Dr.-Ing. Dirk Weichgrebe

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1 Dr.-Ing. Dirk Weichgrebe
Workshop: Wasser- und Abwasserprobleme in der Leichtindustrie Sino-German Center for Environmental Technology, Changsha, Hunan, P.R.China, Innerbetriebliche Maßnahmen zur Reduzierung des Wasserverbrauchs in der Industrie in Deutschland Dr.-Ing. Dirk Weichgrebe INSTITUT FÜR SIEDLUNGSWASSERWIRTSCHAFT UND ABFALLTECHNIK DER UNIVERSITÄT HANNOVER Welfengarten 1, D Hannover Tel. 0511/

2 Gliederung Einführung Wasseraufkommen und Wassernutzung
Produktions- und Prozessintegrierter Umweltschutz (PIUS) Innerbetriebliche Maßnahmen Moderne Möglichkeiten der Teilstrombehandlung zur Kreislaufschließung (Verdampfung, Membranverfahren) Beispiele (Papierfabrik, Metallverarbeitung, Nahrungs-mittelindustrie) Zusammenfassung und Ausblick

3 Wassernutzung und -dargebot in Deutschland 2000

4 Wasserdurchlauf durch eine Fabrik

5 Begriffsklärung und Definition
Ungenutzt abgeleitet Betrieb Wasserverluste Fremdbezug Wasser- aufkommen Wasser- einsatz Wasser- nutzung Wasser- verwendung Ab- wasser Abgabe an Dritte Eigengewinnung Einfach- Nutzung Mehrfach- Kreislauf- Produktion Kühlung Dampfer- zeugung sonstige Zwecke Wassernutzung Wasseraufkommen = Nutzungsfaktor

6 Wasseraufkommen in der Industrie 1998, BRD
Fremdbezug öffentliches Netz 4,2% Quellwasser 0,8% Uferfiltrat 5,6% Grundwasser 23% Oberflächenwasser 60,6% nicht öffentliches 5,8% Summe : 8,5 Milliarden m3

7 Wasseraufkommen im Ernährungsgewerbe und in der Tabakverarbeitung, 1998, BRD
Summe : 304 Millionen m³ Grundwasser 27% Uferfiltrat 3,9% Quellwasser 6% Fremdbezug öffentliches Netz 37,2% nicht 3% Oberflächenwasser 22,9%

8 Definition Betriebswasser
Nach DIN 4046 ist Betriebswasser definiert als “ein zu gewerblichen, industriellen, landwirtschaftlichen oder ähnlichen Zwecken dienendes Wasser mit unter-schiedlichen Güteeigenschaften, worin Trinkwassereigenschaft eingeschlossen sein kann”. Die Ansprüche der Nutzer können chemisch über denen der Trinkwasserver-ordnung oder deutlich darunter liegen. Daher lassen sich keine allgemeingültigen Richtlinien für die Qualität von Betriebswasser aufstellen, sondern nur nutzungs-spezifische Anforderungen formulieren. Dementsprechend sind auch die Qualitätsanforderungen an ein Betriebswasser je nach Anwendungsbereich sehr unterschiedlich. Die Anforderungen hängen zudem von den Fertigungsverfahren der Industriesparten und von den Qualitäts- anforderungen die an die produzierte Ware gestellt werden ab. Aus Gründen der Betriebssicherheit und Hygiene werden an Betriebswasser generell folgende Qualitätsanforderungen gestellt: Es soll geruchsfrei, feststofffrei und klar sein. Es soll verträglich mit dem Rohmaterial sein. Es muss hygienisch unbedenklich sein.

9 Betriebliche Verwendungsarten von Wasser
In gewerblichen und industriellen Produktionsprozessen wird Wasser überbegrifflich verwendet als: Rohstoff, z.B. Brauwasser, Mineralwasser Wasser zur Ammoniakherstellung Transportmittel, z. B. Schwemmwasser (Rübenschwemmwasser) Fördermedium (hydraul. Erzförderung) Hilfsstoff, z. B. Kühlmittel Lösungsmittel Waschmittel Energieträger (Dampf, Wasserkraft) Sicherheitsmittel (Löschwasser) Trinkwasser (Belegschaftswasser)

