Die Öl- und Gasindustrie produziert erhebliche Mengen an Abwasser, sowohl vor, als auch nach der Förderung des Rohöls. Dieses muss der Betreiber behandeln, bevor es in die Umwelt gelangt, da es stark verschmutzt ist. ClearFox® verfügt neben den Techniken, Anlagen und Lösungen auch über jahrelange Erfahrung in der Behandlung des produzierten Abwassers.
Öl- und Gasindustrie
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Sektor
Die Öl- und Gasindustrie ist unter den zehn größten Wasserverbrauchern der Welt gelistet und verursacht eine erhebliche Wasserverschmutzung. Zum einen ist die Öl- und Gasindustrie mit höheren Standards für den Umweltschutz konfrontiert, zum anderen bietet der Handel seine Produkte, die aus Erdöl bestehen, zu immer niedrigeren Preisen an. Der Wassermangel auf den meisten Bohrplätzen verschärft die Umweltsituation meist noch. An vielen Standorten ist die Behandlung der Abwässer nicht ausreichend, um den örtlichen Vorschriften zu entsprechen. Die Abwasseraufbereitung auf Ölfeldern sehen viele Betreiber und deren Regierungen nun als Priorität.
Die Abwässer der Öl- und Gasindustrie sind auf unterschiedliche Weise verunreinigt. Das ClearFox®-Team setzt ein bewährtes Modulsystem ein, welches immer auf die jeweilige Anforderung angepasst ist.
Mit dem Modulsystem für die Öl- und Gasindustrie hat ClearFox® weltweit Erfahrungen in der Reinigung unterschiedlicher Abwassertypen gesammelt. Daher ist das Unternehmen Mitglied in den führenden Fachverbänden Deutschlands:
Herausforderungen
Die Abwässer aus der Öl- und Gasindustrie sind in ihrer Menge und Schmutzfracht sehr unterschiedlich. Dies hängt von vielen Faktoren ab. Je nach geologischem Aufbau des Untergrundes und Alter des Bohrlochs können sich diese Abwässer in Art und Konzentration der Inhaltsstoffe erheblich unterscheiden. Aus diesem Grund konzipiert das ClearFox®-Team für jeden Fall eine spezifische Lösung. Durch den Einsatz modularer Prozesstechnologien können die Abwasserspezialisten die Module auf jede Durchflussmenge, Schmutzfracht und Abwasseranforderung anpassen.
Das produzierte Abwasser kann folgende Eigenschaften aufweisen:
- pH-Wert 4 – 7
- Der Ölgehalt beträgt bis zu 1 g/l. Die Anlage filtert das Öl meist vorher aus dem produzierten Wasser heraus, da es der eigentliche Wertstoff ist.
- Salzkonzentration (Salinität). Die Salinität ist ein typisches Merkmal des Abwassers. Es kann über 180 g Salz pro Liter enthalten. Dies ist meist am TDS zu erkennen, der im Wesentlichen aus Natriumchlorid besteht. Auch der Chloridgehalt ist ein wichtiger Indikator. Viele Produktionswässer gelten als hypersalin – mit Salz übersättigt.
Summe der gelösten Stoffe (total dissolved solids – TDS) bis zu 300.000 mg/l, hauptsächlich verursacht durch Natriumchlorid- Summe der abfiltrierbaren Stoffe (total suspended solids – TSS) zwischen 50 und 1.000 mg/l
- Temperatur zwischen 15 und 35 Grad Celsius, regional unterschiedlich
- Kohlenwasserstoffe (aliphatische und aromatische Kohlenwasserstoffe KW)
- Flüchtige, aromatische Kohlenwasserstoffe (BTEX – Summe aus Benzol, Toluol, Ethylbenzol und Xylol) und polyzyklische, aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK) (PAK und Alkylphenole sind im Abwasser nicht so gut löslich, daher befinden sie sich oft im dispergierten Öl, das heißt in kleineren Öltropfen suspendiert. Die Menge hängt von den Vorbehandlungen und der Art des geförderten Rohstoffs ab).
- Organische Säuren wie Benzoesäuren
- Dispergierte Kohlenwasserstoffe, Naphtha-Rückstände
- Summenparameter für Sauerstoffbedarf: chemisch (CSB) und biologisch (BSB). Dies sind zwei typische Summenparameter für den Sauerstoffbedarf (chemischer Sauerstoffbedarf (CSB) und biologischer Sauerstoffbedarf (BSB), meist in fünf Tagen bestimmt). Das Verhältnis dieser beiden Summenparameter gibt einen Hinweis auf die Abbaubarkeit des Abwassers. BSB-Werte variieren von 500 bis 3.000 mg/l, CSB-Werte unterscheiden sich von 2.000 bis 20.000 mg/l.
