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UmweltanalytikMüllverbrennung

eine saubere Sache für die Umwelt dank modernster Technologie und Analysenmesstechnik Beispiel: Hg-Bestimmung im Spurenbereich von µg/l bis zu Konzentration im g/l-Bereich mit Atomfluoreszenzspektrometrie (AFS)
Umweltanalytik: Müllverbrennung

Heike Gleisner1) und Hans-Günter Lischo2)

1) Analytik Jena AG, 07745 Jena, Konrad Zuse Straße 1.
2) GBA Gesellschaft für Bioanalytik Hamburg mbH, Standort Herten, 45699 Herten, Im Emscherbruch 11.


Müllberge, Müllnotstand oder wer soll eine ökologische Müllentsorgung bezahlen – auf Themen wie diese treffen wir inzwischen täglich in unseren Medien (Bild 1). Sie bilden Diskussionsgrundlage in Regierungsdebatten und ihre Brisanz wird nicht zuletzt durch die Verabschiedung entsprechender Gesetzesvorlagen dokumentiert. Wachsende Abfallberge, schwindender Deponieraum und gesetzliche Vorgaben führten zu einer Kursänderung in der Abfallwirtschaft.
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Die Müllverbrennung hat sich zu einer Hochtechnologie entwickelt, die eine ungeordnete Ablagerung des Mülls durch eine geordnete Entsorgung und Kreislaufwirtschaft mit dem Ziel der Nutzung der im Abfall enthaltenen Wertstoffe ersetzt. Gesetzliche Grundlage für das Betreiben von Müllverbrennungsanlagen ist die 17. Verordnung zur Durchführung des Bundes-Immissionsschutzgesetzes [2]. Mit dem Schließen der Deponien 2005 für unvorbehandelten Abfall entsprechend der technischen Anleitung Siedlungsabfall (TASi) [3] und der Ablagerungsverordnung (AbfAbIV) [4] hat sich die Bedeutung und Nachfrage nach ökologisch, ökonomisch und sozialverträglichen Abfallkonzepten nochmals deutlich erhöht. Thermische Behandlungsanlagen in Form von Müllverbrennungsanlagen (MVA) haben sich dabei als preiswerte und umweltverträgliche Technik zur Entsorgung von Abfällen etabliert. Am Beispiel der Müllverbrennungsanlage in Herten (RZR Herten) soll die Dualität von neuester Technologie und Gerätemesstechnik am Beispiel der Hg-Bestimmung erläutert werden.

Müllverbrennung im RZR Herten

Das Konzept einer Müllverbrennungsanlage ist einerseits die thermische Behandlung von Abfällen und andererseits die Nutzung der bei der Verbrennung des Abfalls anfallenden Wärme zur Energieerzeugung unter genauer Kontrolle der dabei an die Umwelt abgegebenen Rauchgase. Im RZR Herten [5] wird dieses Konzept in zwei Industriemüll- und vier Siedlungsmüllverbrennungslinien umgesetzt. Das RZR Herten zeichnet sich durch eine besonders effektive Rauchgasreinigungsanlage aus. Sie besteht hinter den einzelnen Linien jeweils aus Entstaubung, doppelter Rauchgaswäsche, Aktivkoksfilter und katalytischer Entstickung (Bild 2). Hierdurch werden die Grenzwerte der 17. BImSchV bei nahezu allen Emissionsparametern deutlich unterschritten.

Erst durch die moderne Technologie der Rauchgasreinigung und einer empfindlichen Analysentechnik kann ein maximaler Schutz von Mensch und Umwelt durch den hohen Sicherheitsstandard der Anlage garantiert werden.

Qualitätskontrolle am Beispiel Hg

Quecksilber gehört zu den für Mensch und Umwelt schädlichsten Giften [6, 7]. Der Kontrolle dieses Schwermetalls kommt deshalb eine ganz besondere Bedeutung zu. Aufgrund der hohen Flüchtigkeit und der 100%igen Freisetzung von Hg während der Müllverbrennung muss bei einer effizienten Abscheidung in den Rauchgaswäschern (Vorwäscher, Hauptwäscher) mit sehr hohen Hg-Konzentrationen, die bis in den g/l-Bereich reichen können, gerechnet werden. Die zu kontrollierenden Zielwerte für die Wässer nach der Schwermetallfällung bei den SM- und IM-Anlagen liegen teilweise im unteren µg/l-Bereich.

Aus den Anforderungen dieser speziellen Aufgabenstellung muss das Element Hg in einem Konzentrationsbereich von 0,5 µg/l Hg bis zu 1 g/l Hg schnell und richtig erfasst werden, wodurch an die Methode und das Messgerät besondere Ansprüche gestellt werden.

Kalibrierung

Die analytische Kontrolle der Betriebsabläufe in der MVA RZR Herten wird durch die GBA Gesellschaft für Bioanalytik Hamburg mbH [8] durchgeführt, einschließlich der in diesem Beispiel beschriebenen Bestimmung der Quecksilbergehalte. Zur Realisierung dieser speziellen Aufgabenstellung wurde als Analysenmethode die Atomfluoreszenz ausgewählt. Diese Analysenmethode ist prädestiniert, einerseits durch eine sehr hohe Empfindlichkeit Hg im niedrigsten Konzentrationsbereich von wenigen ng/l reproduzierbar zu messen, aber andererseits, auch wegen der sehr guten Linearität über nahezu 5...6 Dekaden, hohe Konzentrationen von Hg zu erfassen.

