Abwasserbehandlung in der Papier- und Zellstoffindustrie

• 1. Zellstoff- und Papierindustrie
• 2. Abwasseranfall in der Papierindustrie
• 3. Abwasserbehandlung in der Papier- und Zellstoffindustrie
• 4. Wiederverwendung von geklärtem Abwasser
• 5. Schlussfolgerung

1. Zellstoff- und Papierindustrie

Die Papierherstellung erfordert große Mengen an Wasser. Aus diesem Grund haben sich Papier- und Zellstoffhersteller seit jeher in der Nähe von Wasserquellen, wie beispielsweise Flüssen, angesiedelt.  

Wasser ist ein wesentlicher Bestandteil bei der Herstellung von Papier und Papierprodukten, da es in verschiedenen Phasen des Produktionsprozesses eine entscheidende Rolle spielt:

• Es fungiert als Bindeglied zwischen den Fasern.
• Es wird als Lösungsmittel im Produktionsprozess verwendet.
• Es wird bei Reinigungs-, Sieb- und Bleichvorgängen eingesetzt.
• Es liefert Energie in Form von Dampf.
• Es wird in Kühlanlagen verwendet. 

Das für den Produktionsprozess verwendete Wasser muss von hoher Qualität sein, was bedeutet, dass es bereits ab dem Zeitpunkt der Entnahme aufbereitet werden muss.

Das Streben nach größerer ökologischer und wirtschaftlicher Effizienz während des gesamten Herstellungsprozesses ist eines der Hauptziele der Zellstoff- und Papierindustrie. 

2. Abwasseranfall in der Papierindustrie

Das Abwasser aus der Papierherstellung stammt hauptsächlich aus:

• Die bei der Zellstoffaufbereitung anfallende Flüssigkeit (Schwarzlauge).
• Das im Herstellungsprozess anfallende Weißwasser aus den Papiermaschinen.
• Die Abwässer aus dem Waschen, Sieben und Bleichen der Zellstoffmasse. Diese Abwässer enthalten Schadstoffe, die abgeschieden werden müssen, damit sie wiederverwendet oder abgeleitet werden können.

Je nachdem, ob das Wasser wiederverwendet wird oder nicht, werden für die Herstellung von Papier pro Tonne Holz etwa 1 bis 10 m³ Wasser benötigt. Das zugeführte Wasser wird im Wesentlichen für folgende Zwecke verwendet:

• Vorbereitung des Rohmaterials.
• Transport der Fasern.
• Papierherstellung.

Der Prozess beginnt mit der Trennung der Zellulose von den übrigen Bestandteilen (Lignin, Öle, Harze usw.), die etwa 50 % des Gesamtgewichts ausmachen. Zur Gewinnung der Zellulosefasern kommen zwei Verfahren zum Einsatz:

• Mechanischer Zellstoff.Er wird durch das Zerkleinern von Holz gewonnen. Die Qualität des so gewonnenen Zellstoffs ist geringer als bei chemischem Zellstoff, jedoch fallen weniger flüssige Abfälle an.
• Chemischer Zellstoff. Er entsteht, wenn Holzspäne einer chemischen Behandlung unterzogen werden, um das Lignin aufzulösen und so die Zellulosefasern freizusetzen.

Als Chemikalien kommen folgende in Frage:

• Alkalische Produkte.Bei der Herstellung dieser Produkte fallen stark umweltbelastende schwarze Abwässer an, die aufbereitet werden, um Natriumsulfid und Ätznatron zurückzugewinnen.
• Natriumsulfit.Mit diesem Verfahren lassen sich auch Teile der verwendeten Chemikalien zurückgewinnen, wie beispielsweise Schwefelsäure.

Chemikalien, die nicht zurückgewonnen werden können, gelangen zusammen mit Zelluloseresten in das Abwasser; da diese nicht zurückgehalten werden, erhöht sich der CSB-Wert des Abwassers.

Beim Bleichen des Zellstoffs verleihen die an den Zellulosefasern haftenden Ligninrückstände dem Zellstoff seine Farbe, insbesondere bei mechanischem Zellstoff. Um weißen Zellstoff zu erhalten, muss dieser einem Bleichprozess unterzogen werden, der auf verschiedene Weise durchgeführt werden kann:

• Wasserstoffperoxid. Es entfernt zwar nicht das Lignin, entzieht ihm jedoch die Farbe.
• Chlorgas oder Chlordioxid.Diese Technologie ist ökologisch weitaus weniger nachhaltig. Diese Produkte oxidieren Lignin mit hoher Wirksamkeit. Da es sich jedoch um sehr reaktive Stoffe handelt, reagieren sie zwangsläufig auch mit den im Zellstoff enthaltenen organischen Verbindungen und erzeugen eine große Menge an chlororganischen Verbindungen.
• Ozon.Diese Methode erzeugt keine Nebenprodukte und verdrängt daher zunehmend den Einsatz von Chlor.

