Da die Zellstoff- und Papierindustrie ein großer Verbraucher natürlicher Ressourcen (dh Holz, Wasser und Energie) ist, kann sie einen großen Beitrag zu Wasser-, Luft- und Bodenverschmutzungsproblemen leisten und wurde in den letzten Jahren sehr genau untersucht. Angesichts der Menge an Wasserschadstoffen, die pro Tonne Zellstoff erzeugt werden (z. B. 55 kg biologischer Sauerstoffbedarf, 70 kg Schwebstoffe und bis zu 8 kg chlororganischer Verbindungen) und der weltweit produzierten Zellstoffmenge scheint diese Sorge gerechtfertigt jährlich (etwa 180 Millionen Tonnen im Jahr 1994). Außerdem werden nur etwa 35 % des Altpapiers wiederverwertet, und Altpapier trägt wesentlich zum gesamten weltweiten Feststoffabfall bei (etwa 150 Millionen von 500 Millionen Tonnen jährlich).

In der Vergangenheit wurde der Umweltschutz bei der Planung von Zellstoff- und Papierfabriken nicht berücksichtigt. Viele der in der Industrie verwendeten Verfahren wurden mit wenig Rücksicht auf die Minimierung des Abwasservolumens und der Schadstoffkonzentration entwickelt. Seit den 1970er Jahren sind Technologien zur Verringerung der Umweltverschmutzung zu integralen Bestandteilen des Mühlendesigns in Europa, Nordamerika und anderen Teilen der Welt geworden. Abbildung 1 zeigt Trends in kanadischen Zellstoff- und Papierfabriken im Zeitraum 1980 bis 1994 als Reaktion auf einige dieser Umweltbedenken: verstärkte Verwendung von Holzabfallprodukten und wiederverwertbarem Papier als Faserquellen; und verringerter Sauerstoffbedarf und chlorierte organische Stoffe im Abwasser.

Abbildung 1. Umweltindikatoren in kanadischen Zellstoff- und Papierfabriken, 1980 bis 1994, die die Verwendung von Holzabfällen und wiederverwertbarem Papier in der Produktion sowie den biologischen Sauerstoffbedarf (BSB) und Organochlorverbindungen (AOX) im Abwasser zeigen.

Dieser Artikel diskutiert die wichtigsten Umweltprobleme im Zusammenhang mit dem Zellstoff- und Papierprozess, identifiziert die Verschmutzungsquellen innerhalb des Prozesses und beschreibt kurz Kontrolltechnologien, einschließlich sowohl externer Behandlung als auch innerbetrieblicher Modifikationen. In diesem Kapitel werden Fragen zu Altholz und Fungiziden gegen Bläue ausführlicher behandelt Holz.

Probleme mit der Luftverschmutzung

Luftemissionen von oxidierten Schwefelverbindungen aus Zellstoff- und Papierfabriken haben die Vegetation geschädigt, und Emissionen von reduzierten Schwefelverbindungen haben zu Beschwerden über Gerüche nach „faulen Eiern“ geführt. Studien unter Bewohnern von Zellstofffabriken, insbesondere Kindern, haben Auswirkungen auf die Atemwege im Zusammenhang mit Partikelemissionen sowie Schleimhautreizungen und Kopfschmerzen gezeigt, von denen angenommen wird, dass sie mit reduzierten Schwefelverbindungen zusammenhängen. Von den Aufschlussverfahren sind chemische Verfahren, insbesondere Kraftaufschluss, diejenigen mit dem größten Potenzial, Luftverschmutzungsprobleme zu verursachen.

Schwefeloxide werden mit den höchsten Raten aus Sulfitbetrieben emittiert, insbesondere solchen, die Calcium- oder Magnesiumbasen verwenden. Zu den Hauptquellen gehören Chargenkocherblasen, Verdampfer und Laugenzubereitung, wobei Wasch-, Sieb- und Rückgewinnungsvorgänge geringere Mengen beitragen. Kraftrückgewinnungsöfen sind ebenfalls eine Quelle für Schwefeldioxid, ebenso wie Kraftwerkskessel, die Kohle oder Öl mit hohem Schwefelgehalt als Brennstoff verwenden.

