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Open Access 24-11-2023 | Originalbeitrag

Sensorgestützte VIS-Sortierung zur Charakterisierung und Glasentfernung von Müllverbrennungs-Bettaschen

Authors: Ass. Prof. DI Dr. J. Lederer, F. Feher, DI S. Skutan

Published in: Österreichische Wasser- und Abfallwirtschaft | Issue 1-2/2024

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Zusammenfassung

Das Recycling von Verpackungsglas stellt eine wichtige Maßnahme dar, um im Sinne der Kreislaufwirtschaft Ressourcen und die Umwelt zu schonen. Jedoch werden nicht alle Verpackungsgläser der Altglassammlung übergeben. Ein Teil wird über den Restmüll entsorgt. Wird dieser Restmüll in einer Müllverbrennungsanlage mit Wirbelschichtfeuerung verbrannt, so besteht unter gewissen Umständen die Möglichkeit, Glas aus groben Bestandteilen sensorbasiert rückzugewinnen und dadurch gleichzeitig eine mineralische Restfraktion zu erzeugen, die als Baustoff im Straßenbau oder Beton eingesetzt werden kann. Der vorliegende Beitrag präsentiert die Ergebnisse eines sensorbasierten Sortierversuchs mit Bettaschen aus der Müllverbrennung. Dafür wurden Proben der Bettaschen genommen, geteilt, gesiebt, gewaschen charakterisiert und anschließend im Technikum der Firma Binder+CO AG in drei sensorbasierten Sortierdurchgängen von Glas befreit. Das Ergebnis zeigt einen besonders hohen Glasanteil in der Partikelgrößenfraktionen 4–8 und 8–16 mm. Bei diesen konnten auch beträchtliche Mengen an Glas im ersten sensorbasierten Sortierdurchgang entfernt werden. Die dabei entstandene Glasfraktion hatte einen Nicht-Glasanteil von 2–3 Massenprozent, was einem Wert vergleichbar mit jenem der Altglassammlung entspricht. Die mineralischen Restfraktionen wurden in einem zweiten und dritten Sortierdurchgang weiter von Glas befreit. Nach drei Durchgängen besaß die Partikelgrößenfraktion 8–16 mm etwa nur mehr 7 Massenprozent an Glas, von ursprünglich 75 Massenprozent in der äquivalenten Partikelgrößenfraktion der Bettasche. Der Versuch zeigte, dass durch sensorbasierte Glassortierung nicht nur Glas mit hoher Reinheit und eine mineralische Fraktion mit geringerem Glasanteil gewonnen werden konnte, sondern auch, dass mit der sensorbasierten Sortierung eine Charakterisierung durchgeführt werden kann, die zwar etwas ungenauer, aber bedeutend schneller als die Charakterisierung durch manuelle Sortierung ist.
Notes

Hinweis des Verlags

Der Verlag bleibt in Hinblick auf geografische Zuordnungen und Gebietsbezeichnungen in veröffentlichten Karten und Institutsadressen neutral.

