Chemischer Unfall

8. Umweltauswirkungen bei Stoffgewinnung

Naturkatastrophen

- Erdbeben - Hochwasser

- Winde (z.B. Tornado) - Dürre

- Krankheiten / Epidemien

⇒ Schutz oftmals auch in hochentwickelten Ländern noch relativ gering

Technische Unfälle:

- bei Energieerzeugung

- bei Herstellung von chemischen Produkten

Chemischer Unfall:

* Unfälle bei der Herstellung und Anwendung von Chemikalien

* Unfälle beim Transport von Chemikalien

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 Größenordnung der aktuellen Erosionsrate von Boden und Gestein (dabei ist Erosion schon 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 die Menschheit gefährlicher als viele chemische Schadstoffe“

Chemischer Unfall

- Gefahrenabwehr, umweltanalytische Verantwortung

Produktherstellung

∗ Produktbilanzierung

∗ Erarbeitung der Analytik der Haupt-, Neben- und Spurenprodukte

∗ Prognose der Chemie beim Störfall

Änderung der Reaktionsbedingungen (Temperatur, Druck, Konzentration, O₂ -Zutritt u.a.) führt zu anderen Reaktionsprodukten

Allgemeines Monitoring

∗ Wetter, Windrichtung, Temperatur, Luftfeuchte, Bodenrelief u.a.

Bestimmung der Hauptausbreitungsrichtung

Umweltanalytisches Monitoring

∗ Sonden/Probensammler

∗ Vergleichsflächen, Wasser als Referenz - bekannter „Nullwert“

∗ Bestimmung der Schadstoffe in den Proben, labor- und gerätetechnischer Zugriff

∗ Dateninterpretation ⇒ Krisenmanagement (Evakuierung, Dekontamination)

Chemieproduktion – Umweltauswirkung

„Chlorchemie“

Produktion von Chlor (weltweit > 30 Mio t) - aus Steinsalz durch Elektrolyse

Produkte Natronlauge (NaOH), Wasserstoff (H₂ ) und Chlor (Cl₂ )

(erstes Zielprodukt war NaOH für Bleich- und Waschmittelproduktion, später dann Chlor für Produktion chlororganischer Verbindungen)

Chlor ist Ausgangsstoff vieler Produkte

(30% zu Vinylchlorid: PVC; Pestizide; Lösungsmittel)

- Chloralkalielekrolyse

- Membranzellenverfahren (ohne Quecksilber und Asbest, 20% weniger Energie)

(100.000 t/a Produktionsanlage emittiert weniger Chlor als ein Schwimmbad was zur Desinfektion Chlor einsetzt)

Aber:

Viele Fachleute vertreten heute berechtigt die Meinung, dass der Ausbau der Chlorchemie in den 50er/60er Jahren ein entscheidender Fehler der industriellen Entwicklung des 20. Jahrhunderts ist,

Produktion von Chlor ist direkt und indirekt verknüpft mit der Produktion und Verwendung chlorierter Kohlenwasserstoffe

Anreicherung in Organismen

9 Entsorgung

Umweltverträgliche Synthesen

- Ersatz von konventionellen organischen Lösungsmitteln (VOC) - katalytische Reaktionen ohne zusätzliche Lösungsmittel

(Oxidation von Alkohol zu Aldehyd mit CeO₂ , sofern Substrat flüssig) - für organische Reaktionen Wasser als Lösungsmittel nutzen - Reaktionen in überkritischen Lösungsmitteln (CO₂ )

(SF-CO₂ Reinigungsmittel der Zukunft) - Einsatz effektiverer Katalysatoren

- Minimierung des Einsatzes toxischer Substanzen

(z.B. Ersatz zinnorganischer Verbindungen bei Radikalreaktionen) - Einsatz nachwachsender Rohstoffe

(Nutzung nativer Pflanzenöle)

Entwicklung neuer chemischer Produktionsverfahren

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 Industrieabfällen

Entgiftung (Cyanid durch Natriumhypochlorit), Emulsionstrennung (z.B. Flockung, Adsorption)

Hausmüllzusammensetzung BR Deutschland 1985

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

Schematischer Gelände- und Deponieschnitt

(unmaßstäblich)

