Einführung eines kontinuierlichen Filtersystems für eine Kläranlage bzw. Wasseraufbereitungsanlage
Diplomarbeit
zur Erlangung des akademischen Grades Master of Science in Engineering
der
Fachhochschule Campus Wien Master-Studiengang Bioverfahrenstechnik
Vorgelegt von:
Marco Baumgartner C1210540009
FH-Hauptbetreuer/in:
DI Axel Foraschik Zweitprüfer/in:
DI (FH) Robert Schwarz
Abgabetermin: 16.08.2017
Abstract
The industrial waste water which is used in the production facilities of the voest alpine group, passes over sewers into the in-house sewage treatment plant. The sewage plant runs almost fully automatically. The only process, which is not automated at the moment, is the sludge dewatering system. Currently in use is a chamber filter press. The aim of this work was to explore, which application is qualified as adequate alternative in relation to the current dewatering system.
Additionally to this main goal, the current situation and the associated problems of the industrial sewage plant was explored.
In principle the critical process parameters are cyanid, scale oxide and hydrocarbons.
Cyanid occurs rarely and there are a lot of sampling points in the industrial area as early warning systems. Cyanid and greater oil insidents represents emergency situation therefore improvements in this regard are not part of this study. In relation to scale oxide and the normal occurrence of hydrocabons in the waste water, both were threated in this study. The first step was to put the whole plant in consideration and then the fluid properties were determined.
The problem with the scale oxide is the highly apprassive property with is mainly responsible for the wear and tear of the filter materials. Furthermore scale oxide has a high density with is problematic for the stirrer of the prethickener system. So it was considerated, to get in advance rid of the ferromagnetic ingredients. A possibility to create this, is a magnetic separating system with were tested on site in associating with the magsy magnetic separation company.
Oil as critical process parameter matted the filter materials and represents also an environmental impact. Currently a flotation plant should deal with this sort of problem. The flotation plant has indeed a low capacity in relation to the amounts of sewage water which enters constantly the sewage plant. Because of that, consideration was given in addition to a “Tricanter”. A Tricanter is a three phases separating system which should theoretically deal with this problem.
In term of the current dewatering system, an adequate alternative was explored with the result of an vacuum belt filter. This system should deal with the current integrand concentration. There were representative samples sent to suppliers. The results of this tries was incorporated into this work.
Danksagungen
Bedanken möchte ich mich für den Erhalt des Themas von Seiten der Voest Alpine. Des Weiteren möchte ich mich bei meinen beiden Betreuern Herrn Axel Foraschik und Herrn Marcel Schatz für die Reibungslose Durchführung der Diplomarbarbeit bedanken. Mein Dank gilt auch den Mitarbeitern des Energiebetriebs, allen voran meinen Stiefvater Knall Heimo, Michael Bohnstingel, Günter Wagemeier und Peter Brunner welche mich in den Betrieb der Kläranlage eingeführt haben. Ein weiterer Dank für die Unterstützung gilt dem Techniker Pramas Harald und meiner Mutter Knall Maria. Der größte Dank jedoch gebührt meiner Familie die mich die ganzen Studienjahre hindurch unterstützt haben. Ein Herzliches Danke für meine geliebte Frau Michelle Baumgartner, meine Schwiegermutter Ursula Vötsch und meinen beiden Töchtern Fabienne und Madison Baumgartner.
Recht herzlichen Dank euch allen!!!
Erklärung:
Ich erkläre, dass die vorliegende Diplomarbeit von mir selbst verfasst wurde und ich keine anderen als die angeführten Behelfe verwendet bzw. mich auch sonst keiner unerlaubter Hilfe bedient habe.
Ich versichere, dass ich diese Diplomarbeit bisher weder im In- noch im Ausland (einer
Beurteilerin/einem Beurteiler zur Begutachtung) in irgendeiner Form als Prüfungsarbeit vorgelegt habe.
Weiters versichere ich, dass die von mir eingereichten Exemplare (ausgedruckt und elektronisch) identisch sind.
Datum: 16.08.2017 Unterschrift:
Inhalt
1 Einleitung: ... 1
2 Ziel der Arbeit: ... 2
3 Die Ressource Wasser ... 2
3.1 Wasserbehandlung: ... 4
3.1.1 Biologische Verfahren: ... 4
3.1.2 Chemische Verfahren: ... 4
3.1.3 Mechanische Verfahren: ... 4
3.1.4 Physikalische Verfahren: ... 5
3.1.5 Wasser in der Voest Alpine ... 5
4 Methoden ... 6
5 Trennverfahren ... 7
5.1 Thermische Trennverfahren ... 7
5.1.1 Verdampfen ... 7
5.1.2 Kondensieren ... 8
5.1.3 Trocknung ... 8
5.2 Trennung aufgrund der Lösungseigenschaften ... 9
5.2.1 Extraktion ... 9
5.3 Chemische Trennverfahren ... 11
5.3.1 Flockung ... 11
5.4 Mechanisch/Physikalische Trennverfahren ... 11
5.4.1 Trennung aufgrund der Magnetisierbarkeit ... 11
5.4.2 Zentrifugation ... 13
5.4.3 Sedimentation ... 13
5.4.4 Flotation ... 14
5.4.5 Filtration ... 15
5.4.6 Filtermittel ... 18
5.4.6.1 Filtermechanismen ... 18
5.4.6.1.1 Siebeffekt ... 18
5.4.6.1.2 Partikelträgheit ... 18
5.4.6.1.3 Sperreffekt ... 19
5.4.6.1.4 Elektrostatik ... 19
5.4.6.1.5 Diffusionseffekt ... 19
6 Überblick über die Zentrale Betriebskläranlage der Voest Alpine Donawitz ... 21
6.1 Überblick Wasserkreislauf... 22
6.2 Lageplan ZBK ... 23
6.3 Wasserbilanz ... 23
6.3.1 Bilanz (jährlich) ... 23
6.3.2 Geglättete Werte ... 24
6.4 Durchschnittlich erbrachte Fördermenge in [m3/h] über das Jahr 2016 der Kammerfilterpresse ... 24
6.5 Kritische Prozessparameter ... 25
6.5.1 Öl als kritischer Prozessparameter ... 25
6.5.2 Entsorgungskosten Öl-Bindemittel ... 25
6.5.3 Entsorgungskosten Öl-Wassergemisch ... 25
6.5.4 Cyanid als kritischer Prozessparameter ... 25
6.5.5 Zunder als kritischer Prozessparameter ... 26
7 Verfahrensschritte der ZBK ... 27
7.1 Feinrechenanlage ... 27
7.2 Längsbecken ... 27
7.3 Flotationsanlage ... 28
7.4 Rundbecken ... 29
7.5 Verteilerbauwerk ... 29
7.6 Eindicker ... 30
7.7 Klassierer ... 31
8 Schlammentwässerung: Bestehendes System ... 32
8.1 Allgemeines Verfahren ... 32
8.2 Kammerfilterpresse ... 33
8.3 Filterpaket ... 34
8.4 Beschickung ... 35
8.5 Kontrolle ... 36
8.5.1 Vor dem Betrieb ... 36
8.5.2 Nach dem Betrieb ... 36
8.12 Derzeitige verfahrensbedingte Problemstellen ... 40
8.13 Ermittlung der Chargen „Ist-Werte“ ... 41
8.14 Platten Reinigung ... 42
8.15 Platten Tausch ... 42
8.16 Filterkuchen ... 42
8.17 Betriebswirtschaftliche Betrachtung ... 43
8.17.1 Kostenübersicht ... 44
8.17.2 Berechnung der Schlammentsorgungskosten im Jahr ... 45
8.17.3 Berechnung der Wartungskosten im Jahr ... 45
8.17.4 Berechnung der Filtertücher im Jahr ... 45
8.17.5 Berechnung der anfallenden Stromkosten der Kolbenmembranpumpe ... 45
9 Beprobung ... 47
9.1 Beprobung und Grenzwerte ... 47
9.2 Probennahme: ... 47
9.3 Wichtige Parameter zur Ermittlung der Wasserqualität ... 48
9.3.1 CSB-Wert[2]... 48
9.3.2 TOC Wert[3] ... 48
9.3.3 DOC Wert[4] ... 48
9.4 Grenzwerte ... 49
9.4.1 Einlauf vs. Auslauf ... 50
9.4.2 Tagesfrachten Einlauf vs. Auslauf ... 50
9.4.3 Filterkuchenzusammensetzung der Kammerfilterpresse[5] ... 51
9.5 Massenanteile im Filterkuchen ... 52
10 Am Markt erhältliche Verfahren ... 53
10.1 Konventionelle Schlammentwässerungssysteme ... 53
10.1.1 Filterpressen ... 53
10.1.2 Kontinuierliche Filterpressen ... 54
10.1.2.1 Beschickungspumpen ... 55
