Fortschrittliche Kühlwasseraufbereitungskonzepte (Teil 3)

Dieser Teil bietet einen Überblick über häufige mikrobiologische Fouling-Probleme und diskutiert auch über makrobiologische Fouling.

Anmerkung des Herausgebers: Dies ist der dritte Teil einer mehrteiligen Serie von Brad Buecker, Präsident von Buecker & Associates, LLC.

Lesen Sie hier Teil 1.

Lesen Sie hier Teil 2.

Teil 1 und 2 dieser Serie befassten sich mit Problemen im Zusammenhang mit Ablagerungen und Korrosion in offenen Umlaufkühlsystemen, also solchen Systemen mit Kühltürmen, und boten außerdem einen Überblick über moderne chemische Methoden zur Ablagerungs-/Korrosionskontrolle. Ein Problem, das diese Bedenken häufig in den Schatten stellt, ist die mikrobiologische Verschmutzung. Ohne angemessene Kontrolle können Mikroben an vielen Stellen in Kühlsystemen schnell Kolonien bilden. Diese Kolonien können die Wärmeübertragung beeinträchtigen, den Flüssigkeitsfluss einschränken und Korrosion unter der Ablagerung hervorrufen. Es sind Fälle bekannt, in denen starke mikrobiologische Verschmutzung und die Ansammlung von Schlamm und anderen Ablagerungen zum teilweisen Einsturz von Kühltürmen führten. Dieser Teil bietet einen Überblick über häufige mikrobiologische Fouling-Probleme und diskutiert auch über makrobiologische Fouling. In den Teilen 4 und 5 werden aktuelle und sich entwickelnde Methoden zur mikrobiellen Bekämpfung untersucht.

In unserer Umwelt gibt es eine enorme Anzahl von Mikroben, und Platzbeschränkungen verhindern hier eine ausführliche Diskussion der Sorten. Für Kühlwassersysteme können im Allgemeinen drei Arten von Mikroorganismen problematisch sein: Bakterien, Algen und Pilze. Bakterien können an vielen Orten Kolonien bilden, Pilze befallen das Holz von Kühltürmen und Algen können in sonnendurchfluteten Bereichen wie Kühlturmdecks stark wachsen. In etablierten Bakterienkolonien können fortgeschrittene Mikroorganismen wie Amöben und Protozoen auftreten. Diese komplexeren Organismen können wiederum Legionella-Bakterien beherbergen.

Bakterien

Bakterien werden im Allgemeinen in drei Typen eingeteilt: aerob, anaerob und fakultativ. Aerobe Bakterien benötigen Sauerstoff für den Stoffwechsel, während anaerobe Bakterien Sauerstoff aus sauerstoffhaltigen Molekülen wie Sulfat und Nitrat extrahieren. Fakultative Bakterien nutzen Sauerstoff, wenn dieser vorhanden ist, können jedoch Sauerstoff aus anderen Quellen extrahieren, wenn kein Sauerstoff vorhanden ist.

Zu den häufigsten Organismen gehören:

Frei im Wasser schwimmende Bakterien werden als Planktonorganismen bezeichnet, deren Konzentration leicht gemessen werden kann. Wenn sich die Organismen jedoch auf Oberflächen ansiedeln und dort sessile Kolonien bilden, kann es sehr schnell zu Problemen kommen. Einige Bakterien scheiden einen Polysaccharidfilm (Schleim) aus, der die Organismen schützt und die Entwicklung komplexer Kolonien ermöglicht, zu denen viele der oben aufgeführten Organismen gehören können. Der Schleim wiederum fängt Schlick ein und bildet schwere Ablagerungen, die oft Schlamm ähneln.

Es ist klar ersichtlich, dass der Schleim in diesem Austauscher eine stark eingeschränkte Strömung und Energieübertragung aufweisen muss.

Auch mikrobielle Ablagerungen können schwere Korrosion hervorrufen. Erstens ermöglichen die Ablagerungen die Bildung unterschiedlicher Sauerstoffzellen, bei denen das Metall unter der Ablagerung anodisch wird, um Oberflächen zu reinigen. Lokale Korrosion und Lochfraß können die Folge sein. Darüber hinaus produzieren einige Organismen im Rahmen ihrer Stoffwechselprozesse schädliche Verbindungen. Ein Paradebeispiel sind sulfatreduzierende Bakterien, deren Stoffwechselnebenprodukt Sulfid ist. Sulfide greifen viele Metalle an, darunter Eisen und Kupfer.

