Durch den Klimawandel entwickelt sich weltweit Wassermangel, der den bestehenden Wasserstress stetig verstärkt und auch in Deutschland bereits merklich auftritt. Wassermangel bedeutet auch eine Veränderung der Wasserzusammensetzung, wie z.B. Anstiege der mittleren Leitfähigkeit um Faktor 2,5 , oder des Chlorid-Gehalts um Faktor 7 im Zeitraum von 2013 bis 2019 in einem exemplarisch untersuchten Oberflächengewässer. Die Eisen- und Stahlindustrie ist signifikant von Wasserverfügbarkeit abhängig, Anstiege der benannten Gehalte führen unweigerlich zu Problemen wie verstärkter Korrosion z.B. in den Rohrleitungssystemen.
Hieraus resultiert der Bedarf für die Entwicklung eines Prognosetools zur Vorhersage von sich abzeichnenden Engpässen sowie die Entwicklung geeigneter Verfahren zur Erschließung von Abwässern als alternative Wasserquellen zur Sicherstellung der Wasserversorgung. Die Untersuchungen des Verbundprojektes werden bezüglich einer Abwasserbehandlung eines integrierten Hüttenwerkes durchgeführt.
Abbildung 1 (rechts): Abbildung der Wasserwirtschaft eines integrierten Hüttenwerks (Quelle: WEISS_4PN).
Schwerpunkt der Arbeiten des BFI ist die Entsalzung des Ablaufs der zentralen Abwasserbehandlung mittels Membranbasierter Kapazitiver Deionisation (MCDI) mit unterschiedlichen Ionentauschermembranen. Im Rahmen der Projektearbeiten konnten im Ablauf der zentralen Abwasserbehandlung saisonale Schwankungen der Parameter Leitfähigkeit, Chlorid und Sulfat um den Faktor 2 ermittelt werden. Des Weiteren variierte die Leitfähigkeit parallel zum Chlorid-Gehalt in Abhängigkeit der Betriebszustände der jeweiligen Produktionseinheiten und der Abwasserbehandlung im Bereich von 700 bis 2500 µS/cm. Im Ergebnis konnten in den Versuchen zur Entsalzung bei Einsatz einer aktuell marktverfügbaren MCDI (Hersteller I) bis zum Vorliegen bestimmter Chlorid- und Härte-Gehalte im Abwasser die betrieblichen Anforderungen (Chlorid-Gehalt < 150 mg/L, Leitfähigkeit: < 1.600 µS/cm – ideal: < 200 µS/cm) erfüllt werden. Die maximal erzielte Reinwasserausbeute betrug 50%. Im Gegensatz hierzu wurden bei Verwendung der MCDI des Herstellers II die betrieblichen Anforderungen durchgehend erfüllt und Reinwasserausbeuten von bis 70% erzielt. Aktuelle Arbeiten konzentrieren sich auf die Behandlung eines weiteren Abwassers mittels MCDI und der Untersuchung möglicher Auswirkungen von enthaltenen Betriebschemikalien auf den Entsalzungsprozess.
Abbildung 2 (links): MCDI mit modifizierten Membranen und optionaler Vorbehandlungsstufen (Mehrschichtfilter, Aktivkohle, Enthärtung, Antiscalant Dosierung), Hersteller II (Quelle: WEISS_4PN)
Im zweiten Schwerpunkt des BFI steht die Entwicklung und Implementierung eines Prognose-Tools basierend auf der Software SIMBA#, womit die digitale Abbildung einer gesamten Wasserwirtschaft eines industriellen Groß-Komplexes mit z.B. mehr als 20 Wasserkreisläufen und unterschiedlichsten Wasserzusammensetzungen umgesetzt und anhand von Betriebsdaten und Probenahmen validiert wurde. Basierend auf den Ergebnissen der Probenahmen und Versuche wurden verschiedene Szenarien in Bezug auf den Chlorid-Gehalt im Oberflächenwasser (Zusatzwasser) sowie der Auswirkungen der Rückführung des aufbereiteten Ablaufs der zentralen Abwasserbehandlung simulationstechnisch untersucht. Das Modell gibt die Möglichkeite zur Einbindung von Geodaten und Simulation von Prozessschritten zur Monokonzentraterzeugung aus der Entsalzung mittels Nanofiltration als Alternative zur kostenintensiven externen
Abbildung 3 (rechts): Visuelle Darstellung von Korrelations- & Sensitivitätsanalyse (Quelle: WEISS_4PN).
Ein intelligentes Kühlleistungsmanagement bietet die Möglichkeit, die Leistung von Kühlkreislaufsystemen optimal zu nutzen. Aixprocess analysiert hier Daten eines Warmbandwerkes, wobei Produktionsdaten direkt mit Daten der Wasseraufbereitung korreliert werden. Mit den Ergebnissen der Korrelationsanalyse werden die Abhängigkeiten mittels Sensitivitätsanalyse weiter untersucht und dann Plausibilisiert. Der Großteil der Aufwände liegt in der nun abgeschlossenen Datenbereinigung, erste Ergebnisse der Korrelations- & Sensitivitätsanalyse werden aktuell bewertet um weitere Anlagenparameter sinnvoll einzubeziehen. Im nächsten Schritt werden über die Nutzung neuronaler Netze auch in diesem Teilprojekt Prognosen voreilend zur realen Produktion, allerdings nicht über die gesamte Wasserwirtschaft, sondern im Cluster einer einzelnen Produktionsanlage.
Das vielschichtige Verbundprojekt WEISS_4PN beschäftigt sich noch mit vielen weiteren Themen wie speziellen Membranbeschichtungen für Umkehrosmoseanlagen, der Rückgewinnung von technisch reinen Salzen aus Superkonzentraten durch selektive Niedertemperatur Kristallisation, Vorfiltration und Umkehrosmoseanlagen – dazu mehr im nächsten Newsletter.
Weitere Einblicke sind unter dem Link WEISS_4PN - SMS group GmbH (sms-group.com) einsehbar.
Unser Dank gilt dem BMBF als Fördermittelgeber, dem Projektträger PTKA, der DECHEMA für die Unterstützung des Projektes und nicht zuletzt allen Verbundpartnern für ihren engagierten Einsatz.
Unsere Versuche zur „niedertemperatur Destillation Kristallisation“ sind stets auf der Suche nach geeigneten Versuchsmedien – sollte ein Leser/Leserin salzhaltige Konzentrate, Essenzen o.ä. aus beliebigen Prozessen beisteuern können – sprechen Sie uns gerne an!
Für Studenten bietet sich im Rahmen dieses Projektes vielseitige Möglichkeiten für Bachelor oder Masterarbeiten, sowohl im Bereich des Betriebes und Auswertung von Pilotierungen, Erstellung von Big-Data-Engineering im Bereich der Digitalisierung u.v.m. – sprechen Sie uns an!
Unser Ansprechpartner als Projektkoordinator steht Ihnen für Rückfragen gerne zur Verfügung.
