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Technologie

2.4.06 Übertragbare Lösungen für spezielle Abwasserprobleme – Papierherstellung am Gelben Fluss

Papierfabriken sind in der chinesischen Provinz Shandong ein sehr bedeutender Wirtschaftsfaktor. Bislang ist das Abwasseraufkommen der Fabriken außerordentlich hoch. Ein neues vom BMBF gefördertes Forschungsprojekt hat Wege für eine umweltverträglichere Papierproduktion in China untersucht.

Die Provinz Shandong im Osten der Volksrepublik China weist das zweitgrößte Bruttoinlandsprodukt aller chinesischen Provinzen auf – erwirtschaftet vor allem von den hier angesiedelten Industriebetrieben. Dazu gehören vorrangig die Branchen Papierherstellung, Brennerei, Färbemittelindustrie und Mononatriumglutamatproduktion. Im Bereich der Trinkwasserversorgung gibt es in der Provinz Shandong seit langer Zeit Probleme. Im Jahr 2003 waren über zwei Millionen Menschen nicht ausreichend mit Trinkwasser versorgt. Entsprechend dem Jahresbericht des Ministeriums für Wasserressourcen der Shandong Provinz konnte für mehr als sechs Millionen Menschen kurzzeitig kein Trinkwasser zur Verfügung gestellt werden, obwohl im Jahr 2003 relativ viel Niederschlag fiel. Dies bedeutet, dass sich die Probleme bei der Trinkwasserversorgung in anderen Jahren noch verschärfen dürften.

Der zweitgrößte Fluss Chinas – der Gelbe Fluss – durchfließt die Shandong Provinz. Aus dem Gelben Fluss wird Wasser entnommen und im „Kanal von Süd nach Nord“ geleitet um insbesondere die Region Peking mit Rohwasser zur Trinkwassergewinnung zu versorgen. Ein nachhaltiges Wasserressourcenmanagement im Einzugsgebiet des Gelben Flusses und des Kanals ist in diesem Zusammenhang eine sehr wichtige Thematik. Dementsprechend wird eine Vielzahl von Projekten zur seiner Umsetzung gefördert. Diesbezügliche Schwerpunkte sind die Reinigung von industriellen Abwässern aus z. B. Brennereien, Textilienfärbereien und insbesondere Papierfabriken.

In Shandong wurden 2005 insgesamt 38 Papierfabriken mit Stroh als Rohstoff betrieben. Das von ihnen verursachte Abwasser – im Jahr 2000 alleine 416 Millionen Kubikmeter – stellt eine extreme Belastung für die Gewässer dar. Bei einer Jahresproduktion von rund drei Millionen Tonnen Papier im Jahr 2000 ergab sich ein Wert von 138 Litern je erzeugtem Kilogramm Papier – deutsche Papierfabriken verursachten lediglich ein Zehntel.

Um die Konflikte zwischen dem Wirtschaftwachstum und dem Umweltschutz zu entschärfen und schrittweise alle Umweltschutzziele zu erreichen, wurden sowohl von der Zentralregierung in Peking als auch von der Regierung der Shandong Provinz eine Vielzahl von verschärften Richtlinien im Bereich der industriellen Abwasserbeseitigung erlassen. Demnach muss ab dem 1. Januar 2011 direkt in die Vorflut eingeleitetes Abwasser einen Grenzwert von 100 Milligramm CSB/Liter unterschreiten („Integrated Wastewater Discharge Standard in Shandong Peninsula Basin“). Dieser Einleitgrenzwert ist schärfer als seine europäischen Pendants. Umso mehr konnten die Abwasserbehandlungsanlagen in den Papierfabriken der Shandong Provinz in der Vergangenheit diese Regelungen sowohl hinsichtlich der Schmutzfracht als auch bezüglich der Schmutzkonzentration nicht einhalten. Vor diesem Hintergrund war es also notwendig, Verfahren zu entwickeln, die betriebsicher und kostengünstig die geforderten Ablauffrachten und -konzentrationen einhalten konnten.

