Pekelbehandeling - ZLD - Zero Liquid Discharge - MLD - Minimal Liquid Discharg
5. Conventionele methoden voor het afvoeren van pekel
5.1. Vergelijking
5.2. Kostenvergelijking
5.3. Regelgeving
5.4. Uitvoering
5.5. Voetafdruk
Pekelwater kan worden omschreven als een vloeistofstroom met een verhoogd zoutgehalte die vrijkomt bij veel industriële processen en lange tijd alleen als afvalstroom werd beschouwd. De temperatuur van een pekelwaterstroom kan aanzienlijk variëren, afhankelijk van de bron.
Bronnen van pekelwater zijn onder andere:
- Ontzilting
- Mijnbouwprocessen
Bij het ontziltingsproces hebben we een productstroom en een bijproductstroom. Het product, permeaat genaamd, is het zuivere water met een deel van de opgeloste vaste stoffen die door het proces gaan en samen vormen ze het geproduceerde zoetwater. Ontzoutingspekel is een bijproductvloeistofstroom met hogere concentraties van de meeste opgeloste vaste stoffen uit de toevoer, een deel van de voorbehandelingsadditieven (restanten van coagulanten, flocculanten en anti-aanslagmiddelen), organische stoffen, microbiële verontreinigingen en alle deeltjes die door de RO-membranen worden tegengehouden.
De vraag naar zowel drinkwater als industrieel water van goede kwaliteit is de afgelopen tien jaar gestegen. Door de afname van zoetwaterbronnen, de bevolkingsgroei en de nieuwe ontwikkelingen in de ontzoutingstechnologie zijn waterleveranciers overgestapt op de behandeling van brak water (BW) en zeewater (SW) om aan deze vraag te voldoen.
In 2007 steeg de totale wereldwijde waterproductie door ontziltingsprocessen tot 47,6 Mm³/d en in 2015 verdubbelde dit tot 97,5 Mm³/d, waarvan 45% in het Midden-Oosten plaatsvond. Na 2000 maakte 70% van de ontziltingsinstallaties gebruik van membraanprocessen, waardoor omgekeerde osmose (RO) momenteel 63% van de totale ontziltingsactiviteiten uitmaakt. 23% betreft meertrapsflitsdestillatie (MSF), 8% meertrapsdestillatie (MED) en de rest elektrodialyse (ED)/elektrodialyse-omkering (EDR) en hybride systemen. Zeewater-RO (SWRO) kan de zoutconcentratie tot twee keer hoger brengen en MSF tot anderhalf keer hoger. De pekel die bij deze processen ontstaat, ook wel concentraat of afval genoemd, bestaat hoofdzakelijk uit een hoge concentratie natriumchloride (NaCl) en diverse andere opgeloste zouten, afhankelijk van de samenstelling van het toevoerwater en de voorbehandeling van het proces (calcium, magnesium, bicarbonaten, enz.).
Fig. 1, Ontziltingsindustrie per technologie, gebruikers en kostencomponenten (Kosten gaan uit van een elektriciteitsprijs van $ 0,05/kWh en een olieprijs van $ 60/bbl), Ontzilting en duurzaamheid - Een evaluatie en actueel perspectief, Veera Gnaneswar Gude, Water Research 89 (2016)
Pekel is een zeer ruim begrip in de waterindustrie. Vanwege de gebruikelijke beperkingen van de drukweerstand van RO-membranen kan RO een zoutwaterstroom slechts concentreren tot ongeveer 70.000 ppm (mg/L) totale opgeloste stoffen (TDS) en kan deze niet verder behandelen. In deze tekst beschouwen we alle zoutwaterstromen van 65.000-85.000 ppm die niet verder geconcentreerd kunnen worden met SWRO als pekel.
Het afvoeren van pekel kan behoorlijk problematisch zijn, omdat,
- Het verhoogt het zoutgehalte van de ontvangende waterlichamen
- Het heeft gevolgen voor het lokale zeeleven
- Het kan chemicaliën voor voorbehandeling en membraanreiniging bevatten
- Het kan metalen bevatten afkomstig van corrosie van de systemen (Cu, Fe, Ni, Mo, Cr)
- Het veroorzaakt esthetische problemen (verkleuring)
- Het heeft gevolgen voor de nabijgelegen aquifers door lekkages in de pekelleidingen
- Het veroorzaakt permanente schade door werkzaamheden aan de afvoerinfrastructuur.
Brine is either directly disposed of minimized before disposal but due to increasingly stricter government legislations, conventional brine management methods like surface/ deep water discharge, deep well injection or discharge to wastewater treatment plants may not be a feasible choice in a near future.