1 Einleitung

Moderne Gesellschaften konsumieren große Mengen an Ressourcen. Dieser Ressourcenkonsum ist eine der wichtigsten Grundlagen des Wohlstands moderner Gesellschaften. Gleichzeitig hat dieser Konsum auch schwerwiegende Auswirkungen auf die Umwelt und damit die Lebensgrundlage zukünftiger Generationen. Die Knappheit an natürlichen Ressourcen, der zunehmende Verlust an Biodiversität, aber auch die Emission von Luftschadstoffen und Treibhausgasen, hängen unmittelbar mit dem Ressourcenkonsum moderner Gesellschaften zusammen. Um den Konsum an natürlichen Ressourcen zu reduzieren und somit auch zukünftigen Generationen eine Lebensgrundlage zu erhalten, hat die Europäische Union das Kreislaufwirtschaftspaket verabschiedet (Kalmykova et al. 2018). Durch verschiedene Maßnahmen soll der Konsum an natürlichen Ressourcen und die damit in Verbindung stehenden negativen Auswirkungen auf Gesellschaft und Umwelt reduziert werden. Eine wichtige Maßnahme dabei ist Abfallrecycling. Gemessen wird der Erfolg dieser Maßnahme durch die Erreichung von Recyclingzielen, angegeben als recycelte Abfälle in Massen-Prozent (m-%) der in Umlauf gebrachten Güter (Fellner und Lederer 2020). Festgelegt wurden Recyclingziele für verschiedene Abfälle, inklusive Verpackungen aus Glas. Hier sollen bis zum Jahr 2025 70 m-% und bis zum Jahr 2030 75 m-% aller in Umlauf gebrachten Glasverpackungen recycelt werden (EU 2018). Zwar ist Österreich hier mit einer Recyclingrate von 81,6 m-% im Jahr 2020 schon auf einem recht guten Weg. Trotzdem ist Vorsicht geboten. Zum einen ist die Recyclingrate seit dem Jahr 2016, als ein Höchststand von 85,2 m-% erreicht wurde, rückläufig (BMK 2023). Zum anderen bietet das Recycling von Glas ein großes Potenzial zur Einsparung von natürlichen Ressourcen wie mineralischen Rohstoffen oder dem wichtigsten Energieträger bei der Glasproduktion, nämlich Erdgas. Dadurch können auch Emissionen, vor allem Treibhausgase, reduziert werden (Haupt et al. 2018; Turner et al. 2015). Aus diesem Grund wird nicht nur versucht, die getrennte Sammlung von Glas zu forcieren (Tallentire und Steubing 2020). Auch die automatisierte Sortierung aus gemischten Abfallströmen ist zunehmend Objekt von Forschungs- und Umsetzungsprojekten (Lederer et al. 2022). Besonders eignen sich dafür feste Rückstände aus der Abfallverbrennung und hier wiederum die Bettaschen aus Wirbelschichtanlagen. Der Grund ist, dass Gläser in Rostaschen von einer geringeren Qualität sind und auch schwerer vom Sensor erkannt werden können (Mühl et al. 2023). Das hat etwa dazu geführt, dass bereits installierte Glasentfernungssysteme in der Rostaschenaufbereitung (Makari 2014) nicht oder nur mehr zum Teil betrieben werden (Šyc et al. 2020). Bettaschen eignen sich hier deswegen besser, da im Wirbelschichtbett niedrigere Temperaturen als am Rost herrschen und es durch den fehlenden Nassaustrag auch nicht zu Oberflächenverkrustungen kommt (Blasenbauer et al. 2023). Aus diesem Grund werden in Österreich, welches im Vergleich zu anderen Ländern eine recht hohe Kapazität an Wirbelschichtanlagen für die Verbrennung von Abfällen besitzt, auch bereits Gläser aus den Bettaschen gewonnen und dem Recycling zugeführt (Hauer et al. 2014). In Kombination mit erweiterter Metallentfernung entsteht dadurch auch eine mineralische Restfraktion, die sich potenziell zum Einsatz als Baustoff eignet (Mühl et al. 2023). Hier ist es jedoch wichtig, festzustellen, woraus diese mineralische Restfraktion besteht, wobei hier sowohl traditionelle manuelle, als auch moderne automatisierte Charakterisierungsmethoden zur Anwendung kommen können. Letztere wurden etwa bereits für die Charakterisierung von Kunststoffen in Abfallströmen erfolgreich angewendet (Curtis et al. 2021; Kroell et al. 2022; Sarc und Pomberger 2022). Während der Glasanteil für die meisten bautechnischen Anwendungen wie Straßenbau oder als Gesteinskörnung im Beton möglichst gering sein soll, sind hohe Anteile an Steinen und ähnlichen Partikeln von Vorteil (Müller und Rübner 2006).
Der vorliegende Beitrag beschäftigt sich mit der Zusammensetzung von Bettaschen aus Müllverbrennungsanlagen basierend auf der Wirbelschichttechnologie. Konkret soll diese Zusammensetzung anhand von zwei Verfahren, nämlich einer händischen Sortieranalyse und einer sensorbasierten Materialstromanalyse, untersucht werden. Der Fokus liegt dabei auf Glas und den sonstigen mineralischen Bestandteilen. In weiterer Folge soll auch untersucht werden, inwieweit eine weitergehende Glasentfernung nach dem ersten maschinellen Sortierdurchgang nicht nur zusätzliche Glasfraktionen bereitstellen kann, sondern auch eine glasreduzierte mineralische Restfraktion.

2 Materialien und Methoden

Zunächst werden im Materialien- und Methodenkapitel die untersuchten Wirbelschicht-Müllverbrennungsaschen sowie die Probenahme dieser Aschen beschrieben. Anschließend erfolgt die Darstellung der manuellen und sensorbasierten Charakterisierungsmethoden. Abschließend wird die weitergehende Glasentfernung behandelt. Die Fotos wurden von Felix Feher erstellt.

2.1 Bettasche aus einer Wirbelschicht-Müllverbrennungsanlage

Die für die Untersuchung verwendeten Bettaschen stammen aus einer Müllverbrennungsanlage mit stationärer Wirbelschicht in Österreich. In dieser Müllverbrennungsanlage werden vor allem aufbereitete Siedlungsabfälle sowie in geringerem Maße auch Klärschlamm thermisch behandelt, wobei die aufbereiteten Siedlungsabfälle bereits vor der Verbrennung einer Eisen- und Nichteisenmetallentfernung unterzogen wurden. Als feste Rückstände entstehen unter anderem auch Bettaschen (Kellner et al. 2022). Diese werden auf der Müllverbrennungsanlage metallentfrachtet und bei 2 mm gesiebt, wodurch eine Partikelgrößenfraktion 2–35 mm entsteht, welche nicht befeuchtet wird und aufgrund des Trockenaustrags einen vernachlässigbaren Wassergehalt aufweist. Diese bereits metallentfernte Partikelgrößenfraktion 2–35 mm wurde für die gegenständliche Untersuchung verwendet. Abb. 1 zeigt ein Foto der für die Untersuchung verwendeten Bettaschen.

2.1.1 Primärprobenahme der Bettaschen

Die Primärprobenahme erfolgte durch den Betreiber der Müllverbrennungsanlage. Diese Primärprobe bestand aus einer Wochenmischprobe, welche aus fünf Tagesproben zusammengesetzt war. Diese Tagesproben wurden im Zeitraum von 25. Bis 29.01.2021 genommen und als Wochenmischprobe auf eine Deponie nahe der Müllverbrennungsanlage geliefert. Dort wurde die Primärprobe unter Dach auf befestigtem Betonuntergrund gelagert.

