1 Einleitung

Trotz getrennter Erfassung sind in Bioabfällen teilweise erhebliche Anteile an Fremdstoffen enthalten. Diese müssen in den Bioabfallbehandlungsanlagen abgetrennt werden, damit die Endprodukte Kompost oder Gärrest landbaulich verwertet sowie vorab Schäden innerhalb der Anlage vermieden werden können. Insbesondere Kunststoffen kommt aufgrund der vorhandenen Grenzwerte und der hohen Sichtbarkeit im Kompost eine besondere Bedeutung bei. Diese müssen daher gerade bei der anaeroben biologischen Behandlung in der Voraufbereitung weitestmöglich aus dem Bioabfall abgetrennt werden.

In Deutschland sind für den Gehalt an Fremdstoffen >2 mm Grenzwerte in der Bioabfallverordnung (BioAbfV), der Düngemittelverordnung (DüMV) sowie in den Bestimmungen der RAL-Gütesicherungen für Komposte und für Gärprodukte festgelegt (Kehres 2018). Nach der Düngemittelverordnung gelten der Grenzwert von 0,1 Gew.-% TM für nicht abgebaute Kunststoffe (Folien) sowie von 0,4 Gew.-% TM für die Summe aller anderen Fremdstoffe (DüMV 2012). Mit dem Grenzwert für verformbare Kunststoffe (Folien) wird auf Verunreinigungen mit Kunststofffolien reagiert, die eine spezifische Masse aufweisen (Kehres 2018). In Österreich gelten für Komposte zur landwirtschaftliche Verwertung zulässige Grenzwerte von 0,2 Gew.-% TM für Kunststoffe >2 mm bei 0,2 Gew.-% TM sowie 0,02 Gew.-% TM für Kunststoffe >20 mm bei (KompostV 2001).

Die Aufbereitung von Bioabfall für eine weitere biologische Verwertung besteht häufig aus einer Reihe an Aggregaten, wie Sacköffner, Siebe, Magnetabscheider, Abfallshredder, Mühlen und Pulper (Ariunbaatar et al. 2014). Neben der weitgehend vollständigen Abtrennung von Fremdstoffen soll jedoch so wenig Organik wie möglich zusammen mit den Fremdstoffen verloren gehen. Häufig werden dennoch erhebliche Mengen an Organik mit abgeschieden (Bernstad et al. 2013; Hansen et al. 2007; Jank 2017; Pognani et al. 2012).

Trommel- und Sternsiebe sind Aggregate, die üblicherweise für die Aufbereitung von Bioabfällen eingesetzt werden. Tab. 1 listet fünf Untersuchungen auf, welche mit Trommel‑, Stern- oder Scheibensieben durchgeführt worden sind. Es ist ersichtlich, dass sich die Versuche hinsichtlich der Inputmaterialien, Voraufbereitung und Massenverteilungen unterscheiden. Ebenso wurde eine Fremdstoffanalyse mit dem Scheibensieb, das in seiner Funktionsweise einem Sternsieb ähnlich ist, nur in Hansen et al. (2007) durchgeführt. Diese war unter den aufgeführten Untersuchungen die einzige, in der explizit Bioabfall als Inputmaterial verwendet wurde.

Tab. 1 Zusammenfassung unterschiedlicher Versuche mit Trommel- (TS), Stern- (StS) und Scheibensieben (ScS)
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Das Hauptanwendungsgebiet von Windsichtern ist die Sortierung von Gemischen, die spezifisch leichte Bestandteile wie Kunststoffe, Papier, Schaumstoffe und dergleichen enthalten. Vermutlich konnte deshalb in der Literatur keine Untersuchung mit Bioabfall als Inputmaterial gefunden werden. Daher sind in Tab. 2 verschiedene Untersuchungen mit anderen Inputmaterialien dargestellt.

