Abfallwirtschaft: Rechtlicher Rahmen

Abfall- und Ressourcenwirtschaft – Rechtlicher Rahmen

• Deponieverordnung (DepV) wird in Verbindung mit der Technischen Anleitung Siedlungsabfall (TASI) angewendet.
• Bei der Auswahl eines Deponiestandorts sind geologische und hydrogeologische Bedingungen, der Abstand zum Grundwasserspiegel und wasserundurchlässige Schichten, besonders schützenswerte Flächen wie Biotope und Trinkwassergebiete, der Schutzabstand zu Wohngebieten, die Gefahr von Erdbeben und Überschwemmungen sowie die Ableitbarkeit von gesammeltem Sickerwasser im freien Gefälle zu berücksichtigen.
• TASI fordert die Schaffung unabhängig wirksamer Barrieren, um die Freisetzung und Ausbreitung von Schadstoffen nach dem Stand der Technik zu verhindern.
• Voraussetzungen für die Deponierung umfassen, dass die Verwertung von Abfällen schadlos und ordnungsgemäß erfolgt.
• Es darf keine nachhaltige Veränderung des Grundwassers (WHG) und keine Vorsorge gegen schädliche Bodenbeeinträchtigungen (BBodSchG §6) erfolgen, und nur inertes Material darf eingelagert werden.
• TL-Gestein-StB regelt bautechnische und umweltrelevante Anforderungen an Baustoffgemische.

Kreislaufwirtschaftsgesetz (KrWG) und Abfallhierarchie

• Die Abfallhierarchie ordnet Maßnahmen zur Abfallwirtschaft nach ihrer Priorität: Vermeidung, Vorbereitung zur Wiederverwendung, Recycling (stoffliche Verwertung), sonstige Verwertung und Beseitigung.
• Präventive Maßnahmen wirken der Entstehung von Abfall entgegen.
• Verfahren, bei denen Erzeugnisse für denselben Zweck verwendet werden, für den sie ursprünglich bestimmt waren (Vorbereitung zur Wiederverwendung).
• Durch Recycling werden die stofflichen Eigenschaften der Abfälle zur Herstellung von Sekundärrohstoffen erhalten.
• Die energetische Verwertung erzeugt Wärme bzw. Strom.
• Thermische Vorbehandlung ist die Abfallbeseitigung, z.B. auf der Deponie.

Grenzwerte Inert-Deponie – Bestimmung von Parametern

• Grenzwerte für Inert-Deponien werden anhand verschiedener Parameter bestimmt.
• Gemessen wird die Gasbildungspotenzial [GB21 in l/kg TS] durch anaerobe Aktivität mithilfe eines Eudiameters.
• Die gebildete Gasmenge kann in verschiedenen Intervallen abgelesen werden.
• Die Atmungsaktivität [AT4 in mg O2/g TS] wird durch Messung des O2-Verbrauchs mithilfe eines Sapromaten bestimmt.
• Der O2-Verbrauch für den Abbau organischer Substanz wird gemessen, wobei CO2 absorbiert wird.
• Zur Messung des Glühverlusts wird der Gesamtanteil Kohlenstoff bestimmt [% in TS].
• Der TOC (Total Organic Carbon)-Gehalt wird im Feststoff [% in TS] und im Eluat [mg/l der TS] bestimmt.
• Der Brennwert wird in kJ/kg gemessen.

Biogene Rohstoffe und Energieeinheiten

• Es werden verschiedene Rohstoffe, Verfahren und Produkte zur Gewinnung biogener Energieträger eingesetzt.
• Zucker- und stärkehaltige Pflanzenteile werden durch Vergärung (Ethanol) zu flüssigen Treibstoffen (Bioethanol) verarbeitet (z.B. Zuckerrübe, Kartoffel, Getreide, Maiskorn).
• Ölhaltige Pflanzenteile werden durch Pressen und Extrahieren (Umesterung) zu flüssigen Brennstoffen (Pflanzenöl/Biodiesel) verarbeitet (z.B. Rapssaat, Sonnenblumenkerne).
• Biogene Festbrennstoffe (Stückholz, Pellets) werden durch Verbrennung in Wärme und Strom aus Biomasse umgewandelt.
• Vergärbare Biomasse (Pflanzenteile, organische Abfälle) wird durch Vergärung (anaerober Abbau/Methanbildung) in Wärme und Strom aus Biomasse/Biomethan umgewandelt.
• Der Heizwert/Brennwert wird in kJ/kg angegeben.
• Verbrennung mit nur gasförmigen Produkten inkl. Wasserdampf.
• Heizwert = Brennwert - Verdampfungsenthalpie Wasser
• Die Öleinheit (Öläquivalent) ist eine Maßeinheit für die Energiemenge, die beim Verbrennen von 1 kg Erdöl freigesetzt.