2.1.2 Herstellung der Technikumsproben

Am 01.02.2021 wurden aus der Primärprobe die Technikumsproben entnommen. Dafür wurde die Primärprobe mittels Radlader flächig und mit einer Schichthöhe von 10 bis 20 cm ausgebreitet. Über die dadurch entstehende Fläche wurde ein virtueller Raster gelegt und aus diesem 25 Felder zufällig ausgewählt. Aus diesen Feldern wurden 25 Inkremente genommen und zu einer Technikumsprobe von 374 kg Feuchtmasse (mit vernachlässigbarem Wassergehalt) vereinigt. Die Technikumsprobe wurde anschließend mit einem Analysesiebturm (Durchmesser 400 mm bei einer Maschenweite von 16 mm) gesiebt. Der Siebrückstand > 16 mm wurde anschließend von Partikelübergrößen > 32 mm per Sieb befreit und der Rest (16–32 mm) mittels Riffelteiler in zwei Hälften geteilt. Die dadurch entstehenden zwei Probenteile 16–32 mm wurden in A‑ und B‑Probe unterschieden und zur weiteren Aufbereitung verwendet. Der Siebdurchgang < 16 mm wurde mit demselben Riffelteiler einmal halbiert und eine Hälfte geviertelt. Von dieser wurden drei Viertel weiterverwendet. Insgesamt wurden also vom Siebdurchgang < 16 mm fünf Achtel verworfen und drei Achtel weiterverwendet. Diese fünf Achtel wurden anschließend nochmals in zwei Hälften geteilt (A und B Probe). Jede dieser Hälften wurde separat auf dem 400-mm-Analysesiebturm bei Maschenweiten von 8, 4 und 2 mm gesiebt. Dadurch entstanden Partikelgrößenfraktionen von 0–2, 2–4, 4–8 und 8–16 mm für die A‑ und B‑Proben des Siebdurchgangs < 16 mm. Abb. 2 und 3 zeigen den verwendeten Riffelteiler und den Analysesiebturm.

2.1.3 Aufbereitung der Technikumsprobe und Herstellung der Laborprobe

Die gesiebten Technikumsproben wurden im Labor weiter aufbereitet. Die Partikelgrößenfraktionen 2–4, 4–8, 8–16 und 16–32 mm der A‑Probe wurden auf einem Analysesieb mit 400 mm Durchmesser und 1 mm Maschenweite händisch mit Wasser gewaschen und anschließend im Trockenschrank bei 105 °C für 24 h getrocknet. Dies geschah, um Staubentwicklung im Technikum bei der Glassortierung zu verhindern. Aus den Partikelgrößenfraktionen der B‑Probe wurden die Sieblinien für die Bettaschen erstellt und durch inkrementierendes Schaufeln der Partikelgrößenfraktionen 2–4, 4–8, 8–16 und > 16 mm eine Laborprobenmasse herausgeteilt, welche ungefähr 1000 Partikeln je Partikelgrößenfraktion entsprach. Diese Laborprobenmassen, die in Summe eine Masse von 12.651 g besaßen, wurden dann manuell entsprechend des Aussehens der Partikel in folgende Fraktionen sortiert:
  • Mineralisch: Keramik, Ton (natur), Gestein (natur), Beton und Baustoffe,
  • Glas: Weißglas, Grünglas, Braunglas und sonstige Gläser,
  • Metalle.
Abb. 4 zeigt die manuelle Einzelkornsortierung der B‑Proben. Die gewaschenen und getrockneten A‑Probe-Partikelgrößenfraktionen 2–4, 4–8 und 8–16 mm sowie die nicht gewaschene B‑Probe-Partikelgrößenfraktion 4–8 mm wurden anschließend für die sensorbasierte Charakterisierung (Abschn. 2.2) und weitere Glasabreicherung (Abschn. 2.3) verwendet.

2.1.4 Zusammenfassung Probenaufbereitungsschema

Abb. 5 stellt das Probenaufbereitungsschema der Technikumsprobe im Feld und im Labor in Form einer Materialflussanalyse dar. Die Darstellungseinheit der Materialflüsse ist [g/Versuch].

2.2 Sensorbasierte Charakterisierung und Sortierung der Bettaschen

Für die sensorbasierte Charakterisierung der Bettaschen wurden ausgewählte Technikumsproben, die als Teilungsrest bei der Erstellung der Laborproben für die manuelle Sortierung anfielen, verwendet (siehe Abschn. 2.1.2). Dabei handelte es sich um die gewaschenen A‑Probe-Partikelgrößenfraktionen 2–4, 4–8 und 8–16 mm. Die Fraktion A‑Probe-Partikelgrößenfraktion 0–2 mm wurde nicht verwendet, da bei dieser Partikelgröße eine sensorbasierte Charakterisierung nicht mehr möglich ist. Auch die A‑Probe-Partikelgrößenfraktion > 16 mm wurde nicht verwendet, weil sie mengenmäßig wenig relevant ist. Dafür wurde auch die nicht gewaschene B‑Probe-Partikelgrößenfraktion 4–8 mm für die sensorbasierte Charakterisierung verwendet, um den Unterschied bei der Charakterisierung zwischen gewaschener und nicht gewaschener Probe festzustellen.
Die sensorbasierte Charakterisierung und Sortierung fand im Technikum der Firma Binder+CO AG an einem VIS-Glassortiergerät des Typs Clarity® statt. Die gewaschenen A‑Probe-Partikelgrößenfraktionen 2–4, 4–8 und 8–16 mm sowie die die nicht gewaschene B‑Probe-Partikelgrößenfraktion 4–8 mm wurden auf ein Förderband aufgegeben und dem Glassortiergerät zugeführt. Durch das Glassortiergerät wurden für jede der vier aufgegebenen Proben zwei Fraktionen erzeugt, eine positiv sortierte Glasfraktion und eine mineralische Restfraktion. Letztere wird fortan auch synonym als Keramik-Steine-Porzellan oder KSP-Fraktion bezeichnet. Während von jeder Glasfraktion der gewaschenen A‑Probe-Partikelgrößenfraktionen 2–4, 4–8 und 8–16 mm durch Teilen mittels inkrementierenden Schaufelns wiederum eine Laborprobe von rund 1000 Partikeln für die manuelle Sortierung gewonnen wurde, blieb die Restfraktion an dieser Stelle uncharakterisiert. Der Grund dafür war, dass die Restfraktion im nächsten Schritt nochmals aufgereinigt wurde (Abschn. 2.3). Auch die nicht gewaschene B‑Probe-Partikelgrößenfraktion 4–8 mm wurde nicht weiter charakterisiert, da es hier vornehmlich um einen Vergleich des Austrags zur gewaschenen A‑Probe-Partikelgrößenfraktion 4–8 mm ging.