Tab. 2 Zusammenfassung unterschiedlicher Windsichter-Versuche
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Für die Effizienzüberprüfung der unterschiedlichen Aufbereitungsaggregate ist die Bestimmung der Kunststoffe in den aufbereiteten Substraten und Reststoffen erforderlich. Ein allgemeingültiges Prozedere für die Kunststoffbestimmung im Bioabfall gibt es weder in Österreich noch in Deutschland. Vorwiegend wird der Kunststoffanteil mit anhaftender Organik bestimmt. Dies führt aufgrund von Anhaftungen an den Kunststoffen zu erheblichen Unsicherheiten und Überschätzung des Kunststoffanteils in den untersuchten Proben. Zielstellung war daher u. a. eine Abschätzung des Anteils der an den Kunststoffen anhaftenden Organik. Weiters wurden die Trenneffizienz verschiedener Aufbereitungsaggregate hinsichtlich der Kunststofffolienabtrennung sowie die Auswirkungen auf die Biogasproduktion ermittelt.

2 Untersuchungsrahmen

Untersucht wurde die Trenneffizienz von verschiedenen Aufbereitungsaggregaten (Sternsieb, Trommelsieb, Windsichter) an zwei Bioabfallbehandlungsanlagen (Anlage A + B) in Deutschland.

2.1 Anlage A

2.1.1 Untersuchter Bioabfall und Probenahme

In einer Biogasanlage in Süddeutschland (Anlage A) wurde die Aufbereitung von Bioabfall aus der Getrenntsammlung untersucht. Der angelieferte Bioabfall passiert einen Sackaufreißer und wird anschließend auf ein Sternsieb mit 60 mm Maschenweite aufgegeben. Beprobt wurden der Siebüberlauf (>60 mm) und der Siebdurchgang (<60 mm) nach jeweiligem Durchlauf durch einen dem Sternsieb nachgeschalteten Magnetabscheider. Die Probenahme erfolgte im Juli 2017, Januar und März 2018. Für die Beprobung wurden jeweils ca. 10 Mg Bioabfall verwogen und aufbereitet. Die Probenahme selbst bzw. die erforderliche Probemenge erfolgte in Anlehnung an die ÖNORM S 2027–1 bzw. LAGA PN 98. Eine erste händische Grobsortierung des gesamten Siebüberlaufs erfolgte vor Ort. Die Definition der Fremdstoffe geht aus Tab. 3 hervor.

Tab. 3 Auflistung der Fremdstoffe in ihren untersuchten Gruppen
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Schließlich wurden Laborproben aus den Fraktionen <60 mm, >60 mm und der vor Ort handsortierten Fremdstoffe gezogen. Da sich bei den ersten beiden Versuchen gezeigt hat, dass noch nicht alle Abfallsäcke geöffnet waren, wurde bei der Probenahme im März 2018 der Siebüberlauf >60 mm nochmals über den Sackaufreißer geführt und dem Sternsieb erneut aufgegeben, um noch mehr Fremdstoffe abzutrennen und allenfalls den zweiten Siebüberlauf (>60 mm) weiter zu verwerten. Der zweite Siebdurchlauf (<60 mm) wurde dem ersten beigemischt. Der Prozessverlauf der Anlage A ist in Abb. 1 dargestellt.

Abb. 1
figure 1

Prozessverlauf der Anlage A inkl. Probenahmestellen

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2.1.2 Laboruntersuchungen

Der Fokus der Untersuchungen lag auf den Kunststofffolien (Kunststoff 2 D). Biologisch abbaubare Kunststoffe wurden ebenfalls als Fremdstoffe eingestuft. Von den Proben von Juli wurde lediglich der gesamte Fremdstoffanteil ermittelt.

  • Fraktion <60 mm – Siebdurchgang

Die Fremdstoffe im Siebdurchgang wurden händisch aussortiert. Die aussortierten Fremdstoffe wurden gewogen, gewaschen, getrocknet und erneut gewogen. Die Trocknung fand bei 80 °C für 24 h statt und nicht bei 105 °C, wie in der VDI 4630 definiert, um zu verhindern, dass leichtflüchtige Substanzen aus den Kunststofffolien austreten und somit die Masse des Kunststoffs 2 D verändern. Die Unterschiede zwischen „ungewaschen“ und „gewaschen und getrocknet“ wurden mit der Abkürzung FM für Feuchtmasse („ungewaschen“) und mit TM für Trockenmasse („gewaschen und getrocknet“) kenntlich gemacht.

Die Proben von Januar wurden vor der Sortierung bei 25 mm gesiebt. Bei den Proben von März erfolgte zusätzlich noch eine weitere Siebung der Fraktion <25 mm bei 10 mm.