Die Mischung aus verschiedenen Arten von feuchtem Zellstoff mit Füllstoffen (Kalziumkarbonat, Kaolin, Titandioxid usw.) und weiteren Zusatzstoffen (Aluminiumsulfat, Farbstoffe, Stärke, Latex usw.) wird gleichmäßig auf einem Metallträger verteilt und getrocknet, wodurch das Papier entsteht.

Zur Herstellung von Schreib- oder Druckpapier wird die Papieroberfläche anschließend mechanisch geglättet.

Bei all diesen Prozessen wird eine große Menge Wasser verbraucht, das zudem von hoher Qualität sein muss.

Die bei der Papier- und Zellstoffherstellung anfallenden Abwässer weisen einen hohen Verschmutzungsgrad auf, was auf die mehr als 250 verschiedenen Verbindungen im Abwasser zurückzuführen ist. 

Einige sind natürlichen Ursprungs, wie beispielsweise Stoffe aus Holz (Lignin, Tannine usw.). Andere sind synthetisch, da sie bei der Herstellung und dem Bleichen von Zellstoff in das Abwasser gelangen, wie dies bei Phenolen, Dioxinen und Furanen der Fall ist.

Es ist wichtig zu betonen, dass der Produktionsprozess wesentlich einfacher ist, wenn Recyclingpapier und daraus hergestellte Produkte als Rohstoff verwendet werden. Auch die Abfälle sind wesentlich weniger umweltschädlich, und die Abwasserbehandlung wird vereinfacht.

3. Abwasserbehandlung in der Papier- und Zellstoffindustrie

Das in der Papierindustrie anfallende Abwasser setzt sich aus Prozessabwässern und Waschwasser zusammen. Seine Zusammensetzung variiert je nach Art des verwendeten Zellstoffs und den spezifischen Produktionsprozessen. Zu den wichtigsten Schadstoffen in diesem Abwasser zählen Lignin, Papierfasern, im Bleichprozess verwendete Chemikalien und alkalische Substanzen.

Die Abwasseraufbereitungsanlagen in Papierfabriken bestehen im Wesentlichen aus drei Stufen:

• Erstbehandlung. Im Wesentlichen geht es darum, die im Abwasser enthaltenen Schwebstoffe zu homogenisieren, zu neutralisieren und abzuscheiden. In dieser Phase werden üblicherweise die folgenden Schritte durchgeführt:
  • Vorab-Sieben von groben Feststoffen.
  • Homogenisierung und pH-Einstellung.
  • Koagulation und Flockung von kleinteiligen Schwebstoffen und kolloidalen Partikeln.
  • Flotation mit gelöstem Luft (DAF).

Die Flotation mit gelöster Luft (DAF) ist ein sehr effizientes Klärverfahren zur Reinigung von Abwässern mit hohem Gehalt an Fasern und schwimmenden Stoffen sowie Ölen und Harzen.

Der Prozess besteht in der Abscheidung von Schwebeteilchen sowie von koagulierten und ausgeflockten kolloidalen Stoffen, die durch die Wirkung von Mikroblasen der unter Druck eingeblasenen Luft an die Oberfläche der Anlage aufsteigen. Die abgetrennten Feststoffe schwimmen auf und werden mittels eines Oberflächenabstreifers in einen Trichter befördert, wodurch das im Schlamm enthaltene Wasservolumen deutlich geringer ist als bei einem Sedimentationsverfahren (ca. 3–4 % in einem DAF gegenüber 0,5–1 % in einem Sedimentationsbecken).

• Zweitbehandlung. Nachdem die suspendierten Stoffe abgeschieden wurden , verbleiben noch die gelösten Stoffe, die durch Oxidation entfernt werden müssen. Das gängigste Verfahren ist die biologische Oxidation, die bei hohen CSB-Belastungen (≥3000 ppm) anaerob und bei geringeren Belastungen aerob erfolgt.

