Entwicklung einer neuen Probenahmemethode für heterogene Abfälle geringer Schüttdichte

Zwisele, Bertram

Kurzübersicht

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ISBN: 978-3-937231-42-6
Veröffentlicht: September 2004, 1.. Auflage, Einband: Broschur, Seiten 356, Format DIN A5, Gewicht 0.6 kg
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Entwicklung einer neuen Probenahmemethode für heterogene Abfälle geringer Schüttdichte

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Heterogene Stoffe und Stoffgemische geringer Schüttdichte aus dem Abfallbereich sind den stückigen und festdispersen Stoffsystemen zuzuordnen, unterscheiden sich aber von mineralischen und bergbaulichen Schüttgütern erheblich. Gesetzmäßigkeiten, die beispielsweise aus der Genese mineralischer Stoffe abzuleiten sind, existieren für Abfälle nicht.

Im Stoffkreislauf stehen Abfälle und Abfallgemische am Ende des Lebenszyklus von Produkten und Gebrauchsgegenständen. Sie sind daher im Allgemeinen durch eine große Streubreite an verschiedenen Stoffbestandteilen, Teilchengrößen, Teilchenformen, Teilchendichten usw. gekennzeichnet. Für die Probenahme im Abfallbereich bedeutet dies, dass die Methoden aus der Probenahme mineralischer Schüttgüter nicht übertragbar sind und dass die Anforderungen an ein geeignetes Probenahmeverfahren im Abfallbereich höher einzuschätzen sind. Gleichzeitig ist zumindest die am Geldwert gemessene Wertschöpfung bei Abfallgemischen im Stoffkreislauf am geringsten.

Die repräsentative Probenahme heterogener Abfälle und Abfallgemische zur Beurteilung der physikalischen, chemischen und technologischen Eigenschaften wurde bisher nicht befriedigend gelöst. Wie in der Anlagentechnik zeigt sich auch bei der Probenahme, dass bestehende Methoden und Verfahren aus dem Bergbau, der Aufbereitung oder dem Tiefbau übernommen wurden. Auf eigene grundlegende Forschungs- und stoffangepasste Entwicklungsarbeiten wurde meist aus ökonomischen Abwägungen verzichtet.

Die Probenahme heterogener Abfälle und Abfallgemische erfolgt bislang überwiegend mit „Hausrezepten“ oder Strategien, die nur unter bestimmten Voraussetzungen angewandt werden können. Mit dieser Arbeit wird die Lücke in der Erforschung und Entwicklung einer geeigneten Probenahmemethode für heterogene Abfälle geringer Schüttdichte geschlossen.

Von der Fakultät III - Prozesswissenschaften der Technischen Universität Berlin zur Erlangung des akademischen Grades Doktor der Ingenieurwissenschaften - Dr.-Ing. - genehmigte Dissertation
Promotionsausschuss:
Vorsitzender: Prof. Dr. rer. nat. W. Rotard
Berichter: Prof. Dr.-Ing. H. Kuyumcu
Berichter: Prof. Dr.-Ing. T. Pretz
Tag der wissenschaftlichen Aussprache: 29. Juli 2004 Berlin

 

 