- Stickstoff, Phosphor (nur in Spuren im Verhältnis zum Kohlenstoff vorhanden, kann aber einen Überschuss an Stickstoff enthalten, den die Anlage bei einigen Direkteinleitungen entfernen muss)
- Sulfide, abhängig vom Einleitwasser
- Schwermetalle (Bor, Cadmium, Kupfer, Quecksilber, Eisen und vieles mehr)
- Radioaktive Stoffe (naturally occuring radioactive material NORM, technisch angereichert)
- Uran, Thorium, Radium mit seinen Zerfallsprodukten sowie Radon, Blei 210, Kalium 40, Polonium (teilweise gasförmig, besonders konzentriert in den Schlämmen und Ablagerungen, Frachten bis zu 15.000 Bq/g, durchschnittliche Abfallfracht 100 Bq/g)
Lösung
Die Prozesstechnik ist eine Herausforderung. Es gibt keine allgemeine Technik für die Aufbereitung von Abwasser aus der Öl- und Gasindustrie. Natürlich stellen die verschiedenen Hersteller ihr eigenes Produkt immer so dar, als wäre es ein Allheilmittel. Bezugnehmend auf Kriterien wie Reinigungsleistung, Platzbedarf, Betriebskosten, Investitionskosten sowie Nachhaltigkeit, ist die Kombination verschiedener Verfahrenstechniken die beste Lösung.
Mechanische Reinigung in der Öl- und Gasindustrie
Die mechanische Reinigung ist in der Öl- und Gasindustrie notwendig, um leicht siebbare Stoffe aus dem Abwasser zu entfernen und die nachgeschalteten Aggregate zu schützen. Meist ist diese Art der Reinigung bereits in der Vorbehandlung enthalten. Absetzbecken sind zwar einfach in der Anwendung, sie entfernen aber nur Schwebstoffe und der Platzbedarf ist hoch. Siebanlagen entfernen mechanisch alle Partikel, sind effektiver und sparen Platz. Der Wartungsaufwand ist jedoch höher.
Oxidation in der Öl- und Gasindustrie
Ziel der Oxidation ist, reine Kohlenstoffverbindungen vom gelösten in den suspendierten Zustand zu bringen. Dies macht Verbindungen biologisch abbaubar, lässt Schwermetalle oxidieren sowie organische und anorganische Bestandteile aus dem Abwasser der Öl- und Gasindustrie entfernen. Diese Anwendung ist universell einsetzbar und immer für ein ausgezeichnetes Ergebnis geeignet. Im typischen Verfahren sind starke Oxidationsmittel wie Ozon, Wasserstoffperoxid mit und ohne UV-Desinfektion, wie Fenton-Verfahren notwendig.
Bei der katalytischen Nassoxidation übersättigt Druck die Luft im Wasser und erhöht damit die Temperatur. Dies erfordert ein hohes Reaktionsvolumen und damit einen teuren Behälterbau. In diesem Fall ist eine Nachbehandlung des Abwassers der Öl- und Gasindustrie für die darauffolgenden Prozesse notwendig. Zudem erfordert Ozon hohe Sicherheitsvorschriften und der Strombedarf ist enorm.
Bei der fortgeschrittenen, elektrochemischen Oxidation (AEO) legt die Anlage ein Potential zwischen zwei oberflächenbeschichteten Elektroden an. Chemikalien kommen dabei nicht zum Einsatz, der Prozess ist drucklos, ungefährlich und nicht explosiv. Zudem findet die Oxidation an der Oberfläche oder indirekt durch Radikalbildung statt. Die Dotierung des Elektrodenmaterials passen die Entwickler an die Herausforderungen (Schwermetalle, NORM, CSB, AOX, etc.) an.
Die Anfangsinvestition, wie Diamantelektrode mit Bor-Dotierung oder BDD-Elektrode, kann bei hochwertiger Dotierung groß sein. Die Stromkosten sind moderat, zudem sinkt bei gut leitfähigem Abwasser der Stromverbrauch. Dieses Verfahren ist einsetzbar, um fast alle Verunreinigungen im anfallenden Abwasser der Öl- und Gasindustrie abzufangen. Dieses kann die Anlage soweit behandeln, dass es direkt in die Umwelt fließen kann.