  • Fraktion >60 mm – Siebüberlauf

Die Analyse des Siebüberlaufs erfolgte analog zum Siebdurchgang, wobei keine weitere Siebung bei 10 mm bzw. 25 mm durchgeführt wurde.

  • Trockenmasse und organische Trockenmasse

Die Bestimmung von Trockenmasse (TM) und organischer Trockenmasse (oTM) erfolgte in Anlehnung an die VDI 4630 (VDI 4630 2006).

  • Biogaspotenzial

Das Biogaspotenzial beider Fraktionen (>60 mm und <60 mm) wurde mit einem Automatic Methane Potential Test System (AMPTS II) von Bioprocess Control nach VDI 4630 als Doppelbestimmung durchgeführt.

2.2 Anlage B

2.2.1 Untersuchter Bioabfall und Probenahme

Fokus der Untersuchungen auf der Anlage B war die Aufbereitung von Bioabfall aus der getrennten Sammlung mit einem Querstrom-Windsichter. Die Untersuchungen wurden im Mai 2018 in einer aeroben Bioabfallbehandlungsanlage in Deutschland durchgeführt. Der Versuchsablauf samt Probenahmestellen ist in Abb. 2 dargestellt.

Abb. 2
figure 2

Versuchsverlauf zur Beprobung des Windsichters

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Um herauszufinden, ob durch Trocknung eine Reduktion der Haftkräfte zwischen der Organik und den Kunststofffolien erreicht werden könnte, wurde zusätzlich ein Versuch mit getrocknetem Bioabfall durchgeführt. Dazu wurde der Bioabfall (10 Mg) vorab eine Woche lang in einem Tunnel biologisch getrocknet.

2.2.2 Laboruntersuchungen

Die Laborproben wurden nach dem gleichen Schema wie die Sternsieb-Untersuchungen analysiert. Die Siebungen bei 25 mm und 10 mm entfielen.

3 Ergebnisse und Diskussion

3.1 Anhaftungen an den sortierten Fremdstoffen

Zur Klärung der Frage nach den Mengen an Anhaftungen von Organik und Wasser an den sortierten Fremdstoffen wurden die Proben sowohl im frischen (FM) wie auch im gereinigten und getrockneten Zustand (TM) gewogen. In Abb. 3 ist der Anteil des tatsächlichen Fremdstoffes in der jeweiligen Sortierfraktion dargestellt, d. h., die Gewichtsanteile der Fremdstoffe (FM) werden den gewaschenen und getrockneten Gewichtsanteilen (TM) gegenübergestellt. Es zeigt sich gerade bei Kunststoff 2 D ein deutlicher Anteil von Anhaftungen in Form von Wasser und Organik. Dies wird durch Abb. 4 bestätigt, in der die Konzentrationen der ungewaschenen (FM) und gewaschenen (TM) Fremdstoffe bezogen auf die Gesamtmasse des frischen Bioabfalls (FM) dargestellt sind.

Abb. 3
figure 3

Anteil des tatsächlichen Fremdstoffes in der jeweiligen Sortierfraktion. (Ferreux et al. 2018)

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Abb. 4
figure 4

Vergleich der Konzentration der ungewaschenen (FM) und gewaschenen (TM) Fremdstoffe bezogen auf die Gesamtmasse des frischen Bioabfalls (FM). (Ferreux et al. 2018)

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3.2 Fremdstoffkonzentrationen im Bioabfall

In Tab. 4 sind die Fremdstoffkonzentrationen des Inputs für beide Anlagen dargestellt, auf die mithilfe der Laboranalysen zurückgerechnet wurde.

Tab. 4 Fremdstoffkonzentration (in %TM/FM) des Inputs von Juli 2017, Januar, März und Mai 2018 (frisch und trocken)
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Aus Tab. 4 wird ersichtlich, dass sich in Anlage B insgesamt mehr Fremdstoffe im Inputmaterial befanden als in Anlage A. So wurden beispielsweise im Input der Anlage B mehrere Windeln ebenso wie ein erhöhter Anteil an Steinen beobachtet. Die Anteile der gesamten Fremdstoffe von Anlage A waren im Juli geringer als im Januar und März. Dieser Unterschied kann aufgrund des „Verdünnungseffektes“ durch ein höheres Aufkommen an Gartenabfällen im Juli entstanden sein, die nach Beobachtungen von (Kern et al. 2018) weniger Fremdstoffe als Küchenabfall enthalten. Wenn sich ein höherer Anteil Gartenabfall im Bioabfall befindet, sinkt somit die Fremdstoffkonzentration. Der Anteil der Kunststoffe 2D liegt bei beiden Anlagen in einer vergleichbaren Größenordnung.