10.1.2.1.1 Exzenterschneckenpumpe ... 55
10.1.2.1.2 Kolbenmembranpumpe ... 56
10.1.3 Siebbandpressen ... 57
10.1.4 Schneckenpressen ... 58
10.1.5 Pressfilterautomaten ... 59
10.1.6 Vakuumbandfilter ... 60
10.2 Trockner... 62
10.2.1 Trocknungsapparate ... 62
10.3 Zentrifugen ... 63
10.3.1 Dekanter ... 64
11 Alternativen zu den anfallenden Ölmengen ... 66
11.1 Alternative Möglichkeiten um aufschwimmendes Öl aus dem Abwasser zu trennen ... 66
11.1.1 Ölskimmer ... 66
11.1.2 Ölaufnahmeschläuche ... 66
11.1.3 Trommelskimmer ... 67
11.2 Möglichkeiten, dispergiertes Öl aus dem Abwasser zu trennen ... 68
11.3 Flotationsanlage ... 68
11.3.1 Koaleszenzabscheider ... 69
11.3.1.1 Koaleszenz ... 69
11.3.1.2 Technische Umsetzung ... 70
11.3.2 Zentrifugen als Ölbscheider ... 70
11.3.3 Tricanter ... 70
12 Alternative Methode, metallische Bestandteile zu separieren ... 71
12.1 Magnetabscheidung ... 71
13 Filtermittel ... 72
14 Einsatz von Tensiden in der ZBK ... 72
14.1 Koagulierungsmittel ... 72
14.1.1 Mineralische Koagulierungsmittel[2.1] ... 72
14.1.2 Organische Koagulierungsmittel [2.2] ... 73
14.2 Flockungsmittel [2.3] ... 73
14.2.1 Anorganische Flockungsmittel ... 73
14.2.2 Organische Flockungsmittel [2.4] ... 73
14.2.3 Synthetische Flockungsmittel [2.7] ... 74
15 Lastenheft ... 75
17 Überlegung hinsichtlich eines alternativen Entwässerungssystems ... 81
17.5 Vakuumbandfilter ... 83
17.6 Resultat aus der Überlegung zur Einführung eines alternativen Entwässerungssystems .... 83
17.6.1 Entwässerungssystem ... 83
17.6.2 Veränderung der derzeitigen Feststoffbeladung ... 83
18 Vakuumbandfilter Ausführungsarten[1][2] ... 83
18.1 Gemeinsamkeiten beider Ausführungen ... 84
18.2 Filtratabscheidestation ... 85
18.3 Taktbandfilter ... 86
18.4 Traggurtfilter ... 87
18.5 Vakuumstation ... 88
18.6 Flüssigkeitsringvakuumpumpe ... 88
19 Ergebnisse aus den firmeninternen Versuchen ... 90
19.1 Nutschenversuch ... 90
19.2 Firma BHS[4] ... 90
19.2.1 Versuchsdaten: ... 91
19.2.2 Versuchsergebnis BHS-Sonthofen ... 94
19.3 Firma Leiblein GmbH ... 95
19.3.1 Ergebnisse ... 95
20 Kosten für den Vakuumbandfilter ... 96
21 Kostenersparnis im Vergleich zur bestehenden Kammerfilterpresse ... 96
22 Firmeninterne Überprüfung des zurückgeschickten Materials der Fa. BHS-Sonthofen ... 98
23 Magnetabscheiderversuch ... 101
23.1 Versuchsdurchführung ... 103
23.2 Ergebnisse aus der Beprobung: ... 104
24 Stand der Technik und Trends in der Schlammentwässerung ... 105
25 Trend Ölabscheidung ... 107
26 Diskussion ... 108
26.1 Magnetabscheidung ... 108
26.1.1 Mögliche Auswirkung auf die Feststoffbeladung bei einer Installation eines Magnetabscheiders ... 110
26.2 Persönliche Einschätzung der verschiedenen Entwässerungsverfahren... 111
26.2.1 Filterpressen ... 111
26.2.2 Schneckenpressen ... 112
26.2.3 Siebbandpressen ... 112
26.2.4 Dekanter und Zentrifugen ... 112
26.2.5 Geotube ... 112
26.2.6 Betriebseigene Ausführung ... 113
26.3 Ölabscheidung ... 115
26.3.1 Ölskimmer ... 115
26.3.2 Vakuumabsaugung ... 115
26.3.3 Koaleszensabscheider... 116
26.3.4 Dekanter/Tricanter ... 116
26.4 Persönliches Resümee ... 117
26.4.1 Realisierung eines kontinuierlichen Prozesses mittels einer Vakuumbandentwässerung 117 27 Quellen ... 119
28 Abkürzungsverzeichnis ... 128
28.1 Sonderzeichen ... 131
29 Abbildungsverzeichnis ... 132
30 Tabellenverzeichnis ... 134
1
1. Einleitung:
Die Metal Engineering Division der Voest Alpine am Standort Donawitz mit ihren drei Unternehmen, der voestalpine Stahl Donawitz, Schiene und Austria Draht GmbH, sind Teil einer Wertschöpfungskette, die konsequent auf die Erzeugung von Qualitätsstählen ausgerichtet ist.
Die gemeinsame Wasserversorgung am Standort übernimmt die 1982 errichtete zentrale Betriebskläranlage (ZBK). Diese regelt seither die gesamten Kühlwasserkreisläufe sowie die Nutz-und Reinwasseraufbereitung.
Das Wasser gelangt nun von den Betrieben in die ZBK und durchläuft dabei mehrere Reinigungsschritte. Zunächst erfolgt eine mechanische Grobreinigung mittels Feinrechen mit einem Stababstand von 10mm. Im Anschluss wird das Wasser zur Vorberuhigung in 4 Längsbecken verteilt.
Dabei setzen sich ungelöste Stoffe ab oder schwimmen auf der Oberfläche auf. Schlammräumer befördern den abgesetzten Schlamm in eine dafür vorgesehene Schlammrinne. Schlammpumpen transportieren ihn in der Folge zu den Klassierern, die den Eindickern vorgeschaltet sind. Der in die Klassierer eingeführte Schlamm verfügt über einen stark metallischen Charakter. Der Hauptmetallanteil gelangt in Form von Zunder aus den Produktionsanlagen die ZBK. Aus den Klassierern erfolgt der Schlammaustrag in eine dafür vorgesehene Mulde und wird wieder in den Produktionsprozess rückgeführt. Das aufschwimmende Öl aus den Längsbecken fließt zu einer Flotationsanlage, wo es abgeschöpft wird. Über ein Verteilerbauwerk strömt das Wasser anschließend zu den drei Rundbecken. Befüllt sind jeweils nur zwei der drei Becken, da Eines davon immer als Notfallbecken für einen eventuellen Cyanidanfall dient. Zusätzlich fungiert es auch als Puffer, sollte ein starker Ölanfall eintreten. Ein Teil des gereinigten Abwassers wird über eine Kiesfilteranlage wieder in die Betriebe zurückgeführt. Der Rest der mechanisch gereinigten Abwässer wird in den Vorfluter Mur unter Einhaltung behördlich geforderten Grenzwerten geleitet. Der sedimentierte Schlamm wird den Eindickern übergeführt und mittels einer Kammerfilterpresse entwässert. Danach wird der Schlamm in Container verfrachtet und Chargen mit einem hohen metallischen Charakter in der betriebseigenen Sinteranlage wiederverwertet, andernfalls deponiert.
Die Deponierung ist abhängig von:
Produkteinfluss der Bestandteile im Filterkuchen
Hohen metallischen Charakter
Heizwert
Kosten
Diese Eigenschaften wurden im Jahr 2016 allen voran bei Chargen mit einem hohen metallischen Charakter erfolgreich getestet, sodass seit dem Jahr 2017 die gesamten Filterkuchen in der Sinteranlage wiederverwertet, gesintert und im Hochofen eingeschmolzen werden.
Die gesamte Kläranlage wird extern im zentralen Steuerstand der Energietechnik bedient. Die Kammerfilterpresse ist der einzige Prozess, der Vorort gewartet und während dem Betrieb von einem Mitarbeiter kontrolliert und betrieben werden muss.
Die im Abwasser befindlichen kritischen Kontaminationen belaufen sich vorwiegend auf Öl, Schwermetalle und Cyanide.
1 Ziel der Arbeit:
Ziel dieser Arbeit ist es, einen automatisierten Ersatz hinsichtlich des bestehenden Schlammentwässerungssystems zu eruieren. Die Problematik in punkto der Kammerfilterpresse besteht in der permanenten Wartung und in der erforderlichen Bereitstellung eines betrieblichen Mitarbeiters für den Schlammentwässerungsbetrieb. Um einen adäquaten Ersatz zum bestehenden System zu ermitteln, werden zuerst die Fluideigenschaften ergründet, um einen Überblick über die genaue Ausführungsspezifikation zu erhalten. Des Weiteren werden kritische Parameter der gesamten Kläranlage recherchiert und eventuelle Gegenmaßnahmen oder Verbesserungen vorgeschlagen.
2 Die Ressource Wasser
In der Abwasserbehandlung spielt die Ressource Wasser zweifellos die größte Rolle. Deswegen wurde ein Essay auf dieses lebensspendende Medium verfasst. Diese kurze Beschreibung soll als kleiner Einstieg in die Materie fungieren. Dabei wurde kurz die Thematik skizziert, auf Zukunftsaussichten und allgemeine Behandlungsmethoden und Gefahren eingegangen.
