Mineralisierung und Minimierung von Abwasserschlamm durch Nassoxidation

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1 Mineralisierung und Minimierung von Abwasserschlamm durch Nassoxidation Hydraulisch aktivierte Reaktor-Speisepumpen Heinz M. Nägel Die Effizienz von Nassoxidationsanlagen hängt entscheidend von der Verfügbarkeit und der Zuverlässigkeit der ab, die den Abwasserschlamm in den Oxidationsreaktor speisen. Hierfür werden normalerweise Verdrängerpumpen eingesetzt. Neben der größtmöglichen Verfügbarkeit müssen diese Aggregate minimale Pulsationen und eine maximale Genauigkeit der Fördermenge gewährleisten. Mit einem hohen Maß an Redundanz und modernsten Diagnosesystemen sind in diesen Anlagen inzwischen fest etabliert. Das Herz dieser Pumpe bilden zwei ineinander angeordnete und hydraulisch aktivierte Schlauchmembranen, obwohl die Pumpe nur eine benötigt, um voll funktionstüchtig zu sein. Die Kontraktion der Schlauchmembranen ist vergleichbar mit einem Darm. Der Abwasserschlamm durchströmt die Pumpe geradlinig und kommt lediglich mit der inneren Schlauchmembrane sowie den Förderventilen in Kontakt, wobei nur die Ventile als wirkliche Verschleißteile gelten. verzichten ganz auf die traditionelle Flachmembrane. Dies erlaubt ein schlankes zylindrisches Design der köpfe, geringere Außenabmessungen und hohe Festigkeit. Doppelte Rückschlagventile gewährleisten eine maximale Genauigkeit (Zuverlässigkeit) der Speisemenge, die für die Ausgeglichenheit innerhalb des Reaktors unerlässlich ist. Nassoxidation beruht auf dem Prinzip der hydrothermalen Oxidation. Dabei wird das Abwasser stark erhitzt und unter hohem Druck in einen Reaktor gepumpt, wo mit Hilfe von reinem Sauerstoff der Oxidationsprozess zur Mineralisierung der organischen Stoffe eingeleitet wird. Im Anschluss an die Nassoxidation erfolgt eine Entwässerung und Trocknung. Die auf ein Minimum reduzierten Reststoffe werden als Deckschicht für Deponien verwendet. Das Verfahren bietet eine umweltfreundliche Alternative zur Verbrennungsmethode und empfiehlt sich vor allem für toxisches Abwasser mit einem hohen Anteil an organischem Abwasser und Schlamm sowie für Städte, für die Landdeponien keine Lösungsmöglichkeit darstellen. Nassoxidation gilt als besonders umweltfreundlich, weil alle Komponenten des Abwasserschlammes recycelt, zurückgewonnen oder ohne negative Auswirkungen an die Umwelt abgegeben werden können. Erste Systeme dieser Art wurden bereits um 1940 von F. J. Zimmermann in den USA entwickelt, um durch partielle Oxidation von Ligninsulfonsäuren künstliches Vanillearoma direkt aus der Aufschlusslauge der Zollstoff- und Papierindustrie zu gewinnen wurde der Zimmermann-Prozess zum Patent angemeldet und rund 10 Jahre später erstmals im Bereich der kommunalen Klärschlammtechnik angewandt. Prozess und Anwendung Inzwischen werden weltweit unterschiedliche Verfahren von namhaften Herstellern angeboten, die mit ebenso unterschiedlichen Drücken und Temperaturen arbeiten. Die Oxidation im Bereich von 150 bis 320 C und Drücken von 10 bis 220 bar unter Ver- 16, Kompressoren und prozesstechnische Komponenten 2012