De hoeveelheid pekel is afhankelijk van de productiecapaciteit van de ontziltingsinstallatie en het terugwinningspercentage. Het terugwinningspercentage wordt uitgedrukt als het percentage (%) van de geproduceerde zoetwaterstroom ten opzichte van de totale toevoerstroom naar het systeem. BWRO heeft een terugwinningspercentage van 50 tot 90% en SWRO doorgaans van 30 tot 55%. Een hoger terugwinningspercentage resulteert in een kleiner concentraatvolume (hogere zoutconcentratie) en omgekeerd. Het volume pekel dat door de ontziltingsinstallatie wordt geproduceerd, kan als volgt worden berekend:
Brine quantity depends from the desalination plant’s production capacity and its recovery rate. The recovery is expressed as the percentage (%) of the freshwater produced flowrate to the total feed flowrate to the system. BWRO has recoveries from 50 to 90% and SWRO typically from 30 to 55%. Higher recovery results in smaller concentrate volume (higher salinity) and vice versa. The volume of brine produced by the desalination plant can be calculated as,
Vb = Vp x (1-R)/R (1)
waar,
- Vp = permeaatvolume
- Vb = pekelvolume
- R = systeemterugwinningspercentage (%)
De kwaliteit van de pekel hangt af van:
- de samenstelling van de toevoer en het zoutgehalte
- de zoutafstoting van de ontzoutingsmembranen
- het totale terugwinningspercentage
De concentratiefactor van BWRO is doorgaans 4 tot 10, terwijl die van SWRO meestal 1,5 tot 2,0 keer zo hoog is. De TDS-waarde van de pekel (TDSb) is afhankelijk van de TDS-concentraties in de toevoer en het permeaat (TDSf en TDSp) en het rendement van de installatie (Y).
TDSb = TDSf x 1/(1-R) x (RxTDSp)/(100x(1-Y))   ; (2)
De concentratie kan als volgt worden berekend:
CF(%) = 1/(1-R) ; ; ; (3)
Als de membraanzoutpassage (SP) bekend is, kan CF worden berekend als,
CF(%) = [1 – (R x SP)]/(1-R) p; (4)
waar
SP (%) = 1 - % zoutafstoting = permeaat TDS (TDSp)/voeding TDS (TDSf) (5)
De zout-CF wordt voornamelijk beperkt door de toenemende osmotische druk van de pekel (πpekel). Voor SWRO is deze limiet ongeveer 65.000 tot 85.000 mg/L. Het optimale rendement voor een SWRO-systeem met één doorgang ligt tussen de 40 en 45% en de concentratiefactor (CF) varieert van 1,5 tot 1,8. Ter vergelijking: BWRO-installaties hebben doorgaans een rendement van 70 tot 90% en concentratiefactoren van 4 tot 10.
Afhankelijk van de kwaliteit van de invoer kunnen we de volgende regels gebruiken om de kwaliteit van de pekel te voorspellen.
- brine pH is higher than the feed because it has higher alkalinity
- RO membranes reject heavy metals in a similar ratio as calcium and magnesium
- most organics are rejected in ≥ 95% (except for those with low molecular weight (MW))
- groundwater (GW) BWRO brine, may be anaerobic and may contain hydrogen sulphide (H2S)
Als voorbehandeling onderdeel uitmaakt van het ontziltingsproces, zal het RO-toevoerwater lagere concentraties bevatten van bepaalde bestanddelen zoals opgeloste metalen, micro-organismen en deeltjes, maar ook een licht verhoogde concentratie van anorganische ionen zoals sulfaat, chloride en ijzer als er coagulanten worden gebruikt.
Pekelwater kan ook restanten van organische stoffen bevatten afkomstig van de conditionering van bronwater met polymeren en antikalkmiddelen.
De geproduceerde pekel heeft een lage troebelheid (meestal < 2 NTU), een laag gehalte aan zwevende deeltjes (TSS) en een lage biochemische zuurstofbehoefte (BOD) (doorgaans < 5 mg/L), omdat de meeste deeltjes die erin zitten, zijn verwijderd tijdens de voorbehandeling.
Maar als de zijstromen van de voorbehandeling van de installatie worden gemengd en met de pekel worden geloosd, kan het mengsel een verhoogde troebelheid, TSS en soms BOD hebben. Zuren en kalkremmers die aan het voedingswater worden toegevoegd, worden door het SWRO-membraan tegengehouden en beïnvl
Pekelwater wordt ook geproduceerd tijdens veel mijnbouwprocessen, zoals de winning van olie en gas. Bij mijnbouwprocessen worden grote hoeveelheden water in de grond gepompt om mineralen te winnen. Zo wordt er bij de oliewinning, volgens schattingen van het American Petroleum Institute, negen vaten water gewonnen voor elk vat olie tijdens een typische winning. Mijnbouwpekelwater bevat een hoog zoutgehalte en gevaarlijke chemicaliën, wat zeer schadelijk kan zijn voor het leven in zee. De verwijdering ervan is dan ook een van de grootste milieuproblemen. Diepwaterinjectie en opslag in vijvers worden gebruikt om overtollig pekelwater af te voeren en worden beschouwd als een belangrijke bron van grondwaterverontreiniging. Het is gebleken dat mijnbouwpekelwater dat in zee wordt geloosd schadelijk is voor zeeorganismen.
