Ontwerp en ontwikkeling van een geïntegreerd waterbehandelingsproces
Behandeling van water afkomstig van een ontziltingsinstallatie en behandeling van afvalwater met polyethyleenimine en opgeloste zouten
Projectoverzicht
Klant: Sirona Technologies
Locatie: Sultanaat Oman
Sector: Technologie
Belangrijkste resultaten
Waterproductie-eenheid ontworpen
Een omgekeerde-osmosesysteem dat gedemineraliseerd water produceert met een terugwinningspercentage van 76,2%, dat volledig voorziet in de aanvullingswaterbehoefte van het DAC-proces tegen een totale operationele kost van 6,12 €/m³.
Afvalwaterbehandelingsproces gedefinieerd
Vier technologieën geëvalueerd via drie techno-economische modellen, waarbij nanofiltratie werd geïdentificeerd als de voorkeurstechnologie voor de verwijdering van polyethyleenimine tot onder de lozingslimiet van 0,5 mg/L.
Investerings- en exploitatiekosten gekwantificeerd
De kapitaalinvestering voor de waterproductie-eenheid wordt geraamd op 25 tot 60 k€, met een duidelijke afweging tussen een manuele en een volledig geautomatiseerde configuratie.
De uitdaging
Een Direct Air Capture-systeem op een afgelegen, droge locatie waar water zowel onmisbaar is voor het proces als schaars, en behandeling vereist op zowel de aanvoer- als de lozingskant.
Sirona Technologies ontwikkelt en produceert Direct Air Capture (DAC)-systemen die zijn ontworpen om CO₂ uit de atmosfeer te verwijderen voor permanente ondergrondse opslag. Water speelt een cruciale rol in het DAC-proces: het wordt gebruikt als zowel warmtedrager als chemisch medium in een stoom-condensaatcyclus. Een poreus sorbens vangt CO₂ uit de lucht op en geeft het vrij wanneer het wordt verhit met stoom tijdens de regeneratie. Het grootste deel van de stoom keert als condensaat terug naar het systeem, maar verliezen zijn onvermijdelijk, waardoor een continue aanvoer van hoogzuiver aanvullingswater noodzakelijk is.
De geplande locatie bevindt zich in een afgelegen gebied van het Sultanaat Oman, nabij de kustlijn. Er is geen geschikte waterbron op de site beschikbaar: het voedingswater moet worden betrokken van een nabijgelegen ontziltingsinstallatie, via een leidingnet of per vrachtwagen.
Dit water moet worden behandeld tot gedemineraliseerde kwaliteit voordat het de ketel veilig kan voeden, aangezien kalkaanslag en corrosie zowel de procesefficiëntie als de levensduur van de apparatuur in gevaar zouden brengen.
Aan de lozingskant bevatten de condensaten die worden geproduceerd tijdens de CO₂-desorptiecycli sporen van polyethyleenimine (PEI), een sorbenschemicalie die wordt gebruikt in het captureproces. PEI mag zich niet ophopen in de ketel en mag niet worden geloosd boven 0,5 mg/L. Opgeloste zouten uit ketelspuiwater vormen een tweede behandelingsuitdaging, met een lozingslimiet van 3.000 mg/L. Beide stromen vereisen behandeling voordat enig effluent veilig kan worden geloosd.
Sirona gaf Revalio de opdracht een geïntegreerde waterbeheersstrategie te ontwerpen voor zowel de aanvoer- als de lozingskant van het DAC-proces, en de techno-economische basis te leveren voor investeringsbeslissingen.
Wat Revalio heeft uitgevoerd
De studie werd opgedeeld in twee delen, elk met een methodologie van kwaliteitskartering, technologieselectie, behandelingsontwerp en techno-economische analyse.
Deel A: Waterproductie-eenheid
Het voedingswater van de ontziltingsinstallatie bleek van relatief hoge kwaliteit, dicht bij drinkwaternormen. Om de ketel echter te beschermen tegen kalkaanslag en corrosie en meer dan 200 concentratiecycli mogelijk te maken, is een geleidingsvermogen onder 30 μS/cm vereist, wat het voedingswater alleen niet kan halen.
Omgekeerde osmose (RO) werd geïdentificeerd als de meest betrouwbare en kosteneffectieve technologie om dit kwaliteitskloof te overbruggen. Een voorbehandelingssequentie werd ontworpen stroomopwaarts van het RO-membraan, bestaande uit microfiltratie, actieve kool, ontharding en UV-desinfectie, om het membraan te beschermen en de levensduur te verlengen.
De RO-eenheid werd gedimensioneerd op een nominaal debiet van 400 L/u om te voldoen aan de ontwerpcapaciteit van het DAC van 157 L/u, met marge voor operationele variabiliteit. In een conservatief scenario van 15°C produceert het systeem permeaat bij ongeveer 8 μS/cm met een terugwinning van 76,2%. De totale onttrekking aan de ontziltingsaanvoer wordt geraamd op 1.731 m³/jaar om 1.319 m³/jaar gedemineraliseerd water te produceren. De kapitaalinvestering wordt geraamd op 25 tot 60 k€ afhankelijk van het niveau van instrumentatie en automatisering, met exploitatiekosten van 4,9 €/m³ die voornamelijk worden gedreven door de aankoopprijs van het voedingswater.