Wasser verkörpert nicht nur ein Lebenselixier, es stellt vielmehr auch eine industrielle Notwendigkeit dar. Die in nahezu allen Bereichen fortwährend technologische Verbesserung führt auch zu besseren Analysemethoden und diese heben auch die Anforderungen an nahezu sämtliche, am Weltmarkt zur
3 Verschiebung des Gefrierpunkts und des Siedepunkts aufgrund der Dampfdruckerniedrigung der durch im Wasser gelösten Verbindungen, die Dichteanomalie, die hohe Oberflächenspannung und die Lösungseigenschaften.
Dass viele Krankheiten über das Wasser übertragbar sind, ist spätestens seit Antonie van Leeuwenhoek und Robert Hooke erwiesen, die durch die Wassermikroskopie den Grundstein für das Verständnis der über das Wasser übertragbaren Keime legten.[1]
Die WHO definiert eine, auf die Wasserqualität rückzuführende Krankheit, entweder mit der Beteiligung von mindestens zwei Personen welche die gleichen Symptome aufweisen, nachdem sie mit derselben Wasserquelle in Berührung gekommen sind, oder wenn der epidemiologische klare Beweis einer kontaminierten Wasserquelle vorliegt.[2]
Aus demselben WHO Bericht, dem „Outbreads of waterborne diseases“ Bericht, welcher im Jahr 2009 veröffentlicht wurde, geht auch hervor, dass, aus nachvollziehbaren Gründen, vorwiegend in den Entwicklungsstaaten Todesfälle aufgrund kontaminierten Wassers zu verzeichnen sind, jedoch sterben selbst in Europa jährlich über 13 0000 Kinder unter 5 Jahren durch Wasserverunreinigungen.[3]
Laut einer Studie des „United Kingdom Department of Internaional Development“ vom Jahr 2014, geht aus ausgewerteten Daten von 145 Staaten hervor, dass im Jahr 2012, 502 000 Durchfalltote infolge einer inadäquaten Trinkwasserversorgung aufgetreten sind.Werden zusätzlich die Sanitär- und hygienebedingten Zahlen noch eingerechnet, erhöht sich die Zahl auf 842 000.[4]
Die eingebrachte Resolution 64/292 über das Recht auf sauberes Wasser als Menschenrecht wurde am 28. Juli 2010 von der Vollversammlung der Vereinten Nationen anerkannt. Laut den Angaben dieser Resolution besitzen 884 Millionen Menschen keinen Zugang zu einwandfreiem Trinkwasser und mehr als 2,6 Milliarden keinen Zugang zu einer sanitären Grundversorgung. Die sanitärbedingten Krankheiten kosten ungefähr 1,5 Millionen Kindern unter 5 Jahren das Leben.[5]
Die Hoffnung besteht, dass ein stärkeres Bewusstsein der immensen Wichtigkeit der Wasserversorgung durch solche Resolutionen gestärkt wird, denn eine rechtliche Bindung der Staaten an die Resolution 64/294 gibt es leider nicht.
Im Paper „World water quality facts and statistic“ vom Pacific Institute werden zwei bizarre Vergleiche erstellt[6]:
Jeden Tag werden 2 Millionen Tonnen Abwasser in die Umwelt abgelassen. Das entspricht etwa demselben Gewicht wie 6,8 Milliarden Menschen.
Die UN schätzt, dass die jährliche Abwasserproduktion 1 500 km3 entspricht und dies gleicht wiederum einer 6x höheren, in allen Flüssen der Welt, vorkommenden Wassermenge.
Aus diesem Grund ist es von hoher Wichtigkeit die anfallenden Abwässer in möglichst sicherer Konsistenz an die Umwelt abzugeben. Kommunale Abwasserbehandlungsanlagen decken einen stetig wachsenden Bevölkerungsanteil ab.[7]
Von einer stetigen Verbesserung, von kommunalen oder industriellen Kläranlagen, woran auch Entwässerungssysteme maßgeblich beteiligt sind, profitiert deshalb nicht nur die Industrie, sondern die gesamte Umwelt.
2.1 Wasserbehandlung:
Zur Verbesserung der Wasserqualität bestehen generell folgende Möglichkeiten:
Biologische Verfahren:
2.1.1
Wird Abwasser in ein Gewässer geleitet, stellt sich nach einer Gewöhnungsphase die Biozönose, das bedeutet die Gesamtheit der Organismen in einem abgrenzenden Lebensraum, auf die veränderte Belastung optimal ein und verwertet zum Teil die im Abwasser befindlichen Inhaltsstoffe. Die Hauptaufgabe der biologischen Abwasserreinigung besteht demnach darin, die erwünschten Stoffumsätze über den mikrobiellen natürlichen Selbstreinigungsprozess in ein technisches Verfahren umzuwandeln. Ein Qualitätskriterien für eine technisch geeignete Umsetzung, representiert beispielsweise der biochemische Sauerstoffverbrauch(BSB).[8] Zu den gängigsten Verfahren zählt das Belebtschlammeverfahren.[9] Als Grundlage des Belebungsverfahrens dient ein belüfteter Reaktionsraum, mit nachgeschalteten Sedimentationsbecken und einer Rückführung der abgetrennten Biomasse.[8.1]
Chemische Verfahren:
2.1.2
Durch chemische Verfahren werden mit Hilfe von Chemikalien, schädliche Wasserinhaltsstoffe in eine gewünschte Form gebracht, um sie im Anschluss mechanisch abzutrennen. Inhaltsstoffe werden z.B. mittels Eisen-oder Aluminiumsalze über Fällungsmethoden ausgefällt.[10] Andere chemische
5 kleinere Bestandteile aus dem Wasser abgetrennt.[12] Über das Membranverfahren(Ultrafiltration) können sogar Inhaltsstoffe im makromolekularen Bereich aus dem Wasser abgetrennt werden.
Physikalische Verfahren:
2.1.4
Für die Verbesserung der Wasserqualität werden bei den thermisch physikalischen Verfahren Stoffumsätze mit Hilfe von thermischen Energien umgewandelt. Zu Verfahren dieser Art zählen das Destillationsverfahren, die Kristallisation, die Trocknung, etc. Physikalisch trennen sich Stoffe z.B.
über Dichteunterschiede mittels Sedimentation. Eine andere physikalische Möglichkeit stellt die Trennung mittels Adsorption dar. Bei der Adsorption haben vorwiegend Van-der-Waals-Kräfte den größten Einfluss.
Die letztliche Art des Verfahrens definiert zu einem großen Teil schließlich der Anwendungszweck.
Die höchsten Anforderungen werden an das Wasser für Injektionszwecke gerichtet. Wurde noch in der Europäischen Union bis vor Kurzem dieses Wasser ausschließlich mit dem Destillationsverfahren hergestellt, darf es heute auch mit der Umkehrosmosetechnik in Verbindung mit anderen Verfahren, wie z.B. der Elektrodeionisation und/ oder der Ultrafiltration erzeugt werden.[13]
Wasser in der Voest Alpine 2.1.5
Aus einem internen Dokument der Voest Alpine Donawitz wurden die zu verschiedenen Verwendungszwecken eingesetzten „Wässer“ in der Voest Alpine in vier Einteilungen kategorisiert:
Kühlwasser (KW)
Kühlwasser ist das für die Kondensatoren der DT01, DT02 und DT03 benötigte Wasser (Vorlauf (KW- VL) und Rücklauf (KW-RL)). Dieses Wasser aus Mur und/oder Vordernbergerbach wird einer Grobreinigung durch Grobrechen, Sedimentationsbecken, Feinrechen und Siebbändern unterzogen.
Reinwasser (RW)
Als Reinwasser gilt ein aus dem Kühlwasser bzw. dem Prozesswasser aufbereitetes Wasser (Filtration über Kiesfilter).
Brunnenwasser (BW)
Brunnenwasser charakterisiert ein aus den diversen Brunnen entnommenes Wasser.
Prozesswasser (PW)
Prozesswasser bezeichnet das von den einzelnen Teilbereichen und -prozessen des Standortes Donawitz bereits genutzte Wasser. Dieses Wasser wird nach einer Reinigung in der ZBK in die Rücklaufleitung gepumpt. Ein Teil des gereinigten Prozesswassers wird zu Reinwasser aufbereitet.
3 Methoden
PGIM (Power Generation Information Manager)
PGIM ist ein in der Voest Alpine verwendetes Messsystem, mit dessen Hilfe die Firmenstrukturen in digitale Konstrukte dargestellt werden. Dadurch wird gewährleistet schneller auf relevante Daten zugreifen zu können. Konkret werden Ventile, Pumpen, Pläne, Messstellen, Graphiken oder andere verfahrenstechnisch Relevante Blöcke miteinander in einem Client-Server-Modell vernetzt. Die Daten werden vom PGIM System gesammelt und zuerst im Server gespeichert. Über den Client werden diese Daten im Server abgerufen.[1] Die diversen Massen-und Volumsströme wurden alle mit diesem Programm und über einen Zeitraum von einem Jahr(01.09.2015-01.09.2016), ermittelt.