Die aerobe biologische Abwasserreinigung ist die gängigste Methode bei der Behandlung von Abwasser mit geringer Schadstoffbelastung, wie es beispielsweise bei der Papierwiederaufbereitung anfällt. Dem Abwasser fehlen in der Regel Nährstoffe (N + P), die in Form von Harnstoff und Phosphaten zugegeben werden.

Im Anschluss an die biologische Oxidation muss ein System zur Klärung und Rückführung des Belebtschlamms vorgesehen werden. DAF-Systeme haben sich dank ihrer hohen Abscheideleistung (über 90 % der suspendierten Feststoffe) und ihrer hohen Betriebsbelastungen als äußerst effizient erwiesen, was zu einer Reduzierung des für ihre Installation erforderlichen Platzbedarfs führt. Darüber hinaus weisen die gewonnenen Schlämme eine Konzentration in der Größenordnung von 3–4 % auf, was deutlich über dem liegt, was mit Sedimentationssystemen erreicht werden kann.

• Tertiäre Aufbereitung. Je nach Verwendungszweck (Einleitung oder Wiederverwendung) kann eine tertiäre Aufbereitung mittels UF- und RO-Membranen installiert werden.

Im Folgenden stellen wir ein Fallbeispiel zur Abwasserreinigung in einem mittelgroßen Papierunternehmen vor, das Recyclingpapier als Rohstoff verwendet.

Die Daten dieser Anlage lauten wie folgt:

• Tägliche Einleitung: 5000^m³
• Durchschnittliche Durchflussmenge: 210 m³/h
• Auslegungstemperatur: 30 °C

Daten aus dem Anlagenbetrieb:

Probenahmestelle	SS (mg/l)	CSB (mg/l)	BSB5 (mg/l)
Zu behandelndes Abwasser	1200	1200
Ausgossen nach FQ	50	240	120
Endausguss	≤20	≤150	≤25

Das angegebene Ergebnis ist ein Durchschnittswert, der stets unter dem Einleitungsgrenzwert liegt. Das DAF-System ermöglicht die Gewinnung von gereinigtem Wasser hoher Qualität, das an verschiedenen Stellen in den Produktionsanlagen der Papierfabrik wiederverwendet werden kann.

Die beschriebene Anlage umfasst die folgenden Behandlungsstufen:

Blockschaltbild einer Kläranlage für die Papierindustrie

In diesem Projekt kommen zwei DAF-Anlagen zum Einsatz: eine dient als Vorklärbecken vor der biologischen Behandlung, die andere als Nachklärbecken nach der biologischen Behandlung. Durch diese Konfiguration wird der Gehalt an Schwebstoffen am Eingang der biologischen Oxidation reduziert, was dieser Prozessstufe eine höhere Stabilität verleiht.

Zudem werden Schadstoffe so weit reduziert, dass das Abwasser nach einer einfachen Sandfiltration oder einer Mikrofiltration abgeleitet und in einigen weniger anspruchsvollen Produktionsprozessen der Fabrik sogar wiederverwendet werden kann.

4. Wiederverwendung von geklärtem Abwasser

Die nachhaltigste Alternative ist der Bau eine Kläranlage zu entwerfen, deren Zweck darin besteht, Wasser für die Wiederverwendung zurückzugewinnen.

Da bei der Zellstoff- und Papierherstellung in zahlreichen Phasen des Produktionsprozesses Wasser benötigt wird, ermöglicht der Einsatz von Abwasseraufbereitungstechnologien in der Produktionskette, dass ein und derselbe Wasserstrom in derselben Prozessphase wiederverwendet oder in eine andere Phase geleitet und dort genutzt werden kann. Dies bietet einen doppelten Vorteil:

• Die Reduzierung des Wasserverbrauchs
• Die Minimierung von flüssigen Abfällen

Dieses Betriebsmodell wird als „geschlossener Kreislauf“ bezeichnet, was einem Null-Abwasser-System entspricht. Die Einführung solcher Systeme zielt darauf ab, die Umweltauswirkungen des gesamten Prozesses zu beseitigen oder so weit wie möglich zu reduzieren, indem sowohl das Anfallen von Abwasser als auch der Trinkwasserverbrauch minimiert werden.

Um Wasser in einer für die Wiederverwendung ausreichenden Qualität zu gewinnen, muss das aus der biologischen Oxidation stammende Wasser einem Filterprozess durch ein Sandbett oder durch Ultrafiltrationsmembranen unterzogen werden. Wenn der Prozess, für den das Wasser bestimmt ist, eine höhere Qualität erfordert (Dampferzeugung, Kühlkreisläufe usw.), kommen Umkehrosmose-Membransysteme oder Ionenaustauschharze zum Einsatz.  