2.3 Glasabreicherung der mineralischen Fraktion durch sensorbasierte Sortierung

Die mineralische Restfraktionen der gewaschenen A‑Probe-Partikelgrößenfraktionen 2–4, 4–8 und 8–16 mm durchliefen zwei weitere Sortierdurchgänge auf der Glassortiermaschine. Ziel war es, noch Glas zu gewinnen, aber vor allem die mineralische Restfraktion von Glas zu befreien. Auch hier wurden durch Teilung mittels inkrementierenden Schaufelns Proben der Glasfraktionen sowie der mineralischen Restfraktion nach dem dritten und letzten Sortierdurchgang gewonnen.

3 Ergebnisse und Diskussion

3.1 Zusammensetzung der Bettaschenlaborprobe basierend auf manueller Sortierung

Die Zusammensetzung der Bettaschenlaborproben der Partikelgrößenfraktionen 2–4, 4–8, 8–16 und > 16 mm sind in Tab. 1 dargestellt. Während die Partikelgrößenfraktionen 2–4 und > 16 mm zu weniger als 50 m-% aus Glas bestanden, beinhalteten die Partikelgrößenfraktionen 4–8 und 8–16 mm fast 75 m-% Glas. Diese Werte decken sich gut mit den Analysen einer anderen österreichischen Bettasche aus der Müllverbrennung, wenn auch die Glasgehalte in der Partikelgrößenfraktion > 16 mm im vorliegenden Fall etwas höher sind (Blasenbauer et al. 2023). Bemerkenswert ist der geringe Metallgehalt der in dieser Studie analysierten Bettaschen von unter 2 m-% in der jeweiligen Partikelgrößenfraktion. Bei den von Blasenbauer et al. (2023) analysierten Bettaschen lag der Metallgehalt der äquivalenten Partikelgrößenfraktionen bei rund 2 bis 30 m-%. Nachdem der Metallgehalt im Restmüll grundsätzlich bei beiden Anlagen recht ähnlich sein dürfte (Beigl 2020), ist die unterschiedliche Metallentfernung in der Restmüllsortierung vor der Müllverbrennung sowie einer Metallabscheidung bei den gegenständlichen Bettaschen in der Müllverbrennungsanlage für die niedrigen Metallgehalte verantwortlich. Innerhalb der Glasfraktionen dominieren bei allen Partikelgrößenfraktionen Weißglas gegenüber Grün- und Buntglas. Innerhalb der mineralischen Fraktionen ohne Glas sind bei den Partikelgrößenfraktionen > 16 mm Keramik (ohne Ton, natur) am relevantesten, bei den Partikelgrößenfraktionen 4–8 und 8–16 mm Gestein, natur. Bei der Partikelgrößenfraktion 2–4 mm konnte weder für Glas noch für die mineralischen Fraktionen die weitergehende Unterscheidung in Unterfraktionen durchgeführt werden, jedoch dürfte hier die Zusammensetzung eher der Partikelgrößenfraktion 4–8 mm ähneln.
Tab. 1
Zusammensetzung der Bettaschenlaborproben innerhalb der Partikelgrößenfraktionen 2–4, 4–8 und 8–16 mm in m‑%
Materialfraktion
Massenanteile je Partikelgrößenfraktion in m‑%a
 
16–32 mm
8–16 mm
4–8 mm
2–4 mm
Keramik (ohne Ton, natur)
32,1
10,5
5,8
n.b.
Ton, natur
10,2
1,0
0,5
n.b.
Gestein, natur
13,9
10,7
15,4
n.b.
Beton, Baustoffe
4,4
1,1
3,1
n.b.
Summe Mineralisch (KSP)
60,5
23,4
24,8
53,9
Weißglas
26,0
44,5
40,3
19,1
Grünglas
5,0
11,2
12,4
7,9
Braunglas und sonst
7,2
19,1
20,8
19,1
Summe Glas
38,1
74,8
73,5
46,1
Summe Metalle
1,4
1,8
1,7
<<0,1
Gesamt
100,0
100,0
100,0
100,0
aMassenanteile bezogen auf die beprobte Masse von 12.651 g Trockenmasse
n.b. nicht bestimmt
In Bezug auf die Gesamtmenge der Bettasche, dargestellt in Tab. 2, befinden sich knapp 50 m-% Glas der Partikelgrößenfraktionen 4–8 und 8–16 mm. In den anderen analysierten Partikelgrößenfraktionen 2–4 und > 16 mm finden sich nur etwas mehr als 10 m-%, obwohl diese, gemeinsam mit der Fraktion 0–2 mm, welche sich für eine Glassortierung nicht eignet, rund 25 m-% der Gesamtmenge ausmachen. Bei einer angedachten Glasentfernung ist es also sinnvoll, sich zuerst auf die Partikelgrößenfraktionen 4–8 und 8–16 mm zu konzentrieren.
Tab. 2
Sieblinie und Zusammensetzung der einzelnen Partikelgrößenfraktionen bezogen auf die Gesamtmasse der Bettaschen, inklusive nicht analysierter Anteil 0–2 mm
 