3.3 Trennleistung des Sternsiebs der Anlage A

Die Frachtenverteilung der Kunststofffolien besagt, welche Mengen der gesamten Folien in welche Fraktion gelangen. Abb. 5 stellt diese für das Sternsieb der Anlage A dar. Der größte Anteil der Kunststofffolien wurde in der Fraktion >60 mm gefunden.

Abb. 5
figure 5

Sternsieb Anlage A: Arithmetischer Mittelwert der Frachtenverteilung der Kunststofffolien in den Fraktionen >60 mm und <60 mm mit Standardabweichung (Januar und März)

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Da sich in der Fraktion <60 mm immer noch ein relevanter Massenanteil an Kunststofffolien befand, wurde der Einfluss einer weiteren Siebung der Fraktion <60 mm im Labor mittels Absieben bei 25 mm untersucht. Damit gelangten noch ca. 8 % der gesamten Kunststofffolien in den Siebüberlauf (25–60 mm) (Abb. 6). Dies bedeutet, dass durch eine zweistufige Siebung insgesamt ca. 97 % der Folien abgetrennt werden könnten.

Abb. 6
figure 6

Arithmetischer Mittelwert der Frachtenverteilungen der Kunststofffolien und Organik in den Fraktionen >60 mm, 25–60 mm und <25 mm (Januar und März)

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Von den Organikanteilen gelangten nach der Siebung ca. 20 % in den Siebüberlauf (Abb. 6). Um diesen Anteil nicht zu verlieren und dennoch die Kunststofffolien abzutrennen, könnte diese Fraktion mit einem Windsichter weiter aufbereitet werden.

Bei der Beprobung im März wurde der Siebüberlauf >60 mm erneut in den Aufgabebunker gegeben und nochmals über den Sackaufreißer und das Sternsieb geführt, um eine Aufkonzentrierung der Kunststofffolien im Siebüberlauf >60 mm (2) (vgl. Tab. 5) und höhere Organik-Anteile im Siebdurchgang <60 mm (1 + 2) anzustreben (vgl. Tab. 5). Die Ergebnisse der Frachtenverteilung für Organik und Kunststoff 2D bestätigen die Erwartungen. Die Ergebnisse der Biogasuntersuchungen bestätigen ebenfalls einen höheren Biogasertrag des Siebdurchgangs nach der erneuten, zweiten Siebung. So liegen die Transferraten des Biogasertrages der ersten Siebung bei 81 % der Fraktion <60 mm und bei 86 % bei der erneuten, zweiten Siebung.

Tab. 5 Frachtenverteilung einzelner Faktionen der ersten Siebung (1) und der erneuten, zweiten Siebung (1 + 2) (März 2018)
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3.4 Vergleich von Sternsieb (Anlage A) und Trommelsieb (Anlage B)

Abb. 7 veranschaulicht die Frachtenverteilungen der Kunststofffolien, der gesamten Fremdstoffe und der Organik über beide Siebe der beiden Anlagen. Es ist ersichtlich, dass beide Siebe über 70 % der Kunststofffolien in den Siebüberlauf abtrennen. Die Trennleistung der beiden Siebe unterscheidet sich jedoch hinsichtlich der Organik. So gelangt beim Trommelsieb ein deutlich höherer Anteil an Organik in den Siebüberlauf. Allerdings kann diese Beobachtung auch auf den fehlenden Sackaufreißer zurückzuführen sein. Somit konnte die Organik nicht aufgelockert und von Kunststofffolien-Umwicklungen befreit werden.

Abb. 7
figure 7

Vergleich der Frachtenverteilungen der verschiedenen Stoffe über das Stern- und Trommelsieb

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Abb. 7 stellt weiterhin die Verteilung der gesamten Fremdstoffe dar. Große Trennunterschiede sind zwischen den Sieben nicht ersichtlich, jedoch ist die Standardabweichung des Sternsiebs (60 mm) mit ±15 % groß. Dies deutet darauf hin, dass die Verteilung der gesamten Fremdstoffe stark von deren Art und Aufkommen beeinflusst wird.