7
4 Trennverfahren
Um Verbesserungsmöglichkeiten der Kläranlage zu erkennen, ist es erforderlich, sich mit diversen Trennverfahren auseinanderzusetzen. Die Klassifizierung einiger Trenneffekte kann dabei keinesfalls als eindeutig eingestuft werden, so nutzt z.B. die Chromatografie nicht nur die Löslichkeit als Trennprinzip, sondern auch Adsorptionseffekte. Die Flotation bedient sich physikalischer und chemischer Vorgänge, um Partikel aus einer Suspension zu trennen. Im Folgenden soll kurz auf die verschiedenen Möglichkeiten der Stofftrennung eingegangen werden.
4.1 Thermische Trennverfahren
Verdampfen4.1.1
Über den Verdampfungsprozess wird ein Stoff vom flüssigen in den gasförmigen Zustand übergeführt. Die Dämpfe werden in diesem Prozess „Brüde“ genannt, wohingegen der Rückstand als Konzentrat, oder „Sumpf“ bezeichnet wird. Dies geschieht entweder über Wärmezufuhr, oder über Druckerniedrigung. Technisch wird zwischen „Abdampfen“, „Eindampfen“ und Verdampfen unterschieden. Beim Abdampfen wird nur das Lösungsmittel verdampft und gesammelt. Das geschieht aufgrund von Druckunterschieden, wenn der gelöste Stoff einen niedrigeren Dampfdruck aufweist als das Lösungsmittel. Wenn der gelöste Stoff das Ziel sein sollte, dann spricht man von Eindampfen. Soll der Stoff auskristallisiert und getrocknet werden, definiert dies das Verdampfen.[1]
Verdampfungsprozesse können kontinuierlich oder diskontinuierlich ausgeführt werden. [1.1.1]Die zur Auslegung nötige, benötigte Wärmeleistung wird mit folgender Formel ermittelt:
𝑄̇𝐻 = 𝑚̇𝐹∗ 𝑐̅𝑃𝐹∗ (𝑇𝑆− 𝑇𝐹) + 𝑚̇𝐷∗ 𝛥ℎ𝑣(𝑇𝑠)
𝑚̇ Massenstrom [kg*s-1]
𝜂̇ Molenstrom [mol*s-1]
p Dichte [kg*m-3]
c Molkonzentration [mol*m-3]
𝑄̇𝐻 Heizleistung, Wärmezufuhr [W] = [kg*m2*s-3] h spezifische Enthalpie [J*kg-1*K-1] = [m2*s-2*K-1]
T Temperatur [K]
𝛥ℎ𝑣 spezifische Verdampfungsenthalpie
des Lösungsmittels [J*kg-1] = [m2*s-2]
Kondensieren 4.1.2
Kondensation stellt für die Industrie und für die Umwelt einen wichtigen Mechanismus dar. Für die Umwelt bedeutet die Kondensation von Wasser und Luft Bestandteil des Wetterkreislaufs. Für die Industrie erweist sich die Kondensation als ein unentbehrlicher Prozess. Kondensatoren werden unter anderem zur Entfeuchtung, zur Kühlung, als Dampfkraftwerk, in Heizungssystemen oder Kühlschränken verwendet. Im Kondensationsprozess werden dampfförmigen Stoffen, Wärme entzogen und diese dadurch in den flüssigen Aggregatszustand versetzt. Verdampfungswärme und Kondensationswärme heben sich auf. Kondensation erfolgt dabei entweder in der effizienten, technisch leider nicht umsetzbaren Tröpfchenform oder in technisch nutzbarer Form, über Filmbildung.[1.1.2] Als wichtiger Schritt in der Filmkondensation in einem Kondensator gilt der Transport der bei der Kondensation freiwerdenden Kondensationsenthalpie über den Kondensatfilm zur Kühlwand. Er zählt auch zum bestimmenden Maß der Geschwindigkeit des Wärmeübergangs während der Kondensation. Ein weiterer wichtiger Parameter verkörpert die Strömungsform des gebildeten Films. Bei turbulenten Fließeigenschaften wird die Reynoldszahl herangezogen. Diese wird entweder durch die Dicke oder aus dem Massestrom ermittelt.[1.1.3] Kondensatorbauarten werden in 2 verschiedenen Bauarten gefertigt: Oberflächen und Mischkondensatoren. Der Dampf kondensiert bei den Oberflächenkondensatoren an der Kondensatorwand, wohingegen bei Mischkondensatoren sich das Kondensat an der Flüssigkeitsoberfläche eines eingebrachten Lösungsmittels bildet.[1.1.4]
Trocknung
4.1.3
Trocknung, als eines der bedeutendsten thermischen Verfahren, bezeichnet die Flüssigkeitsabtrennung aus feuchten Gasen, wasserhaltigen Flüssigkeiten oder wasserhaltigen Feststoffen. Mit der Trocknung werden eine Volumsreduktion, eine höhere Produkthaltbarkeit und eine bessere Handhabung erreicht.[1.1.5] Im Unterschied zum Verdampfen wird bei der Trocknung nur ein geringer Flüssigkeitsanteil abgetrennt. Trocknung wird aufgrund seines hohen Energieverbrauchs oft als nachstehendes Verfahren verwendet.[1.1.6] Ist beispielsweise eine Filtration vorgeschaltet, so empfiehlt sich unter Umständen ein Trocknen des Filterkuchens aus Lagerungs-, Entsorgungs-, Produktaufreinigungs-oder Kostengründen.
9 im Inneren aufgrund des Entzugs der Verdampfungsenthalpie immer kälter als seine Umgebungstemperatur.[1.1.7] Maßgeblicher Faktor im Verlauf der Trocknungsgeschwindigkeit ist die Lage des Trockenspiegels. Trockenspiegel heißt die Grenze zwischen trockenem und feuchtem Gut.
Wandert der Trockenspiegel immer weiter ins Gutinnere, so wird die Trocknung aufgrund des Transportwiederstands erheblich verlangsamt.[2] Das Verfahren der Trocknung hat ein sehr breites Anwendungsspektrum und ist somit nahezu in jedem technischen Bereich anzufinden.
4.2 Trennung aufgrund der Lösungseigenschaften
Extraktion4.2.1
Allgemein betrachtet basiert die Extraktion auf verschiedenen Löslichkeitsverhalten von den zu trennenden Stoffen. Der zu extrahierende Stoff, welcher auch Extrakt bezeichnet wird, wird mittels eines Lösungsmittels, dem sogenannten Extraktionsmittel, aus einem festen, flüssigen, oder gasförmigen Stoff gelöst.[3] Es gibt neben der flüssig-flüssig Trennung, auch noch die gasförmig- flüssig-, gasförmig-fest-und flüssig-fest-Extraktion.[4]
Zu den bekannten Vertretern zählt z.B. die Extraktion mittels überkritischem CO2. Stoffe gelten dann als überkritisch, wenn der kritische Druck und die kritische Temperatur überstiegen werden. Bei Überschreitung dieser Parameter befinden sich Stoffe in der überkritischen Phase. Von der kritischen Phase wird in der Thermodynamik dann gesprochen, wenn Stoffe Eigenschaften von Gasen und Flüssigkeiten aufweisen. Die dazu erforderlichen Drücke und Temperaturen sind dabei sehr hoch.
Überkritische Substanzen weisen sehr gute Lösungseigenschaften aus. Die Lösungseigenschaften sind dichteabhängig. Einen Vorteil dieses Verfahrens zeichnet die leichte Wiedergewinnung des Extraktes aus. Um diesen wieder von der überkritischen Substanz zu trennen, wird die Dichte der Substanz gesenkt, dabei wird der überkritische Bereich wieder verlassen, die Lösungseigenschaften gehen gegen Null und die Stoffe trennen sich wieder. Überkritische Substanzen haben in der Industrie einen hohen Stellenwert, denn anhand des Beispiels CO2, werden Stoffe mittels einer kontrollierten Steuerung voneinander getrennt, und der Prozess endet ohne toxische Überreste. CO2 ist weder für die Umwelt schädigend, noch stellt es sich besonders kostenintensiv dar. Die Einsatzgebiete von überkritischem CO2 sind mannigfaltig. Von der Pharmazeutischen-, über die Lebensmittel-bis zur Energieindustrie werden komplexe Stoffgemische voneinander getrennt.[5]
Der überkritische Bereich ist anhand des Phasendiagramms von CO2 ersichtlich:
Abbildung 1: Phasendiagramm Kohlenstoffdioxid mit überkritischem Bereich[І]
Die generellen Prinzipien der Extraktion gehen auf den Physikochemiker Walther Herman Nernst zurück. [Es besagt, dass bei konstanter Temperatur der Quotient aus den Konzentrationen c1 und c2 des Stoffes in den beiden Phasen eine Konstante ist, die als Nernstscher Verteilungskoeffizient Kc bezeichnet wird:
𝐾𝑐 = 𝑐1 𝑐2
KC Nernstscher Verteilungskoeffizient [-]
c1 / c2 Konzentrationsangaben [g/L]
Voraussetzung für die Gültigkeit des N. V. ist ideales Verhalten beider Mischphasen. Außerdem darf
11 Dabei gilt: „Gleiches löst sich in Gleichem.“ Der zu extrahierende Stoff dispergiert im Lösungsmittel und kann danach getrennt werden.