Massenanteile je Partikelgrößenfraktion in m‑%a
 
16–32 mm
8–16 mm
4–8 mm
2–4 mm
0–2 mm
Summe
Partikelgrößenverteilung
16,8
36,8
27,9
10,7
7,9
100
Materialfraktionen
Keramik (ohne Ton, natur)
5,4
3,9
1,6
n.b.
n.b.
10,9
Ton, natur
1,7
0,4
0,1
n.b.
n.b
2,2
Gestein, natur
2,3
3,9
4,3
n.b.
n.b.
10,5
Beton, Baustoffe
0,7
0,4
0,9
n.b.
n.b.
2,0
Summe Mineralisch (KSP)
10,1
8,6
6,9
5,7
n.b.
31,4
Weißglas
4,4
16,4
11,3
n.b.
n.b.
32,0
Grünglas
0,8
4,1
3,5
n.b.
n.b.
8,4
Braunglas und sonst
1,2
7,0
5,8
n.b.
n.b.
14,0
Summe Glas
6,4
27,5
20,5
4,9
n.b.
59,3
Summe Metalle
0,2
0,7
0,5
<<0,1
<<0,1
1,4
Summe Feinfraktion 0–2mm
0,0
0,0
0,0
0,0
7,9
7,9
Gesamt
16,8
36,8
27,9
10,7
7,9
100
aMassenanteile bezogen auf die beprobte Masse von 12.651 g Trockenmasse plus nicht beprobter Feinanteil 0–2 mm von 1076 g Trockenmasse
n.b. nicht bestimmt
Tab. 7 im Anhang zeigt zusätzlich die analysierten Laborprobenmassen, aus denen die Ergebnisse in Tab. 1 und 2 berechnet wurden.

3.2 Sensorbasierte Charakterisierung und Sortierung der Bettaschen nach einem Sortierdurchgang

Bei der sensorbasierten Sortierung wurden, wie Tab. 3 zeigt, annähernd jene Massenanteile im ersten Sortierdurchgang aussortiert, die auch bei der manuellen Sortieranalyse identifiziert wurden. So wurden bei den Partikelgrößenfraktionen 8–16 und 4–8 mm  71 bzw. 69 m-% aussortiert. Die aussortierten Glasfraktionen der Partikelgrößenfraktionen 8–16 und 4–8 mm bestanden zu 97 bis 98 m-% aus Glas. Diese Glasreinheit ist nicht nur vergleichbar mit jener, die bei der getrennten Sammlung von Altglas in Österreich erreicht wird (Gritsch und Lederer 2023), sie zeigt auch, dass eine sensorbasierte Charakterisierung sehr gut möglich ist. Zum Vergleich: In der Partikelgrößenfraktion 8–16 mm wurde bei der manuellen Sortierung ein Glasanteil von 75 m‑% gefunden, bei der sensorbasierten Charakterisierung 71 m-%. Die Abweichung ist also nur sehr gering. Bei der Partikelgrößenfraktion 4–8 mm war die Abweichung etwas größer. Auch bei der Partikelgrößenfraktion 2–4 mm konnten 54 m-% Glas mit einer Glasreinheit von 80,8 m-% gewonnen werden. Jedoch war hier die Glasreinheit bedeutend geringer.
Tab. 3
Sensorbasiert aussortiertes Glas und (mineralischer) Rest in [g] und [m-%], sowie Zusammensetzung der Probe an sensorbasiert aussortierten Glasfraktionen in [g] und [m-%] nach dem 1. Sortierdurchgang
Partikelgrößenfraktion
 
8–16mm
4–8mm
2–4mm
2–16mm
Glas
Rest
Glas
Rest
Glas
Rest
Glas
Rest
Masse in [g]
20.982
8712
16.538
7453
4756
4067
42.276
20.232
Massenanteil in [m-%]
71
29
69
31
54
46
68
32
Zusammensetzung Probe aus Glasfraktion
Materialfraktion
[g]
[m-%]
[g]
[m-%]
[g]
[m-%]
[g]
[m-%]
Metalle
15,6
0,4
8,2
0,9
2,4
0,8
26,2
0,5
Mineralisch (KSP)
66,0
1,7
21,2
2,3
53,8
18,4
141,0
2,7
Weißglas
2940,0
73,9
673,6
73,8
177,8
61,0
3791,4
73,1
Grünglas
665,4
16,7
134,6
14,7
39,2
13,4
839,2
16,2
Buntglas & sonstiges
293,4
7,4
75,2
8,2
18,4
6,3
387,0
7,5
Summe
3980,4
100,0
912,8
100,0
291,6
100,0
5184,8
100,0
Um auch den Einfluss der Wäsche bei der sensorbasierten Glassortierung beurteilen zu können, wurde parallel eine nicht gewaschene Partikelgrößenfraktion 4–8 mm sensorbasiert sortiert. Das Ergebnis zeigt, dass auch hier 67 % Glasfraktion aussortiert wurden, im Vergleich zu 69 % bei den gewaschenen Bettaschen. Der Glasanteil in den Glasfraktionen war gleich groß. Das bestätigt die Einschätzung der Experten der Firma Binder+CO AG, dass der Staubbelag auf den Bettaschen-Glaspartikeln auf die Sortierung keinen negativen Einfluss hat.
Wie in Tab. 1 und 2 gezeigt werden konnte, ist die Partikelgrößenfraktion 4–16 mm, bestehend aus 4–8 und 8–16 mm, jene, die den größten Anteil an Glas enthält. Aus Tab. 3 wiederum ist ersichtlich, dass die Glasreinheit der aussortierten Glasfraktion, ausgedrückt im Glasanteil, der Partikelgrößenfraktion 4–16 mm am höchsten ist. Dieser Zusammenhang ist auch in Abb. 6 plakativ dargestellt. Eine Glassortierung mit einem Sortierdurchgang aus den Bettaschen macht daher vor allem für die Partikelgrößenfraktion 4–16 mm und weniger für die Partikelgrößenfraktion 2–4 mm Sinn. Das geht auch aus den Glassortierversuchen von Mühl et al. (2023) hervor, wo etwa nur Partikelgrößen größer 8 mm glassortiert wurden.
Die im ersten Sortierdurchgang aussortierte Glasfraktion der Partikelgrößenfraktion 8–16 mm ist auch in Abb. 7 dargestellt. Hier wurde noch nicht nach Weiß‑, Grün- und Buntglas getrennt. Nicht nur die Dominanz des Weißglas ist aus der Abbildung klar ersichtlich, sondern auch die große Reinheit im Vergleich etwa zu Glas aus Rostaschen (Blasenbauer et al. 2023).
Im Vergleich dazu ist auch die mineralische Restfraktion der Partikelgrößenfraktion 8–16 mm in Abb. 8 dargestellt. Neben den Hauptbestandteilen Keramik und mineralische Baurestmassen fallen auch Metallstücke auf. Die Bettasche besitzt aber einen bedeutend geringeren Metallgehalt als Bett- und Rostaschen aus anderen Müllverbrennungsanlagen in Österreich und Europa (Blasenbauer et al. 2023; Huber et al. 2020; Šyc et al. 2020). Bei der sensorbasierten Sortierung, und das ist aus dem Vergleich von Abb. 7 und 8 ersichtlich, bleiben diese Metalle eher in der mineralischen Restfraktion. Das ist zwar gewünscht, bedeutet jedoch auch, dass für eine weitere Verwendung der mineralischen Restfraktion etwa im Straßenbau oder als industriell hergestellte Gesteinskörnung im Beton, wie es durch den Bundes-Abfallwirtschaftsplan in Österreich erlaubt ist, eine nochmalige Metallentfernung durchgeführt werden muss (BMK 2023; Mühl et al. 2023).
Die Metalle, die sich noch in der mineralischen Restfraktion befinden, sind überwiegend längliche Partikel wie Drähte. Diese scheinen weder von der Eisen- und Nichteisenmetallentfernung vor der Verbrennung noch bei jener auf der Müllverbrennungsanlage, entfernt werden zu können, wie auch in der Literatur bereits erwähnt wurde (Šyc et al. 2020).