10 Anforderungen an die Beschaffenheit von Betriebswasser
geringe Anforderungen Trinkwasserqualität weitergehende Anforderungen Bergbau Gerbereien Waschstraßen Ö-Norm B 5107 Europ. Richtlinie EG-Richtlinie über die Qualität von Badegewässern (1975) Nahrungsmittelindustrie Genußmittelindustrie TrinkwV (1990) DIN 2000, 2001 DIN 1988 Kraftwerke (Vollentsalzung) Kühlanlagen (Enthärtung) Chipherstellung VGB-Richtlinie (1988) VdTÜV (1983) VDI-Richtlinie 3808 (1986) TRD611, TRD612 Zukünftig: Entwicklung von Qualitätsstandards für Wasser zur Wieder-/Weiterverwendung? Weiterentwicklung der Aufbereitungstechniken! Nutzung von kommunalem Abwasser als Betriebswasser?

11 Wassernutzung 1998 in der BRD, (Angabe nach Wirtschaftszweig)
Angaben nach Stat. Jahrbuch 2001

12 Betriebliche Wassernutzung 1998 in der BRD
14% für produktspez. Zwecke 67% Kreislauf- nutzung 31% einma- lige Nutzung 33% Einsatz 81% zur Kühlung 5 % allgemein ca. 83 Mrd. m³ ca. 15 Mrd. m³ ca. 32 Mrd. m³ ca. 34 Mrd. m³ ca. 69 Mrd. m³ Betriebe in der BRD Angaben nach Stat. Jahrbuch 2001

13 Wassernutzung 1998 in der BRD, (Angabe nach Ländern)
Angaben nach Stat. Jahrbuch 2001

14 Betriebliche Wassernutzung 1998 in SH
376 Betriebe in Schleswig-Holstein 19% 19% Kreislaufnutzung ca. 1,0 Mrd. m³ 88 % Kühlung ca. 4,8 Mrd. m³ 81% einmalige Nutzung 81% Einsatz ca. 0,3 Mrd. m³ 5 % für produktspez. Zwecke ca. 4,4 Mrd. m³ 7 % allgemein ca. 4,4 Mrd. m³ Angaben nach Stat. Jahrbuch 2001

15 Spezifische Abwasserlasten und -kennwerte für einige Betriebe der Lebensmittelindustrie

16 Entwicklung der Nutzungsfaktoren
1 2 3 4 5 6 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 Jahr Nutzungsfaktoren [-] Verarbeitendes Gewerbe und Bergbau Ernährungsgewerbe

17 Abwassereinleitung in der BRD in Mrd. m³
Verarbeitende Industrie Bergbau u. Gewinnung von Steine und Erden Wärmekraftwerke für die öffentliche Versorgung öffentliche Abwasserbeseitigung prozentuale Aufteilung für 1998 100% 80% 60% 0% 40% 20% Angaben nach Stat. Jahrbuch 2001

18 Gesamtkosten der industriellen Wassernutzung
Fremdbezug, Wasserbezugskosten Eigengewinnung Wasserentnahmegelt, Gewinnungs-, Aufbereit.-, Transportkosten Frischwasserversorgung Wassernutzung Einfachnutzung, Vertei- lungskosten Mehrfachnutzung, Vertei- Kreislaufführung, Vertei- lungs- u. Aufbereitungskosten Abwasserentsorgung Direkteinleitung Behandlungskosten, Abwasserabgabe Indirekteinleitung Vorbehandlungskosten, Abwassergebühren

19 Produktions- und Prozesssintegrierter Umweltschutz
führt zur Vermeidung von Abfällen, Abwasser und Schadstoffen in der Produktion anstatt zur Abtrennung, Behandlung oder Entsorgung in den prozess- abgehenden Stoffströmen Verringerungen der Wassermengen und abgeleiteten Schadstoffströme führen zur Entlastung der Umwelt und Kosteneinsparung für die Unternehmen Abwasser, das erst gar nicht entsteht, muss später auch nicht behandelt werden

