Chemisches Recycling, das aus dem Problem eine Chance macht

VinylAcid: Gut für die Umwelt und fürs Portemonnaie - die Mitverbrennung von PVC-Abfällen in Schweizer Müllverbrennungsanlagen schont sowohl die Umwelt als auch das Portemonnaie. Chemisches Recycling von schwermetallhaltigen, werkstofflich nicht verwertbaren PVC-Abfällen in Schweizer KVA ist eine erfolgsversprechende Ergänzung des bestehenden PVC-Kunststoffrecyclings.

PVC liefert Säure für die Metallgewinnung

Das Kunststoffrecycling leistet einen wichtigen Beitrag zur Entlastung der Umwelt. Allerdings lassen sich nicht alle Kunststoffe gleichermassen gut rezyklieren. So ist PVC dank zahlreicher Additive zwar ausserordentlich vielseitig einsetzbar, aber eben wegen dieser Zusatzstoffe nicht immer leicht verwertbar. An seine Grenzen stösst das werkstoffliche Recycling von PVC dann, wenn das Material problematische Stoffe wie Schwermetalle enthält. Eine Möglichkeit, stofflich nicht verwertbare PVC-Abfälle dennoch ökologisch und ökonomisch sinnvoll zu verwerten, ist das "chemische Recycling" von Salzsäure aus PVC in Müllverbrennungsanlagen.

In der Schweiz werden alle organischen Abfälle, die nicht verwertbar sind, verbrannt. Dies geschieht meist in Müllverbrennungsanlagen. Aus rund vier Millionen Tonnen verbrannten Abfällen entstehen unter anderem etwa 80'000 Tonnen Flugaschen. Diese enthalten hohe Konzentrationen an wasserlöslichen Schwermetallverbindungen, vor allem von Zink, Blei, Cadmium und Kupfer. Damit diese Schwermetalle nicht aus Oberflächendeponien ausgewaschen werden können, müssen die Flugaschen in der Schweiz vor ihrer Ablagerung durch eine "saure Wäsche" behandelt werden. Hierbei werden die Schwermetalle mit Salzsäure extrahiert und anschliessend dem Recycling zugeführt. Diese Extraktion findet meistens direkt am Ort der Müllverbrennungsanlage statt. In Abbildung 1 ist das Prozessschema der sauren Flugaschenwäsche bei einer Müllverbrennungsanlage dargestellt.

Im Gegensatz zu vielen anderen europäischen Ländern wird das Abgas in Schweizer Müllverbrennungsanlagen in der Regel nicht trocken gereinigt, sondern mit Wasser gewaschen. Saure Abgase lösen sich in diesem Waschwasser zu einer Mischsäure, die hauptsächlich aus Salzsäure besteht. Ungefähr 40 % dieser Salzsäure stammt aus PVC, denn dieses enthält aus rund 58 % Chlor, welches bei der Verbrennung Salzsäuregas bildet. Das PVC gelangt vor allem durch Bauabfälle oder durch Kabelisolationen in Shredderrückständen aus der Auto- und Elektronikschrottaufbereitung in den Abfall. Die in der Rauchgaswäsche einer Müllverbrennungsanlage gewonnene Mischsäuremenge reicht gerade etwa aus, um die Schwermetalle aus den dort abgeschiedenen Flugaschen zu extrahieren.

Abbildung 1: Prozessschema der sauren Flugaschenwäsche. In der Flugaschenabscheidung der Müllverbrennungsanlage fällt die schwermetallhaltige Flugasche an. Die sauren Bestandteile aus dem Rauchgas, hauptsächlich Salzsäure, werden im Gaswäscher als Mischsäure ausgewaschen und damit die Flugaschen sauer gewaschen. Die extrahierten Schwermetalle werden dem Recycling zugeführt und der gewaschene Rest zusammen mit der Schlacke deponiert.

Eine drohende "Säurelücke" und schwermetallhaltiges PVC

Etwa 2/3 der in Schweizer Müllverbrennungsanlagen anfallenden Flugaschen werden aktuell sauer gewaschen. Einige Müllverbrennungsanlagen waschen bereits Flugaschen von anderen Anlagen, die selbst keine nasse Rauchgasreinigung betreiben und folglich keine Säure produzieren.

Zukünftig wird die Rückgewinnung von Schwermetallen aus den Flugaschen der Müllverbrennung gesetzlich verpflichtend. Ausserdem müssen voraussichtlich auch die ungefähr 75'000 Tonnen Filteraschen aus der Holzverbrennung zwecks Metallrückgewinnung, vor allem von Zink, mit Säure extrahiert werden.

Da die verbrannte Abfallmenge und damit die Säureproduktion in den Schweizer Müllverbrennungsanlagen etwa konstant bleiben, wird die erzeugte Säuremenge in Zukunft nicht zur Behandlung aller Verbrennungsaschen ausreichen. Um diese "Säurelücke" zu füllen, müsste in Zukunft Salzsäure zugekauft werden.