Ziele der Nutzung biogener Rohstoffe

• Ziel ist es, eine größere Agrobiodiversität durch die Nutzung weiterer Pflanzenarten als Bioenergieträger zu gewährleisten.
• Eine hohe Energieausbeute bei geringem Flächen- und Ressourcenverbrauch soll erzielt werden.
• Die Erhöhung der Gesamt-Biotrockenmasse durch Nutzung von C4-Pflanzen (wie Mais und Chinaschilf) ist ein Ziel.
• Veränderungen der Inhaltsstoffe, z.B. Steigerung des Zuckergehalts oder Senkung des Ligningehaltes sind angestrebt.
• Zucker soll gut zu Bioethanol oder Biogas umgesetzt werden können, während eine Senkung des Methangehalts von Biogas durch Senkung des Ligningehaltes im Input erwünscht ist.

Vergleich C3/C4-Pflanzen

• C4-Pflanzen haben effektivere Möglichkeiten, CO2 zu fixieren (aktiver Transport) mittels des Enzyms PEP-Carboxylase.
• Eine bessere Aufnahme von CO2 ist möglich, und geringe CO2-Zufuhr ermöglicht bereits Fotosynthese.
• Daraus resultiert eine hohe Photosyntheseleistung von C4-Pflanzen und eine hohe Glucoseproduktion.
• C4-Pflanzen kommen vorwiegend in tropischen Regionen mit hohem Energiebedarf vor.
• Umgebungsbedingungen: C4- $30-40°C$.

Mikroorganismen: Domänen und Zelltypen

• Einzellige Mikroorganismen existieren seit etwa 3,5 Milliarden Jahren, während mehrzellige Lebewesen seit etwa 750 Millionen Jahren existieren.
• Mikroorganismen sind ubiquitär (allgegenwärtig) und extrem anpassungsfähig.
• Grundbausteine von Zellen sind: C, O, H, N, S, P.
• Es gibt drei Domänen des Lebens: Bakterien, Archaeen und Eukaryoten.
• Eukaryoten besitzen einen abgeschlossenen Zellkern und können nur gelöste Nährstoffe aufnehmen (Tiere, Pflanzen, Pilze).
• Prokaryoten haben keinen abgeschlossenen Zellkern und keine Mitochondrien (Einzeller, Bakterien & Urbakterien).

Zellmembran und Stoffwechsel

• Grampositive Zellwände haben eine mehrschichtige Mureinhülle, gramnegative eine einschichtige.
• Mehrschichtige Mureinhüllen können nur mit verschiedenen Antibiotika bekämpft werden.
• Der Metabolismus umfasst die Gesamtheit der biochemischen Prozesse in Zellen, die enzymatisch gesteuert werden.
• Die Unterscheidung erfolgt in Anabolismus (Aufbaustoffwechsel mit Energiebedarf) und Katabolismus (Abbaustoffwechsel mit Energiefreisetzung).
• Anabolismus und Katabolismus stehen in Wechselbeziehung (Amphibolismus).
• Energieliefernde Nährstoffe werden durch Katabolismus in energiearme Endprodukte umgewandelt, wobei Energie freigesetzt wird.
• Komplexe Biomoleküle werden durch Anabolismus aufgebaut, wobei einfache Zellbausteine und Energie benötigt werden.