Deel B: Afvalwaterbehandeling
Twee lozingsstromen vereisen behandeling: condensaten uit CO₂-desorptiecycli die PEI bevatten, en ketelspuiwater met opgeloste zouten. Vier technologieën werden geëvalueerd: actieve kool (AK), nanofiltratie (NF) en combinaties van beide.
Behandelingsscenario | PEI-verwijdering | Spuivolume | Complexiteit |
Actieve kool alleen | ~90% | Hoog | Laag |
AK gecombineerd met NF | ~100% | Max 40 L/h | Gemiddeld |
Nanofiltratie alleen | ~100% | Max 10 L/h | Hoger |
Nanofiltratie alleen bleek de meest aantrekkelijke optie: het bereikt bijna 100% PEI-verwijdering, genereert het laagste volume vloeibaar afval, vereist geen verwijdering van droog afval en voorkomt volledig dat PEI de ketel binnentreedt. De toevoeging van een passief verdampingsbekken in open lucht, waarvoor 100 tot 140 m² oppervlakte nodig is, kan de vloeibare afvalvolumes verder verminderen en de exploitatiekosten minimaliseren. Actieve kool werd behouden als back-upoptie voor onderhoudsperioden of systeemstoringen.
Hoe de studie werkt
Revalio's ingenieursstudie volgt een gestructureerde aanpak die is ontworpen om technologische investeringen te ontrisken voordat kapitaal wordt vastgelegd.
Het proces begint met kwaliteitskartering: precies definiëren wat elke waterstroom bij ingang bevat en wat deze bij uitgang moet voldoen, of het nu gaat om procesgebruik of naleving van lozingsnormen. Technologieën worden vervolgens beoordeeld en geselecteerd op basis van deze kwaliteitsdoelstellingen, en gedetailleerde modellen worden opgebouwd om prestaties, waterverbruik, afvalproductie en kosten per scenario te vergelijken.
Voor Sirona betekende dit gelijktijdig werken aan twee zeer verschillende behandelingsproblemen: ultrazuiver water produceren uit een ontziltingsaanvoer in een afgelegen woestijnomgeving, en een chemisch specifieke afvalwaterstroom behandelen die een sorbensverbinding bevat met strikte regelgevende lozingslimieten. Door beide op te lossen binnen één geïntegreerde studie kon Revalio synergieën identificeren, apparatuur consistent dimensioneren en een coherente ontwerpbasis leveren voor het volledige waterbeheerssysteem.
Studieresultaten
✓ Omgekeerde osmose geselecteerd en gedimensioneerd als voorkeurstechnologie voor waterproductie, met een volledige voorbehandelingssequentie gedefinieerd en gesimuleerd onder conservatieve operationele omstandigheden.
✓ Waterproductie-eenheid gedimensioneerd op 400 L/u nominale capaciteit, die gedemineraliseerd water produceert bij 8 μS/cm en 76,2% terugwinning, ruimschoots voldoend aan de aanvullingsvraag van 157 L/u van het DAC.
✓ Vier afvalwaterbehandelingstechnologieën geëvalueerd via drie techno-economische modellen, waarbij nanofiltratie werd geïdentificeerd als de voorkeurstechnologie voor PEI-verwijdering tot onder 0,5 mg/L.
✓ Kapitaalinvestering gekwantificeerd op 25 tot 60 k€ voor de waterproductie-eenheid, met een exploitatiekost van 4,9 €/m³, wat een solide basis biedt voor investeringsbeslissingen.
✓ Passieve verdamping geïdentificeerd als een kosteneffectieve optie voor minimalisatie van vloeibaar afval, waarvoor 100 tot 140 m² open-lucht bekkenoppervlak nodig is om 10 L/u PEI-verontreinigd spuiwater te verwerken.
✓ Een duidelijke reeks aanbevelingen en vervolgstappen opgeleverd, waaronder nanofiltratiestests op pilootschaal, bemonstering van variabiliteit van het voedingswater en gedetailleerde engineering voor het gekozen behandelingsconcept.
Heeft u nood aan een studie voor uw proceswater- of afvalwaterbehandelingsuitdagingen?
Heeft u nood aan een studie voor uw proceswater- of afvalwaterbehandelingsuitdagingen? Wanneer water zowel een kritische procesgrondstof als een gereglementeerde lozing is, is het bepalen van de juiste behandelingsstrategie vóór de start van de bouw geen optie. Revalio ontwerpt en levert ingenieursstudies die u de technische en economische duidelijkheid geven om met vertrouwen investeringsbeslissingen te nemen.
Praat met onze experts.