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung   1
2 Aufgabenstellung   4
2.1 Untersuchungsgesamtheit   4
2.2 Untersuchungsziel   6
2.3 Aufgaben   7
3 Methodische Grundlagen  8
3.1 Statistische Grundlagen  8
3.1.1 Der Wahrscheinlichkeitsbegriff   8
3.1.2 Zufallsereignis   11
3.1.3 Zufallsvariable  11
3.1.3.1 Diskrete Zufallsvariable  12
3.1.3.2 Stetige Zufallsvariable   16
3.1.3.3 Zweidimensionale stetige Zufallsvariable  19
3.1.4 Die Grenzwertsätze   23
3.1.4.1 Das schwache Gesetz der großen Zahlen 23
3.1.4.2 Das starke Gesetz der großen Zahlen 23
3.1.4.3 Der Zentrale Grenzwertsatz   25
3.1.5 Schätztheorie   25
3.1.5.1 Statistischer Schluss  25
3.1.5.2 Schätzfunktion   26
3.1.5.3 Eigenschaften von Schätzfunktionen 27
3.1.5.4 Konstruktion von Schätzfunktionen. 29
3.1.5.5 Punkt- und Intervallschätzung   29
3.1.5.6 Schätzen in endlichen und unendlichen Grundgesamtheiten 32
3.1.6 Modellbildung   38
3.2 Grundlagen der Probenahme  38
3.2.1 Einführung  38
3.2.1.1 Abgrenzung des Probenahmebegriffes  40
3.2.1.2 Probenahmeplan und Probenahmekriterien . 41
3.2.1.3 Fehler einer Stichprobenuntersuchung  43
3.2.2 Stichprobenverfahren   48
3.2.2.1 Nichtzufällige Auswahlverfahren . 48
3.2.2.2 Zufällige Auswahlverfahren   48
3.2.2.3 Die grundlegenden einstufigen zufälligen Auswahlverfahren 51
3.2.2.4 Vergleich der grundlegenden einstufigen zufälligen Auswahlverfahren 54
3.2.2.5 Mehrstufige Auswahlverfahren  55
3.2.2.6 Auswahlverfahren bei abhängigen Merkmalen . 60
3.2.3 Hochrechnungs- oder Schätzverfahren . 62
3.2.3.1 Einfache oder reine Zufallsstichprobe  62
3.2.3.2 Systematische Zufallsstichprobe  65
3.2.3.3 Geschichtete Zufallsstichprobe  68
3.2.3.4 Mehrstufige Zufallsstichprobe   71
3.3 Probenahme von Stoffsystemen  80
3.3.1 Auswahlvorgang  81
3.3.1.1 Flächenbeprobung  81
3.3.1.2 Gutstrombeprobung 81
3.3.2 Heterogenität 82
3.3.2.1 Allgemein  82
3.3.2.2 Modell für unabhängige Elementareinheiten 84
3.3.2.3 Modell für abhängige Elementareinheiten 90
4 Probenahmemodelle für heterogene Stoffsysteme – Stand des Wissens 93
4.1 Allgemeines Probenahmemodell für disperse Stoffsysteme .93
4.1.1 Stoffmodell  93
4.1.2 Auswahlmodell  96
4.1.2.1 Schätzwert  97
4.1.2.2 Genauigkeit des Schätzwertes  98
4.1.3 Fehlerbetrachtung der Stichprobenahme 99
4.1.3.1 Fehler, die in den mathematischen Beziehungen des Modells begründet
sind  99
4.1.3.2 Fehler, die auf die praktische Ausführung der Probenahme und
Aufbereitung zurückzuführen sind .100
4.1.3.3 Gesamtfehler 103
4.1.4 Ansatz für ein Stoffmodell mit unabhängigen Stoffteilchen 105
4.2 Praxisorientierte Probenahmemodelle für disperse Stoffsysteme 110
4.2.1 Physikalischer Ansatz für ein Probenahmemodell 110
4.2.2 Statistischer Ansatz für ein Probenahmemodell .119
4.2.2.1 Pareto-Verteilung  119
4.2.2.2 RRSB-Verteilung  121
5 Entwicklung einer angepassten Probenahmemethode für heterogene
Stoffsysteme geringer Schüttdichte 124
5.1 Ausgangssituation 124
5.2 Die neue Probenahmemethode  126
5.3 Ein modifiziertes Probenahmemodell 129
6 Vorversuche zur Entwicklung der Versuchsgeräte, zur Ermittlung
relevanter Stoffeigenschaften und zur Bestimmung der
Probenahmeparameter  133
6.1 Vorversuche zur Entwicklung der Versuchsgeräte .134
6.2 Vorversuche zur Ermittlung relevanter Stoffeigenschaften 138
6.2.1 Charakterisierung der Versuchsmaterialien139
6.2.1.1 Zeitungspapier  139
6.2.1.2 Kunststoffe  139
6.2.1.3 Getränkedosen aus Weißblech  140
6.2.2 Ermittlung der Brennwerte für die Versuchsmaterialien und Aufnahme
einer Kalibriergeraden  141
6.2.2.1 Zielstellung 141
6.2.2.2 Versuchsdurchführung  142
6.2.2.3 Ergebnisse 142
6.2.3 Ermittlung der Stoffdichten für einzelne Stoffkomponenten und
Stoffgemische  143
6.2.3.1 Zielstellung 144
Inhaltsverzeichnis
iii
6.2.3.2 Versuchsdurchführung  144
6.2.3.3 Ergebnisse   145
6.2.4 Bestimmung der Teilchengrößenverteilung und der
Teilchenmassenverteilung für die synthetischen Stoffgemische und
realen Abfälle   146
6.2.4.1 Zielstellung   146
6.2.4.2 Versuchsmaterial  146
6.2.4.3 Versuchsdurchführung  147
6.2.4.4 Ergebnisse   148
6.2.4.5 Schlussfolgerungen   157
6.3 Vorversuch zur Bestimmung der Probenahmeparameter  158
6.3.1 Zielsetzung   158
6.3.2 Versuchsdurchführung   159
6.3.2.1 Herstellung der Zufallsmischung  159
6.3.2.2 Probenahme  159
6.3.2.3 Probenaufbereitung   162
6.3.2.4 Analyse   162
6.3.3 Auswertung und Darstellung der Ergebnisse  163
6.3.3.1 Explorative Datenanalyse   164
6.3.3.2 Schätzung der Mittelwerte und Varianzen. 166
6.3.3.3 Analyse der Fehlereinflüsse der Teilungs- und Auswahlschritte 167
6.3.3.4 Zusatzauswertungen  168
6.3.3.5 Bewertung der Ergebnisse und Schlussfolgerungen für die
Durchführung der Hauptversuche 171
6.4 Technische Umsetzung des neuen Probenahmeverfahrens und
Versuchsaufbau   172
7 Durchführung der Versuche  175
7.1 Das Versuchsprogramm  175
7.1.1 Untersuchung der empirischen Heterogenität für Zwei- und
Dreikomponentengemische sowie für reale Abfälle  177
7.1.2 Vergleich des neu entwickelten Probenahmeverfahrens nach der
Würfelteilungsmethode mit einem herkömmlichen Probenahmeverfahren
nach der Methode mit Teilungskreuz 179
7.1.3 Untersuchung von Einflussgrößen auf die Heterogenität des Stoffsystems
- Abhängigkeit von Stoffdichte und Teilchengröße . 180
7.1.3.1 Stoffdichte  180
7.1.3.2 Teilchengröße   180
7.1.4 Untersuchung der Ortsabhängigkeit der Heterogenität  181
7.2 Durchführung der Versuche mit synthetischen Stoffgemischen bekannter
Zusammensetzung –Würfelteilungsmethode und mehrstufiges Modell 181
7.2.1 Herstellung der Zufallsmischungen 182
7.2.2 Probenahme  182
7.3 Durchführung der Versuche mit synthetischen Stoffgemischen bekannter
Zusammensetzung - Würfelteilungsmethode und geschichtetes Modell. 184
7.3.1 Probenahme  184
7.4 Durchführung der Versuche mit synthetischen Stoffgemischen bekannter
Zusammensetzung - Teilungskreuzmethode und mehrstufiges Modell 185
7.4.1 Probenahme  185
7.4.2 Probenaufbereitung und Analyse 187
7.5 Durchführung der Versuche mit realen Abfallgemischen unbekannter
Zusammensetzung - Würfelteilungsmethode .187
7.5.1 Herstellung der Zufallsmischungen 187
7.5.2 Probenahme  188
7.6 Durchführung der Versuche mit synthetischen Stoffgemischen
unterschiedlicher Teilchengrößen 188
7.6.1 Herstellung der Zufallsmischungen 188
7.6.2 Probenahme  189
8 Auswertung der Ergebnisse  190
8.1 Einzelauswertung 191
8.2 Gesamtauswertung 192
8.2.1 Explorative Datenanalyse  192
8.2.2 Schätzung der Mittelwerte und Varianzen.193
8.2.3 Fehlerbetrachtung der einzelnen Teilungs- und Auswahlschritte197
8.2.4 Methodenvergleich: Teilungskreuz - Würfelteilung.200
8.2.5 Untersuchung der Einflussgrößen Dichte und Teilchengröße auf die
Heterogenität 201
8.2.6 Untersuchung der Ortsabhängigkeit der Messwerte.206
8.2.7 Optimierung der Probenahmeparameter Stichprobengröße und
Stichprobenanzahl 212
8.3 Zusammenfassung der Auswertungsergebnisse 215
9 Zusammenfassung   219
Anhang  A 223
Tabellenverzeichnis A 217
Abbildungsverzeichnis A 320
Verzeichnis der Formelzeichen und Symbole A 324
Literaturverzeichnis A 339