Dieser Angriff wird allgemein als mikrobiologisch induzierte Korrosion (MIC) bezeichnet. Der Autor beobachtete einmal eine Situation, in der ein Dampfoberflächenkondensator mit 15.000 Rohren (316L-Edelstahl) während eines einmonatigen Wartungsausfalls Tausende von nadelfeinen Lecks aufwies. In den Röhrchen blieb Wasser stehen, wodurch sich Mikroben ansiedeln und schädliche Nebenprodukte produzieren konnten, die die meisten Röhrchen beschädigten. Die anschließende Neuverrohrung des Kondensators war recht teuer.

Ein weiterer Ort, an dem es zu starker Ablagerung und Verschmutzung kommen kann, ist die Füllung des Kühlturms.

Auch hier schränken die Ablagerungen den Flüssigkeitsfluss ein und hemmen die Wärmeübertragung. Wie dargestellt, kann die Ablagerung auch zu einem enormen Gewicht der Füllung führen.

Pilze

Mit der Entwicklung von Kühlturmbauteilen aus Kunststoff und Metall und der geringeren Abhängigkeit von Holz ist der Pilzbefall möglicherweise nicht mehr so ​​schwerwiegend wie in der Vergangenheit. Allerdings ist Holz als Kühlturmmaterial nicht verschwunden und die Pilzbekämpfung bleibt in vielen Anwendungen wichtig. Einige Pilze nutzen Holz als Nährstoff und die Organismen können Holzbestandteile abbauen. Einige Arten greifen die zellulosehaltigen Holzfasern an, während andere den Ligninbinder angreifen. Zu den Bezeichnungen der verschiedenen Angriffsarten gehören Oberflächenfäule, Weißfäule und Braunfäule. Pilze gedeihen in sauren Umgebungen und sind in modernen Kühlwassersystemen bei typischem Betrieb in einem leicht basischen pH-Bereich weniger aktiv.

Algen

Algen sind photosynthetische Organismen, die in Bereichen, die dem Sonnenlicht ausgesetzt sind, zu großen Massen wachsen können.

Ein häufiger Standort für Algenwachstum sind die Decks von Querstromkühltürmen. Die Organismen können die Perforationen in der Füllung darunter verstopfen und die Kühlkapazität und Turmeffizienz verringern.

Wie in Teil 1 und 2 dieser Serie erwähnt, ist Phosphor ein limitierender Nährstoff für Algen. Daher kann das Algenwachstum in den Systemen, die von Phosphat-Phosphonat-Ablagerungen/Korrosionsschutzchemie auf Nicht-P-Programme umgestellt wurden, etwas eingeschränkt sein.

Legionellen

Wenn sich sessile Kolonien gut etablieren, können höhere Lebensformen wie Amöben und Protozoen entstehen. Während einige Amöbenarten direkt gesundheitliche Probleme beim Menschen verursachen, ist ein Zusammenhang zwischen Amöben, Protozoen und Legionella-Bakterien bekannt. Legionella ist das Bakterium, das erstmals 1976 entdeckt wurde, als es Menschen infizierte, die an einem Kongress der American Legion teilnahmen (und andere Gäste, darunter die Eltern des Autors) in einem Hotel in Philadelphia. (4) Fast drei Dutzend Menschen starben und viele weitere wurden krank. Der Ausbruch wurde auf Wasserdampf zurückgeführt, der die Bakterien in der Abgasfahne eines Kühlturms auf dem Dach des Tagungshotels enthielt. Das Lüftungssystem des Hotels ließ einen Teil des Dampfes durch das Gebäude zirkulieren.

Der Zusammenhang zwischen Legionellen und Amöben wurde erstmals von Rowbotham (5) beschrieben, der zeigte, dass Amöben als Wirte für Legionellen dienen könnten.

Von entscheidender Bedeutung für die Legionellenbekämpfung ist die ordnungsgemäße Gestaltung und der Betrieb eines Biozid-Zufuhrsystems, das alle Formen mikrobiologischer Verschmutzung minimiert. Eine weitere wichtige Maßnahme besteht darin, alle toten Rohrleitungen zu finden und, wenn möglich, zu beseitigen. Stehendes Wasser kann die Vermehrung von Organismen begünstigen. Wenn Arbeiter Kühlsysteme für regelmäßige Wartungsarbeiten betreten, wie zum Beispiel die Reinigung von Kondensator-Wasserkästen, sollten Masken Teil ihrer persönlichen Schutzausrüstung (PSA) sein.