Wenn das Abwasser komplexe organische Stoffe (Lignin, Phenole usw.) enthält, die einen CSB bilden können, der durch aerobe oder anaerobe biologische Prozesse nur schwer oxidierbar ist, ist eine fortgeschrittene Oxidationsbehandlung ratsam, wie beispielsweise das Photofenton-Verfahren oder die Ozonisierung , die diese organischen Ketten aufbrechen und es ermöglichen, dass das Abwasser durch Bakterien in biologischen Systemen abgebaut werden kann.

Eine weitere Technologie, die zunehmend zum Einsatz kommt, um eine Null-Einleitung zu erreichen, sind Vakuumverdampfer, die Wasser abscheiden und die Rückstände konzentrieren, wobei deren Volumen auf ein Minimum reduziert wird. Das bei der Verdampfung zurückgewonnene Wasser kann ebenfalls wiederverwendet werden, während das Konzentrat als Abfall entsorgt wird.        

Der bei der Erst- und Zweitbehandlung anfallende Schlamm (Schlamm aus dem DAF-System) sowie der bei der anaeroben Behandlung entstehende Schlamm werden zusammen mit pflanzlichen Abfällen wie Baumrinde, Sägemehl usw. in einem Heizkessel verbrannt. Sowohl die durch die organischen Abfälle erzeugte Wärmeals auch die bei der Nutzung des Biogases entstehende Wärme können als Energiequelle genutzt werden.

Auf diese Weise steht ein äußerst nachhaltiges Umweltmanagementsystem zur Verfügung:

• Der größte Teil des im Prozess verwendeten Wassers wird wiederverwendet.
• Es fällt nur eine minimale Menge an Abfall an, die extern entsorgt werden muss.
• Im Bereich der Energie entstehen große Synergieeffekte zwischen verschiedenen Prozessen.

Es ist anzumerken, dass die Einführung eines Null-Einleitungssystems umso komplexer ist, je höher die Schadstoffbelastung im Abwasser ist. Um den Erfolg eines Null-Einleitungssystems zu gewährleisten, ist es unerlässlich, im Papier- und Zellstoffherstellungsprozess solche Verbesserungen vorzunehmen, die zu einer geringeren Entstehung von Schadstoffen führen. Ein Beispiel hierfür ist der Ersatz von Chlor und seinen Derivaten im Bleichprozess des Zellstoffs durch Sauerstoffverbindungen (Wasserstoffperoxid oder Ozon).

5. Schlussfolgerung

Die Papier- und Zellstoffindustrie verbraucht für ihre Produktionsprozesse erhebliche Mengen an Wasser. Zudem fallen stark verschmutzte Abwässer an, die sowohl aus den verwendeten Rohstoffen als auch aus den Reagenzien stammen, die für die verschiedenen Behandlungsschritte des Prozesses eingesetzt werden.                                                  

Angesichts der steigenden Nachfrage nach Papier und des damit verbundenen Wasserverbrauchs ist es notwendig, die Verfahren zur Reinigung der anfallenden Abwässer zu optimieren und gleichzeitig die industriellen Prozesse bei der Papierherstellung anzupassen.                     

Der Trend in der Branche geht in Richtung „Null-Einleitung“, da dadurch die Umweltbelastung dank eines geringeren Wasserverbrauchs und einer Reduzierung des Abfallaufkommens minimiert wird. Dies erfordert den Einsatz leistungsstarker Technologien, wie beispielsweise der von Sigmadaf entwickelten und hergestellten physikalisch-chemischen und biologischen Systeme.

Das nach einem DAF-System gewonnene geklärte Wasser verringert den Vorbehandlungsaufwand für Membrananlagen, die in tertiären Klärprozessen zur Gewinnung von Wasser hoher Qualität eingesetzt werden. Diese Technologie trägt zudem zur Abfallreduzierung bei, indem sie den Trockengehalt des durch Flotation abgeschiedenen Schlamms erhöht, und ermöglicht den Einsatz kleinerer Verdampfer.

Literaturverzeichnis und Quellenangaben

DAF-Technologie in der Papierindustrie zur Wiederverwendung von Abwasser – Nachrichten – Wuxi Gongyuan Environmental Equipment&Technology Co., Ltd

PPT – PowerPoint-Präsentation, kostenloser Download – ID:2632688

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