Våta rökgasavsvavlingssystem (FGD) kräver stora mängder vatten, cirka 160 m³ per timme och enhet vid drift, för att bilda kalkstensslammet som används för att avlägsna svaveldioxid (SO₂) från rökgaser. Under processen oxideras kalciumsulfit (CaSO₃·½H₂O) till gips (CaSO₄·2H₂O) genom tillsats av luft, och slammet recirkuleras i systemet. Gips och andra fasta ämnen ackumuleras i reaktionstanken, och när fastinnehållet når cirka 15 % pumpas en del av gypsslammet ut för avvattning. Avvattningen sker vanligtvis med ett horisontellt vakuumbältesfilter som producerar avloppsvatten med höga koncentrationer av upplösta ämnen som klorider, magnesium, kalcium och metaller. Dessa ämnen gör vattnet olämpligt för återanvändning inom kraftverket.

Avloppsvattnet från FGD-processen innehåller ofta höga halter av sulfater, koppar, magnesium- och aluminiumsulfater samt höga totala lösta fasta ämnen (TDS), upp till 50 000 mg/L. Halterna av föroreningar är starkt beroende av sammansättningen i kolet och kalkstenen som används. Rågypsen kan tvättas innan torkning för att minska mängden lösliga salter.

Den ekonomiska bördan för avfallshantering är betydande. Kostnaden för att transportera och deponera FGD-avloppsvatten på en farlig avfallsanläggning uppgår till omkring 2 000 sydafrikanska rand per ton, vilket motsvarar cirka 9,7 miljoner rand i månaden för ett kraftverk med sex enheter.

För att minska dessa kostnader och miljöpåverkan utvecklas avancerade reningssystem som omfattar flera steg. Förbehandlingen av avloppsvattnet innefattar fällning med kalk och sodaaska i kombination med järnklorid för att avlägsna kalcium och minska utfällningar i värmeväxlarna. Därefter justeras pH till 7–8 för att minimera vidare utfällningar innan vattnet leds till koncentratorer för indunstning. Vid koncentrering upphettas vattnet till nära 96 °C, där vattenånga avskiljs medan fasta partiklar hålls kvar med hjälp av intern baffling.

Ett alternativ till traditionell indunstning och fällning är fryskristallisation. Denna teknik bygger på saltavvisande egenskaper under fasövergången när vatten övergår från vätska till is. Genom att kyla ner och frysa avloppsvattnet separeras rent isvatten från den koncentrerade saltlösningen, vilket möjliggör återvinning av både dricksvatten och salter. Denna process kan integreras med omvänd osmos för att ytterligare förbättra vattenreningen och minska mängden restavfall.

Fryskristallisationens effektivitet beror på att de små is kristallerna har en gitterstruktur som inte inkorporerar salter utan pressar ut dem till den koncentrerade brineströmmen. Snabb kristalltillväxt kan dock leda till mindre ren is, varför kontroll av processen är kritisk.

Det är viktigt att förstå att avloppsvatten från rökgasavsvavling är komplexa blandningar där variationer i bränslets och tillsatsmaterialens sammansättning påverkar mängd och typ av föroreningar. Åtgärder för behandling och återvinning måste därför anpassas efter dessa förhållanden för att optimera resursutnyttjandet och minimera miljöpåverkan. Investeringar i avancerade reningstekniker som fryskristallisation kan bidra till både ekonomiska och ekologiska vinster genom att minska beroendet av externa avfallshanteringslösningar och genom att återföra värdefulla resurser till processen.

Hur sura vatteninteraktioner påverkar alkaliniteten och metallavlägsnande i passiva behandlingssystem

Sura vatten, särskilt de som är förorenade av syra-genererande mineraler som pyrit, orsakar en rad biogeokemiska processer som kan påverka både vattnets sammansättning och kvalitet. Dessa processer är avgörande för hur passiva behandlingstekniker kan användas för att neutralisera syror och reducera metallföroreningar, vilket gör att sådana system har potential att behandla sura mineralkopplingsvatten (AMD) effektivt.

När kalksten (CaCO3) reagerar med surt vatten, frigörs kalciumjoner (Ca²⁺) och bikarbonat (HCO₃⁻) vilket leder till neutralisering av syror och bildning av alkalinitet. Denna reaktion, som beskrivs genom kemiska ekvationer, är en grundläggande process för att öka pH-nivåerna i vatten och minska den negativa påverkan av föroreningar i systemet. Reaktionen mellan kalksten och syror är mycket effektiv för att höja pH genom att bilda lösningar som innehåller kalcium- och bikarbonatjoner, vilket resulterar i en neutralisering av de överflödiga vätejoner (H⁺) som är ansvariga för syrahalten i vattnet.

