Entstehung von Abfall und dessen Wechselwirkungmit der Umwelt

Rohstoff- Produktion Lagerung Verbrauchgewinnung Transport Gebrauch

AbfallEintrag in die Umwelt

Wasser, Boden, Luft

Klima

Mensch, Tier, Material,Mikroorganismus, Konsumgüter

Pflanze

Abfälle

Definition im Sinne des Abfallgesetzes [§1 (1) AbfG]:

„... bewegliche Sachen, deren sich der Besitzer entledigen will oderderen geordnete Entsorgung zur Wahrung des Wohls der Allgemeinheit,insbesondere des Schutzes der Umwelt, geboten ist.“

Sammlung und Aufbereitung von Abfällen

- Getrennte Wert- und Schadstofferfassung im Hausmüll- Duales System für Verpackungsabfälle- Behandlung von Massenabfällen(z.B. Baggergut)

- Chemisch-physikalische Behandlung von IndustrieabfällenEntgiftung (Cyanid durch Natriumhypochlorit), Emulsionstrennung(z.B. Flockung, Adsorption)

Globale und regionale Abfallströme- Verwertungstechnologien sind Ausgangspunkte der Abfallströme

- nachhaltige Bewirtschaftung von Ressourcen enthält den Grundsatz, dass die Rate der Schadstoffemissionen die Kapazität zur Schadstoffadsorption nicht übersteigen darf

- der Anfall von Bergbauresten liegt mit 20 Mrd.m3 in der Größenordnungder aktuellen Erosionsrate von Boden und Gestein (dabei ist Erosionschon 6 mal größer als zu vorindustrieller Zeit)

- hinter der Herstellung eines Autos (ca. 1 t) liegen 25 t Abfall

- es müssen pro Einheit Metall immer größere Mengen von Material bewegt und gefördert werden

⇒

„Vielleicht sind diese riesigen Mengenströme langfristig für dieMenschheit gefährlicher als viele chemische Schadstoffe“

Anreicherungsstufen und Rückstandsmengen bei derGewinnung von Rohstoffen am Beispiel Rohkupfer

1000 t bewegtes GesteinUrsachen derAbfallentwicklung

TagebauAbraum

200 t Roherz (ca. 0,5% Cu)

FlotationGangart

4 t Erzkonzentrat (ca. 25% Cu)

VerhüttungSchlacke,Schwefelsäure

1 t Rohkupfer (ca. 98%)

Recycling

- Rückführung der bei Produktion und Verbrauch anfallendenNebenprodukte und Reststoffe in den Produktions-Verbrauchs-Kreislauf

- Schließung bislang offener Produktionsabläufe in Analogiezu natürlichen Stoffkreisläufen

- Schwierigkeit, da starke Vermischung, starke Verdünnungder Wertstoffe,oft geringere technische Qualität der Recyclingprodukteauch hinsichtlich der Gewährleistung von definiertenQualitäten beim Sekundärprodukt

Deponie - Barrierekonzept

- Geologie (hydrogeologische und geotechnische Gesichtspunkte)- Dichtung (allseitig wirksames Dichtungssystem)- Entsorgung (Erfassung und Ableitung der Wässer und Gase)- Betrieb (nach Stand von Wissenschaft und Technik)- Überwachung- Nachsorge, Kontrolle

⇒ Forderung: Immissionsneutralität

Ausstattungsmerkmale einer geordneten Deponie

- Untergrundabdichtung (Mindestdichtigkeit von 10-8 m/s)

- Einrichtungen zur Erfassung und Behandlung (Ableitung) des Sickerwassers

- Anlagen zur Erfassung und Behandlung bzw. Verwertung von Deponiegas

Zeitliche Veränderung der Gasphase von Siedlungsabfalldeponien

(nach Christensen/Kjeldsen)

- in einer kurzen aeroben Phase nach der Ablagerung werden die meisten organischen Bestandteile durch den Luftsauerstoff in CO2 und Wasser umgewandelt, 1

- in einer ersten anaeroben Phase nimmt die Bakterienaktivität zu, es bilden sich flüchtigeFettsäuren, CO2 und auch H2 , die saure Reaktion setzt verstärkt Metallionen frei, 2

- Aktivität methanogener Bakterien nimmt zu, Bildung von Schwefelwasserstoff undErhöhung des pH-Wertes, dadurch nimmt die Löslichkeit der Schwermetalle ab, 3

- die Methanbildung stabilisiert sich bei 50-65% der gesamten Gasproduktion, Anteile anflüchtigen Fettsäuren und Wasserstoff nehmen ab, 4

- am Ende bleiben nur noch schwer abbaubare org. Stoffe zurück, es beginnt Stickstoff undSauerstoff in die Deponie zu diffundieren 5

