Abwasserreinigung und Wasserkreislaufführung in der Papierindustrie - Weiterentwicklung deutscher Techniken für den chinesischen Markt

Abstract

Aufgrund der Rohstoffzusammensetzung zur Zellstoffherstellung und veralteten Fertigungstechniken ist in China die Papierindustrie eine typische Branche mit hoher Umweltbelastung und niedrigem Wasserwiederverwendungsgrad. Im Jahr 2009 betrug der spezifische Frischwasserbedarf in China bei der Herstellung von Papier 55,1 m3/t und der Wasserwiederverwendungsgrad nur 57,0 %. Im Vergleich dazu gelang es in Deutschland innerhalb der letzten 30 Jahre durch Mehrfachnutzung des Prozesswassers den durchschnittlichen spezifischen Frischwasserbedarf auf 14 m3/t Papier zu reduzieren. Der Wasserwiederverwendungsgrad bei der Papierherstellung betrug in Deutschland im Jahr 2000 ca. 98 %. Im Jahr 2008 wurden von der Zentralregierung in China die Einleitungsgrenzwerte von Abwässern aus der Zellstoff- und Papierproduktion verschärft. Seitdem muss direkt in die Vorflut eingeleitetes Abwasser einen Grenzwert von 90 mg/L CSB unterschreiten, sodass die meisten Zellstoffhersteller in China die vorhandenen Kläranlagen auf den neuesten Stand umrüsten müssen. Aufgrund der oben genannten Hintergründe soll in dieser Arbeit ein optimiertes und effizientes Behandlungsverfahren bzw. eine Verfahrenskombination zur Papierabwasserbehandlung mit Hilfe moderner deutscher Abwasserbehandlungstechnologien in China entwickelt werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine halbtechnische Verfahrenskombination bestehend aus den Verfahrensschritten Mikro-Elektrolyse Verfahren (MEV) - Hochlastbelebung - Biofilter und UASB-Reaktor - Biofilter untersucht. Bei der CSB-Eingangskonzentration des Abwassers von ca. 1.000-2.300 mg/L konnte mit keiner der Verfahrensketten die staatlich geforderte Ablaufkonzentration von CSB < 90 mg/L [GB 3544-2008] eingehalten werden. Die typischen Ablaufkonzentrationen betrugen 140 -180 mg/L. Mit der Verfahrenskombination (MEV - UASB-Reaktor - Hochlastbelebung - Biofilter) konnten im Labormaßstab CSBAblaufkonzentrationen von ca. 100 mg CSB/L erreicht und somit die regional geforderte CSB-Ablaufkonzentration von 120 mg/L [DB37/336-2003] eingehalten werden. Die staatlich geforderte CSB-Ablaufkonzentration von 90 mg/L [GB 3544-2008] konnte nicht erreicht werden. Es ist jedoch zu erwarten, dass mit einer betrieblichen Optimierung die vorgegebenen Ablaufkonzentrationen eingehalten werden können. Das Abwasser bei der Zellstoff- und Papierherstellung enthält viele schwer biologisch abbaubare organische Verbindungen, wie z.B. Lignine, Cellulose und Hemicellulose. Die biologische Abbaubarkeit des Papierabwassers beeinflusst die Effizienz der Abwasserbehandlung und die Wirtschaftlichkeit im besonderen Maße. Die biologische Abbaubarkeit des Papierabwassers konnte durch MEV und UASB-Reaktor verbessert werden. Die Versuche im Labormaßstab sowie im halbtechnischen Maßstab zeigten, dass mit dem Mikro-Elektrolyse- Verfahren (MEV) das Verhältnis von BSB5 zu CSB des Papierabwassers durchschnittlich von 0,13 auf 0,28 (Labormaßstab) und von 0,29 auf 0,36 (halbtechnischer Maßstab) erhöht werden konnte. Mit dem UASB-Reaktor (halbtechnischer Maßstab) konnte das Verhältnis BSB5/CSB von 0,36 auf 0,45 gesteigert werden. Die Untersuchung der Molekulargewichtsverteilungen mittels Gel-Filtration-Chromatographie-Verfahren (GFC-Verfahren) zeigte, dass nach der Elektrolysereaktion große organische Moleküle (> 5.000 Dalton (g/mol)) im Kurzfassung III Abwasser in kleine Moleküle (2.500-4.000 g/mol) gespalten und mit dem UASB-Reaktor große organische Moleküle (> 5.500 Dalton (g/mol)) in kleine Moleküle (2.500-3.500 g/mol) umgewandelt wurden. Die Anzahl der kleinen Moleküle stieg nach dem UASB-Reaktor deutlich an. Die oben genannte Verfahrenskombination (MEV - UASB-Reaktor - Hochlastbelebung - Biofilter) wurde verfahrenstechnisch beispielhaft für 12.000 m3 Abwasser/d ausgelegt. Es ist vorgesehen, die im Rahmen dieser Untersuchung ausgearbeiteten Verfahrenskombinationen und Bemessungsergebnisse auf weiteren Papierfabriken der Shandong Provinz bzw. in der gesamten V.R. China hinsichtlich ihrer Anwendbarkeit zu überprüfen und ggf. umzusetzen