Die Fest-flüssig-Extraktion nutzt Absorption vom Extraktionsgut zum Extraktionsmittel. Mit der fest- flüssig Trennung werden z.B. Zucker, Speiseöl, Metalle, oder andere Genussmittel mit oftmals hohem Durchsatz erzeugt.[7]
Extraktionsverfahren sind in der Verfahrenstechnik gut steuerbare Prozesse mit viel Optimierungspotential. Die Effizienz kann z.B durch eine Vergrößerung der Kontaktflächen, durch Optimierung von Löslichkeit, Temperatur, Benetzbarkeit, usw. maximiert werden.
4.3 Chemische Trennverfahren
Flockung4.3.1
Über Flockung werden mit einem geeigneten Flockungsmittel kleine, schwer trennbare Teilchen über die Bildung von Agglomeraten verfahrenstechnisch trennfähiger gemacht. Die gebräuchlichsten Flockungsmittel sind unter anderem Eisensulfat, Eisenchlorid oder Aluminiumsulfat.[8] Je nach Anwendungsgebiet kommen verschiedene Flockungsmittel zum Einsatz. Während bei der Sedimentation Flocken mit möglichst großer Dichte erwünscht sind, erweisen sich bei der Flotation Flocken mit einer möglichst geringen Dichte von Vorteil. Koagulation bedeutet, wenn das Flockungsmittel die elektrostatischen Abstoßungskräfte der kleinen Teilchen überwindet und somit ein Agglomerieren dieser kleinen Teilchen begünstigt. Flokkulation besagt, dass das Flockungsmittel die kleinen Teilchen einschließt. Die Summe aus Koagulation und Flokkulation entspricht schließlich der Flockung.[8.1]
4.4 Mechanisch/Physikalische Trennverfahren
Trennung aufgrund der Magnetisierbarkeit 4.4.1Magnetismus ist eine physikalische Kraft, welche über Feldlinien, von einem Pol, zu dem anderen transportiert wird. Ein magnetisches Feld übt vor allem auf ferromagnetische Bestandteile eine enorme Wirkung aus. Diese Wirkung wird z.B. von Magnetabscheidern genutzt, um diese ferromagnetische Bestandteile aus einer Suspension, oder Gemenge zu trennen. Ferromagnetismus leitet sich aus der Nomenklatur dem lateinischen Begriff von Eisen, dem Ferrum ab. Es bezeichnet diejenigen reinen Metalle, bei welchen sich innermagnetische Bestandteile bei Normtemperatur, durch das Anlegen eines magnetischen Feldes, spontan auf eben dieses magnetische Feld ausrichten.
Metalle mit ferromagnetischen Eigenschaften unter Normbedingungen sind Eisen, Nickel und Kobalt.
Neben den Ferromagnetismus, existiert noch Diamagnetismus, Paramagnetismus, Ferromagnetismus
und Antiferromagnetismus.[9] In der ZBK ist das Eisen als im Zunder, dem magnetischen Eisenoxid gebunden. In dem Stahlprozess stellt die kubisch flächenzentrierte Modifikation des Stahls, der Austenit, eine Sonderform dar und verfügt nicht über magnetische Eigenschaften. [10]
Abbildung 2: magnetische Feldlinien[ІІ]
Die magnetische Kraft wird in Tesla gemessen und ist an den Polen am stärksten. Gegen Mitte eines Magneten heben sich die Kräfte der beiden Pole annähernd auf. Die magnetischen Feldlinien bewegen sich dabei von der Richtung eines Pols, zur Richtung des gegenseitig ausgerichteten Pols.[11]
Etablierte Verfahren nutzen den Magnetismus über elektromagnetische Induktion. Die elektromagnetische Induktion hat den großen Vorteil, dass das angelegte magnetische Feld bei Stromentnahme, wieder ausgeschaltet werden kann. Entdeckt wurde der Elektromagnetismus 1820 vom Physiker Oersted. Er fand heraus, dass ein, auf einen Leiter angelegtes Stromfeld, zusätzlich zu diesem, von einem Magnetfeld umgeben wird. Dieses Magnetfeld verhält sich proportional zur angelegten Stromstärke. Die Stromstärke ist nicht der einzige Parameter, um die Magnetkraft zu erhöhen.[12] Wird ein leitender Draht zu einer Spule aufgewickelt, erhöht sich die magnetische Kraft durch Addition der elementarmagnetischen Bestandteile des Drahtes. Je mehr Windungen, desto höher steigt die dadurch resultierende Kraft. Wenn zusätzlich ein Stück Eisen in die Spule gelegt wird, kann die Kraft des Magnetfelds über die magnetische Influenz die auf das Eisen wirkt, weiter erhöht werden.[13] Elementarmagnete bezeichnen kleine Bestandteile von Magneten, die sich nicht
13 Zentrifugation
4.4.2
Zentrifugation nützt die Zentrifugalkraft, um Stoffe voneinander zu trennen. Partikel mit einer höheren Dichte verfügen auch eine höhere Trägheit. Im Schwerefeld wandern diese Partikel nach außen. Dabei werden sehr hohe g-Kräfte erzielt. Die Erdbeschleunigung ist dabei im Verhältnis zur Zentrifugalbeschleunigung sehr gering. Ausgedrückt wird das Verhältnis über die relative Zentrifugalzuahl[RZB].[16] Die Zentrifugalkraft berechnet sich mit folgender Formel[17]:
𝐹𝑍 = 𝑚 ∗ 𝑣2 𝑟
F Zentrifugalkraft [N]
m Masse [kg]
v Geschwindigkeit [m/s]
r Radius der Kreisahn [m]
Technisch wird Zentrifugation in sehr vielen Bereichen genützt. Mit Hilfe von Zentrifugen kann man Suspensionen und Emulsionen voneinander trennen. Auch werden Medien mit Hilfe von Zentrifugalkräften z.B. in Kreiselradpumpen gefördert. Sehr vorteilhaft sind die kontinuierlichen Auslegungsarten. So können verschiedene Phasen voneinander getrennt und stetig abgeführt werden.
Sedimentation 4.4.3
Die Sedimentation repräsentiert die, auf Dichteunterschiede rückzuführende, Trennmethode, bei der, die mit einer höheren Dichte versehene disperse Phase, sich von einer kontinuierlichen Phase, langsam absetzt. Unter disperser Phase wird in der Sedimentation das Teilchenkollektiv genannt, während die kontinuierliche Phase, das umgebende Fluid bezeichnet. Je nach Dichte und Größe der Teilchen weisen diese auch unterschiedliche Sedimentationsgeschwindigkeiten auf. Als maßgebenden Kräfte wirken die Schwerkraft, die Auftriebskraft, die Widerstandskraft und die Trägheitskraft.[1.1.8]
Die Sinkgeschwindigkeit wird mit folgender Gleichung ermittelt[1.1.9]: 𝑣 = √4 ∗ 𝑑 ∗ 𝑔 ∗ (𝜌𝑇 − 𝜌𝐹)
3 ∗ 𝑐𝑊∗ 𝜌𝐹
d Teilchendurchmesser [m]
ρT Dichte des Teilchens [kg*m-3]
ρF Dichte des Fluids [kg*m-3]
g Erdbeschleunigung [m*s-2]
cW Widerstandskraft des Teilchens [-]
Für die Sedimentation limitierend wirkend, ist die Tatsache, dass kleine Teilchen ab einem Durchmesser von 0,5µm und kleiner aufgrund der Brown’schen Bewegung am Absinken im Schwerefeld gehindert werden. Über geeignete Flockungsmittel können danach auch diese Teilchen als Agglomerat abgesetzt werden.[1.2]
Flotation 4.4.4
Flotation definiert ein Trennverfahren, das sich der spezifischen Oberflächenbenetzbarkeiten von gelösten feinkörnigen Partikeln im Wasser, bedient. Um die Partikel aus dem Wasser zu generieren, müssen kleine Gasblasen gebildet werden. Eine der weitverbreitetsten technische Ausführungsart stellt die Druckentspannungsflotation dar. Bei der Druckentspannungsflotation wird zuerst ein Überdruck von 4-6 bar erzeugt. Das Wasser wird mit Luft gesättigt und schließlich im Flotationstank wieder entspannt.[17] Dass sich nun feinverteilte Luftblasen bilden, liegt dem Henry Dalton Gesetz zur Grunde: [„Bei in Flüssigkeiten gelösten Gasen gilt das Henry-Dalton-Gesetz. Es geht aus dem Nernst- Verteilungssatz hervor. Die Konzentration des Gases in einer Flüssigkeit ergibt sich aus
Druck/(allgemeine Gaskonstante * Temperatur). Man kann nun die Konzentration des Gases durch den Druck ersetzen. Bei konstanter Temperatur hängt die Löslichkeit eines Gases in einer Flüssigkeit vom Druck über der flüssigen Phase ab.“][18]
𝐾 = 𝑝 𝐶𝐺𝑎𝑠
15 Die Partikel werden mit den Gasblasen nach oben befördert und danach abgeschöpft.
Abbildung 3: Flotationsanlage[ІІІ]
Zusätzlich können bei der Flotation noch verschiedene Hilfsstoffe eingesetzt werden. Stoffe wie Flockungsmittel oder pH-Regulatoren, welche die hydrophoben Eigenschaften der Partikel fördern, um besser an den Gasblasen haften zu bleiben.[19]
Filtration 4.4.5
Filtration als mechanisches Trennverfahren spielt in der Menschheitsgeschichte schon sehr lange eine große Rolle. Schon frühe Kulturen wussten die Wichtigkeit von sauberem Wasser zu schätzen.