20 Produktions- und Prozesssintegrierter Umweltschutz
Angaben nach VDI-Richtlinie VDI 3800, Dezember 2001 Betriebliche Umweltschutzmaßnahmen produktbezogen produktionsbezogen sonst. gesetzlichen Verpflicht. nur bei Vorliegen von Branchen-Selbstverpflicht. integrierte Maßnahmen End-of-the-pipe Umweltmanagement (z.B.Projekt FH Lübeck) Altlastensanierung Handel mit Emissions- rechten und andere Instrumente des Kyoto-Protokolls Prozessintegrierte Maßnahmen Anlagenintegrierte Änd. der Reaktionsbedingungen Ersatz org. Lösemittel Änd. des Verfahren Kraft-Wärme-Kopplung Kreislaufführung Rückgewinnung von Stoffen

21 Wassersparen als Imagefaktor

22 Reduzierung der Abwasserlasten und -kosten durch
innerbetriebliche Maßnahmen I 1. Bestandsaufnahme (1) Produktionsschema ausarbeiten Feststellen aller EINGANGS (INPUT) und AUSGANGSSTRÖME (OUTPUT) z.B. Wasser-, Abwasser- und Schmutzfrachtanfallstellen ggf. Einbau von Wasser- und Energiezählern (Wasserbilanz, Energiebilanz, Stoffbilanz (Hilfsstoffe, Stoffe zur Verwertung)) (2) Ermittlung des Energie- und Wasserverbrauchs an allen Betriebsstellen (3) Berechnung spezifischer Verbräuche und Mengen z.B.: 1. Spez. Wasserverbrauch = Wasserverbrauch/Produktionseinheit (m³/t oder m³/l) 2. Spez. Abwasseranfall = Wasserverbrauch – Produktwasser – Verdunstung und Wassereintrag aus dem Produkt)/Produkteinheit (m³/t oder m³/l) (4) Ermittlung der spezifischen Schmutzfrachten 1. Probenahmen und Analyse 2. Menge x Konzentration = Fracht

23 Reduzierung der Abwasserlasten und -kosten durch
innerbetriebliche Maßnahmen II 2. Innerbetriebliche Umorientierung (1) Information, Motivation und Fortbildung des Personals im sparsamen Umgang mit Energie, Wasser und Wertstoffen (Prämiensysteme, Sparwettbewerbe). (2) Kontrolle der Frisch- und Abwassermengen (3) Anschaffung von Spararmaturen (4) Kontrolle von Leckagen (5) Einsatz von Hochdruckreinigern Durchführung von Trockenreinigungsverfahren (1) Verringerung der Wassereinsatzmengen und Ersatz von Wasser z.B. durch Luft oder Heißdampf (2) Verringerung der Energieeinsatzmengen z.B. durch Kraft-Wärmekopplung (3) Organisatorische Verbesserung der Verfahren (4) Vermeidung von Produktverlusten 3. Änderung der Produktionsverfahren

24 Reduzierung der Abwasserlasten und -kosten durch
innerbetriebliche Maßnahmen III 4. Änderung der Transportverfahren (1) Trockenförderung (2) Einrichtung von Förderkreisläufen (1) Mehrfachgliederung von Betriebswasser (Kaskadennutzung, Kreislaufführung) (2) Wiederverwendung von gereinigtem Prozesswasser, Regenwasser, Brüden- kondensaten oder Abwasser (3) Rohrreinigung, Hochdruckreinigung, Ultraschallreinigung). Flaschenreinigung mit Gegenstromprinzip 5. Änderung der Reinigungsverfahren (1) Einrichtung von Kreisläufen und Stapelbecken zur Mehrfachnutzung (2) geschlossene Kühlkreisläufe, Umstellung auf Luftkühlung (3) Trockenkühlverfahren , Verdampfungskühlung 6. Änderung der Wasserführung und Kühlverfahren (1) Produktgewinnung aus Trub und Produktresten (2) Gewinnung von Nebenprodukten aus festen u. flüssigen Produktionsabfällen (3) Gewinnung und Einsatz von Fruchtwasser 7. Wertstoffge- u. -rückgewinnung aus Produktresten,-abfällen u. Abwässern

25 Papierfabrik Schoellershammer
Die Papierfabrik Schoellershammer ist das einzige Unternehmen in Deutschland, das Wellpappen- und Feinpapier - zwar in getrennten Anlagen, jedoch in einem Betrieb - herstellt. Bei der Wellpappenpapier-Herstellung findet bereits eine weitgehend geschlossene Prozesswasserführung statt. Das dabei nicht vermeidbare, mit einer hohen BSB-Fracht belastete Abwasser wurde in einer anaeroben Kläranlage (Anaerobie) vorgereinigt und anschließend dem kommunalen Klärwerk (Aerobie) zugeführt. m³/a Frischwasser

