Nachhaltige Prozessoptimierung Mit Deep Dive und Weitblick gegen Mikroplastik

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Praxisnah und umfassend nachhaltig: Wie die Entfernung von Mikroplastik viele Schlüsselkriterien für nachhaltiges Prozessdesign vereint und so zum Hebel für die ressourcen- und energiesparende Prozessoptimierung werden kann, lesen Sie hier.

Der Begriff Nachhaltigkeit wird derzeit viel bemüht und ist nahezu in aller Munde. Ebenso Mikroplastik – dieses sogar im wahrsten Sinne des Wortes. Dass Nachhaltigkeit und Mikroplastik zusammenhängen, erschließt sich auf dem ersten Blick. Aber auch auf den zweiten? Wenn man mehr in Richtung Prozessdesign und die Optimierung von Prozessen denkt?

Die nachhaltige Prozessgestaltung ist zukünftig immer stärker von politischen Entscheidungen abhängig. Klimawandel und Verlust der Biodiversität sind eine existenzielle Bedrohung für Europa und die Welt. Daher hat die Europäische Kommission auf diese beiden wichtigen Risiken reagiert, indem sie den European Green Deal (EGD) initiiert hat. Er zielt darauf ab, die EU in eine moderne, ressourceneffiziente und wettbewerbsfähige Wirtschaft zu verwandeln, in der

• bis 2050 keine Nettoemissionen von Treibhausgasen mehr entstehen,

• das Wirtschaftswachstum vom Ressourcenverbrauch entkoppelt ist und

• keine Person und kein Ort zurückgelassen werden.

Umwelt-, Abfall- und Ressourcenmanagement sollen entlang der Maßnahmenkataloge des European Green Deal neu ausgerichtet werden – man spricht auch von ESG-konform. ESG umfasst die Bereiche Umwelt (Environmental), Soziales (Social) und verantwortungsvolle Unternehmensführung (Governance) und verfolgt das ambitionierte Ziel, prozessübergreifende, messbare Beiträge zur Erreichung der 17 UN-Nachhaltigkeitsziele (Sustainable Development Goals, SDG) zu ermitteln.

Die Sustainable Development Goals der UN

1. Armut in allen ihren Formen und überall beenden

2. Den Hunger beenden, Ernährungssicherheit und eine bessere Ernährung erreichen und eine nachhaltige Landwirtschaft fördern

3. Ein gesundes Leben für alle Menschen jeden Alters gewährleisten und ihr Wohlergehen fördern

4. Inklusive, gleichberechtigte und hochwertige Bildung gewährleisten und Möglichkeiten lebenslangen Lernens für alle fördern

5. Geschlechtergleichstellung erreichen und alle Frauen und Mädchen zur Selbstbestimmung befähigen

6. Verfügbarkeit und nachhaltige Bewirtschaftung von sauberem Wasser und Sanitärversorgung für alle gewährleisten

7. Zugang zu bezahlbarer, verlässlicher, nachhaltiger, moderner und sauberer Energie für alle sichern

8. Dauerhaftes, breitenwirksames und nachhaltiges Wirtschaftswachstum, produktive Vollbeschäftigung und menschenwürdige Arbeit für alle fördern

9. Widerstandsfähige Infrastruktur aufbauen, breitenwirksame und nachhaltige Industrialisierung fördern und Innovationen unterstützen

10. Ungleichheit in und zwischen Ländern verringern

11. Städte und Gemeinden inklusiv, sicher, widerstandsfähig und nachhaltig gestalten

12. Nachhaltige Konsum- und Produktionsmuster sicherstellen

13. Umgehend Maßnahmen zum Klimaschutz ergreifen

14. Ozeane, Meere und Meeresressourcen im Sinne nachhaltiger Entwicklung erhalten und nachhaltig nutzen

15. Landökosysteme schützen, wiederherstellen und ihre nach­haltige Nutzung fördern

16. Friedliche und inklusive Gesellschaften für eine nachhaltige Entwicklung fördern

17. Umsetzungsmittel stärken und die Globale Partnerschaft für nachhaltige Entwicklung mit neuem Leben erfüllen

Das Verfahren Wasser 3.0 PE-X geht in diesem Zusammenhang noch einen Schritt weiter. Erstmals steht eine adaptive Komplettlösung für ein nachhaltiges und kosteneffizientes Sustainability Upgrade für die industrielle Wasserbehandlung zur Verfügung. Ein Schwerpunkt des Verfahrens, das eine Kombination aus anpassbarer Green Chemistry, modularer Green Technology und kreislaufwirtschaftlicher Prozesse ist, liegt in der Entfernung von Mikroplastik. Bei geringen Anschaffungs- und Betriebskosten verbessern sich durch Wasser 3.0 PE-X nicht nur die Wasserqualität, sondern auch Ressourcennutzung, Abfallaufkommen, der prozessübergreifende CO₂-Fußabdruck sowie der Energieverbrauch. Das Resultat ist ein Win-Win-Win in allen ESG-relevanten Bereichen.