2 wendung von Luft als Oxidationsmedium wird als Nassoxidation bezeichnet. Höhere Temperaturen erfordern auch einen höheren Druck zur Erhaltung der Flüssigkeitsphase innerhalb des Systems. Die superkritische Nassoxidation erfordert Drücke von über 250 bar und eine Erhitzung des Abwassers auf Temperaturen über 400 C. Unter diesen Bedingungen befindet sich das zu behandelnde Abwasser in einem superkritischen Stadium zwischen Gas und Flüssigkeit. Die organischen Stoffe werden dabei vollkommen auflösbar. Mit der Injektion Oxidation der organischen Stoffe in der flüssigen Phase bei Temperaturen zwischen 125 und 320 C, um eine Verdampfung des Wassers zu verhindern. Die Erhitzung des Schlammes erfolgt durch eine Heizvorrichtung zwischen Pumpe und Reaktor. Das Oxidationsmittel besteht entweder aus Luft, einer sonstigen Sauerstoffquelle oder aus reinem Sauerstoff. Das Oxidationsergebnis ist abhängig von Temperatur, Sauerstoffteildruck, Verweildauer im Reaktor sowie der Oxidierbarkeit der im Abwasserschlamm enthaltenen organischen Stoffe. Entscheidend ist Erleben Sie die Zukunft der Umwelttechnologie DIE TRENDS UND TECHNOLOGIEN DER WASSER- UND ABWASSERW IRTSCHAF T WELTLEITMESSE FÜR WA SSER-, ABWASSER-, ABFALL- UND ROHSTOFF W IRTSCHAF T MAI 2012 IN MÜNCHEN Abb. 1: Nassoxidationsanlage Vereinfachtes Prozessdiagramm von Sauerstoff erfolgt die sofortige Oxidation aller organischen Stoffe, so dass fast nur noch Wasser übrig bleibt, das entweder bedenkenlos abgeleitet oder als Industriewasser weiterverwertet werden kann. Reststoffe an Mineralien, Metallen u. ä. werden der Rückgewinnung zugeführt. Eines haben jedoch alle Verfahren gemeinsam: An erster Stelle des Systems stehen Hochdruckpumpen, die den eingedickten Schlamm in den Oxidationsreaktor fördern. Der chemisch konditionierte Schlamm ist in der Regel toxisch, aggressiv und enthält neben den üblichen Feststoffen auch faserige Bestandteile. Mit Hilfe von Hochdruck-Membranpumpen wird er in den Reaktor gespeist. Während es sich bei Verbrennungsanlagen um eine Oxidation in der gasförmigen Phase handelt, beinhaltet die Nassoxidation eine jedoch vor allem auch das richtige Dosierungsverhältnis von Schlamm und Sauerstoff. Funktion der hermetisch dichten Reaktor-Speisepumpen im Prozess Die Hochdruck-Speisepumpen nehmen eine Schlüsselposition innerhalb der Anlage ein. Damit die erforderliche Schlammmenge nicht unter- oder überschritten wird, darf die Fördermenge nicht von dem spezifizierten Soll abweichen. Für diese Aufgabe haben sich Membranpumpen in langjährigen Testphasen von Pilotanlagen als die beste Lösung erwiesen. Dem Einsatz traditioneller Kolbenmembranpumpen sind jedoch bei der Förderung aggressiver oder abrasiver Medien Grenzen gesetzt. Feststoffe, die sich im unteren bereich zwischen Membrane und Haltering abset- Ihr Termin für wertvolle Kontakte, neue Impulse und vielfältige Markteinblicke Umfangreiches Themenspektrum: alle Anwendungen, Produkte und Dienstleistungen Innovationen renommierter Technologieführer und interessanter Newcomer Internationaler Treffpunkt der gesamten Wasser- und Abwasserbranche Optimale Plattform zur Kontaktpflege und Geschäftsanbahnung Hochkarätiges Rahmenprogramm inklusive GeoBioEnergie Kongress Online-Registrierung für Besucher: Nehmen Sie auch an der IE expo (vormals IFAT CHINA) teil. Mehr unter: Messe München GmbH München Tel Fax info@ifat.de E N T S O RG A A WORLD OF ENVIRONMENTAL SOLUTIONS