PVC findet vor allem im Bausektor in sehr langlebigen Produkten Verwendung. Um die Haltbarkeit des PVC angesichts der extrem langen Einsatzdauern zu erhöhen, wurden dem Polymer früher Schwermetalle wie Blei und Cadmium beigefügt. Noch immer fallen erhebliche Mengen schwermetallhaltiger PVC-Abfälle beim Rückbau an und können zu Problemen beim Recycling führen. In der EU wird daher die Einführung eines Grenzwertes für Blei im PVC-Rezyklat diskutiert. Hierdurch würde die werkstoffliche Verwertung von schwermetallhaltigem PVC massiv behindert. Solche stofflich nicht verwertbaren PVC-Abfälle müssten dann in Müllverbrennungsanlagen verbrannt werden, wo das enthaltene Blei und Cadmium in die Flugasche gelangt und mit dieser zusammen aus dem Abgas abgeschieden wird.

Bekannte Probleme innovativ lösen

Im Projekt VinylAcid werden PVC-haltige Abfälle, die aufgrund zu hoher Schwermetallgehalte nicht werkstofflich rezykliert werden können (oder dürfen), gezielt in Schweizer Müllverbrennungsanlagen mit nasser Rauchgasreinigung eindosiert. Dadurch wird die Säureproduktion erhöht, was ökonomisch und ökologisch vorteilhaft ist. Erstens ersetzt die so gewonnene zusätzliche Mischsäure technische Salzsäure, die aus dem Ausland eingekauft werden müsste. Zweitens werden die im PVC enthaltenen Schwermetalle mit der Flugasche der Müllverbrennungsanlage abgeschieden und werden hieraus mittels der Mischsäure extrahiert und dann recycliert.

Prioritär wird versucht, nicht rezyklierbares PVC mit hohen Schwermetallgehalten aus Schweizer Quellen dem beschriebenen "chemischen Recycling" zuzuführen. Hierzu werden PVC-haltige Abfallströme im Inland von Müllverbrennungsanlagen mit trockener Rauchgasreinigung in solche mit Rauchgaswäsche umgeleitet. Zudem werden nicht rezyklierbare PVC-haltige Reste aus der Sortierung von Schweizer Kunststoffabfällen akquiriert.

Das Institut für Umwelt- und Verfahrenstechnik der Fachhochschule Ostschweiz, UMTEC, treibt diese Idee ab Mitte 2021 in Zusammenarbeit mit dem Verband der Schweizer Kunststoffindustrie KUNSTSTOFF.swiss und der Müllverbrennungsanlage in Thun (bei Bern) voran. Unterstützt wird das Projekt von der Umwelttechnologieförderung des Schweizer Bundesamtes für Umwelt BAFU.

Was ist neu? In der Eurozone verfügen die meisten Müllverbrennungsanlagen über trockene, respektive quasi-trockene Rauchgasreinigungen und die schwermetallhaltigen Flugaschen werden in Untertagdeponien verbracht. In solchen Anlagen sind die Säuregewinnung und Schwermetallextraktion aus technischen Gründen unmöglich. Zwar gibt es auch in Deutschland Müllverbrennungsanlagen, die Säure aus PVC-haltigen Abfällen gewinnen. Da aber in Deutschland keine Metalle aus den Flugaschen der Müllverbrennung extrahiert werden, können die im PVC enthaltenen Schwermetalle nicht rezykliert werden. Zudem muss die produzierte Mischsäure sehr aufwändig zu einer Salzsäure mit "technischer Qualität" aufbereitet werden, um wirtschaftlich verwertbar zu sein.

Was kann schieflaufen?

Die Müllverbrennungsanalage in Thun eignet sich aus zwei Gründen besonders gut zur Durchführung der Versuche. Erstens betreibt sie mit der aus dem Rauchgas gewonnenen Mischsäure bereits eine Flugaschenwäsche. Zweitens wird das ebenfalls vom UMTEC initiierte Projekt "EDiox-Demo" aktuell an der KVA Thun durchgeführt. Hierbei wird das zusammen mit der Flugasche abgeschiedene Dioxin durch einen nassmechanischen Prozess abgetrennt und anschliessend zerstört. Denn aus der Theorie ist bekannt, dass die Verbrennung von PVC - je nach Rahmenbedingungen der Verbrennung und Rauchgasreinigung - zur Bildung von Dioxin führen kann. Sollte durch die Verbrennung von zusätzlichem PVC zusätzliches Dioxin entstehen, besteht in der Müllverbrennungsanlage Thun die Möglichkeit dieses im Rahmen des Projekts ExDiox wieder zu zerstören.

Besonders zu beachten ist die Hochtemperatur-Chlorkorrosion, bei der abkühlende und auf den Wärmetauschern kondensierende Metallchloride die metallischen Werkstoffe angreifen. Dieser Prozess geschieht allerdings ohnehin in der KVA, da Chlor - auch in PVC freiem Siedlungsabfall - durch Bioabfälle, Speisereste, Papier etc. eingetragen wird. Die Korrosion ist also chlor-, aber nicht PVC-spezifisch. Bei massvoller Zugabe von etwa 50 % mehr PVC als ohnehin im Abfall enthalten ist, erwarten wir keine wesentlich erhöhte Korrosion.

Andreas Gauer

Publizierter Artikel von Kunststoffxtra

Infobox Projektpartner

UMTEC Institut für Umwelt- und Verfahrenstechnik der Ostschweizer Fachhochschule

KUNSTSTOFF.swiss, Dachverband der Schweizer Kunststoffindustrie

AVAG Kehrichtverbrennungsanlage Thun

BAFU Umwelttechnologieförderung