ATP und Stoffwechseltypen von Bakterien

• ATP wird zur kurzfristigen Speicherung von Energie in Zellen verwendet, die dann für Synthese oder Bewegung genutzt wird.
• ATP ist die Energiewährung der Zelle, wobei durch Abspaltung eines Phosphatrestes Energie freigesetzt wird (ca. 30 kJ pro ATP).
• Auf Grundlage der Nährstoffe können Stoffwechseltypen von Bakterien unterschieden werden.
• Energiequellen: Sonnenlicht (phototroph) oder chemisch gebundene Energie, z.B. Zucker (chemotroph).
• Protonenquellen: organische Verbindungen, z.B. Zucker (organotroph) oder anorganische Verbindungen, z.B. NH4+ (lithotroph).
• Herkunft des Zellkohlenstoffs: CO2 (autotroph) oder andere Kohlenstoffquellen, z.B. Zucker (heterotroph).

Vergleich ATP, aerob und anaerobe Prozesse

• Aerobe Prozesse nutzen Sauerstoff für die vollständige Oxidation, wobei CO2 und H2O entstehen und ein Netto-Energiegewinn von 38 ATP resultiert.
• Anaerobe Prozesse laufen unvollständig ohne Sauerstoff ab, wobei CO2, CH4 und organische Säuren entstehen und nur ein Netto-Energiegewinn von 2 ATP resultiert.
• Aerob: YX/S = 0,5 g/g-1, μmax = 0,3-0,5 h-1, viel Biomasse, Freisetzung von Wärmeenergie, wenig Produkt.
• Anaerob: YX/S = 0,05 g/g-1, μmax = 0,4-0,8 h-1, wenig Biomasse, Freisetzung von Wärmeenergie, viel Produkt wie Säuren, Alkohole, Methan.

Enzyme: Eigenschaften und Funktion

• Enzyme (Biokatalysatoren) sind Proteine, die biochemische Reaktionen beschleunigen. Sie katalysieren bestimmte Reaktionen und sind spezifisch für bestimmte Substrate (Substraterkennung).
• Enzyme unterliegen Regulation und Abschaltbarkeit und sind in ihrer Aktivität durch das Vorhandensein bestimmter Substrate induzierbar.
• Enzyme erhöhen die Reaktionsgeschwindigkeit um ein Vielfaches (z.B. Faktor 100).
• Sie reduzieren die Halbwertszeit einer Reaktion drastisch (z.B. von 300 Jahren auf 1 Sekunde) und setzen die Aktivierungsenergie herab.
• Substratbindung und Schlüssel-Schloss-Prinzip unterstützen die Position des Substrats (kann besser reagieren).

Enzymkinetik

• Die Enzymkinetik, insbesondere die Michaelis-Menten-Kinetik beschreibt die Umsatzgeschwindigkeit von Enzymen.
• Es besteht eine Analogie zur Wachstumsrate von Mikroorganismen.
• Die Formel lautet wobei Vmax die maximale Umsatzgeschwindigkeit ist und Km die Michaelis-Menten-Konstante.
• Für Cs >> Km: erreicht V Vmax, Reaktion 0. Ordnung, 50% unabhängig von Cs.
• Für Cs << Km: entspricht V vmax Cs/kM → Reaktion 1. Ordnung → linearer Zusammenhang.

Verfahrenstechnik: Biomasse, Substrat und Produktivität

• Yxs: dx/ds = u/qs
• Die Produktivität des Reaktors (g/h) ist QPR = cp tp = (cpifinal * VL) / (tpräp + tprod) VR
• VL: Flüssigvolumen (l)
• cpifinal: Endkonzentration des Produktes (g/l)
• tprod: Produktionszeit (h)
• tpräp: Rüstzeit (h) VR: Reaktorvolumen
• Monod-Kinetik: u = μmax * S / (ts + S)
• μmax: Spezifische maximale Wachstumsgeschwindigkeit

###Anaerober Abbau und Gärung

• Vergärung (Anaerober Abbau): mikrobieller Abbau organischer Stoffe (z.B. Glucose), Energiegewinnung ohne Einbeziehung von externen Elektronenakzeptoren (wie O2)
• Oxidationsmittel: NAD+ (hohes NAD+/NADH Verhältnis
• Reduktionsmittel: NADPH (niedriges Verhältnis)
• 2 differenzierbare Redox-Cofaktoren
• Fermentation/Gärung: biologische Umwandlungsprozesse durch MO oder Enzyme (aerob oder anaerob)
• Jede Gärung ist eine Fermentation!