När metaller, som järn (Fe), oxideras och hydrolyseras bildas metallhydroxidavlagringar, vilket kan förorena vattnet ytterligare. Till exempel bildas järn(III)hydroxid (Fe(OH)₃) när järn (Fe²⁺) reagerar med syror och syre. Men denna process spelar en viktig roll i passiva system där metaller, genom förlängd kontakt med det sura vattnet, kan binds och precipiteras ut som mindre lösliga former, vilket minskar metallerna i vattnet.

I ett passivt behandlingssystem är närvaron av sulfat-reducerande bakterier (SRB) central. Dessa bakterier trivs i anaeroba (syrefria) miljöer och omvandlar sulfat till vätesulfid (H₂S) genom ett biogeokemiskt förlopp som kräver organiskt material som en energikälla. För dessa bakterier att fungera effektivt i systemet behövs en källa till organiskt kol, såsom kompost eller sågspån, för att underlätta den metaboliska processen. Denna process leder till en ytterligare neutralisering av syror och en minskning av metaller genom bildandet av metallsulfider. Förändringen av sulfat till vätesulfid gör det möjligt att minska metallernas löslighet i vattnet, vilket främjar deras precipitation som svavelföreningar.

För att denna process ska kunna ske effektivt är det viktigt att pH-nivån i systemet hålls på ett optimalt intervall. SRB, precis som andra mikroorganismer, har specifika krav på miljöförhållanden för att överleva och vara aktiva. Faktorer som temperatur, typ av organiskt material, metalkoncentrationer och mängden löst syre spelar alla en roll i deras förmåga att utföra den sulfatreducerande processen.

När karbonatmineraler, som kalksten, kommer i kontakt med surt vatten, genomgår de en upplösningsprocess där kalcium- och bikarbonatjoner frigörs. Detta kräver anoxiska förhållanden, där syre inte är närvarande, vilket gör att järnhydroxid inte kan bildas och begränsar den potentiella avlagringen av järn i kalkstenen. I dessa förhållanden kan koldioxid också spela en roll genom att öka lösligheten av karbonater och därmed främja ytterligare neutralisering av syror. Ju högre koldioxidtryck, desto högre blir den potentiella alkaliniteten i vattnet, vilket bidrar till en mer effektiv neutralisering.

För att passiva behandlingssystem ska fungera på bästa sätt krävs att rätt balans mellan redoxpotential och pH upprätthålls. Det är också avgörande att den specifika kemin för det sura vatten som behandlas förstås. Olika metaller har olika lösbarhet i vatten beroende på deras kemiska sammansättning och reaktionsförmåga vid olika pH-nivåer. Därför är det viktigt att utforma behandlingssystem som är specifikt anpassade till de unika förhållandena på varje plats. De största fördelarna med passiva system är att de inte kräver dyra och komplicerade mekaniska eller kemiska ingrepp utan istället utnyttjar naturliga processer som de biologiska och kemiska reaktionerna mellan vatten och jordmaterial för att reducera föroreningar.

För att effektivt minska metallföroreningar i vattnet måste det finnas tillräckligt med retentionstid för att de biogeokemiska processerna ska kunna genomföras. Dessa processer, som omvandlar metaller som järn, zink, koppar och bly till mer stabila och mindre lösliga former, sker långsamt, men ger långvariga resultat om de rätta betingelserna är uppfyllda.

Förutom de kemiska och biologiska aspekterna av syraneutralisering är det också viktigt att beakta de miljömässiga konsekvenserna av att implementera passiva system. Dessa system måste utformas och implementeras med hänsyn till den lokala ekologin, flödesdynamiken i vattendragen och den långsiktiga hållbarheten för både vattenkvalitet och biologisk mångfald. Det innebär också att överväga det organiska substratets nedbrytning över tid, vilket kan påverka effektiviteten hos behandlingssystemet på längre sikt.

Hur påverkar IDDES och nätgenerering simulering av iskristaller på flygplansvingar?
Hur den nya ekonomin omformar arbetskraften och samhället: En reflektion
Hur påverkar Poisson White Noise processer dynamiska system?