Makrofouling

Viel größere Organismen wie Muscheln, Venusmuscheln und Seepocken können eine schwere Verschmutzung des Kühlsystems verursachen. Süßwassermuscheln wurden zum ersten Mal in den späten 1970er Jahren in den Vereinigten Staaten zu einem Problem, als die asiatische Muschel Corbicula flominea ins Land gelangte. Ein Problem bei diesen Kreaturen besteht darin, dass sie oft die perfekte Größe haben, um in Dampfkondensator- und Wärmetauscherrohreinlässe zu passen.

Dann wurden 1986 Dreissena polymorpha, die Zebramuschel, und ihre nahe Verwandte, die Quagga-Muschel, durch den Ballastwasserabfluss eines ausländischen Schiffes in die Großen Seen eingeschleppt. Diese Muscheln sind im Schwarzen und Kaspischen Meer beheimatet. Die Muscheln heften sich mit schnurartigen Filamenten, sogenannten Byssalfäden, an Oberflächen, auch aneinander. Kolonien können riesig werden, mit Tausenden von Muscheln pro Quadratfuß.

Zebramuscheln standen in den letzten Jahren im Mittelpunkt der Aufmerksamkeit, nachdem sie sich von den Großen Seen über verschiedene Wasserstraßen im Osten und Mittleren Westen der USA verbreitet hatten. Neben der natürlichen Ausbreitung über Gewässer können die Organismen auch außerhalb des Wassers zwei bis drei Wochen überleben. Wenn sie sich also an einem Freizeitboot in einem Gewässer festsetzen und das Boot innerhalb relativ kurzer Zeit in ein anderes Gewässer überführt wird, können die Muscheln in die nächste Quelle eindringen.

Wie dieser Beitrag zeigt, kann es in Kühlsystemen schnell zu mikro- und makrobiologischem Fouling kommen, das schwerwiegende Probleme bis hin zum teilweisen oder vollständigen Stillstand der Anlage verursachen kann. Um eine solche Verschmutzung zu verhindern, sind gut konzipierte, betriebene und gewartete Behandlungssysteme, bei denen die ausgewählte Chemie die Biozidwirksamkeit maximiert, von entscheidender Bedeutung. Wir werden diese Themen in den Teilen 4 und 5 dieser Serie untersuchen. Und wie wir sehen werden, sind einige der Behandlungsmethoden auch für Durchlaufkühlsysteme geeignet.

Diese Diskussion stellt gute technische Praxis dar, die sich im Laufe der Zeit entwickelt hat. Es liegt jedoch in der Verantwortung der Anlagenbesitzer, Betreiber und des technischen Personals, zuverlässige Programme auf der Grundlage von Konsultationen mit Branchenexperten umzusetzen. In das Design und die anschließende Nutzung dieser Technologien fließen viele weitere Details ein, die in einem einzigen Artikel dargelegt werden können.

Verweise

Über den Autor: Brad Buecker ist Präsident von Buecker & Associates, LLC, Beratung und technisches Schreiben/Marketing. Zuletzt war er als leitender technischer Publizist bei ChemTreat, Inc. tätig. Er verfügt über mehr als vier Jahrzehnte Erfahrung in oder in der Unterstützung der Energie- und industriellen Wasseraufbereitungsindustrie, einen Großteil davon in den Bereichen Dampferzeugungschemie, Wasseraufbereitung, Luftqualitätskontrolle und Ergebnistechnik mit City Water, Light & Power (Springfield, Illinois) und der Station La Cygne, Kansas der Kansas City Power & Light Company (jetzt Evergy). Buecker hat einen Bachelor-Abschluss in Chemie von der Iowa State University mit zusätzlichen Studienleistungen in Strömungsmechanik, Energie- und Materialbilanzen sowie fortgeschrittener anorganischer Chemie. Er ist Autor oder Co-Autor von über 250 Artikeln für verschiedene technische Fachzeitschriften und hat drei Bücher über Kraftwerkschemie und Luftreinhaltung geschrieben. Er kann unter [email protected] erreicht werden.