Indampen/vacuümverdamping

Algemene beschrijving

Indamping is een techniek waarbij het volume van afvalwaterstromen verder kan gereduceerd worden door het verwijderen van water via verdamping. In deze techniek blijven de niet-vluchtige componenten achter in de geconcentreerde restfractie en wordt het gezuiverde water via destillatie teruggewonnen. Vluchtige verbindingen kunnen niet afgescheiden worden in deze installatie en hebben een aparte (na)behandeling nodig. In de meeste gevallen is de restfractie een concentraatstroom, maar in specifieke toepassingen waar gestreefd wordt naar zero liquid discharge (ZLD) is een bijkomende kristallisatiestap of droogstap nodig om de opgeloste stoffen te kristalliseren en de laatste waterfractie te verwijderen (Tow et al., 2021; WASS, 2010). Een mogelijke uitvoeringsvorm is mechanische damp recompressie  eventueel gecombineerd met vallende-filmverdamping (Figuur 20A). Vacuümindampen (Figuur 20B) is een andere uitvoeringsvorm, waarbij gewerkt wordt met een vacuümverdamper met warmtepomp. Deze laatste uitvoeringsvorm is geschikt voor de behandeling afvalwater met eerder lage debieten en hoge concentraties (Input leden BC, 2022; Tow et al., 2021). Bij de huidige technieken wordt de warmte die vrijkomt bij de condensatie van het gezuiverde water teruggewonnen en terug ingezet voor de verdamping van het te behandelen water. Hierdoor kan het totale energieverbruik gereduceerd worden (WASS, 2010).

Figuur 20: Vereenvoudigde schematische weergave van (A) mechanische damp recompressie en (B) vacuümverdamper (gebaseerd op WASS, 2010).

Meer gedetailleerde beschrijvingen van mechanische dampcompressie en vacuümverdamping zijn terug te vinden in onderstaande technische fiche:

WASS - Indampen

Stand van de techniek

De techniek is reeds een gevestigde techniek voor het concentreren van (afval)waterstromen in verscheidende sectoren zoals voedingsindustrie, farmaceutische sector, petrochemie, oppervlaktebehandeling van metalen, etc. Voor de specifieke verwijdering van PFAS bevindt de technologie zich op het moment van schrijven in de pilootfase met beperkte toepassingen op grote schaal (TRL 7 – 9) (Input leden BC, 2022; Riegel et al., 2020; Roest et al., 2021; Tow et al., 2021). De technologie is op zichzelf of in combinatie met plasma destructie commercieel beschikbaar, specifiek voor PFAS verwijdering (Riegel et al., 2020). In Vlaanderen wordt op het moment van schrijven deze techniek door verschillende bedrijven en studiebureaus onderzocht op de verwijdering van PFAS. Er zijn verschillende cases waar dit reeds op pilootschaal verder onderzocht wordt. In een specifieke case, in een Vlaams bedrijf voor oppervlaktebehandeling van metalen, werd vacuümverdamping toegepast voor intern waterhergebruik, maar niet specifiek voor PFAS verwijdering. In deze case werd een effectieve afscheiding van PFAS in de concentraatstroom vastgesteld (Input leden BC, 2022). Er zijn meerdere textielbedrijven en bedrijven voor oppervlaktebehandeling van metalen in Vlaanderen waar geconcentreerde deelstromen afzonderlijk opgevangen en ingedampt worden voorafgaand aan externe verwerking. Dit is hoofdzakelijk gericht op andere componenten zoals vlamvertragers en zware metalen, maar dit zou eveneens realiseerbaar zijn voor PFAS (Input leden BC, 2022). In de Verenigde Staten zijn op het moment van schrijven enkele installaties specifiek voor de verwijdering van PFAS op grote schaal opgestart (Input leden BC, 2022).

De opschaling van de techniek wordt beperkt door een hoog energieverbruik per behandeld volume (Input leden BC, 2022). Op basis van bovenstaande informatie alsook informatie aangeleverd door de leden van het BC, zou indamping/vacuümverdamping over het algemeen toepasbaar zijn op bedrijfsafvalwater. Dit kan hoofdzakelijk toegepast worden als onderdeel van een behandelingstrein voor de verwijdering van PFAS, in combinatie met andere technieken, die reeds zorgen voor een volumereductie van de te behandelen stroom. Echter dient dit voor elke specifieke situatie bevestigd te worden door de karakterisatie van het specifiek te behandelen bedrijfsafvalwater/bemalingswater en eventueel aanvullende labo-/piloottesten, rekening houdende met het type PFAS, de influent concentraties, de matrix en de gewenste eindconcentraties. Een belangrijk aandachtspunt hierbij is de verdere behandeling van de gevormde concentraatstromen. In de meeste gevallen zullen deze concentraatstromen op het moment van schrijven bij beperkte volumes rechtstreeks worden verbrand (Input leden BC, 2022).