Druckentspannungsflotation (DAF) / mit Niederschlag (DAP)
Die Flotation (in Verbindung mit Fällung und Flockung) hat einen sehr hohen physikalischen Trenneffekt, insbesondere bei Ölen oder Emulsionen, die die Anlage zuvor aufgespalten hat. Dies ist in der Öl- und Gasindustrie insbesondere bei anfallenden Abwässern als Standardtechnologie notwendig, um nachfolgende Prozessschritte zu entlasten. Rückstände sind die abgeschiedenen, ungelösten Stoffe, die im Abwasser enthalten sind. Die Investitionskosten sind gering, die Art der Schlammbeseitigung bestimmt die Betriebskosten.
Chemische Behandlung (Ausfällung, Hydroxidbildung)
Bei der chemischen Behandlung nutzt die Anlage Fällungsmittel zur gezielten Bindung von im Wasser unlöslichen Stoffen (Schwermetalle, CSB, Phosphor), die sie dann entfernt (Flockung, Flotation, Filtration). Die Investitionskosten sind vernachlässigbar, die Technik ist einfach. Mit der Zugabe von chemischen Stoffen fällt immer mehr Schlamm an, da Verbindungen entstehen. Die Kosten für die Chemikalien können die Betriebskosten extrem erhöhen. Der entstehende Schlamm kann Verbindungen enthalten, die toxisch sind. Bei hohen NORM-Konzentrationen muss das System so ausgelegt sein, dass es keine Ablagerungen oder chemische Senken in den Systemkomponenten gibt.
Mikrofiltration (Sand-Anthrazit, Filtertrommeln)
Bei der Mikrofiltrarion kommen, je nach Filtrationsgrad, Filtertrommeln oder mehrschichtige Sandfilter (Anthrazit) zur Entfernung von Schwebstoffen zum Einsatz. Dabei fallen geringe Investitionskosten an und die Installation ist relativ einfach. Zudem muss die Anlage Senken bei hohen NORM – Konzentrationen vermeiden.
Biologische Behandlung (aerob) in der Öl- und Gasindustrie
Geeignete Mikroorganismen oxidieren und reduzieren Kohlenstoff und Stickstoff. Diese müssen unter geeigneten Milieubedingungen (Sauerstoff, keine Hemmstoffe und Nährstoffe) lange genug mit dem Abwasser der Öl- und Gasindustrie in Kontakt sein. Für das anfallende Abwasser ist ein sehr hohes Schlammalter (hohe Keimkonzentration) erforderlich. Dies erreichen nur sessile Verfahren oder erhöhte Schlammkonzentrationen, welche da Wasser durch Membranen (MBR) leiten.
Je nach Salzgehalt sinkt die biologische Aktivität, was zur Verdünnung oder größeren Auslegung des Abwassers führt. Halophile Bakterien reduzieren den BSB und damit die CSB-Fracht im produzierten Abwasser. Dabei entsteht ein sehr hoher Platzbedarf für das Reaktionsvolumen (nur in seltenen Fällen im Offshore-Bereich möglich). Dadurch entstehen geringe Rückstände, sehr geringe Betriebskosten und Investitionskosten je nach Behälterbedarf. Diese sind moderat, jedoch nur bei biologischer Abbaubarkeit einsetzbar.
Grundsätzlich kann die Anlage das anfallende Abwasser der Öl- und Gasindustrie mit speziell gezüchteten Organismen oder konzentrierten Bakterien beimpfen oder die, im System natürlich vorkommenden Bakterien erhöhen. Dies erfordert eine lange Anlaufphase, ist aber sicherer und dauerhaft mit null Kosten verbunden. In jedem Fall ist vorher die Bestimmung des BSB erforderlich, damit das Abwasser abbaubar ist. Die Verfügbarkeit beim TOC und das Verhältnis des chemisch oxidierbaren zum biologisch oxidierbaren sind ausreichend für einen wirtschaftlichen Prozess. Getauchte Festbettreaktoren (FBR) sind sehr aufwendig zu bauen, aber kaskadierte Reaktoren sind ideal für die Behandlung von Abwässern aus der Öl- und Gasindustrie.