3 zen, können zu einem frühzeitigen Membranbruch führen. Nach einem Membranbruch gelangt das Fördermedium bei diesen typen konstruktionsbedingt zwangsläufig in die Hydraulik und kommt dort mit den gleitenden Abdichtungen und der Zylinderfläche in Berührung. Das kann zu erheblichen Zerstörungen und auch zu Folgeschäden an den Hub- und Untersetzungsgetrieben führen. Schlauchmembranpumpen Bei der Schlauchmembran-Konstruktion wurde das traditionelle Membranprinzip in eine flexible Doppel- Schlauchmembrane modifiziert, die wie die traditionelle Kolbenmembranpumpe ebenfalls durch eine Druckmittelflüssigkeit beaufschlagt wird und die Verdrängerwirkung übernimmt. Im getriebe wird die Rotation des Antriebsmotors mit Hilfe eines Kurbeltriebs in eine translatorische Bewegung des Kreuzkopfes umgewandelt, der mit dem Kolben verbunden ist. Der Kolben bewegt über eine hydraulische Vorlageflüssigkeit die beiden Schlauchmembranen, die ineinander angeordnet sind und das Medium umschließen. Sie bilden das Herz dieser Pumpe und gewährleisten gleichzeitig eine zweifache, hermetische Abtrennung zum hydraulischen Antriebsende. Auf die Verwendung von Flachmembranen wird verzichtet. Der Vorteil der Konstruktion liegt im geraden Durchgang, was sich bei der Förderung von Medien, die aggressiv, abrasiv oder mit Feststoffen durchsetzt sind, strömungstechnisch besonders günstig auswirkt, so dass auch Nassoxidationsschlämme mit einem Minimum an Verschleiß gefördert werden können. Ablagerungen, wie sie an der Membraneinspannung konventioneller Kolbenmembranpumpen vorkommen, gibt es bei der Doppel-Schlauchmembranpumpe nicht. Mit einer Vielzahl von technischen und wirtschaftlichen Vorteilen haben sich hydraulisch aktivierte Schlauch-Membran-Kolbenpumpen und daher fest in Nassoxidationsanlagen etabliert. Abb. 2: Schlauch-Membran-Kolbenpumpen Kläranlage Brüssel Nord Verschleißarme Konstruktion Abb. 4: Doppel-Schlauchmembranpumpe Abb. 3: Kläranlage Aix en Provence Auch in puncto Lebensdauer sind hydraulisch aktivierte Schlauchmembranen herkömmlichen Flachmembranen überlegen und werden deshalb nicht als typisches Verschleißteil angesehen. Entgegen mechanisch angetriebenen Schlauchpumpen wird die Schlauchmembrane der Doppel-Schlauchmembranpumpe nicht gestaucht oder geknetet, sondern macht je Hub lediglich eine mit einer Vene vergleichbare Bewegung, womit eine besonders lange Lebensdauer gewährleistet ist. Dabei sind das hydraulische Betätigungssystem und alle empfindlichen Komponenten durch das Schlauchmembran-Paar hermetisch von dem Flüssigkeitsende abgegrenzt. Das Medium kommt nur mit dem Inneren der Primär-Schlauchmembrane und den Ventilen in Berührung und nicht wie bei typischen Kolbenmembranpumpen mit dem zum Teil sehr aufwendigen deckel bzw. kopf. Die saugund druckseitigen Rückschlagventile gelten daher als einzig wirkliche Verschleißteile. Förderventile Bei der Förderung von Abwasserschlamm spielen nicht zuletzt die Förderventile der Pumpe eine entscheidende Rolle. Vor allem, wenn es sich dabei um aggressive Stoffe mit faserigen Bestandteilen handelt, gilt es bereits in der Planungsphase Vorkehrungen zur Verschleißminimierung zu treffen und ein Blockieren der Ventile durch Fest- oder Faserstoffe zu verhindern. Vor diesem Hintergrund werden 18, Kompressoren und prozesstechnische Komponenten 2012