Ontwerp en uitvoering voor PFAS verwijdering

Deze techniek vereist een grote hoeveelheid energie in de vorm van thermische of elektrische energie afhankelijk van de gekozen techniek (Input leden BC, 2022; Tow et al., 2021). Daardoor wordt deze techniek vaak enkel toegepast op stromen met beperkte volumes. Het kan onder andere toegepast worden in combinatie met andere volumereductie technieken zoals membraan gebaseerde technieken, omdat hier reeds een beperkte concentraatstroom geproduceerd wordt (Input leden BC, 2022). Op basis van informatie van de leden van het BC wordt ingeschat dat stromen met een capaciteit tot 3 m³/u verwerkt kunnen worden met deze techniek waarbij de volumes van de behandelde stromen verder gereduceerd kunnen worden met 80 – 98% (Roest et al., 2021; Tow et al., 2021). Desalniettemin kunnen beschikbare commerciële installaties debieten van 0,05 – 100 m³/u behandelen. Doordat deze techniek zorgt voor de vorming van concentraatstromen waarin de concentratie van bijvoorbeeld chlorides toenemen, dient aandacht besteed te worden aan het risico van corrosie. Afhankelijk van de toepassing kunnen hierdoor hoogwaardige materialen noodzakelijk zijn voor het vervaardigen van de installatie, wat de kosten verder kan verhogen (Input leden BC, 2022; WASS, 2010). Bij opschaling van de techniek dient aandacht besteedt te worden aan de overdracht van PFAS naar het destillaat door schuimvorming of meesleep van druppels. Deze overdracht van PFAS kan beperkt of behandeld worden door toepassing van antischuimmiddelen en demisters (Input leden BC, 2022).

PFAS verwijderingsefficiëntie en korte keten vs. lange keten

De verwijderingsefficiëntie is afhankelijk van het type PFAS. Voor de meeste PFAS kunnen concentraties in het destillaat onder de huidige rapportagegrens van 20 ng/l voor de kwantitatieve PFAS en 50 ng/l voor de indicatieve PFAS bekomen worden en worden typisch verwijderingsrendementen van 99% gerealiseerd (Input leden BC, 2022). Op basis van labo- en pilootproeven kon bepaald worden dat deze techniek geschikt is voor de behandeling van stromen met totaal PFAS concentraties tussen 20 – 1000 µg/l. Bij hogere influent concentraties zouden bijkomende nabehandeling van het distillaat nodig zijn om resterende 1% te verwijderen tot onder de huidige rapportagegrens van 20 ng/l voor de kwantitatieve PFAS en 50 ng/l voor de indicatieve PFAS (Input leden BC, 2022). Deze techniek kan zowel korte als lange keten PFAS efficiënt verwijderen (Input leden BC, 2022; Roest et al., 2021). Op basis van laboproeven kon vastgesteld worden dat verschillende korte keten PFAS efficiënt tot boven de 99% verwijderd konden worden (Input leden BC, 2022). De verwijderingsefficiëntie is hoofdzakelijk afhankelijk van de vluchtigheid van de aanwezige PFAS, waardoor ze meer of minder gevoelig zijn voor het overgaan in het destillaat. Over het algemeen kan aangenomen worden dat PFCA’s beter verwijderd kunnen worden dan PFSA’s die op hun beurt beter verwijderd worden dan perfluoralkylamides (Input leden BC, 2022).

Tijdens het indampen blijven de PFAS achter in de concentraatstroom door hun beperkte vluchtigheid (Roest et al., 2021). Op basis van labo- en pilootproeven werd bepaald dat sommige PFAS toch aanwezig zijn in het destillaat waaronder enkele perfluoralkylamides zoals MePFBSA (Input leden BC, 2022). Het wordt verwacht dat vluchtige precursoren zoals fluortelomeeralcoholen minder efficiënt verwijderd kunnen worden met deze techniek (Roest et al., 2021). Afhankelijk van het type PFAS in het influent en de influentconcentraties kunnen bijkomende nabehandelingen van het destillaat nodig zijn om concentraties lager dan 0,1 µg/l voor individuele PFAS te bereiken (Riegel et al., 2020).

In de concrete case van een Vlaams bedrijf voor oppervlaktebehandeling van metalen werd PFAS hoofdzakelijk verwijderd via de ionenwisselingsharsen die ingezet werden voor de terugwinning van metalen. Afhankelijk van het behandelde water konden resterende PFAS concentraties gemeten worden in het effluent van de ionenwisseling dat verder behandeld werd via een vacuümverdamper. In het destillaat van de vacuümverdamper werden geen resterende PFAS concentraties boven de huidige rapportagegrens van 20 ng/l voor de kwantitatieve PFAS en 50 ng/l voor de indicatieve PFAS vastgesteld. Het destillaat werd intern hergebruikt en het concentraat werd afgevoerd voor verbranding (Input leden BC, 2022).

