Ultrafeine Partikel im Abgas von Humankremationsanlagen

Gegenwärtig findet eine intensive Debatte zum Thema Feinstaub statt und es wird engagiert nach Lösungsmöglichkeiten zur Verminderung von Feinstaubemissionen gesucht. Zunächst spielt dabei der Verkehr als wesentliche Quelle eine große Rolle. Darüber hinaus müssen alle weiteren Emittenten sowohl im urbanen Raum als auch in der Land- und Forstwirtschaft betrachtet werden. Krematorien wurden in diesem Zusammenhang bisher nicht betrachtet. Bundesweit werden ca. 160 Kremationsanlagen mit zwei bis drei Ofenlinien betrieben, womit ein Abgasausstoß von ca. 870 Mio. Normkubikmetern pro Jahr verbunden ist [1]. Diese Gesamtmenge entspricht der Abgasemission eines einzelnen kleinen Müllheizkraftwerkes.

Da Krematorien meist eine zentrale städtische Lage und nur eine geringe Kaminhöhe aufweisen, kommt den dort erzeugten Emissionen im Hinblick auf die Luftqualität im urbanen Umfeld eine signifikante Bedeutung zu.

Die einzuhaltenden Grenzwerte hinsichtlich Kohlenmonoxid (CO), organischer Stoffe, Dioxinen und Furanen sowie Gesamtstaub werden in der 27. Verordnung zur Durchführung des Bundes-Immissionsschutzgesetzes (BImSchV) geregelt. Die Kremations- und Abgasreinigungstechnik wurde in den letzten Jahren deutlich weiterentwickelt, wodurch die Grenzwerte in Deutschland in den meisten Fällen eingehalten werden können. Grenzwerte für Feinstaub oder die Anzahl ultrafeiner Partikel (UFP) existieren nicht und es sind auch keine systematischen Untersuchungen bekannt, welche Feinstaubemissionen in Krematorien auftreten. Daher kann zum aktuellen Zeitpunkt nicht beurteilt werden, ob es sich bei Krematorien um nennenswerte Feinstaubquellen handelt. Aktuell gibt es eine starke Diskussion über die Belastung mit Feinstaub vor allem im innerstädtischen Bereich, weshalb alle potenziellen Quellen untersucht und in die Minderungsstrategie einbezogen werden sollten. Dies ist auch unter dem Gesichtspunkt der zusätzlichen Anlagerung von z. B. Schwermetallen an Staubpartikel von Bedeutung [2].

2 Technologie der Abgasreinigung bei Kremationsanlagen

Kremationsöfen sind im Mehrkammersystem aufgebaut und umfassen die Hauptbrennkammer, in der die eigentliche Krema­tion des Leichnams stattfindet, eine Ascheausbrennkammer zur endgültigen Mineralisierung und Auskühlung der Asche und eine Nachbrennkammer zum Ausbrennen der Abgase mit geeigneter Temperatur, Verweilzeit und Turbulenz. In Deutschland gibt es im Wesentlichen zwei Typen von Kremationsöfen: Etagen- oder Flachbettöfen, wobei ca. 70 % der Anlagen einen Etagenofen aufweisen. Die Beheizung erfolgt meist mithilfe von Gasbrennern, die elektrobeheizte Variante ist weniger verbreitet. In der Abgaskühlung wird das Verbrennungsabgas entweder indirekt in einem Wärmeübertrager gegen Luft bzw. Wasser oder direkt durch Luftbeimischung oder durch Quenchen mit Wasser gekühlt. Eine rasche Abkühlung ist hierbei erforderlich, um die Bildung von PCDD/PCDF (de-novo-Synthese) zu minimieren.

Für die Abgasreinigung bei Krematorien existieren im Wesentlichen drei Verfahrensvarianten [1]:

Sorption im Festbettverfahren (Bild 1), wobei die Nutzung eines Chemisorptionsfilters ein Sonderbauform darstellt,

Bei der katalytischen Filtration erfolgt im Gegensatz zu den Sorptionsverfahren keine Anlagerung von Kohlenwasserstoffen und PCDD/PCDF, sondern eine katalytisch unterstützte chemische Umsetzung zu den unproblematischen Stoffen Kohlenstoffdioxid, Stickstoff, Wasser und dem in geringen Konzentrationen unkritischen Chlorwasserstoff. Der katalytische Filter weist im Allgemeinen einen zweilagigen Aufbau auf. Dabei dient die erste Lage (z. B. eine Polytetrafluorethylen-(PTFE)-Membran als Oberflächenfilter zur Staubascheidung. Die zweite Lage besteht aus einem mit Niedertemperaturkatalysator gefüllten Nadelfilz, in dem die eigentliche katalytische Umsetzung erfolgt.