De belangrijkste afzettingen in RO-installaties bestaan uit calciumcarbonaat (CaCO₃), calciumsulfaat (CaSO₄) en bariumsulfaat (BaSO₄). Andere afzettingen, zoals calciumfosfaat (Ca₃(PO₄)₂), silicaat of metaalafzettingen, kunnen ook voorkomen. Om kalkaanslag te bestrijden, worden zuurbehandelingen en anti-aanslagmiddelen gebruikt. In RO-installaties werd vroeger het meest zwavelzuur gebruikt, maar het gebruik van anti-aanslagmiddelen, zoals polyfosfaten, fosfonaten of polycarbonzuren, is steeds gebruikelijker geworden vanwege de negatieve effecten van anorganische zuurbehandelingen.
Scaling species in RO plants are mainly calcium carbonate (CaCO3), calcium sulphate (CaSO4) and barium sulphate (BaSO4). Others such as calcium phosphate (Ca3(PO4)2), Silicate or metal scaling can also occur. In order to apply scale control, acid treatment and antiscalant dosage are used. In RO sulphuric acid was most commonly used but the use of antiscalants, such as polyphosphates, phosphonates or polycarbonic acids has become very common due to the negative effects of inorganic acid treatment
table 1, Fysische en chemische eigenschappen van pekel afkomstig van zeewaterontzilting en de potentiële milieu-/ecologische gevolgen van de afvoer ervan..
| RO-installaties | MSF-installaties |
Milieu-/ecologische impact |
|
|---|---|---|---|
|
Fysische eigenschappen |
|||
| Zoutgehalte en temperatuur | 65-85 g/L bij omgevings-SWToC |
≈ 50,000 mg/L ± 5-15 oC van SW ToC |
↓ vitaliteit & biodiversiteit op hogere waarden onschadelijk na goede verdunning |
| Afvalwaterdichtheid | >dichtheid van water | hangt af van het proces | ↓ biodiversiteit |
| Opgeloste zuurstof (DO) |
Inlaatputten → typisch Open inlaatputten → ≈ . SW DO bij omgevings-SW ToC |
kan/ | |
|
Additieven en bijproducten voor de bestrijding van biofouling |
|||
| geneutraliseerd vóór de membranen om membraanoxidatie te voorkomen | ca. 10-25% van de voederdosering, indien niet geneutraliseerd |
↑↑ giftig voor veel organismen breekt snel af |
|
| Gehalogeneerde organische stoffen | meestal
variërende samenstelling en concentraties doorgaans trihalomethanenkankerverwekkende effecten verspreiding door stroming en grondige verdamping |
||
|
Additieven voor kalkbestrijding |
|||
| Antiscalants | < toxic levels | < toxic levels |
slechte/matige afbreekbaarheid + hoge totale belasting → accumulatie, chronische effecten, onbekende bijwerkingen |
|
Schuimbeheersingsadditieven |
|||
| Antischuimmiddelen (bijv. polyglycol) | Niet aanwezig (behandeling niet vereist) |
niet-giftig goede afbreekbaarheid |
|
|
Verontreinigingen als gevolg van corrosie |
|||
| Zware metalen | & concentraties van ijzer, chroom, nikkel en molybdeen bij gebruik van hoogwaardig roestvrij staal | & concentraties van koper en nikkel bij gebruik van hoogwaardige materialen voor de warmtewisselaars |
Koper - MSF (15-100 mg/L) - & toxiciteit voor de meeste soorten; & (bio)accumulatie en langetermijneffecten sporenmetalen & geen giftige of langetermijneffecten (behalve misschien voor Ni in MSF) |
De vijf gangbare methoden voor het beheer van pekelwater in de Verenigde Staten worden op de volgende manieren gebruikt (table 2 & Fig. 3).,
- Oppervlaktewaterlozing (45%)
- Afvoer via riool (27%)
- Diepe-putinjectie (13%)
- Landtoepassing (8%)
- Verdampingsvijvers (4%)
table 2, Meest voorkomende methoden voor de afvoer van pekel in de Verenigde Staten
|
Methode voor het afvoeren van pekel |
Principe en beschrijving |
% van de totale capaciteit |
| Diepteput injectie | Pekelwater wordt geïnjecteerd in poreuze ondergrondse rotsformaties | 13 |
| Toepassing op land | Pekelwater wordt gebruikt voor de irrigatie van zouttolerante gewassen en grassen | 8 |
| Verdampingsvijvers | In de vijvers kan pekel verdampen, terwijl de resterende zouten zich ophopen op de bodem van de vijver. | 4 |
| Lozing in het riool | Lozing van pekel in een bestaand rioolstelsel. Laag in kosten en energieverbruik | 27 |
| Lozing van zeewater; Oppervlakte | Pekel wordt op het oppervlak van zeewater geloosd. De meest gebruikte methode voor alle grote ontziltingsinstallaties wereldwijd. | 45 |
| Lozing van zeewater; Ondergedompeld | Pekelwater wordt voor de kust geloosd via meerpoortsdiffusers die op de zeebodem zijn geïnstalleerd |
Figuur 3, Meest voorkomende methoden voor de afvoer van pekel in de VS
Lozing van oppervlaktewater is het meest voorkomende alternatief, omdat dit toepasbaar is op alle ontziltingsinstallaties. Afvoer via het riool is de meest gebruikte methode voor de lozing van kleine ontziltingsinstallaties. Injectie in diepe putten is het meest geschikt voor middelgrote en grote ontziltingsinstallaties in het binnenland. Bodemtoepassing en verdampingsvijvers worden doorgaans toegepast bij kleine en middelgrote installaties waar de klimaat- en bodemomstandigheden zorgen voor hoge verdampingssnelheden en de jaarrond groei en oogst van halofytische vegetatie.