Matrixeffecten en voorbehandelingstechnieken

Over het algemeen heeft de aard van de matrix geen specifieke invloed op de verwijderingsefficiëntie van PFAS (Input leden BC, 2022; Roest et al., 2021). Hierdoor is deze techniek mogelijk geschikt voor bedrijven met complexe, geconcentreerde, maar beperkte afvalwaters die niet eenvoudig te behandelen zijn via de courant gebruikte technieken zoals GAC of ionenwisselingsharsen of waar lozing niet mogelijk is.

• Opgeloste stoffen zoals Fe, Mn en zouten kunnen neerslaan op het oppervlak van de warmtewisselaar waardoor de warmteoverdracht gereduceerd wordt (Input leden BC, 2022; Riegel et al., 2020).
• Door het concentreren van hoge concentratie zouten kan corrosie een probleem vormen (Input leden BC, 2022; WASS, 2010).
• Niet alle stromen kunnen verwerkt worden via deze techniek. Stromen waarin hoge concentraties vluchtige gehalogeneerde stoffen aanwezig zijn kunnen niet behandeld worden (Input leden BC, 2022).
• De verwijdering van PFAS lijkt beter te verlopen bij hogere pH. Bij een hogere pH is de fractie van geladen PFAS moleculen in de oplossing groter dan bij een neutrale pH en verdampen ze daardoor moeilijker over naar het destillaat. Op basis van laboproeven werd vastgesteld dat bij een pH van 12 de meeste PFAS efficiënt verwijderd worden via deze techniek. Enkel MePFBSA werd slechts voor 50% verwijderd bij deze pH (Input leden BC, 2022).

Financiële aspecten

Op het moment van schrijven zijn slechts beperkte gegevens over de financiële aspecten beschikbaar. Investeringskosten voor een vacuümverdamper kunnen sterk variëren en zijn afhankelijk van de specifieke situatie. Deze investeringskosten worden in de Studie concentraatstromen ingeschat op 88 000 – 2 300 000 EUR (Derden et al., 2023). De werkingskosten worden hoofdzakelijk bepaald door het energieverbruik. Deze worden ingeschat op 10 - 40 EUR/m³^[1] behandeld water. De verwerking van de gevormde concentraatstromen/restfracties worden ingeschat op 700 – 2000 EUR/ton (Input leden BC, 2022). Afhankelijk van de aard van de matrix kan het economischer zijn om de te verwerken stromen eerst op te concentreren via indamping in vergelijking met klassieke adsorptietechnieken. De energiekosten moeten hier afgewogen worden ten opzichte van kosten van materiaalverbruik en verwerkingskosten van afgevoerde stromen (Input leden BC, 2022). In situaties waar voldoende restwarmte beschikbaar is, kunnen de energiekosten verder worden gedrukt. Gezien de hoge investeringskost, is deze techniek enkel rendabel bij een minimale capaciteit (Derden et al., 2023). Daarnaast zijn er bijkomende kosten voor de noodzakelijke monitoring van het destillaat voor de sturing van de waterbehandeling (zie paragraaf 4.1.1). Afhankelijk van de samenstelling van de matrix kunnen de investerings- en operationele kosten hoger zijn doordat bijkomende voorbehandelingen noodzakelijk zijn (Roest et al., 2021).

Milieu-impact

Deze techniek zorgt voor een significante reductie van de PFAS-houdende fractie tot 2 - 20% van het influent dat verder behandeld of verbrand dient te worden (Input leden BC, 2022; Tow et al., 2021). Doordat deze techniek vaak reeds op een (sterk) geconcentreerde stroom wordt toegepast kan de concentratie PFAS in de gevormde afvalfractie zeer hoog zijn. Deze hoge concentratie kan mogelijk nadelig zijn bij de verdere verwerking doormiddel van verbranding waar de impact op de emissies van PFAS naar lucht momenteel nog onduidelijk zijn (zie paragraaf 3.4.2.2).

Door de verdamping van vluchtige PFAS zijn emissies van PFAS naar de lucht mogelijk (Input leden BC, 2022; Tow et al., 2021). Ondanks de mogelijkheden tot het terugwinnen van energie tijdens de condensatie van het destillaat wordt deze techniek gekenmerkt door een hoog energiegebruik. Het energieverbruik is afhankelijk van welk type installatie wordt toegepast. Voor warmtepomp vacuümverdampers  wordt dit ingeschat op 130 - 250 kWh/m³ (Leveranciersinformatie, 2022; WASS, 2010). Voor mechanische damp recompressie wordt het energieverbruik lager ingeschat op 50 – 60 kWh/m³ (Leveranciersinformatie, 2022; Riegel et al., 2020).

Voor- en nadelen van de techniek

Tabel 12: Voor- en nadelen van indamping/vacuümverdamping voor de verwijdering van PFAS.

Kennishiaten

• Verwijderingsrendementen voor specifieke PFAS;
• Welke PFAS aanwezig kunnen zijn in het destillaat;
• Kosten/baten analyse voor PFAS verwijdering.