1 2 3 4 5

N2 , O2Anorganika,schwerabb. Organika

Temperaturen in der Basisdichtung nach Beginn der Müllschüttung

(Deponie Augsburg-Nord, hydrogeologisches Messfeld der TU München)

Thermische Behandlung von Abfällen

Ziele:- schädliche oder gefährliche Inhaltsstoffe des Abfalls sollen zerstörtund immobilisiert (mineralisiert) werden

- Volumen und Menge des Abfalls soll vermindert werden- Stoffe sollen zumindest energetisch genutzt werden- verwertbare Abfallkomponenten sollen rückgewonnen werden(z.B. aus Metall-Kunststoff-Verbundwerkstoffen)

Thermische Behandlungsprozesse

- Verbrennung(Stoffumwandlung bei höherer Temperatur in Anwesenheit von Sauerstoff, hier T> 8500C)25% des Hausmülls wird in Deutschland verbrannt, Schweiz 80%

- Pyrolyse (Entgasung)(Stoffumwandlung unter Zuführung von Wärme, weitestgehend unter Sauerstoffausschluss)Tieftemperaturpyrolyse: <5500C, Mitteltemperaturpyrolyse: 550...8000C, Hochtemperatur-pyrolyse: >8000CSchritte: Zersetzung (Depolymerisation-Kettenbruchstücke), dann Polymerisation zu Teer

- VergasungKombination von Verbrennung und teilweiser PyrolyseKohlenstoffhaltige Anteile zu CO bei hohen Temperaturen, dann weitere Verbrennungoder Nutzung

- Hydrierungthermische Zersetzung unter Sauerstoffausschluss in Gegenwart von Katalysatoren,danach Reaktion mit Wasserstoff R-Cl + H2 → R-H + HCl

Technische Kriterien einer Müllverbrennungsanlage

- Haus- und Industriemüll bedarf allgemein keiner Aufbereitung(ev. Zerkleinerung, schlammförmige Abfälle aufdüsen...)

- Müllbunker verschlossen, Unterdruck(Verhinderung von Geruchsbelästigung)

- Auflockern der Brennstoffschicht, Regelung hinsichtlich Trocknung,Zündung, Verbrennung, Ausbrand (Verweilzeit, Luftdurchsatz)

- Rauchgastemperatur mindestens 8000C, nachgeschaltete Brenn-kammer > 8500C (zum Anfahren Stützbrenner)

- Korrosion beachten vor allem bei Kesselanlagen (Halogene!)

Wesentliche Systeme einer Müllverbrennungsanlage

- Müllbunker mit Aufgabevorrichtung- Verbrennungsraum- Rauchgaskühleinrichtung (oft mit Wärmenutzung)- Entschlackungseinrichtung- Rauchgasreinigungsanlage

Rückstandsbehandlung

- pro Tonne Müll fallen etwa 250-350 kg Schlacke und Asche an, ca. 20-40 kgFilterstaub und ca. 8-45 kg Reaktionsprodukte aus Reinigungsstufe

- Rückstände werden zum Teil verwertet, zum Teil deponiert

- Rückstandsbehandlung (zukünftig) Waschen, Sintern, Schmelzen

- Zusammensetzung der Rohschlacken:3-5% Unverbranntes7-10% Eisen- und Nichteisenmetalle5-7% grobstückiges und 80-83% feinstückiges Material (Beton, Ziegel,

Steine, Schlackebrocken, Glas, Keramik, Porzellan)

- mittels Aufbereitungsverfahren sollen aus Schlacke und Filterstäuben Metallewiedergewonnen werden

- Verfestigungs- und Waschverfahren (immobilisierende Zuschlagstoffe zu-setzen)

- durch Schmelzverfahren Schlacke (auch Filterstäube) in auslaugungsfestesProdukt überführen

Rauchgasreinigung

- Reduzierung der Emissionen (NOx , Dioxine)

- Untersuchungen zur Prozessführung:∗

verminderter Mülleintrag ergibt reduzierte Belegungs-dichte und damit niedrige Dioxin/Furan-Werte

∗

hoher Lufteintrag vermindert Dioxin/Furan-Werte∗

hoher Feuchtigkeitsgehalt, geringe Dioxin/Furan-Werte

∗

mittels Nasswäsche Abscheidungsgrade von 90%∗

mittels Wasserstoffperoxid können gasförmig vorliegende Dioxine (Furane) zerstört werden

Dioxinbildung - DioxinzerstörungBildung:- aus chlororganischen Verbindungen(als Nebenprodukte bei der Synthese von Chlorphenolen, Gas-Festkörperreaktionen)

- aus „anorganischem“ Chlorid(z.B. Luftoxidation von bituminöser Kohle bei 6000C in Gegen-wart von Chlorwasserstoff oder Chlor)

