Abwasserbehandlung in der Papier- und Zellstoffindustrie

Die Papierindustrie und die Bedeutung von Wasser in ihren Prozessen

Die Papierherstellung ist eine der wichtigsten Fertigungsindustrien weltweit und liefert eine breite Palette von unverzichtbaren Produkten für unseren Alltag.

Der Papierproduktionsprozess erzeugt große Mengen an Abwasser, das, wenn es nicht ordnungsgemäß behandelt wird, negative Auswirkungen auf die Umwelt und die öffentliche Gesundheit haben kann.

Papier besteht aus einem Netzwerk von Pflanzenfasern mit einem hohen Zellulosegehalt, die durch verschiedene Prozesse behandelt, auf einem Sieb verteilt und schließlich getrocknet werden.

Diese Fasern können aus verschiedenen Pflanzen und Bäumen stammen, aber die am häufigsten verwendete Quelle ist Nadelholz, aufgrund der hohen Länge und Festigkeit seiner Fasern. Ein Drittel des weltweit verarbeiteten Holzes ist für die Papier- und Zellstoffproduktion bestimmt.

Die Papierherstellung verbraucht verschiedene Ressourcen:

• Rohmaterial (ca. 2,5 Tonnen Holz / Tonne Papier)
• Chemikalien (NaOH, Sulfite, Oxidationsmittel usw.)
• Wasser und Energie (ca. 10 – 15 m³/Tonne Papier)

Im Papierherstellungsprozess wird Wasser verwendet als:

• Medium zur Zerkleinerung der Rohstoffe
• Transport der Fasern
• Bildung des Papiers

Papierherstellungsprozess

Trennung der Zellulose

Der Prozess beginnt mit der Trennung der Zellulose von den übrigen Substanzen (Lignin, Öle, Harze usw.), die 50 % des Gewichts ausmachen.

Zur Gewinnung der Zellulosefasern können zwei Systeme verwendet werden:

• Mechanischer Zellstoff: Mahlen des Holzes. Die Qualität des gewonnenen Zellstoffs ist geringer, aber es entsteht weniger flüssiger Abfall.
• Chemischer Zellstoff: Holzspäne werden einer chemischen Behandlung unterzogen, um Lignin zu lösen, sodass die Zellulosefasern freigesetzt werden.

Die verwendeten Chemikalien können sein:

• Alkalische Produkte: Dieses Verfahren erzeugt stark verschmutzende Schwarzlauge-Abwässer, die behandelt werden, um Natriumsulfid und Natronlauge zurückzugewinnen.
• Sulfite: In diesem System können einige der verwendeten Chemikalien ebenfalls zurückgewonnen werden, wie Schwefelsäure.

Chemikalien, die nicht zurückgewonnen werden können, gehen mit den Restabwässern verloren, zusammen mit Zelluloserückständen, die nicht zurückgehalten wurden und einen hohen CSB-Wert im Abwasser verursachen.

Bleichung des Zellstoffs

Das verbleibende Lignin zusammen mit den Zellulosefasern verleiht dem Zellstoff Farbe, besonders beim mechanischen Zellstoff.

Um weißen Zellstoff zu erhalten, muss der Zellstoff einem Bleichprozess unterzogen werden, der auf verschiedene Weise durchgeführt werden kann:

• Wasserstoffperoxid: es entfernt zwar nicht das Lignin, aber die Farbe.
• Chlorgas oder Chlordioxid: Dieses Verfahren ist wesentlich weniger umweltverträglich, da es eine große Menge organischer Chlorverbindungen, einschließlich Dioxinen und Furanen, erzeugt.
• Ozon: Diese Option erzeugt keine Nebenprodukte und hat somit die Verwendung von Chlor ersetzt.

Die Mischung verschiedener Arten von Nasszellstoff mit Füllstoffen (Calciumcarbonat, Kaolin, Titandioxid usw.) und anderen Zusatzstoffen (Aluminiumsulfat, Farbstoffe, Stärke, Latex usw.) wird gleichmäßig auf einem Metallträger verteilt und getrocknet, wodurch Papier entsteht.

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

Abwasser aus der Papierindustrie

Während der Papierherstellung wird ein großes Wasservolumen verbraucht, das ebenfalls von hoher Qualität sein muss. Das Abwasser aus der Papierherstellung stammt hauptsächlich aus drei Quellen:

• Die Restflüssigkeit, die während der Zellstoffbehandlung entsteht (Schwarzlauge).
• Das Weißwasser aus den Papiermaschinen, das während des Herstellungsprozesses entsteht.
• Die Wasch-, Sieb- und Bleichabwässer des Zellstoffs. Diese Abwässer sind mit Schadstoffen belastet, die für Wiederverwendung oder Entsorgung getrennt werden müssen.

Je nach Wasserwiederverwendung werden etwa 1 bis 15 m³ Wasser pro Tonne Holz benötigt, das zur Papierherstellung verwendet wird.

