Wasserkreislaufschließung

Laufzeit: 01.05.2023-30.04.2024
 

Ausgangssituation:

Die Papierindustrie ist einer der fünf energieintensivsten Sektoren in Deutschland. Im Jahr 2021 wurde 14,2 Mio.t CO₂ durch die Papierindustrie erzeugt. Das Recycling von Altpapier ist zwar nachhaltiger als die Herstellung von Papier aus Primärfasern, die Produktion benötigt aber weiterhin etwa 2,5 kWh an Energie und 15 L Wasser pro Kg Altpapier. Der genaue Wasserverbrauch hängt von den individuellen Papierproduktionsprozessen der einzelnen Unternehmen ab.

Darüber hinaus fallen während des Recycling-Prozesses bei großen Produktionsstandorten Reststoffe wie Deinking-und Faserschlämme an, die meist kostenpflichtig thermisch verwertet werden. Die Konföderation der europäischen Papierindustrie hat das Ziel, bis 2050 der wettbewerbsfähigste nachhaltige Sektor für ein klimaneutrales Europa zu sein und 80% CO₂ einzusparen. Um die Reduzierung der CO₂-Emissionen zu erreichen und den Energiebedarf der Recycling-Papierfabrik nachhaltig decken zu können, sollen u.a. die Reststoffe aus der Papierindustrie als Rohstoff für die Biogasproduktion durch Anaerob-Verfahren genutzt werden. Neben Biogas fallen bei der Biogasproduktion auch nährstoff- und wasserreiche (85-92%) Gärprodukte an. Diese Gärprodukte sind gemäß Düngemittelverordnung nicht in der Landwirtschaft als Dünger zugelassen (§7 (3) 19: Papierschlämme dürfen kein Altpapier enthalten und §8 (4) 9: Altpapier, Kunststoffe dürfen nicht in Gärprodukten enthalten sein). Ein umweltfreundliches, ressourcenschonendes und ökonomisches Gärproduktmanagement mit einer Gärproduktentwässerung und anschließender Aufbereitung der Flüssigphase ist dabei die aktuelle Herausforderung zur Verbesserung der Energieeffizienz bei gleichzeitiger Schonung der Ressource Wasser.

Das Projekt:

Mit der Membranfiltration-Technologie ist es möglich, die Nährstoffe wie Stickstoff, Phosphor usw., aus dem Wasserteil von Gärprodukten von Bioabfällen zu eliminieren und das gereinigte Wasser zur Wiederverwendung in verschiedenen Einsatzbereichen zu gewinnen. Die Wasseraufbereitung mit Membranen ist ein Verfahren, das unerwünschte Bestandteile wie Nährstoffe, Metallionen usw. aus dem (Ab-)Wasser entfernt. Durch einen Druckunterschied werden die Bestandteile, die kleiner als die Membranporen sind, als "Permeat" durch die Membran gedrückt. Die übrigen Bestandteile werden als "Retentat" zurückgehalten. Das Permeat ist das aufbereitete Wasser zur Wiederverwendung und das Retentat ist das konzentrierte Medium. Das Retentat kann zur Wiederverwendung, z. B. als Düngemittel, bis zu einem gewünschten Grad aufkonzentriert werden.

Da jedes Gärprodukt sich in der Zusammensetzung unterscheidet, muss zunächst ermittelt werden, welche Vorbehandlungsmethoden (Fest-/Flüssig-Separation) für den jeweiligen Prozess eine langfristige Prozessstabilität und einen möglichst geringen Reinigungsaufwand für das Membranmodul ermöglichen. Weiterhin sind die Betriebsparameter der Membrantechnik wie Transmembrandruck, Temperatur, pH-Wert des Abwassers, Porengröße der Membranen, Membranwirkungsgrad, Rückgewinnungsrate des Membranflusses und Fouling-Resistenz der wichtigsten Parameter, die für jedes Gärprodukt im Hinblick auf eine industrielle Anwendung untersucht werden müssen. Darüber hinaus ist zu klären, ob einzelne oder kombinierte Membranen zur Wasseraufbereitung notwendig sind und welche Wasserqualität erreichbar ist. Die Qualität ist für eine Wiederverwendung des Wassers entscheidend.

Ziele:

Das Ziel dieses Projektes ist die Entwicklung, Demonstration und Bewertung eines Abwasserbehandlungssystems für das Konzept ‚Zero-Liquid-Discharge‘ im Recycling-Papiersektor. Das Brauchwasser soll in verschiedenen Qualitäten und Mengen für die unterschiedlichen Zwecke im Recycling-Papiersektor angeboten werden. Insgesamt soll das Wasser in den Herstellungsprozess von Recycling-Papier inklusive der Energiegewinnung aus dem Reststoffen des Papierrecyclings vollständig rückgeführt werden. Der Fokus beinhaltet die Fest- / Flüssig-Separation der Altpapier-Gärprodukte nach der anaeroben Vergärung der Reststoffe aus der Recycling-Papierindustrie und die anschließende Aufbereitung der Flüssigphase.

Zur Abwasseraufbereitung sollen Membranfiltrationsverfahren (Ultrafiltration (UF), Nanofiltration (NO), Umkehrosmose (UO)) untersucht werden. Das so aufgereinigte Wasser soll der Qualität entsprechen, die für die Wiederverwendung im Papierrecyclingprozess notwendig ist, um den Frischwasserbedarf und den damit verbundenen Energie- und Kostenaufwand zu verringern. Das Konzentrat soll zur möglichen Verwertung/Behandlung untersucht werden. Somit leistet die angestrebte Forschungsidee einen Beitrag zur wesentlichen Verringerung des Abwasseranfalls aus der Recycling-Papierindustrie.