Zerstörung:- thermische Gasphasenreaktion (>12000C)- katalytische Verfahren- photochemische Zerstörung- Reaktion mit Natrium- Hydrolyse

Gärung IDefinition:ist anaerob verlaufender Prozess zur Energiegewinnung, bei dem der abgespaltene Wasserstoff auf organische Akzeptoren oder CO2 übertragen wird, die intermediär beim Substratabbau gebildet werden, die dabei reduziert werden

- in der natürlichen Umwelt werden dadurch die in den Gewässerse-dimenten abgestorbenen Organismen und Pflanzenteile abgebaut

- Gärung führt zum unvollständigen Abbau, es erfolgt keine Mineralisierung

- Endprodukte: Acetat, Formiat, Propionat, Lactat, H2 und CO2

Beispiele:alkoholische Gärung: Glucoseabbau über Acetaldehyd als Wasserstoffakzeptor zu Äthanol reduziertButtersäure-Butanolgärung: Eiweiße/Aminosäuren zu H2 , CO2 ,Acetat, Butyrat-Butanol, Aceton-Isopropanol

Gärung II

- Unterscheidung nach Hauptstoffwechselprodukten:C6 H12 O6 ⇔

2C2 H5 OH + 2CO2 Ethanolgärung

C6 H12 O6 ⇔

3CH4 + 3CO2 MethangärungC6 H12 O6 ⇔

2CH3 CH(OH)COOH Milchsäuregärung

Atmung:- anaerobe Atmung:der Wasserstoff wird auf „Sauerstoff in gebundener Form“ übertragen(verläuft unter Sauerstoffausschluß) z.B. auf Nitrat oder Sulfatsauer-stoff als H-Akzeptor: NO3

- ⇔

N2 , NH3 ; SO4 2- ⇔

H2 S

- aerobe Atmung:abgespaltener Wasserstoff aus Organika auf molekularen Sauerstoffunter Bildung von Wasser übertragen: C6 H12 O6 + 6O2 ⇔ 6H2 O + 6CO2

Kompostierung- Kompostierung beruht auf mikrobiologischen Stoffwechselprozessen

- aus organischen Stoffen im Müll in einem exothermen Prozess undKohlendioxidentwicklung ein organomineralisches Bodenverbesse-rungs- und Düngemittel(Nitrate, Sulfate, Zellulose und Lignin bilden Humussubstanz)

- Rotteprozess∗

ausreichende Luftzufuhr

∗

Nährstoffe für Mikroorganismen∗

pH-Wert zwischen 5 und 8

∗

Beeinträchtigung durch Geruchsbelästigung

Kernenergie in Deutschland

- Anteil an Elektrizitätsversorgung in Deutschland > 30%, in EU 36%- 18 im Betrieb befindliche Blöcke - durch Kernenergie jährliche CO2 - Emissionen von bis zu 160 Mio. t

vermieden- Betrieb von Forschungsreaktoren- z.Z. ein Forschungsreaktor Neubau (München-Garching)- alle im Osten Deutschlands befindlichen russischen Reaktoren außer Betrieb, Vorbereitung/Durchführung des Abbaus

- Verzicht auf deutsche Wiederaufarbeitung (Wackersdorf)- Rückbau von kerntechnischen Anlagen in Karlsruhe, Jülich und Rossendorf

- Rückbau der WA-Karlsruhe (Konzept „Grüne Wiese“)- Abbau eines Kernkraftwerkes (KKW Niedereichbach) zur „Grünen

Wiese“ bereits erfolgreich durchgeführt ⇓

regierungspolitischer Wille „Ausstieg aus Kernenergie“ (20-25 Jahre)

Grundlage der Kernenergiegewinnung

- Spaltung schwerer Atomkerne in mittlere Atomkerne und Bildung von Neutronen

- Fusion leichter Kerne zu schwereren Kernen

Beherrschung der notwendigen Technologie

„Atommüll“- abgebrannte Brennelemente der Reaktoren- radioaktive Prozessabfälle (Glaskokillen), die bei derWiederaufbereitung von Brennelementen entstehen

- aktivierte, bzw. kontaminierte Bauteile von Reaktoren, Kernanlagen und Produktionsanlagen für radioaktive Isotope

- anfallende radioaktive Abfälle aus nuklearmedizinischer,industrieller und forschungsseitiger Anwendung

- Prozessabfälle bei der Urangewinnung und Aufarbeitung

= Radioaktiver Abfall:jegliche radioaktiv kontaminierte, bei Betrieb und Abbau von Kernanlagen und den Umgang mit radioaktiven Stoffenanfallenden Reststoffe, die nicht dekontaminierbar undnicht wiederverwendbar sind.