 

Erschienene Rezensionen

Deponie Online, Klaus Stief, 26.10.2004

In Abfallbehandlungsanlagen, Deponien und Langzeitlagern werden fast ausschließlich heterogene Stoffe und Stoffgemische geringer Schüttdichte angeliefert, die aus vielerlei Gründen analysiert werden müssen. Die Abfälle sind in aller Regel durch eine große Streubreite an verschiedenen Stoffbestandteilen, Teilchengrößen, Teilchenformen, Teilchendichten usw. gekennzeichnet. Die repräsentative Probenahme solcher Abfälle zur Beurteilung der physikalischen, chemischen und technologischen Eigenschaften wurde bisher nicht befriedigend gelöst.
In seiner Dissertation hat Zwisele eine neue Probenahmemethode vorgestellt und meint, dass damit die Lücke in der Erforschung und Entwicklung einer Probenahmemethode für heterogene Abfälle geringer Schüttdichte geschlossen zu haben.
Das neuartige Probenahmeverfahren geht von der Grundidee aus, eine größere Probenmenge in einer geometrisch definierten Form so zu verdichten, dass der entstandene Formkörper einer Teilung in mehreren Stufen bis hin zur Gewinnung einer Analysenprobe unterzogen werden kann. Durch den Vorgang des Verdichtens zu einem Formkörper kann eine exakte Volumenbeprobung durchgeführt und Entmischungsvorgänge aufgrund unterschiedlicher Stoffdichten oder der Geometrie und Oberfläche der Bestandteile ausgeschlossen werden. Dafür wurde eine spezielle Probenahmeapparatur entwickelt und verifiziert.
Aufbauend auf den entwickelten methodischen und technischen Grundlagen kann nach Ansicht des Autors nun ein Standard-Probenahmeverfahren für heterogene Abfallgemische geringer Schüttdichte umgesetzt werden.