Sequenzielle Biologische Reinigung (SBR) und MBR sind nicht ideal, da die freischwimmenden Organismen nur unzureichend EPS aufbauen und daher nur Monokulturen bilden. Membranbioreaktoren (MBR) sind wie eine Kombination aus Belebtschlammbiologie und Filtration durch Membranen. Die Investitionskosten sind gering, aber durch den hohen Vorreinigungsgrad bei anfallenden Abwässern nur bedingt nutzbar. Membranbeständigkeit und gute Flockenbildung in der Biologie sind die Voraussetzungen für einen stabilen Betrieb. Tropfkörper sind für das anfallende Abwasser sehr gut geeignet, jedoch nur in kleinen Mengen nutzbar, da der Platzbedarf die Kosten übersteigt.
Grundsätzlich sind biologische Verfahren für Abwässer aus der Öl- und Gasindustrie zu favorisieren, wenn die Anlage mit geringem Aufwand eine hohe Wirkung erzielen soll und die biologische Abbaubarkeit gegeben ist. Dies ist in der Regel auch dann gerechtfertigt, wenn das Abwasser auf niedrigere Salzkonzentrationen (bis zu 60.000 mg/l NaCl) verdünnt ist, um den halophilen Bakterien das richtige Milieu zu bieten
Ultrafiltration, Nanofiltration, Umkehrosmose in der Öl- und Gasindustrie
Alle Verfahren finden Einsatz, um feine Schwebstoffe zu entfernen, die aus vorangegangenen Schritten stammen oder bereits im Abwasser waren. Die Ultrafiltration (abhängig von der Abtrennung der Membran) konkurriert mit der einfachen Mikrofiltration. Bei jedem anfallenden Wasser muss das ClearFox®-Team auf die erzielbare Wirkung und den Aufwand achten. Dieser muss in einem angemessenen Verhältnis stehen. Die Nanofiltration hat hohe Investitionskosten, die Betriebskosten sind höher.
Je nach Prozessanforderung kann dieses Verfahren in Verbindung mit bisherigen Technologien eine gute Option sein, das Abwasser der Öl- und Gasindustrie über den direkten Filtrationsweg auf Ablaufqualität zu bringen. Auf den ersten Blick eignet sich die Umkehrosmose als universelle Trennmöglichkeit für fast alle Inhaltsstoffe im produzierten Wasser. Allerdings lohnt sich die Umkehrosmose hier meist nur, wenn die Anlage einen Teilstrom für die menschliche Nutzung aufbereiten soll.
Hohe Salzgehalte reduzieren in der Regel die Menge. Die Umkehrosmose erfordert eine gute Vorbehandlung (meist Biologie und Nanofiltration) und ist sehr teuer in Investition und Betrieb (Chemikalien, Membranen). Um die Fluxraten hoch zu halten, muss die Anlage Chemikalien zugeben, um ein Fouling der Membranen zu verhindern.
ClearFox®-Aktivkohle nach Fuzzy-Filtration und DAP
Adsorption und Ionenaustausch
Bei kleinen Mengen und bei Auswahl der richtigen Materialien ist eine selektive Entfernung vieler Inhaltsstoffe möglich. Dies erfordert eine gute Vorbehandlung. Obwohl die Investitionskosten moderat sind, können die Betriebskosten extrem hoch sein. Dies ist meist nur als Teilstrom zum Polieren geeignet.
Die Prozesstechnik
Vergleich von Prozesstechnologien für produziertes Wasser
| Prozess | Capex | Opex | Stabilität | Sekundärverschmutzung | Effizienz | Platzbedarf |
| Mechanische Aufbereitung | +++ | ++ | + | + | +++ | – |
| DAP | +++ | – | + | — | ++ | + |
| DAF | +++ | + | + | – | + | + |
| Chemische Fällung | +++ | – | + | — | + | +++ |
| Oxidation allgemein | – | – | + | +++ | ++ | |
| Ozon, Katalytische Nassoxidation | — | +++ | ++ | +++ | ++ | ++ |
| AEO | — | +++ | + | +++ | +++ | ++ |
| Biologische Behandlung | – | +++ | + | +++ | + | — |
| Ultrafiltration/Nano | + | + | + | ++ | ++ | + |
| ROA (Osmose) | — | — | + | + | +++ | + |
| Mikro/Sand Antracit-Filter | +++ | +++ | +++ | +++ | + | + |
| Adsorption AC | + | — | ++ | – | ++ | — |
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