4 , die für den Einsatz in Nassoxidationsanlagen bestimmt sind, auch mit doppelten Rückschlagventilen ausgestattet. Der Beweggrund für diese Sonderausstattung ist nicht darin zu suchen, dass einzelne Ventile nicht effektiv abdichten, sondern vielmehr in dem insgesamt redundanten Charakter der begründet. Falls kurzfristig ein Partikel zwischen Ventilkugel und Ventilsitz eingeklemmt wird und so eine Ventil-Leckage verursacht, sichert das zweite Ventil die Abdichtung und verhindert auf diese Weise den Rückfluss des Mediums und einen daraus resultierenden Mengenverlust. Da Reaktor-Speisepumpen ein besonders hohes Maß an kontinuierlicher Fördermenge erfordern, stellen Doppelventile eine wichtige, zusätzliche Sicherheit dar. Höhere Kosten für Verschleißteile entstehen dadurch nicht, da der Ventilverschleiß vom Differenzdruck abhängig ist und bei der Doppelventil-Variante somit um die Hälfte reduziert wird. Alle Förderventile von Doppel- Schlauchmembranpumpen werden jeweils individuell ausgelegt, sowohl was die Materialwahl als auch was die Strömungsgeschwindigkeit und Strömungsgeometrie betrifft. Bei der Konzeption der Ventile steht eine möglichst lange Betriebszeit im Vordergrund. Darüber hinaus kann jedes theoretisch einem Verschleiß unterliegende Teil direkt ausgebaut werden, ohne dass vorher Nachbarelemente demontiert werden müssen. Kugelventile sind strömungsgünstig und wirken selbstreinigend. Sie Abb. 5: Ausschwenken der Doppelventile (Suspensionsventile) ohne Demontage von Rohrleitungen zeichnen sich durch nahezu optimale cw-werte aus und werden vorzugsweise dort eingesetzt, wo Medien mit hohen Feststoffkonzentrationen oder Viskositäten zu fördern sind. Mit ihrem besonders montageund wartungsfreundlichen Design setzen sich die dauerhaften ventile deutlich von ähnlichen Konstruktionen ab. Die Kassettenbauweise mit Abdrückschrauben sorgt dafür, dass die Ventile ohne vorherige Demontage von Rohrleitungen innerhalb kürzester Zeit ausgebaut und die Innengarnituren, wie Ventilsitze und Ventilkugeln, durch Ausschwenken der Gehäuse gewechselt werden können. Kugelventile stehen für Durchmesser bis 300 mm und einen Maximaldruck von 400 bar zur Verfügung. Die Verschleißrate ist dabei nicht nur von Betriebsdruck und Korngröße, sondern vor allem auch von Druckpulsationen abhängig. Positive Verdrängerpumpen unterliegen je nach Bauart höchst unterschiedlichen Pulsationen. Die Abweichung vom konstanten Volumenstrom spiegelt sich in der kinematischen Ungleichförmigkeit wider. Die Fördercharakteristik einer Einzylinderpumpe verläuft etwa sinusförmig. Beim Vergleich von einfach und doppeltwirkenden Ein- und Mehrzylinderpumpen ist zu erkennen, dass der Ungleichförmigkeitsgrad bei ungerader Zylinderzahl bedeutend kleiner ist als bei gerader Anzahl. Daher werden bevorzugt mit ungerader Zylinderzahl ausgeführt. Bei Schlauchmembranpumpen han- Besuchen Sie uns auf der ACHEMA Halle 8.0, Stand B Juni 2012 in Frankfurt a. M. PUMPEN ARMATUREN SERVICE Quality is our success! Klaus Union GmbH & Co. KG Blumenfeldstr Bochum Germany Telefon Telefax , Kompressoren und prozesstechnische Komponenten Internet

5 delt es sich daher überwiegend um einfach wirkende Drillingspumpen. Bei Triplexpumpen beträgt die kinematische Ungleichförmigkeit 23.0 % (siehe Abb. 6) im Vergleich zu 32,5 % bei doppelt wirkenden Duplexpumpen (siehe Abb. 7). Spezielle Pulsationsdämpfer (Pulsorber) sorgen dafür, dass die Restpulsation auf 0,5 % p to p reduziert werden kann. der Regel vorbeugende oder korrektive Wartungen nach Schadenseintritt erforderlich sind, bieten mit vernünftiger Redundanz ideale Voraussetzungen für eine prädiktive Wartung. Hierzu sind sie mit einem umfassenden Diagnosesystem zur permanenten Zustandsüberwachung