Die erzeugten Abwässer enthalten aufgrund von mehr als 250 verschiedenen Verbindungen eine hohe Verschmutzung.

Einige stammen natürlichen Ursprungs aus dem Holz (Lignin, Tannine usw.), andere sind synthetisch und werden während der Herstellung und Bleichung von Zellstoff in das Abwasser eingebracht, wie Phenole, Dioxine und Furane.

Wie bereits erwähnt, erzeugt der Zellstoff- und Papierherstellungsprozess Abwasser mit komplexen Eigenschaften aufgrund der großen Vielfalt an Substanzen im Restabwasser. Die Hauptschadstoffe sind:

• Organisches Material: Zellulosefasern, Lignin und andere Holzreste.
• Schwebstoffe: Faserrückstände und Partikel.
• Toxische Verbindungen: Chlorverbindungen beim Bleichen, wie Dioxine und Furane.
• Nährstoffe: Stickstoff und Phosphor.

Chemischer Sauerstoffbedarf (CSB) und Biologischer Sauerstoffbedarf sind Indikatoren für die Menge organischer Substanz, die Sauerstoff zur Zersetzung benötigt.

Ziel der Abwasserbehandlung ist es, diese Schadstoffe zu reduzieren oder zu eliminieren, um Umweltvorschriften einzuhalten und Schäden am Ökosystem zu vermeiden.

Nachfolgend eine durchschnittliche Analyse der Abwässer, die in verschiedenen Phasen des Abwasserbehandlungsprozesses in einer Papierindustrie gefunden wurden:

Es ist wichtig zu beachten, dass die Zellstoff- und Papierherstellung Wasser von guter Qualität benötigt, um ein gutes Produkt zu erzielen.

Je nach Standort der Fabrik kann es notwendig sein, Wasser aus kommunalen Versorgungsnetzen zu entnehmen, was möglichst vermieden werden sollte.

Daher wird neben dem Recycling des behandelten Abwassers aus der eigenen Fabrik auch zeitweise auf recyceltes Wasser aus nahegelegenen Kläranlagen zurückgegriffen.

Abwasserbehandlung

Es gibt zwei Optionen zur Behandlung des von Papierindustrien erzeugten Abwassers, abhängig davon, ob ein Teil der Abwässer wiederverwendet wird oder nicht:

Offener Kreislauf: Behandlung von Wasser ohne Wiederverwendung

Die einfachste Option ist, die Abwässer ordnungsgemäß zu behandeln und das behandelte Abwasser unter Einhaltung der Vorschriften und ohne Umweltbelastung in die Umwelt einzuleiten.

Eine zufriedenstellende Behandlung der Abwässer umfasst folgende Stufen:

• Homogenisierung und pH-Neutralisation
• Koagulation-Flockung gefolgt von Sedimentation oder DAF-Flotation
• Entfernung organischer Stoffe durch einen biologischen Prozess (anaerob oder aerob) oder durch fortgeschrittene Oxidation (mit Ozon, Fenton oder Photo-Fenton).

Geschlossener Kreislauf: Behandlung von Wasser mit Wiederverwendung

Es gibt eine nachhaltigere und oft wirtschaftlichere Alternative, die darin besteht, die Abwässer so zu behandeln, dass Wasser zur Wiederverwendung zurückgewonnen wird.

Da die Zellstoff- und Papierherstellung Wasser in zahlreichen Produktionsstufen benötigt, ermöglicht die Integration von Abwasserbehandlungstechnologien in die Produktionskette, denselben Wasserstrom kontinuierlich in derselben Prozessstufe oder in einer anderen Stufe wiederzuverwenden.

Mit einem geschlossenen Kreislauf wird ein doppeltes Ziel erreicht:

• Minimierung des Wasserverbrauchs
• Minimierung der erzeugten flüssigen Abfälle

Dank dieses Systems wird die Umweltbelastung des Gesamtprozesses reduziert.

Um Wasser von ausreichender Qualität für die Wiederverwendung zu erhalten, ist eine gründlichere Behandlung erforderlich als im offenen Kreislauf beschrieben. Die Hauptstufen dieser Behandlung sind:

