Innerbetriebliche Maßnahmen zur Reduzierung des Wasserverbrauchs in der Industrie in Deutschland

1. Workshop: Wasser- und Abwasserprobleme in der Leichtindustrie Sino-German Center forEnvironmental 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

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

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

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

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 Kraftwerke (Vollentsalzung) Kühlanlagen (Enthärtung) Chipherstellung Bergbau Gerbereien Waschstraßen Ö-Norm B 5107 Nahrungsmittelindustrie Genußmittelindustrie TrinkwV (1990) VGB-Richtlinie (1988) VdTÜV (1983) VDI-Richtlinie 3808 (1986) TRD611, TRD612 DIN 2000, 2001 DIN 1988 Europ. Richtlinie EG-Richtlinie über die Qualität von Badegewässern (1975) geringe Anforderungen weitergehende Anforderungen Trinkwasserqualität 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 11.649 Betriebe in der BRD 67% Kreislauf- nutzung 81% zur Kühlung 67% ca. 83 Mrd. m³ ca. 69 Mrd. m³ 31% einma- lige Nutzung ca. 15 Mrd. m³ 33% Einsatz 14% für produktspez. Zwecke 5 % allgemein ca. 34 Mrd. m³ ca. 32 Mrd. m³ 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% Kreislaufnutzung 19% 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 ca. 4,4 Mrd. m³ 7 % allgemein Angaben nach Stat. Jahrbuch 2001

15. Spezifische Abwasserlasten und -kennwerte für einige Betriebe der Lebensmittelindustrie

16. Entwicklung der Nutzungsfaktoren 6 Verarbeitendes Gewerbe und Bergbau 5 4 Nutzungsfaktoren [-] 3 Ernährungsgewerbe 2 1 0 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 Jahr

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

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

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

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 3. Änderung der Produktionsverfahren (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

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

25. Papierfabrik Schoellershammer 600.000 m³/a Frischwasser 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.

26. 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.

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 700.000 € Die Höhe des staatlichen Zuschusses betrug 100.000 €.

28. Papierfabrik Schoellershammer

29. Papierfabrik Schoellershammer Einsparung 62% 80% 70.000 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 Verdampfung 10 m³ / h Frischwasser 10 - 35 m³ / h Abwasser- rückführung 25 m³ / h Puffer- becken Versäuerung 150 m³ - Stoffaufbereitung - Papiermaschine - Vakuumpumpe - Schlammrückführung zum Pulper - Produktionsabwasser 25 m³ / h Turbo- cirkulator 200 m² Anaerober Fließbett- reaktor Schlammvorlage Flotation 60 m² Wieder- belüftung 100 m³ Ablauf Mischbecken 300 m³ Rechen 0 - 25 m³ / h 0 - 25 m³ / h 250 m³ / h Produktion Chem.-mech. Stufe biolog. Stufe [Haver 1998]

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

33. Moderne Möglichkeiten der Teilstrombehandlungzur 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 ProzeßwasserbehandlungGroßtechnische Versuchsanlage (Kraft, 1997)

42. Mälzerei: Integrierte ProzeßwasserbehandlungGroßtechnische 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- Laugen- Tensid- Rückhalt rückhalt rückhalt Mikrofiltration 24 % 0 % 50 % Ultrafiltratioin 34 % 0 % 80 % Nanofiltration 61 % 0 % 85 % Vorteile: - Sauberere Lauge ( Standzeitverlängerung) - verbesserte Reinigungsleistung - erhöhter Entschäumerbedarf Nachteile: - Verlust von Tensiden

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

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

49. CSB-Verlauf der Pilotanlage

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