essenzieller Komponenten und Pate dann erst mühsam herausgefunden werden. Dabei war es nicht selten erforderlich, alle Förderventile zu demontieren und zu überprüfen. Wirkungsgradverluste während der Schadensentstehung wurden in Kauf genommen. Zum rechtzeitigen Erkennen von Verschleißentwicklungen an Förderventilen verfügen Schlauchmembranpumpen über ein maßgeschneidertes Valve Performance Monitoring System FVPMS (siehe Abb. 9). Das Messprinzip basiert auf der Körperschall- Analyse der Förderventile und erkennt Leckagen bereits zu einem frühen Zeitpunkt, wenn der Fördermengenverlust noch unter 1,5 % liegt. Abb. 6: Förderstromverlauf einer einfach wirkenden Dreizylinderpumpe Bei diesem Messprinzip macht man sich den Effekt zunutze, dass mit einer beginnenden Leckage in den För- Abb. 7: Förderstromverlauf einer doppelt wirkenden Zweizylinderpumpe mit beidseitiger Kolbenstange Condition Monitoring in Nassoxidationsanlagen müssen vor allem eines: laufen. Unplanmäßiger Stillstand muss unbedingt verhindert werden. Die Aufgabe lautet daher, erste Anzeichen von Verschleiß frühzeitig zu erkennen und die Signale der installierten Überwachungssensoren richtig zu interpretieren. Während bei mechanisch angetriebenen Membranpumpen in rameter ausgestattet (siehe Abb. 8). Hierzu zählen u. a.: Automatische Zustandsüberwachung der Förderventile Bislang wurden bei Membranpumpen Ausfälle oder Leckagen an den Förderventilen erst durch Überschreiten des zulässigen Betriebszustandes deutlich, weil beispielsweise die gewünschte Fördermenge der Pumpe nicht mehr erreicht wurde. Die Ursache für den Mengenverlust muss- Abb. 9: Zustandsüberwachung der Ventile derventilen eine partielle Unterschreitung des Dampfdrucks des Fördermediums auftritt. Diese nicht erwünschte Drosselstelle erzeugt eine Strömungskavitation mit einem entsprechenden Schallspektrum. Dies ist gleichzeitig eine Messgröße für die sich anbahnende Leckage im Ventil. Mit Hilfe des FVPMS können Betriebssicherheit und Verfügbarkeit der erheblich erhöht werden, da Verschleiß an Förderventilen schon im Frühstadium präzise lokalisiert wird. Dies verhindert Energieverluste und ermöglicht eine Vorplanung von Service-/Reparaturarbeiten. Abb. 8: Doppel-Schlauchmembranpumpe in Quintuplex-Ausführung mit saug- und druckseitigen Pulsationsdämpfern und Diag nosesystemen Hose-Diaphragm Guard (HDG) Das Herzstück der Pumpe besteht aus zwei ineinander angeordneten Schlauchmembranen, die jedoch auch alleine voll funktionsfähig sind. 20, Kompressoren und prozesstechnische Komponenten 2012

6 Die dem Medium zugewandte Primär-Schlauchmembrane ist hydraulisch mit der komplementärseitigen (der Hydraulikflüssigkeit zugewandten) Schlauchmembrane (Sekundärmembrane) verbunden. Der Zwischenraum, der in eine zentrale Übergabestelle mündet, ist drucklos. Die permanente Zustandsüberwachung der Schlauchmembranen erfordert daher keine Leitfähigkeitssonden, wie sie bei Kolbenmembranpumpen benötigt werden. Die Kontrolle erfolgt vielmehr mittels Drucksensoren, Manometern oder Kontaktmanometern. Bei Undichtigkeit oder Ausfall einer der beiden Schlauchmembranen gelangt Medium oder Vorlageflüssigkeit in den drucklosen Zwischenraum. Der daraus resultierende Druckaufbau wird zur Zustandsüberwachung übertragen, die ein Signal zur Verfügung stellt, das auf vielfältige Art verarbeitet werden kann. Bei einem Defekt einer der beiden Schlauchmembranen