3.3 Glasabreicherung der mineralischen Fraktion durch sensorbasierte Sortierung im zweiten und dritten Sortierdurchgang

Tab. 4 und 5 zeigen die Masse und Anteile an aussortiertem Glas bzw. mineralischer Restfraktion sowie die Zusammensetzung der Glasfraktionen nach dem zweiten und dritten Sortierdurchgang. Es ist klar erkennbar, dass die aussortierte Glasmenge abnimmt, was auch die Effektivität der Glasentfernung im ersten Sortierdurchgang bestätigt. Gleichzeitig reduziert sich auch der Glasanteil in der aussortierten Glasfraktion. Mit einem geringeren Glasanteil im Inputmaterial nimmt also auch die Glasreinheit der aussortierten Glasfraktion ab.
Tab. 4
Sensorbasiert aussortiertes Glas und (mineralischer) Rest in [g] und [m-%] sowie Zusammensetzung der Probe an sensorbasiert aussortierten Glasfraktionen in [g] und [m-%] nach dem 2. Sortierdurchgang
Partikelgrößenfraktion
 
8–16mm
4–8mm
2–4mm
2–16mm
Glas
Rest
Glas
Rest
Glas
Rest
Glas
Rest
Masse in [g]
1400
7312
1018
6435
497
3570
2915
17.317
Massenanteil in [m-%]
16
84
14
86
12
88
14
86
Zusammensetzung Probe aus Glasfraktion
Materialfraktion
[g]
[m-%]
[g]
[m-%]
[g]
[m-%]
[g]
[m-%]
Metalle
26
1,9
8
2,4
1
0,4
34
1,9
KSP
187
13,7
38
11,9
15
11,8
240
13,2
Weißglas
713
52,2
199
62,1
80
62,8
993
54,7
Grünglas
338
24,7
59
18,5
18
14,2
415
22,8
Buntglas & sonstiges
104
7,6
17
5,2
14
10,8
135
7,4
Summe
1368
100,0
320
100,0
128
100,0
1816
100,0
Tab. 5
Sensorbasiert aussortiertes Glas und (mineralischer) Rest in [g] und [m-%] sowie Zusammensetzung der Probe an sensorbasiert aussortierten Glasfraktionen in [g] und [m-%] nach dem 3. Sortierdurchgang
Partikelgrößenfraktion
 
8–16mm
4–8mm
2–4mm
2–16mm
Glas
Rest
Glas
Rest
Glas
Rest
Glas
Rest
Masse in [g]
215
7097
350
6085
313
3257
878
16.439
Massenanteil in [m-%]
3
97
5
95
9
91
5
95
Zusammensetzung Probe aus Glasfraktion
Materialfraktion
[g]
[m-%]
[g]
[m-%]
[g]
[m-%]
[g]
[m-%]
Metalle
10
5,4
2
0,6
1
0,9
13
2,1
KSP
72
38,6
48
14,7
13
14,0
133
21,9
Weißglas
42
22,3
210
64,6
64
66,9
316
52,0
Grünglas
54
29,0
50
15,4
11
11,2
115
18,9
Buntglas & sonstiges
9
4,7
15
4,6
7
7,0
30
5,0
Summe
186
100,0
325
100,0
96
100,0
607
100,0
Die Zusammensetzung der mineralischen Restfraktion nach dem dritten Sortierdurchgang ist in Tab. 6 dargestellt. Zwar ist in allen Partikelgrößenfraktionen noch Glas enthalten, jedoch bedeutend weniger als in der nicht aufbereiteten Probe. Am geringsten ist der Glasanteil in der Partikelgrößenfraktion 8–16 mm mit 6,7 [m-%], gefolgt von der Partikelgrößenfraktion 4–8 mm mit 22,4 [m-%] und der Partikelgrößenfraktion 2–4 mm mit 33,4 [m-%]. Das entspricht einer Reduktion im Vergleich zur nicht behandelten Bettasche um den Faktor 11 für die Partikelgrößenfraktion 8–16 mm und den Faktor 3,5 für die Partikelgrößenfraktion 4–8 mm. Bei der Partikelgrößenfraktion 2–4 mm war die Reduktion geringer.
Tab. 6
Zusammensetzung der Probe der mineralischen Restfraktion nach drei Sortierdurchgängen in [g] und [m-%]
Partikelgrößenfraktion
 