Surface water discharge is the most common alternative because it can be applied to all desalination plant sizes. Sewer disposal is the mostly applied method for the discharges of small desalination plants. Deep well injection application is most suitable for medium and large-size inland BW plants. Land application and evaporation ponds are usually applied for small and medium-size plants where the climate and soil conditions provide for high evaporation rates and year-round growth and harvesting of halophytic vegetation.
De belangrijkste voor- en nadelen van de meest voorkomende opties voor pekelbeheer worden weergegeven in table 4.
table 4, Vergelijking van pekelbeheermethoden
|
pekelbeheermethode |
Voordelen |
Nadelen |
|
Oppervlaktewaterafvoer |
|
|
|
Riool lozing |
|
|
|
Diepe-putinjectie
|
|
|
|
Verdampingsvijvers
|
|
|
|
Toepassing op land |
|
|
|
pekelbeheermethode |
BWRO ($ mm) |
SWRO ($ mm) |
|
Oppervlaktewaterafvoer |
2-10 | 6.5-30 |
|
Rioolafvoer |
0.5-2 | 1.5-6 |
|
Diepe putinjectie |
4-8 | 15-25 |
|
Verdampingsvijver |
30-50 | 140-180 |
|
Sproei-irrigatie |
8-10 |
30-40 |
Fig. 4, Grafische weergave van een ruwe schatting van de CAPEX voor de conventionele pekelbehandeling en -afvoer, afhankelijk van de pekeldebieten
Doorgaans is de lozing van pekel in het riool (beperkt tot kleine pekeldebieten) of in oppervlaktewateren (zee, oceaan of rivier) beter geregeld in de wetgeving vanwege het veelvuldige gebruik ervan. Beklede verdampingsvijvers met een lekdetectiesysteem zijn doorgaans gemakkelijker te vergunnen dan landtoepassing (RIB-lozing en sproeibewatering), omdat ze de lokale aquifers beter beschermen.
De bouwduur van sommige systemen voor de afvoer van pekel, zoals bijvoorbeeld lange lozingsleidingen in de oceaan met complexe diffusorstructuren, is vaak gelijk aan de bouwtijd van de ontziltingsinstallatie zelf en omvat langdurige milieustudies en wettelijke beoordelingen. Ook de RIB's en diepe injectieputten vereisen gedetailleerde en vaak zes maanden tot een jaar durende studies naar de geschiktheid van de locatie en de beperkingen. Lozen op een riool is meestal de gemakkelijkste manier om een alternatief voor concentraatbeheer te implementeren.
De kleinste locatie is doorgaans die van rioolwaterafvoer, terwijl verdampingsvijvers meestal de grootste locatie vereisen.
5.6. Betrouwbaarheid en operationele beperkingen
Diepe injectieputten zijn niet geschikt in seismische zones en vereisen de beschikbaarheid van diepe en zoutrijke aquifers. De injectieputten vereisen periodieke inspectie en onderhoud, waarvoor een alternatieve afvoermethode of de installatie van reserveputten nodig is.
Ondiepe strandputten zijn niet geschikt wanneer er sprake is van sterke stranderosie.
Opties voor pekelbeheer, zoals verdampingsvijvers of landtoepassing, kunnen seizoensgebonden zijn. In dat geval is een alternatieve afvoermethode nodig om de betrouwbaarheid te verbeteren.
Aanvullende informatie