3.5 Trennleistung des Windsichters (Anlage B)

In Abb. 8 sind die Transferraten für Kunststofffolien und Organik in die Feinfraktion für die jeweiligen Abfallarten und Korngrößen gegenübergestellt.

Abb. 8
figure 8

Vergleich der Frachtenverteilungen aller Windsichter-Versuche von Kunststofffolien und Organik in die feine Fraktion

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Bei beiden Bioabfallarten war die Trennleistung für Kunststofffolien in der Fraktion 30–80 mm höher als bei den Fraktionen 80–200 mm. Erwartet wurde eine bessere Trennung in der gröberen Fraktion, da hier die Konzentration an Kunststofffolien höher war und sie dadurch eine höhere Wahrscheinlichkeit hatten, abgetrennt zu werden. Allerdings wurden ungeöffnete Kunststoffsäcke oder -beutel, die mit Organik gefüllt waren oder an denen Organik haftete, vom Windsichter in die grobe Fraktion verfrachtet, was die gegensätzlichen Ergebnisse erklärt.

Beim getrockneten Bioabfall (TM) wurde durch die Verminderung der Haftungskräfte eine bessere Trennbarkeit erwartet. Allerdings konnte kein großer Unterschied zwischen dem frischen (FM) und getrockneten (TM) Bioabfall hinsichtlich der Abtrennung der Kunststofffolien bei der Korngröße 30–80 mm festgestellt werden. In beiden Fällen wurden ca. 80 % der Folien in die feine Fraktion abgetrennt. In der Fraktion 80–200 mm wurden bei frischem Bioabfall (FM) etwas mehr Kunststofffolien abgetrennt.

Betrachtet man die Verteilung der Organik in Abb. 8, so ist ersichtlich, dass bei allen Versuchen Organik in die feine Fraktion verfrachtet wurde. Dies ist auf den hohen Anteil an Laub, Zweigen und Gräsern zurückzuführen, die durch ihr geringes Eigengewicht bei relativ großer Oberfläche in die feine Fraktion geblasen wurden. Zusätzlich wurde kleine, runde und schwere Organik (Kartoffeln, Zwiebeln etc.) in dieser Fraktion gefunden.

Ein geringer Unterschied in der Trennung zwischen den Fraktionen 80–200 mm und 30–80 mm ist zu erkennen. Die Windsichtung der Fraktion 80–200 mm führt zu weniger als 10 % Organik-Verlust, hingegen gehen bei der Fraktion 30–80 mm zwischen 20 und 30 % verloren.

Vergleicht man die Transferraten der Biogaserträge, so ist ersichtlich, dass über 90 % des Biogases in der Organikfraktion bei der Siebung der Fraktion 80–200 mm verbleiben (s. Abb. 9). Bei der Fraktion 30–80 mm liegt dieser Anteil mit 65 % und 85 % etwas geringer. Diese Ergebnisse entsprechen den Organik-Verteilungen in Abb. 8.

Abb. 9
figure 9

Vergleich der Transferraten der Biogaserträge aller Windsichter-Versuche in die grobe Fraktion

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4 Zusammenfassung und Ausblick

In großtechnischen Untersuchungen und Versuchen wurden verschiedene Verfahrensschritte zur Abtrennung von Störstoffen, insbesondere Kunststofffolien, untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass es bei der gängigen Aufbereitung mit einem Sackaufreißer und Sternsieb im Praxisbetrieb noch Optimierungspotenzial gibt. So waren nicht alle Plastiktüten geöffnet und führten daher zu einer Verfrachtung von Organik in den Siebüberlauf, die häufig als Störstofffraktion ausgeschleust wird. Durch eine erneute Aufgabe auf den Sackaufreißer und das Sternsieb konnte eine Siebüberlauffraktion mit deutlich niedrigeren Organikgehalten gewonnen werden. In den Versuchen mit dem Windsichter konnten ebenfalls Ansätze für einen Einsatz zur Abtrennung von Kunststofffolien erkannt werden. Hier ist jedoch eine darauf abgestimmte effiziente Vorabsiebung erforderlich. Ebenso besteht erhebliches Optimierungspotenzial für die Art und Einstellung der Windsichters.