Reduzierte Schwefelverbindungen, einschließlich Schwefelwasserstoff, Methylmercaptan, Dimethylsulfid und Dimethyldisulfid, werden fast ausschließlich mit Kraftzellstoff verbunden und verleihen diesen Mühlen ihren charakteristischen Geruch. Zu den Hauptquellen gehören der Rückgewinnungsofen, Kocherausblas, Kocherentlastungsventile und Wäscherentlüftungen, obwohl auch Verdampfer, Schmelztanks, Löschanlagen, der Kalkofen und Abwasser beitragen können. Einige Sulfitbetriebe verwenden reduzierende Umgebungen in ihren Rückgewinnungsöfen und können damit verbundene Probleme mit reduziertem Schwefelgeruch haben.

Vom Rückgewinnungskessel emittierte Schwefelgase lassen sich am besten durch Reduzierung der Emissionen an der Quelle kontrollieren. Zu den Kontrollen gehören die Oxidation der Schwarzlauge, die Verringerung der Sulfidität der Lauge, geruchsarme Rückgewinnungskessel und der ordnungsgemäße Betrieb des Rückgewinnungsofens. Schwefelgase aus Kocherausblas, Kocherentlastungsventilen und Laugenverdampfung können aufgefangen und verbrannt werden – zum Beispiel im Kalkofen. Verbrennungsabgase können mit Wäschern gesammelt werden.

Stickoxide entstehen als Produkte der Hochtemperaturverbrennung und können je nach Betriebsbedingungen in jeder Mühle mit Rückgewinnungskessel, Kraftkessel oder Kalkofen entstehen. Die Bildung von Stickoxiden kann durch Regulieren von Temperaturen, Luft-Brennstoff-Verhältnissen und Verweilzeit in der Verbrennungszone gesteuert werden. Andere gasförmige Verbindungen tragen in geringem Umfang zur Luftverschmutzung in der Mühle bei (z. B. Kohlenmonoxid aus unvollständiger Verbrennung, Chloroform aus Bleichvorgängen und flüchtige organische Stoffe aus Kocherentlastung und Laugenverdampfung).

Feinstaub entsteht hauptsächlich bei Verbrennungsvorgängen, aber Schmelzlösebecken können auch eine untergeordnete Quelle sein. Mehr als 50 % der Partikel in Zellstofffabriken sind sehr fein (kleiner als 1 μm im Durchmesser). Dieses feine Material enthält Natriumsulfat (Na₂SO₄) und Natriumcarbonat (Na₂CO₃) aus Rückgewinnungsöfen, Kalköfen und Schmelzlösebecken sowie NaCl aus Verbrennungsnebenprodukten von in Salzwasser gelagerten Baumstämmen. Die Emissionen aus Kalköfen enthalten eine beträchtliche Menge an groben Partikeln aufgrund des Mitreißens von Calciumsalzen und der Sublimation von Natriumverbindungen. Grobe Partikel können auch Flugasche und organische Verbrennungsprodukte enthalten, insbesondere aus Kraftwerkskesseln. Eine Reduzierung der Partikelkonzentrationen kann erreicht werden, indem Rauchgase durch elektrostatische Abscheider oder Wäscher geleitet werden. Jüngste Innovationen in der Kraftkesseltechnologie umfassen Wirbelschichtverbrennungsöfen, die bei sehr hohen Temperaturen verbrennen, zu einer effizienteren Energieumwandlung führen und das Verbrennen von weniger gleichförmigen Holzabfällen ermöglichen.

Probleme der Wasserverschmutzung

Kontaminiertes Abwasser aus Zellstoff- und Papierfabriken kann das Absterben von Wasserorganismen verursachen, eine Bioakkumulation toxischer Verbindungen in Fischen ermöglichen und den Geschmack von nachgeschaltetem Trinkwasser beeinträchtigen. Zellstoff- und Papierabwässer werden auf der Grundlage physikalischer, chemischer oder biologischer Eigenschaften charakterisiert, wobei die wichtigsten Feststoffgehalt, Sauerstoffbedarf und Toxizität sind.