Neue Strategie

Mikroplastik vollumfänglich und ganzheitlich aus Wasser entfernen

Raus aus der Einzelbetrachtung des reinen Produktdesigns ...

Die Begriffe Prozessdesign und nachhaltige Entwicklung stammen historisch aus dem Begriff Ökodesign (ökologisches Design, auch Green Design oder umweltbewusstes Design genannt). Ökodesign betrachtet jedoch nur die Umweltauswirkungen eines Produktes während seines gesamten Lebenszyklus – nicht aber ganzer Wertschöpfungsketten-übergreifender Prozesse.

Ein typisches Beispiel ist Green Engineering Design, das sich aus den Prinzipien der Grünen Chemie entwickelt hat. Da nachhaltige Entwicklung auch wirtschaftliche und soziale Komponenten beinhaltet, wurden die zusätzlichen Prinzipien der nachhaltigen Entwicklung nach und nach integriert. Das generische konventio­nelle Produktdesign umfasst dabei i. d. R. folgende vier Phasen:

• Planung und Problemdefinition,

• Konzeptanalyse,

• Vorentwurf und

• Feinentwurf.

In den Anfängen arbeitete man noch mit der vorläufigen Analyse und Bewertung von Prozessen und mit strengen Modellen und grundlegenden Konzepten in der Prozesssynthese mit Optimierungsansätzen. Die wirtschaftliche Bewertung legte den Fokus auf Wärme- und Stromintegration zur Senkung des Energieverbrauchs. Sicherheit wurde lange Zeit als einziges soziales Thema genannt. Auch die umweltgerechte Gestaltung (vermeiden/minimieren, recyceln/wiederverwenden und verwerten) wurde lange Zeit vernachlässigt.

... rein ins nachhaltige (prozessübergreifende) Prozessdesign

Mit steigenden Anforderungen in Zulassungsverfahren durch Gesetze und Vorschriften zu Umweltschutz, Arbeitsschutz und Arbeitssicherheit entstand ein neuer Nachhaltigkeits-Engineering-Ansatz. Ebenfalls relevant waren dabei die wachsenden Erkenntnisse rund um die Verfügbarkeiten natürlicher Ressourcen, steigende Umweltherausforderungen, die Identifizierung nachhaltiger Materialien, die Bewertung nachhaltiger Designs sowie die Monetarisierung. Der neue Ansatz umfasst nun neben dem Total Quality Management (umfassendes Qualitätsmanagement des Produkts) auch die Ökobilanz (engl. Life Cycle Assessment, LCA), also die systematische Analyse der Umweltwirkungen von Produkten, Verfahren oder Dienstleistungen entlang des gesamten Lebenswegs.

Doch dies ist erst die Spitze des Handlungseisberges. Die Hebel für die Industrien stecken „beyond CO₂“, im nachhaltigen Prozessdesign und in der prozessübergreifenden Bewertung, insbesondere in Kreislaufwirtschaft und Wertschöpfungsketten-übergreifenden Analysen. Wasser 3.0 verfolgt genau dies und stellt sich der Komplexität der weiterführenden Bewertung mit seiner ganzheitlichen Strategie detect | remove | reuse für Wasser ohne Mikroplastik und Mikroschadstoffe.

Mikroplastik: Kostentreiber in industriellen Prozessen

Weltweit wurden allein im Jahr 2020 rund 400 Millionen Tonnen Kunststoffe aus über 200 verschiedenen Polymerarten produziert, Tendenz steigend. Polymere sind in vielen Anwendungsformen und -arten elementare Bestandteile industrieller Produktionsprozesse, ebenso wie Wasser. Sie führen oftmals zu hohen Betriebskosten für Anlagen, die durch Polymere, Kunststoffe oder Mikroplastik wartungsintensiv sind.

Hinzu kommt, dass viele industrielle Abwässer weitreichend mit Mikroplastik, löslichen Polymeren (diese zählen zu den Mikroschadstoffen und nicht zu Mikroplastik), und weiteren Schadstoffen belastet sind. Diese komplexen und vielfältigen Verschmutzungsszenarien können in herkömmlichen – industriellen wie kommunalen – Kläranlagen nicht adäquat gereinigt werden. Die Folgen sind immer weiter ansteigende Anforderungen an die Abwasserbehandlung und dadurch steigende Abwassergebühren. Darüber hinaus ergeben sich hohe Kosten für die Reststoffentsorgung und zunehmende Auflagen für industrielle Einleiter in Gewässer und Kanalisation.

„Beyond CO₂“: Die Mikroplastik-freie Produktion

Nicht nur der Blick in die Zukunft der Gesetzgebung lässt es sinnvoll erscheinen, sich dem Thema Mikroplastik in industriellen Wässern zuzuwenden. Wasser, Abfälle und Energie sind belastende Faktoren für die ökonomische und ökologische Bilanz von Unternehmen. Sie alle verändern sich mit der Implementierung des Verfahrens Wasser 3.0 PE-X ins Positive. Der ganzheitlichen Prozessbetrachtung und kreislaufwirtschaftlichen Prozessgestaltung kommen dabei tragende Rollen zu. Das Verfahren Wasser 3.0 PE-X ist eingebettet in eine weltweit einzigartige Strategie für den Umgang mit Kunststoffen und Mikroplastik: Wasser 3.0 detect | remove | reuse.