Das Flugstromverfahren ist das in Krematorien am häufigsten eingesetzte Reinigungsverfahren [1]. Hierbei wird das Sorptionsmittel als Flugstaubwolke eingedüst oder dem Abgas in einem statischen Mischer (Reaktor) beigefügt. Um eine gute Sorption zu gewährleisten, muss die Kontaktzeit hinreichend groß sein. Das beladene Sorptionsmittel wird zusammen mit dem Staub am Gewebefilter abgeschieden, in dessen Filterkuchen die Sorptionsreaktion weiterhin stattfindet. Das Additiv kann zum Teil intern im Kreislauf geführt werden, um eine hohe Ausnutzung zu gewährleisten, und muss anschließend ordnungsgemäß entsorgt werden.

3 Beschreibung des Messverfahrens

Die Messung des ultrafeinen Staubs erfolgte mit einem Scanning Mobility Particle Sizer (SMPS+C) der Fa. Grimm Aerosol Technik Ainring GmbH & Co. KG. Das System besteht aus einem Kondensationspartikelzähler (CPC, Modell 5416, Ser.-Nr. 54161004), einem vorgeschalteten Analysator für die Teilchenmobilität (DMA, Modell 55-U, Ser.-Nr. 5UP70903) und einer dielektrischen Barriereentladung (aDBD, Modell 5520, Ser.-Nr. 55201313). Die Ansteuerung erfolgt über die Kontrolleinheit (Ser.-Nr. 79171399). Das Messgas wurde über eine Heißgassonde aus dem Abgaskanal extrahiert, um Kondensation zu verhindern. Den schematischen Messaufbau zeigt Bild 4.

4 Messergebnisse

Um eine Aschevermischung sicher ausschließen zu können, wird jede Kremation einzeln durchgeführt und vollständig abgeschlossen, bevor die nächste Einäscherung beginnt. Die instationäre Prozessführung zeigt sich auch in den reingasseitig gemessenen UFP-Konzentrationen. Ein erster Konzentrationspeak trat bei allen Messungen, also unabhängig von dem Abgasreinigungsverfahren, innerhalb der ersten fünf bis 15 Minuten nach der Sargeinfahrt auf (Bild 5).

Innerhalb der ersten 15 Minuten steht aber auch der Leichnam noch nicht in Flammen. Die Ursache für diesen Peak muss also im Abbrennen des Sarges selbst liegen. An einem Krematorium mit Flugstromverfahren wurde daher untersucht, inwiefern das Sargmaterial und das summierte Sarggewicht einen Einfluss auf die resultierenden UFP-Konzentrationen haben.

In Tabelle 1 sind die Ergebnisse für sechs Kremationen zusammengefasst.

Häufig trat ein weiterer Konzentrationspeak während des Kremationsvorganges auf. Dieser war in der Regel weniger stark ausgeprägt und zeigte sich frühestens 20 Minuten nach der Sarg­einfahrt. Zu diesem Zeitpunkt ist der Sargaufbruch, welcher die Verbrennung des Leichnams einleitet, in der Regel abgeschlossen. Die erhöhten UFP-Konzentrationen sind daher sehr wahrscheinlich auf diesen Vorgang zurückzuführen.

Die zeitlichen Konzentrationspeaks wurden nahezu ausschließlich von Partikeln hervorgerufen, die einen Partikeldurchmesser von weniger als 20 nm hatten. Beispielhafte Partikelgrößenverteilungen sind in Bild 6 dargestellt.

Das untere Diagramm dieser Abbildung zeigt darüber hinaus ein Beispiel für den sehr häufig aufgetretenen Fall, dass die Partikelgrößenverteilung ihr Maximum bei 5 nm aufwies. Dies war gleichzeitig die Auflösungsgrenze des verwendeten Messsystems, sodass nicht ausgeschlossen werden kann, dass eine signifikante Anzahl an Partikel kleiner 5 nm im Abgas vorhanden war.

Eine Gegenüberstellung aller Messungen zeigt zunächst Tabelle 2.

Wie oben beschrieben, treten hohe UFP-Konzentrationen während der Kremation nur über einen sehr kurzen Zeitraum auf. Dies begründet, dass die maximalen UFP-Konzentrationen in Bild 8 die gleiche Größenordnung haben, wie die über die Kremationszeit gemittelten Konzentrationen.

5 Vergleich mit Literaturdaten

Vergleichswerte finden sich in der Literatur generell wenige, da sich der Großteil der Messungen auf die Immissionen konzentriert, während die hier gemessenen Konzentrationen im Prozess selbst eine Emission charakterisieren.

Die mittleren UFP-Konzentrationen rangieren im Bereich zwischen 1,1 · 10³ und 4,3 · 10⁷ cm^–3. Die maximalen Konzentrationen umfassen einen Bereich von 9,3 · 10³ bis 6,5 · 10⁸ cm^–3.

Schneider et al. [3] berichten von UFP-Konzentrationen zwischen 1 · 10⁸ und 1 · 10⁹ cm^–3 im Kamin zweier Pelletöfen. Bei den Anlagen handelt es sich um nicht kommerziell verfügbare Prototypen, sodass davon ausgegangen werden kann, dass sich an die Brennkammer nahezu keine Abgasreinigung angeschlossen hat.