Vorgänge bei der Verwitterung in Deponien

(nach Schenkel; in Blume „Handbuch des Bodenschutzes“)

physikalische chemische biologische

Verwitterung Verwitterung Verwitterung (Verrottung)

Vorgang:

Spalten- und primär durch die im Niederschlag Umwandlung organischer Rissbildung durch gelösten Gase der Luft Substanzen durch

wechselnden (Sauerstoff und Mikroorganismen Wassergehalt und Kohlendioxid) im aeroben Medium Frosteinwirkung

Folgen:

Intensivierung der Senkung des pH, Auflösung von durchgreifende Oxidation

chemischen und Feststoffen (Erdalkali- und organischer Verbindungen biologischen Schwermetallverbindungen) zu Kohlendioxid sowie von

Verwitterung durch Kohlensäure, Oxidation N, S, P zu Nitrat, Sulfat, und Auflösung von Produkten Phosphat

der Vererzung von Fe, Mn, S

Reaktionen und Produkte bei Deponierung

- Gasproduktion wird auf 10-25 Jahre geschätzt, Geruchsbelästigung

z.B. durch Mercaptane

- Sickerwasser hat bräunlich bis schwarze Farbe, jaucheartig, hohe Konzentrationen an Chlorid, Sulfat, Ammonium,

organischer Gehalt ist vom Alter der Deponie abhängig

- Belastungen können auftreten bis CSB 110000 mg/l BSB₅ 50000 mg/l,

Grenzwerte für die Ableitung sind CSB 200 mg/l, BSB₅ 20 mg/l, Fischtest,

AOX als Leitparameter

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 flüchtige

Fettsäuren, CO₂ und auch H₂ , die saure Reaktion setzt verstärkt Metallionen frei, 2

- Aktivität methanogener Bakterien nimmt zu, Bildung von Schwefelwasserstoff und

Erhöhung des pH-Wertes, dadurch nimmt die Löslichkeit der Schwermetalle ab, 3

- die Methanbildung stabilisiert sich bei 50-65% der gesamten Gasproduktion, Anteile an

flüchtigen Fettsäuren und Wasserstoff nehmen ab, 4

- am Ende bleiben nur noch schwer abbaubare org. Stoffe zurück, es beginnt Stickstoff und

Sauerstoff in die Deponie zu diffundieren 5

1 2 3 4 5

N₂ , O₂

Anorganika,

schwerabb. Organika

Thermische Behandlung von Abfällen

Ziele:

- schädliche oder gefährliche Inhaltsstoffe des Abfalls sollen zerstört und 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)

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

Abfallverbrennungsanlage

Schadstoffströme bei der Müllverbrennung

Rückstandsbehandlung

- pro Tonne Müll fallen etwa 250-350 kg Schlacke und Asche an, ca. 20-40 kg Filterstaub 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% Unverbranntes

7-10% Eisen- und Nichteisenmetalle

5-7% grobstückiges und 80-83% feinstückiges Material (Beton, Ziegel, Steine, Schlackebrocken, Glas, Keramik, Porzellan)

- mittels Aufbereitungsverfahren sollen aus Schlacke und Filterstäuben Metalle wiedergewonnen werden

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

- durch Schmelzverfahren Schlacke (auch Filterstäube) in auslaugungsfestes Produkt überführen

Gärung I

Definition:

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 reduziert

Buttersäure-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 Methangärung

C₆ 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 Sauerstoff unter 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 und

Kohlendioxidentwicklung 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

10. Umweltrecht

und umweltbezogenes Handeln

Beschreibung der modernen Umweltprobleme

Quantitative und qualitative Unterschiede zwischen den traditionellen und den modernen Umweltzerstörungen:

- an die Stelle punktueller treten universelle Probleme:

(Vor- und frühindustrielle Umweltschäden blieben lokal oder regional, auf die Umgebung einer Stadt oder einer Fabrik beschränkt, während weite Bereiche des betreffenden Ökosystems nicht beeinträchtigt wurden. Nicht zuletzt die Modernisierung, d. h. völlige Mechanisierung und Chemisierung der

Landwirtschaft, machte Umweltschäden flächendeckend.)

