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L.S. Morf:
"Entwicklung einer effizienten Methode zur kontinuierlichen Bestimmung von Stoffflüssen durch eine Müllverbrennungsanlage";
Betreuer/in(nen), Begutachter/in(nen): P.H. Brunner; Institut für Wassergüte und Abfallwirtschaft, 1998.

In der Abfallwirtschaft werden Kontrollinstrumente benötigt, um den Erfolg von Maßnahmen zu prüfen. Dabei ist die zeitabhängige Erfassung und Modellierung von Stoffflüssen eine Vorbedingung, um Vorgänge in der Abfallwirtschaft sowie deren Einfluss auf die Umwelt kontrollieren und steuern zu können. Weil Müllverbrennungsanlagen (MVA) heterogenen Müll in homogenere Verbrennungsprodukte umwandeln, kann die stoffliche Müllzusammensetzung auf einfache und kostengünstige Weise aus den Produkten der MVA bestimmt werden (indirekte Analyse). Es ist Ziel dieser Arbeit, eine effiziente Methode zu entwickeln, mit welcher die stoffliche Müllzusammensetzung und deren Veränderung routinemäßig indirekt gemessen werden kann. Dabei sollen unter Berücksichtigung der Unsicherheit Methoden zur Wahl des zu analysierenden Verbrennungsproduktes, der Probeanzahl, des Probegewichtes sowie der Art und Struktur der Probenahme vorgeschlagen werden.
Zu diesem Zweck wurde die Verteilung (Transferkoeffizienten) von C, Cl, S, F, Fe, Cu, Zn, Cd, Pb und Hg auf die Verbrennungsprodukte einer MVA bestimmt und deren Verhalten untersucht. Dazu wurden Güterflüsse aller relevanten Güter gewogen und Proben der Verbrennungsprodukte im Labor analysiert. Mit statistischen Methoden wurden die Daten ausgewertet. Experimente zur Definition von Probeanzahl, Probegewicht, Art und Struktur der Probenahme wurden durchgeführt. Die entwickelte Methode wurde dann routinemäßig angewandt.
Die Resultate dieser Arbeit zeigen: Die ermittelten Transferkoeffizienten stimmen mit Literaturwerten überein. Dabei wurden im Routinebetrieb der MVA mit wenigen Ausnahmen schwache Korrelationen zu Prozess- und Inputvariationen festgestellt. Transferkoeffizienten als stochastische Größen zu modellieren erscheint daher als sinnvoll. Folgende Verbrennungsprodukte eignen sich für die indirekte Analyse: Reingas für C, Abwasser für Cl, Elektrofilterasche für Schwermetalle wie Cd und Schrott für Fe. Durch fundiertes Wissen über das zeitliche Verhalten von Stoffkonzentrationen in Gütern einer MVA (Autokorrelationsfunktion) können die Probeanzahl und damit die Kosten je nach Element gegenüber der Annahme zufällig verteilter Konzentrationen z.T. beträchtlich reduziert werden. Des weiteren zeigen Resultate aus Experimenten für ausgewählte Güter und Stoffe, wie durch die richtige Wahl der Art und Struktur der Probenahme Unsicherheiten der Stoffkonzentrationen exakt geschätzt, und der Aufwand minimiert werden kann. Der Einfluss des Probegewichtes auf die Unsicherheit wird am Beispiel ausgewählter Schwermetalle in der Elektrofilterasche dargestellt. Durch Bestimmung des optimalen Probegewichtes können zufällige Fehler minimiert und systematische Fehler ausgeschlossen werden. Die Wichtigkeit der Anwendung geeigneter Methoden zur Wahl von Probeanzahl, des Probegewichtes sowie der Art und Struktur der Probenahme wird durch diese Arbeit unterstrichen. Dieser Tatsache, sowie dem Erarbeiten von Basisdaten sollte in der Abfallwirtschaft mehr Bedeutung beigemessen werden.
Erstmals sind mit der entwickelten Methode zeitliche Veränderungen der C, Cl, S, Fe, Cu, Zn, Cd und Pb Konzentration im Restmüll während eines Jahres bestimmt worden. Es zeigt sich, dass sich die hier vorgeschlagene Methode für die kontinuierliche Bestimmung von Stoffflüssen durch eine MVA eignet. Veränderungen der stofflichen Müllzusammensetzung können so kostengünstig und routinemäßig bestimmt werden. Es wird vorgeschlagen, die Methode zu-künftig in MVA routinemäßig einzusetzen.

For efficient waste management, instruments are needed to assess the impact of legislative, organisational and technical measures on the waste stream. Time-dependent monitoring of substance flows is necessary to control processes in waste management and their influence on the environment. Since waste incineration plants transform heterogeneous wastes into more homogeneous residues, they are well suited for easy and cost effective monitoring of the chemical composition of wastes by analyzing their residues only.

The goal of this thesis is to propose an efficient method to determine the chemical waste composition and its temporal changes routinely by analyzing a single incineration residue only. Procedures are to be presented to select the appropriate incineration residue for analysis, to determine the minimum sampling frequency of the residue, to determine the adequate sample weight and to analyze the chemical composition of municipal solid waste (MSW) routinely with a given accuracy.

To reach this goal the partitioning (transfer coefficients) of 10 elements (C, Cl, S, F, Fe, Cu, Zn, Pb, Cd and Hg) was determined for a municipal solid waste incinerator plant. The beha-vior of the transfer coefficients was also investigated. Therefore the flows of all relevant goods through the incinerator were measured. Samples were taken from all goods except the waste input and scrap metal. They were prepared and chemically analyzed in the laboratory. Mass balances were determined and statistical methods applied to the data to treat uncertainty. Additional experiments to define (a) minimum sampling frequency, (b) adequate sample weight and (c) structure of the sampling plan were carried out. Finally, the proposed method was applied to two municipal waste incinerators for selected elements routinely.

The determined transfer coefficients correspond with literature. Results for the investigated incinerator indicate that changes in combustion parameters and the waste composition has - with few exceptions - a little effect on the transfer coefficients. Therefore it seems reasonable to model transfer coefficients as stochastic values. Appropriate residues to be analyzed are: flue gas for C, waste water for Cl, filter ash for metals such as Cd, Zn and Pb and metal scrap for Fe. With sufficient knowledge of the temporal behavior (autocorrelation) of concentrati-ons in incineration residues, the sampling frequency can be reduced considerably in compari-son with lots consisting of randomly distributed components. Experiment results show the importance of choosing the appropriate sampling structure in order to avoid underestimating variance and to minimize costs (e.g. grab and composite sampling). The effect of the sampling weight on uncertainty is demonstrated with selected metals in filter ash. The optimal sample weight was determined, which allow to minimize uncertainty and avoid systematic errors. The results of this work point out the importance of applying appropriate methods in the definition of sampling plans in waste management.

Field measurements in two waste incinerator plants demonstrate that the annual mean con-centration of selected elements in municipal solid waste can be determined as proposed with a reasonable effort. The proposed method serves as a base to use solid waste incineration plants as a routine tool for quality control in waste management.