Allgemeiner anaerober Abbau

• Der Prozess beginnt mit der Hydrolyse, bei der organische Substanz, Polymere, Fette, Eiweiße und Kohlenhydrate in Monomere zerlegt werden.
• Anschließend erfolgt die Acidogenese (Versäuerung), wobei flüchtige Fettsäuren, Alkohole, Aminosäuren und Wasser entstehen.
• Acetat und Wasser werden in der Acetogenese (Acetat-Bildung) erzeugt, während in der Methanogenese Methan gebildet wird.

CO2-CH4-Verhältnis im Biogasprozess

• Dieses Verhältnis ist chemisch betrachtet eine Disproportionierung der organischen Kohlenstoffverbindungen. Es hängt von der mittleren Oxidationszahl des abgebauten Kohlenstoffs ab.
• Berechnung des Verhältnisses erfolgt mittels des CSB/TOC-Verhältnisses durch Bilanzierung.
• Gesamter abgebauter CSB: nur in CH4.
• Gesamter abgebauter TOC: Summe aus CO2 und CH4.

Hemmungen bei der Biogasbildung

• Hoher Feststoffgehalt anorganischer Feststofffraktionen im Zulauf oder im Reaktor.
• Mit steigender CSB-Zulaufkonzentration steigt die Gefahr der Hemmung durch H2S.
• CSBred /Sred > 100: Keine Probleme durch H2S.
• 15 < CSBred /Sred < 100: Berücksichtigung H2S-Probleme, anaerober Abbau jedoch möglich.
• CSBred /Sred <15: CH4-Produktion nur mit spez. angepassten Verfahren möglich.
• Hohe Konzentration oxidierter Stickstoffverbindungen (Nitrat, Nitrit) mindern die CH4-Bildungskapazität.
• Viele oxidierte Verbindungen führen zur Anhebung des Redoxpotentials und Hemmung der CH4-Bildung.
• NH3-Konz. nimmt zu (durch pH-Erhöhung und steigende Nitrat-Konz).

Effizienzsteigerung und Co-Substrate

• Die Effizienz der Methanogenese kann gesteigert werden durch:
• Stabile pH-Werte (6,5-8,2).
• Optimale Temperaturen.
• Co-Substrate: enthalten niedrigen cheni. Verbindugzen benötigt für enzym. Reaktion
• Hilfsstoffe Ermäßlichung einsetzung eigentlider Substrat

Prozesssteuerung Anaerob

• Ziele: Erzeugung von Biogas aus Abfällen.
• Zielgröße: Biologische Teil-Stabilisierung des Gärrückstandes wr Erzeugung von kampast und im Rahmen der mechanisch-biolepischen Abfallbehandlung (MBA) à 80%. Vom th. Gospotenzial nach VDI-Gärtest à OTS-Abban van ca. 50-55%.
• Einflussfaktoren: Es wird in Substratparameter, Betriebs/Prozess, technologische und Biozoenotische Parameter unterschieden

Technische Verfahren - Gärsubstrate

• Ausgewogenes Nährstoffverhältnis aus Abfall meist bereits vorhanden
• Beeinträchtig bei Wachstum • Gärei geeigneter verpärungsiohstaffe (Entfernung ligninhelter Abfelstoffe (2.3. Hop)-Ligrin anaereb , nicht abbentar ! • Intensive Homogenisierung • Selektive Nährstoffagabe bei Materialaufbereitung während Vespärngsprozess • Sicherstellung ause. hohe Pufferkapazität im Gärsubstrat

Hemmstoffe und Temperatur

• Hemmstoffe können die Methanbildung beeinträchtigen, wobei verschiedene Konzentrationen und Rahmenbedingungen zu berücksichtigen sind.
• Temperatur: Verschiedene Mikroorganismenarten fordern entsprechend versch. Temperaturoptima

Prozesstechnologien

• Mehrstufig: Trennung Hydrolyse & Versovering Abbouscritte von Metharnisierung (5öz kantalat muss vermieden werden
• Einstufig: Realteren mit Pfropfenströmung Vertikalreaktoren, hair -GastoralRealatoren Trockere
• Vergärung: immer einstigijedoch mäglich (d h quas:: z weist FS) ober Geobere & Vesparing Perlulationsverſamen C
• Kholer Feststoffanteil Hydrolyse