Doch waren damals die vielen im Wasser vorkommenden, pathogenen Mikroorganismen noch nicht bekannt. Das Hauptqualitätskriterium zur damaligen Zeit kennzeichnete die Trübheit. Der berühmte griechische Arzt Hippokrates von Kos hat schon Jahrhunderte vor Christus seinen eigenen Filter zur Wasseraufbereitung entworfen.[1] Bis in die Neuzeit haben sich Technik, sowie das Verständnis hinsichtlich der Filtration und dessen Hilfsmittel erheblich verfeinert. Die Technik hängt oft vom gewünschten Abscheidegrad ab. Das Grundprinzip der Filtration bewirkt ein Zurückhalten von Partikeln mit Hilfe eines Filtermittels beispielsweise Membrane, Filterpapier, Siebe oder Tücher.
Filtrationsarten werden in statisch oder dynamische Verfahren unterschieden. Zu den dynamischen Verfahren zählt die Querstromfiltration. Bei der Querstromfiltration wird der Suspensionsfluss parallel zum Filtermedium geführt wird. Filterhilfsmittel sowie eine Belegung der Filterfläche können durch diese Technik vermieden werden. Querstromfiltration wird vorwiegend für extrem hohe Abscheidegrade in der Pharma Industrie eingesetzt. Meist wird eine sehr feine Membran verwendet, durch die das Filtrat durchdiffundiert. Eine bekannte Querstromfiltration ist das Dialyseverfahren.
Abbildung 4: Darstellung Querstromfiltration
Zu den statischen Verfahren zählen Oberflächen und Tiefenfiltration. Bei der Oberflächenfiltration beruht die anfängliche Trennleistung auf eine mechanische Abtrennung der, in der Flüssigkeit enthaltenen Stoffe. Bei höheren Feststoffkonzentrationen bildet sich durch die in der Suspension enthaltenen Feststoffe, ein wachsender Filterrückstand auf der Filterfläche. Dieser Filterrückstand wird als Filterkuchen bezeichnet. Die Zusammensetzung des Filterkuchens ist, wenngleich er limitierend für die Flüssigkeitsmigration sein kann, gleichzeitig essentieller Bestandteil für die Filterwirkung. Je dicker der Kuchen desto höher steigt der dadurch erzielte Trenneffekt. Der Druck auf der Filtratseite sinkt während der Filtration, währenddessen er an der Kuchenseite steigt.
Kuchenfiltrationen werden vor allem da eingesetzt, wo ein möglichst hoher Feststoffgehalt aus der Suspension abgeschieden werden soll. Als treibende Kraft bei der Kuchenfiltration fungiert die Schwerkraft, die Zentrifugalkraft, und die Druckkraft.[2]
Bei der Oberflächenfiltration wird der Abscheidegrad durch die geometrische Form der Partikel erzielt. Die Tiefenfiltration nutzt als zusätzliches Filterhilfsmittel ein aufgeschüttetes Schüttgut beispielsweise Sand, wie bei den meisten Poolanlagen, oder Kies, wie für die Prozesswasserreinigung der Voest Alpine. Die Art und Zusammensetzung des Filterhilfsmittels bei der Tiefenfiltration erhöht die Trennleistung.
17
Abbildung 5: Oberflächen und Tiefenfiltration
[Die Grundgleichung der Filtration, die den entstehenden Druckverlust Δρ zum Volumenstrom dV/dt beim Durchströmen einer porösen Schicht der Dicke h und der Fläche A in Beziehung setzt, wurde von Darcy im Jahre 1856 aufgestellt.][3]
𝒅𝑽
𝒅𝒕 =𝑨 ∗ 𝜟𝝆 ∗ 𝒌 𝜼 ∗ 𝒉
dV = Differenz Volumenstrom [m3]
dt = Zeitdifferenz [s]
A= Fläche [m2]
Δρ = Druckverlust [N/m2]
k = Darcy-Konstante [m2]
η = dynamische Viskosität [Ns/m2]
h = Schichtdicke [m]
Filtermittel 4.4.6
Filtermittel bedeuten eine enorme Wichtigkeit für die industrielle Anwendung. Die Trennwirkung wird maßgeblich von der Art des Filtermittels bestimmt. Filtermedien werden definiert in z.B. der Filterfeinheit, über die Porenweite, die Korngröße, die Korngrößenverteilung, den Werkstoff, der Porengeometrie, der Porosität, dem Trenngrad, der Trenngrenze, der Trennschärfe der Trennwirkung und der mechanisch, chemischen und thermischen Beständigkeit.[4]
4.4.6.1 Filtermechanismen
In der Fachwelt sind fünf vorherrschenden Filtermechanismen bekannt: „Der Siebeffekt, die Partikelträgheit, die Diffusionseffekte, die Elektrostatik sowie der Sperreffekt.“ Diese Prozesse überschneiden sich oft in der Praxis. [5]
Abbildung 6: Filtermechanismen
4.4.6.1.1 Siebeffekt
Partikel werden aufgrund ihrer Größe vom Filtermedium mechanisch ausgesiebt, je feiner das Sieb oder je dichter der Filterkuchen, desto größer der Siebeffekt.
4.4.6.1.2 Partikelträgheit
[Jeder Körper beharrt im Zustand der Ruhe oder der gleichförmig Bewegung, wenn er nicht durch einwirkende Kräfte gezwungen wird, seinen Zustand zu ändern.][6]
-Das besagt das 1. Newtonsche Axiom. Dieses Axiom ist Teil einer langen Kette von Versuchen von Aristoteles über Philoponus, Avicenna, Avempace, Bradwardine, Buridanus, Galilei, Descartes, bis zu
19 Maß für die Trägheitsabscheidung verwendet. Bei kleiner Stokes Zahl werden die Partikel passiv mit dem Fluid mitbewegt, bei großer Stokes-Zahl, werden sie abgeschieden.[8][9]
𝑺𝒕 = 𝑻𝒑
𝑻𝒇𝒍= 𝒅𝒑𝟐∗ 𝒖 ∗ 𝝆𝒔 𝟏𝟖 ∗ 𝜼 ∗ 𝑫
St Stokes Zahl [-]
𝑇𝑃 Partikelresponsezeit
𝑇𝑓𝑙 charakteristische Zeit des Fluids (Strömungswiderstandskraft) dp charakteristische Partikeldurchmesser [µm]
u Anströmgeschwindigkeit des Fluids [m/s]
ρs Flüssigkeitsdichte [kg/m3]
η dynamische Viskosität [Pa*s]
D Diffusionskoeffizient [m2/s]
4.4.6.1.3 Sperreffekt
Der Sperreffekt gilt in der Oberflächenfiltertechnik als der dominante Abscheidemechanismus. In der Fachwelt bezeichnet man diesen Effekt auch als Interzeption. Partikel gelangen aufgrund ihrer geometrischen Form oft dennoch am Filtermaterial vorbei, werden aber, wenn sie dem Filtermaterial zu nahe kommen, durch z.B. auftretende Van-der-Waals-Kräfte zurückgehalten.[10][11]
4.4.6.1.4 Elektrostatik
[Die Elektrostatik ist die Lehre von den ruhenden elektrischen Ladungen und ihren zeitlich unveränderlichen Feldern, die die Wechselwirkungen mit der Umgebung beschreibt.][12]
Als Grundlage hierfür dient das Coulombsche Gesetz. Dieses besagt: [Die Kraft zwischen zwei Punktladungen ist dem Produkt der beiden Ladungen direkt und dem Quadrat ihres Abstandes umgekehrt proportional.][12.1]
Mit Hilfe des elektrostatischen Effekts haben sich in der Technik unter anderem Elektroabscheider integriert. Partikel können während der Durchströmung der Filtermaterialien elektrostatisch aufgeladen werden und bleiben aufgrund Wechselwirkungen am Filtermaterial hängen.
4.4.6.1.5 Diffusionseffekt
Unter Diffusion wird allgemein, das sich selbständige Mischen der beteiligten Teilchen verstanden.
Für diesen Effekt ist die sogenannte Brownsche Molekularbewegung verantwortlich. Dabei handelt es sich bei sehr kleinen Partikeln um eine [andauernde, ungeordnete Zitterbewegung von
suspendierten Teilchen, Zellen, usw., verursacht durch Stöße einzelner Moleküle des umgebenden flüssigen oder gasförmigen Mediums.][13]
Aufgrund dieser Kraft, schwingt der im Medienfluss befindliche Partikel. Dadurch kann es zu einem Kontakt zwischen Partikel und Filtermedium kommen. Der thermische Effekt der ungerichteten Teilchenbewegung nimmt mit steigender Temperatur zu.[14]
Die Peclet-Zahl dient zur Charakterisierung von Wärme und Stoffübergängen.[15]
𝑷𝒆 =𝑳 ∗ 𝑼 ∗ 𝝆 ∗ 𝒄𝒑 𝝀
Pe Peclet-Zahl [-]
ρ Dichte [kg/m3]
U charakteristische Geschwindigkeit [m/s]
L charakteristische Länge [m]
𝑐𝑃 spezifische isobare Wärmekapazität [m2/s2K]
λ Wärmeleitfähigkeit [W/mK]
21
5 Überblick über die Zentrale Betriebskläranlage der Voest Alpine Donawitz
Abbildung 7: Vogelperspektive ZBK
5.1 Überblick Wasserkreislauf
23
5.2 Lageplan ZBK
Abbildung 9: Lageplan ZBK
5.3 Wasserbilanz
In der nachstehenden Tabelle sind die Werte von den Messstellen, die aus dem PGIM ermittelt wurden, eingetragen. Die starke Differenz von ca.5.6% der gesamten Zulaufmenge resultiert aus der oft stoßhaften Fluktuation der einhergehenden Wasserfrachten und der durchschnittlich ermittelten Messwerte des Systems.