Wasser 3.0 detect liefert eine leicht und schnell anwendbare, kosteneffiziente Detektionsmethode für den kontinuierlichen und standardisierten Nachweis von Mikroplastik in Wässern. Damit wird erstmals eine qualitativ hochwertige Wasserbehandlung möglich, die

• flexibel an die jeweilige Belastungssituation vor Ort anpassbar ist,

• bzgl. Ressourcen- und Eliminationseffizienz überwacht und optimiert werden kann und

• das Handeln gemäß Vorsorgeprinzip und Herstellerverantwortung anhand valider Daten ausrichtet.

Mit Wasser 3.0 reuse werden Kreislaufwirtschaft und eine Zero-Waste-Strategie konsequent umgesetzt, indem Abfall reduziert, Wasser gespart und die Wasserqualität verbessert wird. In Verbindung mit jeder Implementierung der Mikroplastik-Entfernung mit Wasser 3.0 PE-X können Weiterverwendungskonzepte aufgesetzt werden. Abfallprodukte von Wasser 3.0 PE- X werden so zur Basis neuer Produkte. Die aufbereiteten Wässer können entweder als Prozesswasser weiterverwendet oder als mikroplastik- bzw. mikroschadstofffreies Abwasser abgeleitet werden.

Mit dem Sustainability Upgrade zu mehr messbarem Impact

Um die Mikroplastik-freie Produktion mittels Wasser 3.0 PE-X zu erreichen, werden sowohl das vom Grundsatz her minimalistische und modulare Anlagendesign als auch die eingesetzten Hybridkieselgele passgenau auf die jeweiligen industriellen Segmente adaptiert. Entsprechend der prozessualen Anforderungen an Separation, Zeit und Wassermenge wurde in den vergangenen Monaten eine mobile Anlage so konzipiert, dass in einem Durchgang z. B.batchweise oder kontinuierlich definierte Abwassermengen verarbeitet werden. Der große Vorteil: Bei einer Behältergröße von 200 l werden nur rund 2 m² Platz benötigt.

Die im kontinuierlichen Betrieb erhobenen Daten bescheinigen dem Verfahren Wasser 3.0 PE- X seinen ökologischen Mehrwert in verschiedenen Segmenten bei gleichzeitig sinkenden Betriebskosten. Dadurch, dass Green Chemistry und Green Technology zusammenfinden, können neben dem Mikroplastik auch andere Schwebstoffe (z. B. Papierreste) oder auch anorganische Salze entfernt und wiederverwertet werden, sofern dies gewünscht wird.

Auch möglich ist, dass, während Mikroplastik und Schwebstoffe aus dem Wasser durch Wasser 3.0 PE-X entfernt werden, zugesetzte Prozesschemikalien im Wasser zurückbleiben und wiederverwendet werden können. Prozesse können bei variablen pH-Werten und unterschiedlichen Wassertemperaturen ablaufen, sodass die Wiedernutzung als Prozesswasser ohne großen zusätzlichen Energiebedarf möglich ist.

Die Wiederverwendung von Wasser und Prozesschemikalien liegen in den bisher erarbeiteten Industriesegmenten bei bis zu 90 Prozent, außerdem reduziert sich der Energieverbrauch im Schnitt um 50 Prozent. Die entstehenden Agglomerate werden einfach und mit geringem Wartungsaufwand aus dem Wasser entfernt und als Ressourcen in der Sekundärstoffverwertung genutzt. Aufgrund der insgesamt einfachen technischen Anforderungen sind die Investitionskosten von Wasser 3.0 PE-X in den aktuellen Anwendungsfeldern um mehr als 20 Prozent niedriger als bei Wettbewerbern. In Verbindung mit dem geringen Energieverbrauch konnten die Gesamtbetriebskosten somit um 75 Prozent gesenkt werden.

Nachhaltiges Prozessdesign für mehr Klima- und Umweltschutz bei reduzierten Kosten

Die Mikroplastik-freie Produktion mit Wasser 3.0 PE-X erweist sich auch in weiteren Kunststoff- und Wasser-intensiven Segmenten als vergleichbar kostensenkendes Sustainability Upgrade. Neben der Verbesserung der Wasserqualität werden

• Wasser- und Energieverbrauch reduziert,

• CO₂-Emissionen und Prozesschemikalien eingespart sowie

• Abfall durch Wiederverwertung vermieden.

Mit der Implementierung der Mikroplastik-freien Produktion kommen Unternehmen, die Kunststoffe produzieren, verarbeiten und entsorgen, im Zeitalter von Nachhaltigkeit und Kreislaufwirtschaft an. Anders als häufig angenommen, bedeutet klima- und umweltschützendes Handeln nicht höhere Kosten – sondern Kostensenkungen. Compliance mit erwartbaren Regulationen für Mikroplastik inbegriffen.

* S. Haubensak und Dr. K Schuhen, Gründungsteam, Wasser 3.0 gGmbH

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