Der Feststoffgehalt von Abwasser wird typischerweise auf der Grundlage der Fraktion, die suspendiert (im Vergleich zu gelöst), der Fraktion der suspendierten Feststoffe, die sich absetzt, und der Fraktionen von beiden, die flüchtig sind, klassifiziert. Die absetzbare Fraktion ist am störendsten, weil sie eine dichte Schlammdecke in der Nähe der Einleitungsstelle bilden kann, die gelösten Sauerstoff im aufnehmenden Wasser schnell verarmt und die Vermehrung von anaeroben Bakterien ermöglicht, die Methan und reduzierte Schwefelgase erzeugen. Obwohl nicht absetzbare Feststoffe normalerweise durch das aufnehmende Wasser verdünnt werden und daher weniger besorgniserregend sind, können sie giftige organische Verbindungen zu Wasserorganismen transportieren. Schwebstoffe, die aus Zellstoff- und Papierfabriken ausgetragen werden, umfassen Rindenpartikel, Holzfasern, Sand, Grieß aus mechanischen Zellstoffmühlen, Zusatzstoffe für die Papierherstellung, Laugenrückstände, Nebenprodukte von Wasseraufbereitungsprozessen und mikrobielle Zellen aus Sekundärbehandlungsvorgängen.

In den Aufschlusslaugen gelöste Holzderivate, einschließlich Oligosaccharide, einfache Zucker, niedermolekulare Ligninderivate, Essigsäure und solubilisierte Zellulosefasern, tragen hauptsächlich zum biologischen Sauerstoffbedarf (BSB) und zum chemischen Sauerstoffbedarf (CSB) bei. Verbindungen, die für Wasserorganismen toxisch sind, umfassen chlorierte organische Stoffe (AOX; aus Bleichen, insbesondere Kraftzellstoff); Harzsäuren; ungesättigten Fettsäuren; Diterpenalkohole (insbesondere aus Entrindung und mechanischem Aufschluss); Juvabiones (insbesondere aus Sulfit und mechanischem Aufschluss); Ligninabbauprodukte (insbesondere aus dem Sulfitaufschluss); synthetische organische Stoffe wie Schleimbekämpfungsmittel, Öle und Fette; und Prozesschemikalien, Zusatzstoffe für die Papierherstellung und oxidierte Metalle. Die chlorierten organischen Stoffe sind besonders besorgniserregend, da sie für Meeresorganismen akut toxisch sind und sich bioakkumulieren können. Diese Gruppe von Verbindungen, einschließlich der polychlorierten Dibenzo-p-Dioxine, waren der Hauptantrieb für die Minimierung des Chloreinsatzes beim Zellstoffbleichen.

Menge und Quellen von Schwebstoffen, Sauerstoffbedarf und toxischen Austrägen sind verfahrensabhängig (Tabelle 1). Aufgrund der Solubilisierung von Holzextrakten mit geringer oder keiner Chemikalien- und Harzsäurerückgewinnung erzeugen sowohl der Sulfit- als auch der CTMP-Aufschluss akut toxische Abwässer mit hohem BOD. Kraftmühlen verwendeten historisch mehr Chlor zum Bleichen und ihre Abwässer waren giftiger; jedoch Abwässer aus Kraftmühlen, die Cl eliminiert haben₂ beim Bleichen und bei der Verwendung als Zweitbehandlung zeigen typischerweise wenig akute Toxizität, wenn überhaupt, und die subakute Toxizität wurde stark reduziert.

Tabelle 1. Gesamte suspendierte Feststoffe und BOD im Zusammenhang mit dem unbehandelten (rohen) Abwasser verschiedener Aufschlussverfahren

Schwebstoffe sind weniger ein Problem geworden, da die meisten Mühlen eine Primärklärung (z. B. Schwerkraftsedimentation oder Flotation mit gelöster Luft) verwenden, die 80 bis 95 % der absetzbaren Feststoffe entfernt. Sekundäre Abwasserbehandlungstechnologien wie belüftete Lagunen, Belebtschlammsysteme und biologische Filtration werden zur Reduzierung von BSB, CSB und chlorierten organischen Stoffen im Abwasser eingesetzt.