Nasse und trockene Vergärung

• Nassvergärung(1 - 15% TS ): kontinuierlich +++ ++++ ++++
• Trockene kontinuierlich (25 -40% TS) +++ ++ +++
• Trockene diskontinuierlich (30-50 TS )++ ++ ++

Einstufige vs. Zweistufige Prozessführung

• Einstufige Verfahren sind einfacher im Aufbau, während zweistufige Verfahren eine spezifischere Milieuregulierung und Abbaugeschwindigkeit ermöglichen.
• Die Prozessstabilität ist bei zweistufigen Verfahren tendenziell höher, jedoch ist der apparative Aufwand größer.

Prozesssteuerung

Das Ablufmanagement stellt eine entscheidende Herausforderung dar:

• Dichtes Netzes Wertstoff
• Schlissen Kreislaufe. Der Stand der Technik erfordert in den meisten Fällen eine Abluftreinigung. Dies wird in der nachfolgenden Grafik nochmals deutlich.
• Anlage und Verfahren sind abhängig das Abfallaufkommen und die stofflichen Beschaffenheit der Müllfraktion und der Topographie.
• Kritisch ist die schwere Messung Wirkungsgrad der technischen Abluftreinigung und die langfristige Steuerung des Treibhauseffekt.

Chemische & physikalische Prozesse beim Recycling

• Bei Werkstofflichen Prozessen bleiben die Makromoleküle erhalten. Beispiel hierfür ist das Recycling Thernoplaste
• Bei Themischen Prozessen werden die Makromoleküle zu Strom und Wärme umgewandelt
• Aufspaltung von Langkettigen Verbindungen im luftleeren Raum
• Die Steuerung des Luffverhälnisses

Verfahrensablaut

• Die angelieferten Stoffe-sowohl Fest als auch Flüssig- werden einem mehrstufigen Prozess zugeführt, bei dem die heterogenen Komponenten getrennt und einem Recyclingkreislauf zugeführt werden.
• Bei diesem Prozess werden die verschiedensten Bauweisen von Komposter eingesetzt.
• Die Ablult wird aufwendig gefiltriert, um die Geruchsbelästigung gering zu halten. Dies ist nicht immer Problemlos.

Ökobilanz

• Die Ökobilanz ist ein geschlossenes System aus der Analyse der eingesetzten Rohstoffen über die Stoffströme bis hin zum Endprodukte.
• Ökobilanzen unterliegen eine fortlauende Kontrolle. Das Oikoinventar und den Wirkungsgrad werden immer wieder auf den Prüfstand gestellt.
• Ziel ist eine fortlaufende Quantifizierung und der Vergleichbarmachung der Ergebnisse.

Nachhaltigkeit & Ressourcen Management

Um die Nachhaltigkeit zu verbessern, gelten folgende Leitlinien.

• Suffizienz : Das „richtige Maß" wird gefunden auf den Ebenen der Sparsamkeit und Konsumreduzierung im Leben jedes einzelnen Bürgers.
• Effizienz: Bei Erhöhung von Wirkungsgrad solls der min Resourcenverbrauch im Auge behalten werden. In der Abfallwirtschaft werden neue Technologie eingesetzt die weniger Energie und Hilfstoffe verbrauchen.

Abfallwirtschaft

Integratives Nachhaltigkeitskonzept: Es existiert eine zielgenaueDifferenzierung aber es benötigt fortlauend eine synoptische Zusammenstellung. Im Umweltschutz sind viele Einzelinteressen zu berücksichtigt.

• Der globale Rohstoffverbrauch muss neu justiert werden. Die Weltgemeinschaft verzerht jetzt schon 1 1/3tel mehr Ressourcen als die Erde erneuern kann.
• Das lineare Wirtschaftswachstum ist gekoppelt mit steigenden Rohstoffverbräuchen welches unmittelbare Bedrohung darstellt. Der Schutz unsere Lebensgrundlagen muss durch nachhaltige Ressourcennutzung gewährleistet werden.