8–16 mm
4–8 mm
2–4 mm
2–16 mm
Materialfraktion
[g]
[m-%]
[g]
[m-%]
[g]
[m-%]
[g]
[m-%]
Metalle
116
3,0
29
1,7
24
2,1
168
2,5
KSP
3536
90,3
1244
75,9
713
64,4
5493
82,5
Weißglas
71
1,8
243
14,8
278
25,1
592
8,9
Grünglas
146
3,7
101
6,2
76
6,8
323
4,9
Buntglas & sonstiges
45
1,2
23
1,4
16
1,5
84
1,3
Summe
3914
100,0
1640
100,0
1107
100,0
6661
100

3.4 Materialflüsse des Aufbereitungs- und Charakterisierungsversuchs

In Abb. 9 sind die gesamten Materialflüsse des Versuchs zur Glascharakterisierung und -sortierung von Bettaschen im Technikum dargestellt. Bereits im ersten Sortierdurchgang wird ein Großteil der Masse aussortiert, was, wie aus Abb. 10 (Materialflüsse Technikumsversuch für Weißglas) ersichtlich ist, hauptsächlich dem hohen Glasanteil in den Bettaschen auf der einen Seite und der hohen Austragsrate an Glas auf der anderen Seite, geschuldet ist. Gleiches wie für Weißglas gilt auch für Grün- und Buntglas (siehe Abb. 12 und 13 im Anhang). Umgekehrt verbleibt ein Großteil von Keramik-Steinen-Porzellan (KSP) in der inzwischen recht kleinen mineralischen Restfraktion (siehe Abb. 11). Beide Fraktionen getrennt, also Glas und Mineralik, weisen ein bedeutend höheres Recyclingpotenzial auf als die Bettaschen vor der Glassortierung, da daraus unterschiedliche Produkte, also Schaumglas oder Gesteinskörnung für Beton, hergestellt werden können.

4 Zusammenfassung

Der Versuch im Technikum zeigte, dass die in Österreich schon seit Jahren praktizierte sensorbasierte Sortierung von Glas aus Müllverbrennungsaschen sehr hohe Ausbeuten und Reinheiten der Produkte erzeugen kann. Voraussetzung dafür ist die Verbrennung in Müllverbrennungsanlagen mit Wirbelschichttechnologie, da nur die daraus entstehenden Bettaschen eine Qualität aufweisen, um effizient Glas zu entfernen und dieses auch sinnvoll wieder als Sekundärrohstoff einzusetzen. Darüber hinaus bietet die sensorbasierte Glassortierung die Möglichkeit, eine glasarme Restfraktion zu erzeugen, die als Sekundärrohstoff in der Bauindustrie eingesetzt werden kann. Die sensorgestützte Sortierung ist durch ihre hohe Effektivität auch eine Option, Bettaschen auf effiziente Art und Weise zu charakterisieren.

5 Ausblick

Obwohl heute bereits aus Bettaschen sensorbasiert sortiert und recycelt wird, gibt es noch weiteres Potenzial zum Recycling. Zum einen wird das derzeit aussortierte Glas hauptsächlich in der Schaumglasproduktion eingesetzt. Diese besitzt jedoch nicht den gleichen Rohstoffbedarf wie etwa die Behälterglasindustrie. Um auch in letzterer Glas aus Bettaschen einzusetzen, müssen einerseits der Störstoffanteil etwa an Keramik weiter reduziert werden, als auch Grenzwerte für bestimmte chemische Parameter eingehalten werden. Ob beides mit aktueller Sortiertechnik erreicht werden kann, ist Gegenstand aktueller Untersuchungen.
Gleiches gilt für die Verwendung der mineralischen Restfraktion. Der Einsatz als industriell hergestellte Gesteinskörnung, welche einen partiellen Ersatz für natürliche Gesteinskörnungen bietet, wird derzeit in weiteren Versuchen geprüft. Erste Versuchsreihen deuten darauf hin, dass diese Verwendung unter den im Bundes-Abfallwirtschaftsplan definierten Bedingungen sehr gut möglich ist (BMK 2023). Dies gilt vor allem für Bettaschen, die im Großmaßstab glasbefreit wurden. Kritische Parameter dürften aber nicht nur die eigentlichen Fremdbestandteile wie Metalle sein, sondern auch diffuse Verunreinigungen wie etwa lösliches Chlorid. Aus diesem Grund kann eine nasse Aufbereitung der Bettaschen mit Ausschleusung löslicher Stoffe, wie beispielsweise in Mühl et al. (2023) beschrieben, gegenüber der rein trockenen Aufbereitung von Vorteil sein.
Sollten die mit diesen Aspekten auftretenden Fragen in naher Zukunft geklärt werden, so besitzen Bettaschen ein Potenzial, zur Kreislaufwirtschaft und der dadurch erzielten Schonung von natürlichen Ressourcen, der Umwelt und des Klimas beizutragen. Untersuchungen im Labor- und Technikumsmaßstab wie die in dieser Arbeit vorgestellte automatisierte Sortierung von Glas aus den Bettaschen der Müllverbrennung sind dabei nur ein kleiner Teil. Weit wichtiger ist die Umsetzung in der Praxis. Österreich ist diesbezüglich mit den im Land tätigen Unternehmen der Abfallwirtschaft in einer sehr guten Position, um die im Rahmen des Kreislaufwirtschaftspakets gesteckten Recyclingziele auch erreichen zu können.