Bilanz (jährlich) 5.3.1
ZBK-Zulauf 30738462,01 m3/a
- Mur-Ablauf 1 12442714,59 m3/a
- Mur-Ablauf 2 11970266,12 m3/a
- Stahlwerk 1 3316481,688 m3/a
- Stahlwerk 2 4742328,653 m3/a
gesamt -1733329,03 m3
Geglättete Werte 5.3.2
Um eine vernünftige Bilanz zur Verfügung zu stellen, wurden diese Werte „geglättet“.
ZBK-Zulauf 30000000 m3/a
- Mur-Ablauf 1 11000000 m3/a
- Mur-Ablauf 2 11000000 m3/a
- Stahlwerk 1 3500000 m3/a
- Stahlwerk 2 4500000 m3/a
gesamt (m3/h) 0 m3/a
Abbildung 10: Wasserströme ZBK
5.4 Durchschnittlich erbrachte Fördermenge in [m
3/h] über das Jahr 2016 der Kammerfilterpresse
Zur Ermittlung der durchschnittlichen Fördermenge wurden die Betriebsstunden der Exzenterschneckenpumpe und die jährliche Schlammentsorgungsmenge aus dem Jahr 2016 mit 1643t herangezogen. Die Feststoffkonzentration im Vorlagetank beträgt ca. 400g/L. Das geht aus der entnommenen Suspension hervor, welche an die Firmen geleitet wurde. Aus diesen 400g/L werden ca. 75% als Feststoff ausgetragen. Die 75% ergeben sich aus der Differenz des Feststoffanteils des
25
5.5 Kritische Prozessparameter
Öl als kritischer Prozessparameter 5.5.1Das von den Betrieben benötigte Öl, gelangt zum Teil in den Kreislauf der ZBK. Dort wird es mit einer Räumvorrichtung und einer nachstehenden Flotationsanlage zum Teil aus dem System gebracht. Öl stellt aus kosten-und umweltspezifischer Sicht einen kritischen Prozessparameter dar. Auf betrieblicher Seite wird versucht, ein Eindringen von Öl in die Umwelt so gut wie möglich zu verhindern. Es existieren Vorbeugemaßnahmen, welche sich auf die Verfügbarkeit von Ölsperren und Ölbindemittel beschränken. Jeder Ölvorfall leitet gleich einem Cyanidvorfalls, eine Kaskade an Maßnahmen ein. Diese bestehen in erster Linie im Erkennen der Situation und im weiteren Schritt zur Ausführung der richtigen Maßnahmen. Je nach Vorfall wird in einen leichten Ölvorfall, mit einer internen Klassifizierung von „4a“ und in einen schweren, mit einer Klassifizierung „4b“, unterschieden. Sollte ein massiver Ölvorfall eintreten, wird gleich einem Cyanidanfall, das standby geschaltete Ersatzrundbecken als Puffer gefüllt.
Der Ölgehalt im Vorlagetank der Kammerfilterpresse beträgt 2%. (Aus Dekanterversuchsdokument) Entsorgungskosten Öl-Bindemittel
5.5.2
Tabelle 1: Entsorgungskosten Öl-Bindemittel
Materialkurztext Gesamtgewich kg/a Gesamtgewicht t/a Kosten € pro t Kosten € gesamt
gebrauchtes Öl-Bindemittel 46810 46,81 422 19753,82
Entsorgungskosten Öl-Wassergemisch 5.5.3
Tabelle 2: Entsorgungskosten Öl-Wassergemisch
Materialkurztext Gesamtgewich kg/a Gesamtgewicht t/a Kosten € pro t Kosten € gesamt Sonstige Öl-
Wassergemische 56360 56,36 62 3494,32
Cyanid als kritischer Prozessparameter 5.5.4
Cyanid stellt ein großes Gefährdungspotential für Mensch und Umwelt dar. Erhalten wird es meist aus der Gichtgaswäsche bei den am Standort bestehenden Hochöfen. Im Falle eines Cyanidanfalls, muss auf betrieblicher Ebene schnell gehandelt werden.
Zunder als kritischer Prozessparameter 5.5.5
Aus den Produktionsanlagen gelangen sehr viele metallische Stoffe in die ZBK.
Abbildung 11: Stranggussanlage[ІV]
Der größte Anteil landet in Form von Zunder aus den zwei, im Stahlwerk befindlichen Stranggussanlagen, in der Kläranlage. Die Betriebe verfügen zwar jeweils über eigene Zunderbecken, doch gelangt ein Anteil aus den Produktionsanlagen in die ZBK. Zunder bezeichnet einen metallurgischen Begriff für einen materialreduzierenden Abbrand. Dieser bildet sich durch Oxidation bei hohen Temperaturen in der Stahlherstellung. Dort wird es als Fe2O4 ausgeschieden.
Zunder wirkt sich kritisch auf das bestehende Filtersystem aus, da es das Filtermaterial sehr beansprucht. Zunder wird teilweise mit Hilfe der Klassierer aus der ZBK entfernt und in der betriebseigenen Sinteranlage wiederverwertet.
27
6 Verfahrensschritte der ZBK 6.1 Feinrechenanlage
Das Wasser wird im Eingangsbereich von 2 Feinrechen grob entschmutzt. Der Stababstand der Rechen beträgt 10mm. Eine Verschiebeeinrichtung transportiert die Verschmutzungen in einen Sammelcontainer. Zu diesen groben Verschmutzungen zählen z.B. Laub, Plastik, Steine, etc.). Die von den Feinrechen abgeschiedenen Verunreinigungen belaufen sich jährlich auf ein bis zwei Mulden im Jahr. Das entspricht einer Last von 8 bis 15 Tonnen.
Abbildung 12: Feinrechenanlage ZBK
6.2 Längsbecken
Zur Vorberuhigung des einströmenden Wassers dienen im Anschluss die 4 Längsbecken. In den Längsbecken sedimentiert ein Teil der im Abwasser befindlichen Stoffe. Jedes Längsbecken ist gleich ausgestattet. Die mechanischen Räumeinrichtungen transportieren jeweils den Schlamm in eine dafür vorgesehene Schlammrinne. Der gesammelte Schlamm wird danach mittels Schlammpumpen in die Klassierer befördert. Das aufschwimmende Öl gelangt über eine Ablaufrinne weiter zur Flotationsanlage.
Abbildung 13: Längsbecken ZBK
6.3 Flotationsanlage
Die Flotation ist ein physikalisch-chemisches Trennverfahren für feinkörnige Feststoffe die Partikel aufgrund der unterschiedlichen Oberflächenbenetzbarkeit und einer dadurch zwischenzeitlich resultierenden Änderung der spezifischen Dichte, auf der Oberfläche aufschwimmen lässt, und diese in Folge mit einer Räumeinrichtung in ein Sammelgefäß entfernt werden.[1] Das Verfahren lässt sich einteilen in eine „einfache Flotation“, bei der wegen der Stoffbeschaffenheit, keine chemischen Zusätze erforderlich sind und der „differentiellen Flotation“, bei der es nötig ist, chemische Zusätze anzuwenden.[1.1] In der ZBK werden keine Zusätze verwendet. Das Oberflächenwasser gelangt aus den Längsbecken in einen Flotationsvorlagebehälter. Dieser Behälter ist mit einem Rührwerk ausgestattet. Aus diesem Flotationsvorlagebunker wird das Wasser in die Flotationsanlage gepumpt.
Die aufschwimmenden Bestandteile, allen voran Schwimmsand werden mit einer Räumeinrichtung in einen Flotationsbehälter gesammelt, der mit einer online-Niveauanzeige ausgestattet ist. Das geklärte Wasser fließt nun in einen Klarwasserbehälter. Aus diesem wird mit Klarwasserpumpen das Wasser wieder in die Längsbecken zurückgeführt. Am unteren Ende der Flotationsanlage wird aus Gründen der Blasenbildung Luft mit 6bar eingeblasen. Die Luft wird im Wasser gelöst und vergrößert die Stoffaustauschfläche zwischen wässriger und gasförmiger Phase. Die Leistungskapazität der Flotationsanlage beträgt 20m3/h.