Werksinterne Prozessmodifikationen zur Reduzierung von absetzbaren Feststoffen, BSB und Toxizität umfassen Trockenentrindung und Rundholztransport, verbesserte Schnitzelsiebung, um ein gleichmäßiges Kochen zu ermöglichen, erweiterte Delignifizierung während des Aufschlusses, Änderungen an den Rückgewinnungsvorgängen von Aufschlusschemikalien, alternative Bleichtechnologien, hocheffiziente Zellstoffwäsche, Faserrückgewinnung aus Wildwasser und verbesserte Eindämmung von Verschüttungen. Prozessstörungen (insbesondere wenn sie zu einem absichtlichen Ablassen von Laugen führen) und Betriebsänderungen (insbesondere die Verwendung von nicht abgelagertem Holz mit einem höheren Prozentsatz an Extraktstoffen) können jedoch immer noch periodische Toxizitätsdurchbrüche verursachen.

Eine relativ neue Strategie zur Bekämpfung der Wasserverschmutzung, um die Wasserverschmutzung vollständig zu beseitigen, ist das Konzept der „geschlossenen Mühle“. Solche Mühlen sind eine attraktive Alternative an Standorten, an denen es an großen Wasserquellen mangelt, die als Prozessversorgungs- oder Abwasseraufnahmeströme dienen könnten. Geschlossene Systeme wurden erfolgreich in CTMP- und Sulfitmühlen auf Natriumbasis implementiert. Was geschlossene Mühlen auszeichnet, ist, dass flüssiges Abwasser verdampft und das Kondensat behandelt, gefiltert und dann wiederverwendet wird. Weitere Merkmale geschlossener Mühlen sind geschlossene Siebräume, Gegenstromwäsche in der Bleichanlage und Salzkontrollsysteme. Obwohl dieser Ansatz zur Minimierung der Wasserverschmutzung wirksam ist, ist noch nicht klar, wie die Exposition der Arbeiter durch die Konzentration aller Schadstoffströme innerhalb der Mühle beeinflusst wird. Korrosion ist ein großes Problem für Mühlen, die geschlossene Systeme verwenden, und die Bakterien- und Endotoxinkonzentrationen im recycelten Prozesswasser sind erhöht.

Handhabung von Feststoffen

Die Zusammensetzung von Feststoffen (Schlämmen), die aus Behandlungssystemen für flüssiges Abwasser entfernt werden, variiert je nach ihrer Quelle. Feststoffe aus der Primärbehandlung bestehen hauptsächlich aus Zellulosefasern. Der Hauptbestandteil von Feststoffen aus der Sekundärbehandlung sind mikrobielle Zellen. Wenn die Mühle chlorierte Bleichmittel verwendet, können sowohl primäre als auch sekundäre Feststoffe auch chlorierte organische Verbindungen enthalten, ein wichtiger Gesichtspunkt bei der Bestimmung des erforderlichen Behandlungsumfangs.

Schlämme werden vor der Entsorgung in Schwerkraftabsetzanlagen eingedickt und in Zentrifugen, Vakuumfiltern oder Band- oder Schneckenpressen mechanisch entwässert. Schlämme aus der Primärbehandlung sind relativ einfach zu entwässern. Sekundärschlamm enthält eine große Menge an intrazellulärem Wasser und existiert in einer Schleimmatrix; daher erfordern sie die Zugabe von chemischen Flockungsmitteln. Sobald der Schlamm ausreichend entwässert ist, wird er landbasiert entsorgt (z. B. auf Acker- oder Waldflächen verteilt, als Kompost oder als Bodenverbesserer verwendet) oder verbrannt. Obwohl die Verbrennung kostspieliger ist und zu Luftverschmutzungsproblemen beitragen kann, kann sie vorteilhaft sein, da sie toxische Materialien (z. B. chlorierte organische Stoffe) zerstören oder reduzieren kann, die ernsthafte Umweltprobleme verursachen könnten, wenn sie von landgestützten Anwendungen in das Grundwasser gelangen würden .

Feste Abfälle können in anderen Mühlenbetrieben erzeugt werden. Asche aus Kraftwerkskesseln kann in Straßenbetten, als Baumaterial und als Staubunterdrückungsmittel verwendet werden. Abfälle aus Kalköfen können verwendet werden, um den Säuregehalt des Bodens zu modifizieren und die Bodenchemie zu verbessern.

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