Danksagung

Wir bedanken uns recht herzlich für die Unterstützung der Firma Binder+Co AG in Gleisdorf für die Nutzung des Technikums und die fachliche Expertise.

Förderung

Der vorliegende Beitrag entstand im Rahmen der Forschungsinitiative „Christian Doppler Labor für Recyclingbasierte Kreislaufwirtschaft“ am Institut für Verfahrenstechnik, Umwelttechnik und Technische Biowissenschaften der TU Wien. Wir bedanken uns für die finanzielle Unterstützung durch das Bundesministerium für Digitalisierung und Wirtschaftsstandort, die Nationalstiftung für Forschung, Technologie und Entwicklung und die Christian Doppler Forschungsgesellschaft. Gleichzeitig bedanken wir uns bei unseren Unternehmenspartnern: Abfallbehandlung Ahrental GmbH, Altstoffrecycling Austria AG, Borealis AG, Brantner Österreich GmbH, Lenzing AG, Linz Service GmbH (eine Tochter der Linz AG), Mayer-Melnhof Board & Paper, OMV Downstream GmbH, Wien Energie GmbH und Wopfinger Transportbeton Ges.m.b.H. Die Open-Access-Publikation dieses Artikels wurde durch die Bibliothek der Technischen Universität Wien ermöglicht.
Open Access Dieser Artikel wird unter der Creative Commons Namensnennung 4.0 International Lizenz veröffentlicht, welche die Nutzung, Vervielfältigung, Bearbeitung, Verbreitung und Wiedergabe in jeglichem Medium und Format erlaubt, sofern Sie den/die ursprünglichen Autor(en) und die Quelle ordnungsgemäß nennen, einen Link zur Creative Commons Lizenz beifügen und angeben, ob Änderungen vorgenommen wurden.
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Weitere Details zur Lizenz entnehmen Sie bitte der Lizenzinformation auf http://​creativecommons.​org/​licenses/​by/​4.​0/​deed.​de.

Hinweis des Verlags

Der Verlag bleibt in Hinblick auf geografische Zuordnungen und Gebietsbezeichnungen in veröffentlichten Karten und Institutsadressen neutral.
Appendix

Anhang

 
Tab. 7
Zusammensetzung der Bettaschenlaborproben der Partikelgrößenfraktionen in [g]
Massenanteile je Partikelgrößenfraktion in [g]a
 
16–32 mm
8–16 mm
4–8 mm
2–4 mm
0–2 mm
Summe
Beprobte Menge
6854,7
4359,6
1158,0
278,9
n.b.
12.651,2
Fraktionen
Keramik (ohne Ton, natur)
2199,6
458,6
67,6
n.b.
n.b.
2725,8
Ton, natur
695,9
45,0
5,9
n.b.
n.b.
746,8
Gestein, natur
950,2
466,0
177,9
n.b.
n.b.
1594,1
Beton, Baustoffe
298,7
50,0
35,8
n.b.
n.b.
384,5
Summe Mineralisch KSP
4144,4
1019,6
287,2
150,3
n.b.
5601,5
Weißglas
1779,2
1939,0
466,9
53,2
n.b.
4238,3
Grünglas
339,9
490,0
143,3
22,0
n.b.
995,2
Braunglas und sonst
493,2
832,0
240,8
53,4
n.b.
1619,4
Summe Metalle
98,0
79,0
19,8
<<1,0
<<1,0
196,8
Gesamt
6854,7
4359,6
1158,0
278,9
1075,8
13.726,8
aMassenanteile bezogen auf die beprobte Masse von 12.651 g Trockenmasse plus nicht beprobter Feinanteil 0–2 mm von 1076 g Trockenmasse
n.b. nicht bestimmbar
Literature
go back to reference Beigl, P. (2020): Auswertung der Restmüllzusammensetzung in Österreich 2018/2019 (Analysis of the mixed municipal solid waste composition in Austria 2018/2019): Universität für Bodenkultur, Institut für Abfallwirtschaft, Vienna. Beigl, P. (2020): Auswertung der Restmüllzusammensetzung in Österreich 2018/2019 (Analysis of the mixed municipal solid waste composition in Austria 2018/2019): Universität für Bodenkultur, Institut für Abfallwirtschaft, Vienna.
go back to reference BMK (2023): Bundes-Abfallwirtschaftsplan (BAWP) 2023 Teil 1 (Federal Waste Management Plan 2023 Part 1): Bundesministerin für Klimaschutz, Umwelt, Energie, Mobilität, Innovation und Technologie (BMK), Wien. . BMK (2023): Bundes-Abfallwirtschaftsplan (BAWP) 2023 Teil 1 (Federal Waste Management Plan 2023 Part 1): Bundesministerin für Klimaschutz, Umwelt, Energie, Mobilität, Innovation und Technologie (BMK), Wien. .
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Metadata
Title
Sensorgestützte VIS-Sortierung zur Charakterisierung und Glasentfernung von Müllverbrennungs-Bettaschen
Authors
Ass. Prof. DI Dr. J. Lederer
F. Feher
DI S. Skutan
Publication date
24-11-2023
Publisher
Springer Vienna
Published in
Österreichische Wasser- und Abfallwirtschaft / Issue 1-2/2024
Print ISSN: 0945-358X
Electronic ISSN: 1613-7566
DOI
https://doi.org/10.1007/s00506-023-01001-8

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