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11.06.02 Innerbetriebliche Maßnahmen zur Reduzierung des Wasserverbrauchs in der Industrie in Deutschland Dr.-Ing. Dirk Weichgrebe IS AH I NSTITUT FÜR.

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1 Innerbetriebliche Maßnahmen zur Reduzierung des Wasserverbrauchs in der Industrie in Deutschland Dr.-Ing. Dirk Weichgrebe IS AH I NSTITUT FÜR S IEDLUNGSWASSERWIRTSCHAFT UND A BFALLTECHNIK DER UNIVERSITÄT H ANNOVER Welfengarten 1, D Hannover Tel. 0511/ Workshop: Wasser- und Abwasserprobleme in der Leichtindustrie Sino-German Center for Environmental Technology, Changsha, Hunan, P.R.China,

2 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 Gliederung

3 Wassernutzung und -dargebot in Deutschland 2000

4 Wasserdurchlauf durch eine Fabrik

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

6 Fremdbezug öffentliches Netz 4,2% Quellwasser 0,8% Uferfiltrat 5,6% Grundwasser 23% Oberflächenwasser 60,6% Fremdbezug nicht öffentliches Netz 5,8% Summe : 8,5 Milliarden m 3 Wasseraufkommen in der Industrie 1998, BRD

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

8 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. Definition Betriebswasser

9 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) Betriebliche Verwendungsarten von Wasser

10 Zukünftig: Entwicklung von Qualitätsstandards für Wasser zur Wieder-/Weiterverwendung? Weiterentwicklung der Aufbereitungstechniken! Nutzung von kommunalem Abwasser als Betriebswasser? geringe Anforderungen Trinkwasserqualität weitergehende Anforderungen 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 Anforderungen an die Beschaffenheit von Betriebswasser Bergbau Gerbereien Waschstraßen Ö-Norm B 5107 Europ. Richtlinie EG-Richtlinie über die Qualität von Badegewässern (1975)

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

12 % für produktspez. Zwecke 67% Kreislauf- nutzung 31% einma- lige Nutzung 33% Einsatz 67% 81% zur Kühlung 5 % allgemein Betriebliche Wassernutzung 1998 in der BRD ca. 83 Mrd. m³ ca. 15 Mrd. m³ ca. 32 Mrd. m³ca. 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 % für produktspez. Zwecke 81% einmalige Nutzung 81% Einsatz 19% 88 % Kühlung Betriebliche Wassernutzung 1998 in SH 19% Kreislaufnutzung 7 % allgemein ca. 4,8 Mrd. m³ ca. 0,3 Mrd. m³ ca. 4,4 Mrd. m³ ca. 1,0 Mrd. m³ 376 Betriebe in Schleswig-Holstein Angaben nach Stat. Jahrbuch 2001

15 Spezifische Abwasserlasten und -kennwerte für einige Betriebe der Lebensmittelindustrie

16 Jahr Nutzungsfaktoren [-] Verarbeitendes Gewerbe und Bergbau Ernährungsgewerbe Entwicklung der Nutzungsfaktoren

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

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

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

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

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 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. 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 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 Die umweltrelevanten Investitionen für das Projekt betrugen € Die Höhe des staatlichen Zuschusses betrug €. 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

28 Papierfabrik Schoellershammer

29 Papierfabrik Schoellershammer 62% 80% Einsparung m³/a

30 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 Prozeßwasserkreisläufe Papierproduktion

31 Integrierte Behandlung in der Papierfabrik - Stoffaufbereitung - Papiermaschine - Vakuumpumpe - Schlammrückführung zum Pulper - Produktionsabwasser Verdampfung 10 m³ / h Frischwasser m³ / h ProduktionChem.-mech. Stufebiolog. 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 Membranverfahren Vakuumverdampfer physikalisch-biologische Behandlung Prozeßveränderung Ozonierung Gegenstrom-Kaskadenspülbäder

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

47 Prozesswasserwiederverwendung in der Brauerei Aufbereitung vonAblaufwasser einer Kläranlage als Kesselspeisewasser (Rosenwinkel, 2000) AblaufBrauerei- 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 Drehsieb zur Abscheidung von Grobstoffen Vorhandener Fließweg Vorlage Schwemmwasser MBR Anlage Spalttrommelsieb Spaltweite: 1mm Zenon Modul Angedachte Kreislauf- schließung Abzug Filtrat

49 CSB-Verlauf der Pilotanlage

50 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 CH 4 Anlagen zur Biogasnutzung End of Pipe Endbeh. 3, DM/m³ Reststoffe (Schlämme) Industrie Prozeß Reststoffe evtl. End of Pipe Vorbeh. Maßnahmen zur Kreislaufführung z.B. Membrantrennverfahren Konzentrat- behandlung ggf. Desi 4, DM / m³ Ausbeute Vorfluter Kreislaufführung / Wirtschaftlichkeit

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

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

53 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 € Wasserkreislaufschliessung im Kabelwerk, Resultat (Kroschu-Kabelwerke, 1999)

54 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. Zusammenfassung und Ausblick

55 Innerbetriebliche Maßnahmen


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