Eisenbett (Vordergrund), Zwischenklärung und Nachklärung (Hintergrund)

Eisenbett (Vordergrund), Zwischenklärung und Nachklärung (Hintergrund)
Eisenbett (Vordergrund), Zwischenklärung und Nachklärung (Hintergrund)
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Das Gesamtziel des beantragten Forschungsvorhabens war es, Lösungsmöglichkeiten zur Abwasserbehandlung für die speziellen Papierabwässer der Shandong Provinz aufzuzeigen und zunächst die Abwasserbehandlung zu verbessern. Langfristig gesehen sollte auch die Brauchwasserrückführung optimiert werden, um insgesamt den Wasserverbrauch in der Produktion zu reduzieren. Außerdem sollte die Übertragbarkeit der untersuchten Verfahren zur Abwasserbehandlung auf andere Papierfabriken der Shandong Provinz bzw. in ganz China überprüft werden.

Das gesamte Vorhaben lässt sich in zwei wesentliche Arbeitsschritte aufteilen: Im ersten Projektteil (Projektteil A) wurde das Mikroelektrolyse-Verfahren (MEV) im Labormaßstab an der TU Darmstadt untersucht, um die biologische Abbaubarkeit des Abwassers aus der Papierproduktion zu optimieren. Damit sollte ein weitgehender BSB5- und CSB-Abbau realisiert und gleichzeitig die biologische Abbaubarkeit in den nachfolgenden Stufen verbessert werden. Dieser Schritt diente der späteren Untersuchung in der halbtechnischen Versuchsanlage (Projektteil B), die unter der deutsch-chinesischen Kooperation in der Papierfabrik Qufu in der Shandong Provinz aufgebaut worden war.

In der halbtechnischen Versuchsanlage wurden zur Behandlung der anfallenden Papierabwässer eine Vorbehandlungsstufe nach dem Mikroelektrolyse-Verfahren und eine zweistufige biologische Reinigung (anaerob / aerob bzw. aerob/aerob) eingesetzt. Die Mikroelektrolyse diente der Vorbehandlung und sollte insbesondere die schwer abbaubaren Ligninverbindungen eliminieren. In einer Straße wurde das Abwasser mit einem hochbelasteten Belebtschlammverfahren und einer anschließenden Biofilterstufe behandelt. In der zweiten Straße wurde das Abwasser mit einem UASB-Reaktor anaerob vorbehandelt und anschließend mit einem Biofilter aerob nachgereinigt. Zusätzlich zur halbtechnischen Anlage wurden im Projektteil B ergänzende Laborversuche mit einer abgewandelten Behandlungsstufe durchgeführt, in der die Behandlungsschritte in der Reihenfolge MEV, UASB, Belebungsbecken und Biofilter hintereinander geschaltet wurden.

Bei den Untersuchungen mit der halbtechnischen Versuchsanlage konnten die ab dem 1. Januar 2010 geforderten 120 Milligramm CSB/Liter erreicht werden; jedoch nicht die Werte der verschärften Emissionsnorm, die ab 2011 gelten soll. Bei den zusätzlichen Laborversuchen dagegen konnten diese zukünftigen Anforderungen (weniger als 100 Milligramm CSB/Liter) eingehalten werden.

Mit den bisherigen Untersuchungen wurde gezeigt, dass die Abwasserreinigung der Papierindustrie in China mit durchaus bezahlbaren Verfahren optimiert werden kann; die Einhaltung der Grenzwerte bedarf aber einer Anpassung der Verfahren an die speziellen Abwasserströme und Schmutzfrachten. Für die Übertragung der Ergebnisse auf andere Fabriken wird zurzeit noch eine Wasserbilanz der oben genannten Papierfabrik erarbeitet. Doch es wird generell davon ausgegangen, dass eine Übertragung auf Fabriken mit Stroh als Rohstoff möglich ist. Um weitergehende Aussagen zu Papierabwasserbehandlungen von Fabriken mit anderen Rohstoffen zu erhalten, sind die spezifischen Randbedingungen und Abwasserzusammensetzungen zu berücksichtigen und ggf. weiter zu untersuchen.

Technische Universität Darmstadt
Institut IWAR
Fachgebiet Abwassertechnik

Prof. Dr.-Ing. Peter Cornel.
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64287 Darmstadt
Tel.: 0 61 51/16-21 48
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