kann die Pumpe mit der Sicherheit konventioneller Kolbenmembranpumpen bis zum nächsten geplanten Stillstand weiterarbeiten. Die zweite Schlauchmembrane gewährleistet eine hermetische Trennung zwischen Medium und Hydraulik und sorgt dafür, dass das Medium nicht mit dem gehäuse in Berührung kommt oder nach außen gelangt. SuctionGuard (SG) Uneingeschränkte Zulaufbedingun gen bei angemessenem Saugdruck sind Voraussetzung für einen einwandfreien Betrieb. Die zuverlässige Überwachung des Saugdruckes erfolgt an Messstellen, bei denen das Fördermedium großflächig durch eine elastische Trennmembrane vom Messinstrument getrennt wird. Touch Panels Zur weiteren Unterstützung des redundanten Charakters von sowie zur frühzeitigen Erkennung von Fehlern und der Gewährleistung einer maximalen Verfügbarkeit können die darüber hinaus mit Touch Panels (siehe Abb. 10) ausgestattet werden. Die in den Schaltschrank integrierten Panels verleihen der Pumpe einen transparenten Charakter und geben dem Betreiber Aufschluss über aktuelle Betriebsparameter sowie den Zustand essenzieller Teile. Bus-Systeme sorgen für die Anbindung des Touch Panels an lokale Prozessleittechnik, wobei PROFIBUS (Process Field Bus) die besten Voraussetzungen zur Kommunikation und Steuerung von System-Frequenzumformern, SPS, Touch Panel und FVPMS bietet. Neue Cantilever-Vertikalpumpe TPC Vertikale Kunststoffpumpe ohne Fußlager trockenlaufsicher Die von MUNSCH neu entwickelte Chemie- Vertikalpumpe TPC wird als trockenlaufsichere Pumpe zur Förderung von Säuren, Laugen, chemisch belasteten korrosiven Medien und Abwässern, auch mit Feststoffen, eingesetzt. Sowohl in Nass- als auch in Trockenaufstellung fördert sie direkt aus Behältern und Becken. Die Standardtauchlängen von 1000, 1500 und 1800 mm können durch ein Saugrohr auf 3400 mm verlängert werden. Werkstoffe Die Chemiepumpen sind lieferbar aus den Kunststoffen PP, PE-UHMW und PVDF. MUNSCH Chemie- GmbH Im Staudchen, D Ransbach-Baumbach Tel.: Fax: FelWebGuard (FWG) Das System ist mit dem Internet verbunden. Wenn Ist-Werte von programmierten Soll-Werten abweichen, sendet das System per eine entsprechende Nachricht an einen Service-Techniker. Darüber hinaus kann eine bidirektionale VPN Leitung aufgebaut werden, die einen ferngesteuerten Eingriff in die Steuerung der Pumpe ermöglicht. Das System erlaubt nicht nur eine höhere Verfügbarkeit und Produktivität, sondern darüber hinaus auch eine Reduktion der Servicekosten. Alle kritischen Parameter werden in Ampellogik dargestellt. Mit modernsten maschinel len und elektronischen Komponenten sind auch dann bestens für höchste Anforderungen in Nass oxidationsanlagen gerüstet, wenn es sich um superkritische Systeme mit Drücken über 250 bar handelt. Die zylindrischen gehäuse der Doppel- Schlauchmembranpumpe erlauben dabei nicht nur eine geringere Grundfläche als Flachmembrangehäuse, sondern gewährleisten darüber hinaus auch eine höhere Steifigkeit mit einem ausgezeichneten hydraulischen Wirkungsgrad bei Drücken bis 500 bar. Referenzen 1) Water Practice & Technology Vol 5 No. 1 2) Veolia Water Athos TempGuard (TG) Die Überwachung von Hydrauliköl- und Getriebeöltemperatur übernehmen PT 100 Temperatursensoren. Abb. 10: Touch Panel zur gleichzeitigen Überwachung von zwei Triplex- Heinz M. Nägel, Geschäftsführender Gesellschafter der FELUWA GmbH, Mürlenbach, Kompressoren und prozesstechnische Komponenten