Zur Kontrolle des analytischen Parameters Hg wird der Quecksilberanalysator mercur Duo (Bild 3) der Fa. Analytik Jena eingesetzt. Die Kalibrierung und Messung erfolgt im Fluoreszenzmodus. Bei maximaler Nachweisstärke, die eine Messung bis in den unteren ppt-Bereich ermöglicht, müssten die Proben so stark verdünnt werden, dass zusätzlich zu einer erhöhten Probenvorbereitungszeit ein hoher Verdünnungsfehler unvermeidbar wäre. Aus diesem Grund wurde von der Möglichkeit des Messgerätes Gebrauch gemacht, die Empfindlichkeit des mercur Duo durch die Abstimmung der Photomultipierspannung an die eigentliche analytische Aufgabenstellung anzupassen. Ziel war es, einen Zielwert von 1 µg/l Hg sicher nachzuweisen und den Konzentrationsbereich nach oben soweit als möglich auszudehnen, um den manuellen Verdünnungsaufwand der höher konzentrierten Proben aus den Vor- und Hauptwäschern sowie den Verdünnungsfehler möglichst niedrig zu halten.

In Bild 4 ist eine typische Kalibrierkurve dargestellt, die als niedrigsten Kalibrierstandard 1 µg/l Hg (Bild 5a) besitzt und sich bis zu einer Konzentration von 200 µg/l Hg (Bild 5b) erstreckt. Die entsprechenden Intensitäten und Reproduzierbarkeiten sind aus Tabelle 1 ersichtlich. Die Empfindlichkeit des mercur Duo wurde dabei mit einer Photomultiplierspannung von 250 V sehr stark reduziert, um den nutzbaren Messbereich zu hohen Konzentrationen hin auszudehnen. Proben aus Vor- und Hauptwäscher müssen einem Grenzwert von 500 mg/l bzw. 50 mg/l Hg genügen. Deshalb werden diese Proben vor der Messung direkt um einen Faktor 1000 verdünnt und können so mit der gleichen Kalibrierung erfasst werden.
Sollten einzelne Proben über der damit maximal erfassten Konzentration von 200 mg/l Hg (1:1000 verd. = 200 µg/l) liegen, verdünnt der verwendete Autosampler AS 52s diese Proben automatisch in den gültigen Kalibrierbereich. Zur Vermeidung einer möglichen Hg-Verschleppung (Memory) nach hohen Hg-Konzentrationen wird im Analysenablauf eine kontrollierte Reinigung durchgeführt. Dabei spült das System automatisch bis zu einem vom Anwender definierten Intensitätswert. Erst wenn das System die definierte Reinheit erreicht hat, wird die Probe verdünnt und anschließend gemessen. Mit dieser speziellen Methode können dann maximale Hg-Konzentrationen von bis zu 1 g/l erfasst werden.

In Tabelle 2 sind typische Proben und Messergebnisse eines täglichen Analysenablaufes im Labor der GBA aus der MVA Herten aufgelistet.

Zusammenfassung

Im dargestellten Beispiel der MVA RZR Herten konnte gezeigt werden, dass die im mercur Duo angewendete Fluoreszenztechnik ideal geeignet ist, um Hg reproduzierbar und stabil über einen sehr großen Konzentrationsbereich von 1 µg/l bis in den g/l-Bereich zu erfassen. Durch die Anpassung der Geräteempfindlichkeit kann ein optimaler Messbereich eingestellt werden, um bei minimaler Probenvorverdünnung und höchster Automatisierbarkeit durch Nutzung des Autosamplers AS 52s mit intelligenter Verdünnungsoption eine stabile und effiziente Bestimmung mit geringer Interaktion des Anwenders durchzuführen.

Nur durch ein robustes und reproduzierbares Messverfahren können die vorgegebenen Grenzwerte sicher kontrolliert und eingehalten werden. Das ist wiederum Voraussetzung, dass die MVA RZR Herten ihr Prädikat „Sauberste Müllverbrennungsanlage Europas“ [5] verteidigen kann. Nur wer sich auf neueste Technologie und Messtechnik stützen kann, kann sich größtmögliche Transparenz bezüglich seiner Messwerte leisten. In dieser Beziehung ist die MVA RZR Herten als „gläserne“ Anlage mit einer seit 1992 installierten Anzeigetafel vorbildlich, ebenso mit einer für jedermann zugänglichen Präsentation der aktuell emittierten Tagesmittelwerte (Bild 6) im Internet.

Referenzen

  1. „Frankfurter Allgemeine“ Zeitung (FAZ) 14.3.2010.
  2. Verordnung über die Verbrennung und die Mitverbrennung von Abfällen – 17. BImSchV.
  3. Technische Anleitung (TA) Siedlungsabfall – TASi vom 14. Mai 1993 (BAnz. Nr. 99a vom 29.05.1993).
  4. Abfallablagerungsverordnung – Verordnung über die umweltverträgliche Ablagerung von Siedlungsabfällen – Fassung von 20. Februar 2001 [BGBI. I S.305].
  5. www.rzr-herten.de.
  6. The Eighth International Conference on mercury as a Global Pollutant, Aug.11, 2006.
  7. UNEP Chemicals (2003) Global mercury Assessment Report, Geneva, Swizerland.
  8. www.gba-hamburg.de
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