26 Papierfabrik Schoellershammer
Das Feinpapier wurde ohne Wiederverwendung oder Vorbehandlung direkt dem Klärwerk (aerobes Belebungsverfahren) zugeführt. Frischwasserbedarf: m³/a ! Zur Einsparung von Frischwasser und zur Verringerung der erzeugten Schmutzfracht wurde überlegt, die Wasserströme der beiden Produktionslinien zu verbinden.

27 Papierfabrik Schoellershammer
Vorhaben: Das anaerob vorgeklärte Abwasser aus der Wellpappenproduktion wird aerob nachgereinigt und mit maximal der Hälfte der über einen Kiesfilter „entstofften“ Feinpapierabwasser im Kreislauf „über Kreuz“ wiedereingesetzt. Ziele: Einsparung des Frischwassers bei der Wellpappenproduktion um 50%. BSB-Entlastung des Abwasser => Reduzierung der Reduzierung der absetzbaren Stoffe => Abwasserabgabengebühr Die umweltrelevanten Investitionen für das Projekt betrugen € Die Höhe des staatlichen Zuschusses betrug €.

28 Papierfabrik Schoellershammer

29 Papierfabrik Schoellershammer
Einsparung 62% 80% m³/a

30 Prozeßwasserkreisläufe Papierproduktion
Kreislaufschließung bis 100 % möglich, bei niedriger Papierqualität (Frachten verbleiben teilweise im Produkt) Konzentrationen steigen bei Kreislaufeinengung Spezifische Frachten sinken bei Kreislaufeinengung Probleme bei zunehmender Kreislaufschließung Mikrobiologische Sauerstoffzehrung Anaerobe Umsetzvorgänge Korrosion Anreicherung von Störstoffen

31 Integrierte Behandlung in der Papierfabrik
- Stoffaufbereitung - Papiermaschine - Vakuumpumpe - Schlammrückführung zum Pulper - Produktionsabwasser Verdampfung 10 m³ / h Frischwasser m³ / h Produktion Chem.-mech. Stufe biolog. Stufe Wieder- belüftung 100 m³ Puffer- becken Turbo- cirkulator 200 m² Anaerober Fließbett- reaktor Versäuerung 150 m³ Flotation 60 m² Schlammvorlage 25 m³ / h Abwasser- rückführung Mischbecken 300 m³ Rechen 250 m³ / h m³ / h Ablauf [Haver 1998]

32 Abwassermenge- und Zusammensetzung der Papierproduktion (vor Reinigung) in der BRD

33 Moderne Möglichkeiten der Teilstrombehandlung zur Kreislaufschließung in Deutschland
Prozeßveränderung physikalisch-biologische Behandlung Ozonierung Gegenstrom-Kaskadenspülbäder Vakuumverdampfer Membranverfahren

34 Vakuumverdampfer

35 Cerealienveredelungsindustrie

36 Eloxalanlage der Fa. AVN in Nachrodt (2000)

37 Eloxalanlage der Fa. AVN in Nachrodt (2000)

38 Schematische Darstellung des Trennverhaltens
von Membranen

39 Zuordnung der Membran- und Filtrationsverfahren
Druckdifferenz [bar]

40 Membran-Testzellen-Anlage des ISAH

41 Mälzerei: Integrierte Prozeßwasserbehandlung Großtechnische Versuchsanlage (Kraft, 1997)

42 Mälzerei: Integrierte Prozeßwasserbehandlung Großtechnische Versuchsanlage (Kraft, 1997)

43 Ein Gesamtkonzept zum PIUS in der Brauindustrie
(BmBF-Projekt 01 ZF9501/3 upt GmbH, Schlussbericht 11/2000)

44 Prozeßwasserwiederverwendung in der Getränkeindustrie

45 Einsparpotential bei der internen Aufbereitung

46 Prozesswasserwiederverwendung in der Brauerei
Laugenaufbereitung mittels Mikro- Ultra-, Nanofiltration (Schildbach 2000) CSB- Rückhalt Laugen- rückhalt Tensid- Mikrofiltration 24 % 0 % 50 % Ultrafiltratioin 34 % 80 % Nanofiltration 61 % 85 % Vorteile: - Sauberere Lauge ( Standzeitverlängerung) - verbesserte Reinigungsleistung Nachteile: - erhöhter Entschäumerbedarf - Verlust von Tensiden