• Homogenisierung, pH-Neutralisation und Sedimentation oder DAF-Flotation: diese Prozesse trennen Kolloide und größere Schwebstoffe
• Fortgeschrittene Oxidation (vorzugsweise Ozonierung): diese Stufe zerstört große organische Moleküle, die in einem nachfolgenden biologischen Prozess refraktär sein könnten.
• Anaerobe/aerobe biologische Behandlung: reduziert den Gehalt an gelösten organischen Stoffen im Wasser. Der anaerobe Prozess erzeugt Biogas, das als Brennstoff zur Energieerzeugung genutzt werden kann.
• Klärung des Abwassers durch Sedimentation oder DAF-Flotation
• Filtration des Faulschlamms mit Ultrafiltration (UF): zuerst durch Sandfilter und anschließend mit Ultrafiltrationsmembranen.
• Umkehrosmosebehandlung: das ultrafiltrierte Wasser wird einem Umkehrosmoseprozess unterzogen, wodurch Wasser der notwendigen Qualität für die Wiederverwendung im Papierherstellungsprozess gewonnen wird.
• Vakuumverdampfung: die verbleibenden Rückstände und Ableitungen können durch Vakuumverdampfung behandelt werden, um ihr Volumen zu minimieren. Das im Verdampfer zurückgewonnene Wasser kann ebenfalls wiederverwendet werden, während das Konzentrat, auf ein Minimum reduziert, als Abfall entsorgt werden muss.
• Verbrennung: Der erzeugte Schlamm sowie Pflanzenreste wie Baumrinde, Sägemehl usw. können in einem Kessel verbrannt werden, der Energie für die Industrieprozesse liefert.

An dieser Stelle ist es wichtig zu erinnern, dass, wenn die Kläranlage einen anaeroben Reaktor umfasst, das aus der biologischen Faulung erzeugte Biogas (hauptsächlich Methan) als Brennstoff hinzugefügt werden sollte.

Die Summe dieser Energiequellen dient zur Deckung des Energiebedarfs des Verdampfers und des Gesamtprozesses der Fabrik.

Behandlung von Abfällen durch Vakuumverdampfer

Vakuumverdampfer ermöglichen die Reduzierung des Volumens flüssiger Abfälle und die Rückgewinnung wertvoller Ressourcen.

Dieser Prozess nutzt die Absenkung des Siedepunkts von Flüssigkeiten unter vermindertem Druck, wodurch die Verdampfung bei niedrigeren Temperaturen als normal erfolgt.

Prinzipien und Vorteile der Vakuumverdampfung

Die Vakuumverdampfung basiert auf der umgekehrten Beziehung zwischen Druck und Siedetemperatur einer Flüssigkeit.

Durch Druckabsenkung in einem geschlossenen System beginnen Flüssigkeiten bei deutlich niedrigeren Temperaturen zu verdampfen.

In der Papierindustrie enthalten flüssige Abwässer üblicherweise Wasser, organische und anorganische Schadstoffe sowie chemische Verbindungen, die in Herstellungs- und Behandlungsprozessen verwendet werden.

Die Vakuumverdampfung ermöglicht eine signifikante Reduzierung der Menge flüssiger Abfälle und erleichtert die Rückgewinnung von Chemikalien, wie Bleichmitteln oder Klebstoffen, die in der Produktionskette wiederverwendet werden können, wodurch Rohstoffkosten gesenkt werden.

Zusätzlich gewinnen Vakuumverdampfer einen hohen Prozentsatz an hochwertigem Wasser zurück, das aufgrund seiner hohen Reinheit in den Produktionsprozess integriert werden kann.

Zusammenfassend ist die Vakuumverdampfung eine leistungsstarke Technologie mit klarer Anwendung in der Papierindustrie, die zunehmend auf Nachhaltigkeit und Ressourceneffizienz ausgerichtet ist.

Fazit

Die Papierherstellungsindustrie und ihre Derivate verbrauchen erhebliche Mengen Wasser für ihre Produktionsprozesse. Zudem erzeugen sie stark belastete Abwässer aufgrund der Trennung der im Rohmaterial enthaltenen Produkte sowie der für die verschiedenen Behandlungen im Prozess verwendeten Reagenzien.

Angesichts der steigenden Nachfrage nach Papier und des damit verbundenen Wasserverbrauchs ist es notwendig, die Verfahren zur Behandlung des erzeugten Abwassers zu verbessern und gleichzeitig die in der Papierherstellung angewandten industriellen Prozesse zu modifizieren.

Das Ziel der Industrie ist die Rückgewinnung behandelter Abwässer mit dem Ziel, die sogenannte „Null-Einleitung“ zu erreichen, um die Umweltbelastung durch Reduzierung des Wasserverbrauchs und der Abfallerzeugung zu minimieren; hierfür müssen leistungsfähige Wasserbehandlungstechnologien eingesetzt werden.

Die Vakuumverdampfung stellt eine innovative und effektive Lösung für die Abwasserbehandlung in der Papier- und Zellstoffindustrie dar. Ihre Fähigkeit, das Abfallvolumen zu minimieren und Wasser zurückzugewinnen, macht sie zu einer attraktiven Option für Unternehmen, die sich Nachhaltigkeit und Betriebseffizienz verpflichtet fühlen.

Literatur und Anfragen

– DAF-Technologie angewandt in der Papierherstellungsindustrie zur Wiederverwertung von Abwasser – News – Wuxi Gongyuan Environmental Equipment&Technology Co., Ltd (gyeclarifier.com)
– PPT – Paper PowerPoint Presentation – ID:2632688 (slideserve.com)
– Was ist die Umweltbelastung durch Papierverbrauch – (ecologiaverde.com)