Abbildung 14: Flotationsanlage ZBK
29
6.4 Rundbecken
Die Voest Alpine Donawitz ist mit drei Rundbecken ausgerüstet. Das Wasser aus den Längsbecken gelangt zentral aus dem Beckenboden in das jeweilige Rundbecken. Der Schlamm wird über Schlammpumpen in eine Schlammrinne ausgetragen, und wird dann, über das Verteilerbauwerk in die Eindicker überführt. Jedes Rundbecken verfügt über ein großes, über den Querschnitt verlaufendes Rührwerk. Oberflächenwasser wird in Siebrinnen den, im Becken befindlichen Reinwasserrinnen überführt. Diese Reinwasserrinne ist am äußeren Radius angebracht und mit Ölsperrvorrichtungen ausgestattet. Eines der drei Becken dient als Puffer und bleibt leer. Im Falle eines Öl- oder Cyanidvorfalls wird dieses, als „Standby“ geführtes Becken, befüllt.
Abbildung 15: Rundbecken ZBK
6.5 Verteilerbauwerk
Das Verteilerbauwerk befindet sich zwischen den 3 Rundbecken. Es regelt unterirdisch die Stoffströme aus den Längs- und Rundbecken und leitet sie weiter. An dem Verteilerbauwerk erfolgt die Auslaufprobennahme.
Abbildung 16: Verteilerbauwerk ZBK
6.6 Eindicker
Die zwei installierten Eindicker fungieren als Sedimentationsapparate, die den Schlamm aus den Rundbecken und aus den Klassierern statisch eindicken. Als Eindicker bezeichnet man einen Vorlagebehälter für die in Folge geschaltete, mechanische Schlammentwässerung. Jeder Eindicker ist mit einem Rührwerk ausgestattet. Oberflächenwasser wird über Siebrinnen den Längsberuhigungsbecken wieder zugeführt. Der vom Rührer benötigte Kraftaufwand, ist im Leitstand ersichtlich. Um das Rührwerk nicht zu überlasten wird zwischen 3knm und 9kNm ein Pressvorgang mit der installierten Kammerfilterpresse eingeleitet. Im Eindickerkeller wird Schlamm aus den Eindickern entnommen, teilweise mit Wasser gemischt und den Schlammentwässerungssystem zugeführt.
Abbildung 17: Eindicker ZBK
31
6.7 Klassierer
Die zwei Klassierer sind Schwerkraftabscheider und befinden sich am oberen Bereich zwischen den Eindickern. Beschickt werden sie über die, in den Längsbecken eingebauten Schlammpumpen. Der Schlamm sammelt sich, gleich den Eindickern, am spitzen, kegelförmigen Ende und wird danach, jeweils von einer Schneckenpumpe, in dem darunter liegenden Sammelbehälter ausgetragen. Dieser, aus den Klassierern entnommene „Schlamm“ hat einen hohen metallischen Charakter und besteht zum größten Teil aus Zunder. Dieser „Zunderschlamm“ wird in der betriebseigenen Sinteranlage wiederverwertet. Der jährliche Schlammaustrag für das Jahr 2016 betrug 339450kg lt. den Abholungsbelegen mit der Reststoffnummer RTED0011.
Abbildung 18: Klassierer ZBK
7 Schlammentwässerung: Bestehendes System
Abbildung 19: Kammerfilterpresse ZBK
7.1 Allgemeines Verfahren
Die Kammerfilterpresse wird mit einem Schlammwassergemisch aus den Eindickern beschickt. Im Anschluss erfolgt die Entwässerung mit abschließender Entsorgung oder Wiederverwertung. Das Filtrat wird in die Längsbecken wieder zurückgeführt.
33
7.2 Kammerfilterpresse
Diese Abbildung, sowie die Bezeichnung stammen aus der Betriebsanleitung[1] des bestehenden Systems. Die Filterpresse hat eine geometrische Abmessung von 350mm in die Tiefe, 1200mm in die Breite und 1200mm in die Höhe. Als Steuerungstechnik wurde eine Simatic S7-300 CPU-313-2DP installiert. In einem Schaltkasten sind die gesamten Leistungsteile der Anlage eingebaut. Diese Leistungsteile werden über ein ET200S Siemens Steuerungssystem angesteuert. Die Luftdruckversorgung zum Ausblasen der Leitungen beträgt 2.5m3/h mit einem Druck von 10bar. Die unter dem Filterpaket befindlichen 2-teiligen Arbeitsplatten bestehen aus Edelstahl. Es wurden 4 Hochdruckrohrleitungen mit DN38 verbaut.
Abbildung 21: Kammerfilterpresse Frontansicht (links) und Seitenansicht (rechts)
Technische Daten
Platten- und Rahmenformat: 800x800 mm
Gestellgröße: 800/30 mm
Pressenabmessungen: 4258x2080x2135 mm
Leergewicht des Pressengestells: 5600 kg
Filterfläche: 26 m²
Presseninhalt: 286 L
Kuchendicke: 25 mm
Plattenwerkstoff: PP
Auslegungsdruck des Pressengestells: 15 bar Überdruck Max. zulässiger Schließdruck des Pressengestells: 385 bar Überdruck
Ölmenge: 70 L
Klemmleistung des Verschlusses: 2,2 kW
Klemmleistung der Ableitklappen: 0,25 kW
Klemmleistung des Unfallschutzes: 0,05 kW
Klemmleistung der Waschvorrichtung: (Fahrmotor) 0,12 kW Klemmleistung der Waschvorrichtung: (Hubmotor ) 0,25 kW
7.3 Filterpaket
Das Filterpaket wird mit den Filtertüchern von Entstandhaltungsmitarbeitern bespannt. Wichtig ist die Unversehrtheit der einzelnen Filterplatten und Filtertücher zu kontrollieren, damit die im Prozess notwendige Abdichtung gewährleistet wird. Die Filterplatten bestehen aus PP.
Abbildung 22: Filterpaket (links) und Filtertuch (rechts)[VІ]
Abbildung 23: Filterpaket[VІІ]
35
7.4 Beschickung
Zur Beschickung der Filterpresse sind zwei Kolbenmembranpumpen installiert. Die Kolbenmembranpumpe besitzt eine Fördermenge von 12m3/h. Sie erreicht an der Druckseite einen Druck von 15bar. Das Pumpengehäuse ist aus Gusseisen gefertigt. Die eingebaute Membran besteht aus Perbunan. Perbunan ist ein Synthesekautschuk und hat eine sehr hohe Beständigkeit gegen Säuren, Öle, Fette und Kohlenwasserstoffe.[2]
Aus dem Eindickerkeller wird das Abwasser in den Vorlagetank gepumpt. Der Vorlagetank verfügt über ein Rührwerk und eine Niveaumessung. Das Rührwerk muss ständig in Betrieb sein, sonst würde sich das Abwasser aushärten. Ein ausgehärtetes Rohrleitsegment muss im schlimmsten Fall herausgeschnitten werden. Der maximale Füllbereich beträgt 75cm, der minimale Füllbereich hingegen 35cm. Werden diese Grenzen überschritten, so schaltet die Presse ab.
Abbildung 24: Vorlagetank und Exzentermembranpumpe ZBK
7.5 Kontrolle
Vor dem Betrieb 7.5.1
Bevor der Pressbetrieb gestartet wird, werden die 25 Filterplatten auf Verschleiß geprüft. Sollten Filterplatten beschädigt sein, werden sie ab einem gewissen Grad ausgetauscht. Oft erodieren die Filterplattenränder durch den hohen Feststoffanteil während des Betriebs.
Im Leitstand wird die Wasserführung auf Kreisbetrieb geschaltet. Somit wird das System im Kreislauf Eindicker, Vorlagetank geführt. Danach wird auf „Pressbetrieb“ umgeschaltet.
Nach dem Betrieb 7.5.2
Nach dem Betrieb müssen die Leitungen gespült werden, um ein Aushärten dieser zu verhindern. Der verbleibende Rest im Vorlagetank muss ständig gerührt werden. Die Filterpresse verfügt über eine integrierte Waschstation. Nach dem Betrieb werden die Filterplatten mit dieser Waschstation gewaschen und das Resultat vom Benutzer kontrolliert.
7.6 Wann wird gepresst?
Von jedem Eindicker führen zwei Leitungen über ein Drei-Wege Ventil in den Vorlagetank. Es ist entweder nur ein Eindicker oder alle beide für die Beschickung der Kammerfilterpresse in Betrieb.
Dies ist abhängig von Reparatur oder Wartung und von der Beanspruchung des Rührwerks. Die Kraftübertragung in kNm die vom Rührwerk aufgewendet werden muss, ist im Leitstand des Energiebetriebs ersichtlich. Wenn Grenzwerte überschritten werden, wird ein Pressbetrieb eingeleitet.
7.7 Pressbetrieb
Vor dem Pressbetrieb wird die gespeicherte Chargenanzahl auf „0“ gesetzt um später einen besseren Überblick über die geleisteten Chargen, aus Grund der Dokumentation zu erhalten. Die im Pressebetrieb einzustellenden Parameter sind Druck und Durchfluss. Je nach Anwender werden zu Beginn des Pressvorgangs mittels Erfahrungswerten die jeweiligen Parameter eingestellt. In Gesprächen mit den Mitarbeitern kann man aber von einem durchschnittlichen Enddruck von 12bar pro Charge ausgehen. Die erste Charge wird oft mit weniger Druck beaufschlagt. Meistens werden