47 Prozesswasserwiederverwendung in der Brauerei
Aufbereitung von Ablaufwasser einer Kläranlage als Kesselspeisewasser (Rosenwinkel, 2000) Ablauf Brauerei- kläranlage (nach Filtration): Verfahren: Ergebnis: CSB = 22 mg/l abf. Stoffe = 2,7 mg/l Cl = 607 mg/l Umkehrosmose - gute Permeabilität - guter Salzrückhalt - guter Ca Rückhalt (Ca<10 mg/l)

48 Apfelschwemm-Waschwasser
Zur Apfelpressung Waschstraße Vorlagebehälter Äpfel Förderband Vorlage Schwemmwasser MBR Anlage Spalttrommelsieb Spaltweite: 1mm Zenon Modul Angedachte Kreislauf- schließung Abzug Filtrat Drehsieb zur Abscheidung von Grobstoffen Vorhandener Fließweg

49 CSB-Verlauf der Pilotanlage

50 Kreislaufführung / Wirtschaftlichkeit
Bilanz Kosten DM / m³ Ausbeute Einsparung Wasser 0,5 - 5,0 DM / m³ Einsparung Abwasser 1,5 - 5,0 DM / m³ ggf. Einsparung Abwassergebühr 3,0 - 10,0 DM / m³ Wasserlieferung 0,5 - 5,0 (3,3) DM / m³ Int. WAB Produkt Wertstoffe, Reststoffe ggf CH4 Anlagen zur Biogasnutzung End of Pipe Endbeh. 3,0 - 10 DM/m³ (Schlämme) Industrie Prozeß evtl. Vorbeh. Maßnahmen zur Kreislaufführung z.B. Membrantrennverfahren Konzentrat- behandlung ggf. Desi 4, DM / m³ Ausbeute Vorfluter

51 Wasserkreislaufschliessung im Kabelwerk, vorher
(Kroschu-Kabelwerke, 1999) Kabel Kunststoff 400°C Glas- faser 22°C 17°C 350 m³, 18°C Sprinkler Tank Korb- filter Kabel Kupfer- leiter Kunststoff 150°C 22°C 17°C Brunnen- wasser Überschuss- wasser, 330 m³/d Rückspülung, 70 m³/d Wärmetauscher mit Kühlturm

52 Wasserkreislaufschliessung im Kabelwerk, nachher
(Kroschu-Kabelwerke, 1999) Kabel Kunststoff 400°C Glas- faser 22°C 17°C Kies- bett- filter UV 350 m³, 18°C Puffer Speicher Kabel Kupfer- leiter 150°C 22°C 17°C Wärmetauscher mit Kälteanlage Rückspülung

53 Wasserkreislaufschliessung im Kabelwerk, Resultat
(Kroschu-Kabelwerke, 1999) Wegfall von Überschusswasser von 330 m³/d Reduzierung der Abwassermenge von m³/a auf 409 m³/a Reduzierung der Brunnenwasserentnahme zur Kühlung von 348 m³/d auf 2 m³/d bessere Temperaturhaltung und dadurch Energieeinsparung bei den Pumpen geringerer Filterrückspülwassereinsatz Investition €/Förderung €

54 Zusammenfassung und Ausblick
Wasserdargebot in der BRD ist größer als Wasserverbrauch Der Nutzungsfaktor ist abhängig von den Industriebereichen PIUS ist sowohl ökologisch als auch ökonomisch sinnvoll die Methode der Wasser- oder Abwasseraufbereitung zur Kreislaufführung ist für jeden Anwendungsfall zu untersuchen Auf europäischer Ebene werden derzeit die sogenannten Best Reference Documents in der BVT-Techniken mit konkreten Zahlenbeispielen aufgeführt sind erstellt bzw. eingie sind bereits erstellt worden. Diese Dokumente werden weltweit den PIUS voranbringen.

55 Innerbetriebliche Maßnahmen