Der Text ist auch unter http://www.deponie-stief.de/fachlit/diss/ veröffentlicht.

 

Aufbereitungstechnik, 03.12.2004

Die Probenahme heterogener Stoffgemische geringer Schüttdichte aus dem Abfallbereich ist nicht befriedigend gelöst. Für die Beprobung mineralischer Schüttgüter aus dem Rohstoffbereich existieren geeignete Methoden, die aber aufgrund der andersartigen Beschaffenheit der Stoffsysteme nicht übertragbar sind. Ziel der Forschungsarbeit war es daher, die methodischen und technischen Grundlagen für eine neuartige Probenahmemethode zu entwickeln. Dabei sollten die speziellen Anforderungen, die heterogene Stoffsysteme in der Abfallwirtschaft an die repräsentative Probenahme stellen, ausreichend berücksichtigt werden. Die neuartige Probenahmemethode geht von der Grundidee aus, eine größere Probemenge in einer geometrisch definierten Form so zu verdichten, dass der entstandene Formkörper einer Teilung unterzogen werden kann. Durch den Vorgang des Verdichtens zu einem Formkörper können eine exakte Volumenbeprobung durchgeführt und Entmischungsvorgänge aufgrund unterschiedlicher Stoffdichten oder der Geometrie und Oberfläche der Bestandteile ausgeschlossen werden.
Das Probenahmeverfahren wurde durch Versuche mit synthetischen Stoffgemischen bekannter Zusammensetzung und realen Abfallgemischen verifiziert. Durch Variationen des Probematerials in seiner stofflichen Zusammensetzung und der Teilchengrößenverteilung, Berücksichtigung räumlicher Strukturen durch ein mehrstufiges und ein geschichtetes Probenahmemodell und einen Methodenvergleich mit einer herkömmlichen Probenahmemethode konnte das neu entwickelte Probenahmeverfahren umfassend beurteilt und verglichen werden.
Mit diesem Verfahren konnten genaue, sichere und reproduzierbare Ergebnisse gewonnen werden. Es hat sich gegenüber Dichteschwankungen und damit verbundenen Entmischungsprozessen als stabil erwiesen. Die Messwerte sind ortsunabhängig, sodass von einer Zufallsmischung ausgegangen werden kann. Im Vergleich mit einem herkömmlichen Probenahmeverfahren hat sich die Würfelteilungsmethode als genauer und sicherer erwiesen. Es konnte gezeigt werden, dass der Probenabstand den Äquivalentdurchmesser der Stoffteilchen unterschreitet. Daraus können Optimierungen für das Design der Probenahme abgeleitet werden.
Aufbauend auf den hier entwickelten methodischen und technischen Grundlagen kann ein Standard-Probenahmeverfahren für heterogene Abfallgemische geringer Schüttdichte entwickelt werden. Hierfür ist die Schnittstelle Methode/Technik durch entsprechende Forschungs- und Entwicklungsarbeiten anwendungsbezogen zu übersetzen.

 

Informationsdienst Humuswirtschaft & Kompost, Ausgabe 2/05

Mit der Dissertation von Bertram Zwisele, eingereicht am Fachbereich Prozesswissenschaften der Technischen Universität Berlin, wurde jetzt eine neue Probenahmemethode für heterogene Abfälle geringer Schüttdichte vorgestellt. Die Arbeit ist im Rhombos-Verlag erschienen.
Untersuchungsgegenstand der Dissertation sind Stoffsysteme, die in privaten Haushalten, Gewerbe- und Industriebetrieben als Abfälle und Abfallgemische anfallen sowie alle weiteren Folgeprodukte aus der Verwertung und Beseitigung dieser Abfälle. Nicht einbezogen wurden Abfälle und Abfallgemische mit überwiegend mineralischem Anteil. Der Untersuchungsgegenstand ist damit durch eine geringe Schüttdichte des Gemisches und durch geringe Stoffdichten der Stoffbestandteile gekennzeichnet.
Der Schwerpunkt der Arbeit liegt in der Erarbeitung der methodischen Grundlagen für ein praxistaugliches Probenahmeverfahren. Dazu wurde die für die Forschungszwecke erforderliche Probenahmeapparatur entwickelt und umgesetzt. Die Anwendbarkeit, Eignung und Zuverlässigkeit des Verfahrens wurde durch ein umfangreiches Versuchsprogramm verifiziert.

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