der Zusatzstoffe entwickelt werden, wenn es zu Abweichungen in der Wasserqualität kommt – beispielsweise bei zu niedrigem oder zu hohem pH-Wert, indem man die Menge an Laugen oder Säuren kontrolliert, oder bei zu geringem Restchlor, indem man Chlorbleiche einsetzt. Dabei sollte die Zugabe der Zusatzstoffe so präzise und gleichmäßig wie möglich erfolgen – unter Berücksichtigung von Erfahrungen. Drittens muss man anhand des Betriebszustands des Kreislaufsystems regelmäßig überprüfen, ob die aktuellen Rezepturen der Wasseraufbereitungsmittel für die aktuelle Menge an wiederverwendetem Wasser sowie die Qualität dieses Wassers geeignet sind. Dadurch kann die Wirksamkeit der Korrosions- und Kalkhemmmittel verbessert werden und das Risiko von Korrosion und Kalkbildung im System verringert werden. 2.4 Verbesserung der täglichen Betriebsführung des Kreislaufwassers (1) Geeignete Nutzung der Nebenfilteranlagen, um die Menge des gefilterten Kreislaufwassers zu erhöhen – dabei soll ein Wert von über 3,0 % erreicht werden. Die optimale Spülzykluszeit für die Filteranlage sollte ermittelt werden; je nach Wasserqualität kann die Häufigkeit sowie Dauer der Spülung entsprechend erhöht werden. (2) Angesichts der hohen Salzkonzentration im Rückgewässer, das dazu neigt, Ablagerungen zu bilden und dadurch Korrosion unter den Ablagerungen auszulösen, wird der Kreislaufwasserkreislauf vierteljährlich regelmäßig zur Entfernung von Schlamm gereinigt. Zudem wird die Prozessüberwachung verstärkt, um eine wirksame Reinigung zu gewährleisten. (3) Um das Problem eines zu schnellen Anstiegs des Konzentrationsfaktors des Zirkulationswassers zu bewältigen, kann man durch kontinuierlichen, kleinen Wasseraustausch den Konzentrationsfaktor stabil halten. 2.5 Schrittweiser Anstieg der Wiederverwendung von Rechenwasser: Der Umfang der Wiederverwendung von Rechenwasser muss mit der Steuerung des Kreislaufwassersystems sowie der Belastbarkeit der Wasserqualität in Einklang stehen. Es gilt nicht, möglichst viel Rechenwasser zu verwenden – vielmehr ist es wichtig, das Gleichgewicht der verschiedenen Ionen im Wasser aufrechtzuerhalten. In der Praxis sollte man eine schrittweise Anpassung des Verbrauchs von Rechwasser vornehmen, um den Anteil der Wiederverwendung allmählich zu erhöhen. In jeder Phase muss man besonders auf Veränderungen bei Parametern wie Bakterien im Kreislaufwasser, Korrosionsrate sowie der Menge der zugeführten Chemikalien achten. Dadurch kann man Erfahrungen sammeln, die später bei einer Erhöhung des Verbrauchs hilfreich sind. 3 Fazit (1) Angesichts des Mangels an Wasserressourcen wird die Wiederverwendung von Abwasser in Zukunft eine wichtige Entwicklungstendenz sein. Gleichzeitig ist sie auch ein wichtiges Mittel für Unternehmen, um Wasser zu sparen und Emissionen zu reduzieren. Nach fast zwei Jahren der praktischen Anwendung hat sich gezeigt, dass die Wiederverwendung von qualitativ hochwertigem, geeignetem Rezyklatwasser nicht nur dazu beiträgt, die Qualität des zirkulierenden Wassers auf dem gewünschten Niveau zu halten, sondern auch den Verbrauch an Frischwasser erheblich verringert. Die wirtschaftlichen und sozialen Vorteile durch Energieeinsparung sind dabei offensichtlich. (2) Der Anteil des wiederverwendeten Wassers liegt derzeit bei 50 % bis 60 %. In den letzten zwei Jahren lag die Gesamtbewertung der Qualität des wiederverwendeten Wassers bei 99,61 %. In Zukunft müssen weiterhin verschiedene Maßnahmen ergriffen werden, um die Qualität des wiederverwendeten Wassers sowie die Stabilität seiner Versorgung zu verbessern. Zudem ist es notwendig, die Betriebsführung und die Qualitätskontrolle während der Nutzung des wiederverwendeten Wassers zu stärken. Ziel ist es, den Anteil des wiederverwendeten Wassers auf 100 % zu erhöhen. (3) Es ist wichtig, die technologischen Entwicklungen bei der tiefen Aufbereitung von Abwasser im Inland zu beobachten. Es sollten fortschrittliche Verfahren und Geräte zur Aufbereitung von Abwasser eingeführt werden, um die Menge des aufbereiteten Wassers sowie die Stabilität der Wasserqualität ständig zu verbessern. Dadurch kann eine gute Grundlage für die zukünftige Wiederverwendung von Aufbereitungsabwasser in anderen Anlagen geschaffen werden.