- an die Stelle einfacher treten komplexe Wirkungen:

(Die modernen Waldschäden sind nicht mehr, wie die herkömmlichen Rauchschäden an der Vegetation, auf die Wirkung eines bestimmten Stoffes zurückzuführen, sondern auf vielfache „Synergismen“, sodass weder ein „Verursacher“ noch auch eine „Ursache“ eindeutig identifiziert werden kann.)

- an die Stelle sofort sinnlich wahrnehmbarer Probleme treten Auswirkungen, die nur mit Hilfe wissenschaftlicher Analysenmethoden festgestellt werden können:

(Nicht mehr Staub, Rauch, Ruß, Gestank, verunreinigtes Wasser, sondern nicht wahrnehmbare Gase, Schwermetalle, giftige organische Verbindungen oder radioaktive Strahlen bilden heute die

Hauptprobleme.)

- an die Stelle reversibler treten tendenziell irreversible Schädigungen:

(In der Vergangenheit erholte sich ein Bach in recht kurzer zeit, wenn nicht länger Abwässer von einem bestimmten Betrieb, z. B. einer Gerberei, in ihn entlassen wurden. Die heute stattfindende Anreicherung der Böden mit Schwermetallen ist dagegen ebenso wenig umkehrbar wie das explosionsartig

ansteigende Artensterben oder die Veränderung der chemischen Zusammensetzung der Atmosphäre mit unabsehbaren Konsequenzen für das Klima.)

Wissenschaft und Technik als Risiko

- subjektives Empfinden

- politisch geprägte Information

- Unverständnis....Ungewissheit im Nutzen - „Sprachbarriere zwischen Profi und Laien“

Risiko nicht abschaltbar, immer vorhanden Ursachen für „neue Krankheiten“!

Wirkung von: Gentechnik, Formen der Energieerzeugung, Technik verbunden mit Strahlen,

Belastungen aus Zivilisation (Lärm, Abgase...)

∗ Formulierung von „Umweltzielen“

∗ strenge und verifizierbare nationale Grenzwerte

∗ internationaler Abgleich der Gesetze

∗ konsequente und spürbare Bestrafung bei Nichteinhaltung

∗ realistische Gesetzgebung

∗ Einbeziehung von Interessengruppen in das Gesetzgebungs- verfahren ??

Einfluss des Gesetzgebers und des

Gesetzgebungsverfahrens

Umweltgesetze

1. Gewässerschutz

Wasserhaushaltsgesetz (WHG), ergänzt durch Abwasser- abgabengesetz (AbwAG) und Waschmittelgesetz

2. Luftreinhaltung

Bundesimmissionsschutzgesetz (BimSchG) Verwaltungsvorschriften z.B. TA Luft

3. Abfallvermeidung, -verwertung, -entsorgung

Abfallgesetz (AbfG), verstärkt durch Kreislaufbewirtschaftungs- gesetz

Verwaltungsvorschriften z.B. TA Abfall

Klassifizierung von Umweltstandards

1. Raumbezogene Standards

2. Emissionsbezogene Standards

Normen zur Begrenzung der Emission von Schadstoffen in Umweltmedien, sowie zur schadlosen Beseitigung von Abfällen

3. Immissionsbezogene Standards

Normen zum Schutz von Pflanzen, Tieren, Sachgütern; Begrenzung der Schadstoffkonzentration in den Umweltmedien, die mittel oder unmittelbar die vom Menschen aufgenommene Schadstoffmenge bestimmen

4. Produktbezogene Standards

Regelung der Verminderung der Freisetzung von Schadstoffen bei Verwendung bestimmter Produkte und Erzeugnisse und den Umgang mit gefährlichen Stoffen

5. Biologische Standards

Begrenzung der maximal tolerierbaren Schadstoffkonzentration im menschlichen Organismus auf ein medizinisch unbedenkliches Maß

Gesetze, Verordnungen, Richtlinien

Informationen hierzu in:

- Bundesgesetzblatt (BGBl)

- Gemeinsames Ministerialblatt (GMBl)

- Amtsblatt der Europäischen Gemeinschaften

- Amtsblätter der verschiedenen deutschen Länder