Ozgen et al. [5] haben Messungen in Müllheizkraftwerken, Holz-Pelletöfen mit nachgeschaltetem Aerozyklon sowie Öl- und Gasbrennern ohne Abgasreinigung durchgeführt und geben folgende Werte an:

zwischen 1,4 · 10⁴ und 3 · 10⁴ cm^–3 im Kamin von Müllheizkraftwerken,

mehr als 2 · 10⁷ cm^–3 hinter einem Holz-Pelletofen,

2 · 10⁶ cm^–3 bei Ölbrennern,

weniger als 5 · 10³ cm^–3 bei Gasbrennern.

Buonanno et al. [6] untersuchten Partikelkonzentrationen von fünf Müllverbrennungsanlagen bzw. Ersatzbrennstoffkraftwerken zwischen 5,5 und 350 nm im Zeitraum von 2007 bis 2010. Zu keinem Zeitpunkt konnten Konzentrationen über 1 · 10⁴ cm^–3 im Kamin gemessen werden, obwohl bis zu 2,4 · 10⁷ cm^–3 vor dem Filter gemessen wurden.

Die hier gemessenen mittleren Konzentrationen liegen in einer vergleichbaren Größenordnung. Zum Teil werden aber deutlich geringere Konzentrationen gemessen. Diese liegen dann sogar unten den Immissionswerten, die von Lonati et al. [7] in verschiedenen Bereichen des urbanen Raumes angegeben werden.

6 Fazit

Durch die hier beschriebenen Messungen erfolgte erstmals eine systematische Untersuchung der Emissionen ultrafeiner Partikel bei Humankremationsanlagen. Es konnte kein direkter Zusammenhang zwischen dem installierten Abgasreinigungsverfahren und der resultierenden UFP-Konzentration im gereinigten Gas festgestellt werden. Vielmehr zeigten sich innerhalb der jeweiligen Krematorien zum Teil starke Unterschiede von Krema­tion zu Kremation. Es lassen sich daher eher Zusammenhänge mit Leichnam, Sarg und Sargfüllmaterial vermuten, die qualifizierend nur in einer weiteren Messkampagne mit statistischer Signifikanz und Informationen zu diesen Einflussgrößen erfasst werden können. Hohe UFP-Konzentrationen waren immer auch mit sehr geringer Partikelgröße <20 nm verbunden. Die Ergebnisse weisen darüber hinaus darauf hin, dass noch kleinere Partikel in signifikanter Menge im Abgas vorhanden sind, da die linke Flanke der Peaks in den Partikelgrößenverteilungen häufig an der Auflösungsgrenze von 5 nm abgeschnitten war. Letztendlich konnte gezeigt werden, dass die UFP-Emissionen, die von Krematorien ausgehen können, vergleichbar mit denen anderer Verbrennungsanlagen sind. In vielen Fällen liegen die gemessenen Konzentrationen aber sowohl unter den Vergleichswerten als auch unter UFP-Konzentrationen, die im urbanen Umfeld gemessen werden. Die Trennwirkung der Filteranlagen ist dementsprechend als sehr gut einzustufen.

Danksagung

Die Autoren danken der H. Wilhelm Schaumann Stiftung für die Finanzierung der Untersuchungen.

 

 

 

Literatur

1. Schetter, G. (Hrsg.): Krematorium – Abgas und Asche, Fachverlag des deutschen Bestattungsgewerbes, 2016.
2. Föhlisch, W.; List, S.: Minderung der Feinstaub-/Schadstoffemissionen bei Anlagen nach der 27. BImSchV. Kolloquium zur Luftreinhaltung: Neue Anforderungen an die Partikelabscheidung im Hinblick auf die europäische Gesetzgebung, 2001.
3. Schneider, F.; Spielvogel, J.; Hock, T.; Pesch, M.: On-line nanoparticle size distribution measurements of a 15 kW pellet burner. Chem. Eng. Trans. 22 (2010) S. 227-232.
4. Wunsch, P.; Hopf, N.; Djeradi, B.: Bewertung und Optimierung des Einäscherungsprozesses in bayerischen Krematorien. Forschungs- und Entwicklungszentrum Sondertechnologien, Bayerisches Landesamt für Umwelt, Augsburg 2008.
5. Ozgen, S.; Ripamonti, G.; Cernuschi, S.; Guigliano, M.: Ultrafine particle emissions for municipal waste-to-energy and residential heating boilers. Rev. Environ. Sci. Biotechnol. 11 (2012) Nr. 4, S. 407-415.
6. Buonanno, G.; Scungio, M.; Stabile, L.; Tirler, W.: Ultrafine particle emission from incinerators: The role of the fabric filter. J. Air Waste Manage. Assoc. 62 (2012) Nr. 1, S. 103-111.
7. Lonati, G.; Ozgen, S.; Luraghi, I.; Giugliano, M.: Particle number concentrations at urban microenvironments. Chem. Eng. Trans. 22 (2010) S. 137-142.