Vielfalt der Abfälle (kontaminierte Kleidung und Geräte, Bauschutt, Reinigungsmittel, Filter, Austauscherharze, Stahl- und Betonstrukturen)

Radioaktiver Abfall (Charakteristik)

- Toxizität ist im wesentlichen durch die von den radioaktiven Nukliden ausgesandte Strahlung (Art, Energie) bestimmt

- Radioaktivität nimmt nach physikalischer Gesetzmäßigkeit im Laufe der Zeit ab, Halbwertszeit für endlagerrelevante Radionuklide von wenigen Jahren bis mehrere zehntausend Jahre

- Charakterisierung nach Radioaktivitätsinventar, RadiotoxizitätActinidengehalt und Wärmeentwicklung ⇒

hoch-, mittel- und schwachradioaktiv

- durch geeignete Konditionierung Überführung in zwischen- und endlagerfähige Form (Behandlung, Fixierung, Verpackung)⇒ Abfallgebinde

- Abgabe, Zwischen- und Endlagerung geregelt

Beseitigung von radioaktiven und Nuklearabfällen (Prinzipien)

- Oberflächennahe Lagerung

- Lagerung untertätig in geologischen Formationen* mit Option Rückholbarkeit* keine Rückholbarkeit

- Transmutation langlebiger Nuklide

- Transport in den Weltraum

- Meeresverkippung, Versenkung

- Freisetzung / Verteilung / Verdünnung

Stilllegung kerntechnischer Anlagen

- Erreichen der Auslegungsbetriebszeit

- Unwirtschaftlichkeit

- Sicherheitsbedenken

- Störfall

- „politischer Wille“

Konzept zur Entsorgung von radioaktiven undNuklearabfällen (D)

- Kurzzeitlagerung beim Verursacher

- Abgabe an Landessammelstelle (kein Kernmaterial)

- Zwischenlagerung in zentralen Lagern

- Endlagerung in untertägigen geologischen Formationen(Salz ? Granit ? Tongestein ?)

Entsorgungskonzept (Brennelemente)

Direkte Endlagerung 2- Zwischenlagerung/Transport → Endlagerung

Wiederaufarbeitung 3

Entsorgungskonzept für gebrauchte Brennelemente

Variante:

- Endlagerung nach Wiederaufarbeitung 3Wiedergewinnung des unverbrauchten Kernbrennstoffes (Uran-235) und des neu gebildetenKernbrennstoffes (Plutonium-239), Endlagerung der verfestigten hochradioaktiven Abfälle

Wiederaufarbeitung – Endprodukte

- Brennelement Glaskokille mit hochradioaktivem Abfall

Entsorgungskonzept (Brennelemente)

Wiederaufarbeitung- Zwischenlagerung/Transport → Endlagerung

Direkte EndlagerungEndlagerung:Ziel:Verhinderung, dass aus dem Abfall stammende Radionuklide in die Biosphäre gelangen, bevor ihre Radioaktivität auf unbedenkliche Konzentration abgeklungen ist.Einbringen von: Container mit Brennelementen, Container mit Glaskokillen

Standortkriterien: - Wirtsgestein und dessen Eigenschaften (Größe, Homogenität)- Geogene Faktoren (Tektonik, Seismizität, Hydrogeologie)- Ökologische Faktoren (Schutzgebiete, Bevölkerungs- und Industriedichte, potenzielle

Rohstoffvorkommen, Infrastruktur)

Potenzielle Wirtsgesteine:Deutschland: Salz?, Ton?, Granit?Finnland, Schweden, Schweiz: GranitUSA: Salz, Granit, Basalt, Tuff GenehmigungsverfahrenJapan: Granit, SedimentgesteinFrankreich: Granit, Ton, Sedimentgestein

Endlager – TechnologieErkunden – Auffahren (Schacht/Stollen) – Einlagerung der Abfallgebinde(Behälter mit Brennelementen/Behälter mit Glaskokillen) in Stollen bzw. Bohrlöcher von Stollensohle aus, Verschließen der Bohrlöcher/Stollen

Endlager – Mehrfachbarrierensystem

Transport der Radionuklide

- Eigenschaften des Grundwassers, bzw. des eindringenden Wassers

- Hydrogeologie (Fließrichtung, Fließgeschwindigkeit)

- Eigenschaften des umliegenden Gesteins (Salzes)

- Einstellende chemische Gleichgewichte

Chemie der Actinide:

Thorium, Uran, Neptunium, Plutonium, Curium, Americium* Löslichkeiten (Abhängigkeit von Ionenstärke, pH-Wert, Temperatur,

Druck, Redoxpotential)

* Kenntnis der Speziation (chemischer Zustandes desActinids / Radionuklids)

* Sorptionsgleichgewichte, Reaktionskinetik