Dr.-Ing. Dirk Weichgrebe Workshop: Wasser- und Abwasserprobleme in der Leichtindustrie Sino-German Center for Environmental Technology, Changsha, Hunan, P.R.China, 15.08.02 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-30167 Hannover Tel. 0511/ 762-2899 weichgrebe@isah.uni-hannover.de

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

Wassernutzung und -dargebot in Deutschland 2000

Wasserdurchlauf durch eine Fabrik

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

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

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%

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.

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)

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?

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

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 11.649 Betriebe in der BRD Angaben nach Stat. Jahrbuch 2001

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

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

Spezifische Abwasserlasten und -kennwerte für einige Betriebe der Lebensmittelindustrie

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

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

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

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

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

Wassersparen als Imagefaktor

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

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

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

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. 600.000 m³/a Frischwasser

Papierfabrik Schoellershammer Das Feinpapier wurde ohne Wiederverwendung oder Vorbehandlung direkt dem Klärwerk (aerobes Belebungsverfahren) zugeführt. Frischwasserbedarf: 1.200.000 m³/a ! Zur Einsparung von Frischwasser und zur Verringerung der erzeugten Schmutzfracht wurde überlegt, die Wasserströme der beiden Produktionslinien zu verbinden.

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 700.000 € Die Höhe des staatlichen Zuschusses betrug 100.000 €.

Papierfabrik Schoellershammer

Papierfabrik Schoellershammer Einsparung 62% 80% 70.000 m³/a

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

Integrierte Behandlung in der Papierfabrik - Stoffaufbereitung - Papiermaschine - Vakuumpumpe - Schlammrückführung zum Pulper - Produktionsabwasser Verdampfung 10 m³ / h Frischwasser 10 - 35 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 0 - 25 m³ / h Ablauf [Haver 1998]

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

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

Vakuumverdampfer

Cerealienveredelungsindustrie

Eloxalanlage der Fa. AVN in Nachrodt (2000)

Eloxalanlage der Fa. AVN in Nachrodt (2000)

Schematische Darstellung des Trennverhaltens von Membranen

Zuordnung der Membran- und Filtrationsverfahren Druckdifferenz [bar]

Membran-Testzellen-Anlage des ISAH

Mälzerei: Integrierte Prozeßwasserbehandlung Großtechnische Versuchsanlage (Kraft, 1997)

Mälzerei: Integrierte Prozeßwasserbehandlung Großtechnische Versuchsanlage (Kraft, 1997)

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

Prozeßwasserwiederverwendung in der Getränkeindustrie

Einsparpotential bei der internen Aufbereitung

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

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)

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

CSB-Verlauf der Pilotanlage

Kreislaufführung / Wirtschaftlichkeit Bilanz Kosten 4 - 10 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 4,0 - 10 DM / m³ Ausbeute Vorfluter

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

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

Wasserkreislaufschliessung im Kabelwerk, Resultat (Kroschu-Kabelwerke, 1999) Wegfall von Überschusswasser von 330 m³/d Reduzierung der Abwassermenge von 76.000 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 237.000 €/Förderung 100.000 €

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. http://eippcb.jrc.es

Innerbetriebliche Maßnahmen