Die seit langem anerkannte Hierarchie der Abfallbewirtschaftung besteht in der Reihenfolge ihrer Präferenz aus Vermeidung, Minimierung, Recycling und Wiederverwendung, biologischer Behandlung, Verbrennung und Deponierung (siehe Abbildung unten).

Hierarchie der Abfallbewirtschaftung Die Abbildung zeigt die Hierarchie der Abfallbewirtschaftung in der Reihenfolge ihrer Präferenz, beginnend mit der Vermeidung als der günstigsten bis zur Entsorgung als der ungünstigsten Option. Quelle: Drstuey via Wikimedia Commons

Abfallvermeidung

Die ideale Alternative der Abfallbewirtschaftung besteht darin, die Entstehung von Abfällen von vornherein zu vermeiden. Daher ist die Abfallvermeidung ein grundlegendes Ziel aller Strategien der Abfallwirtschaft. Zahlreiche Technologien können während der Herstellung, der Nutzung oder der Nachnutzung von Produkten eingesetzt werden, um Abfälle zu vermeiden und damit die Umweltverschmutzung zu reduzieren oder zu verhindern. Einige repräsentative Strategien umfassen umweltbewusste Herstellungsmethoden, die weniger gefährliche oder schädliche Materialien verwenden, den Einsatz moderner Leckageerkennungssysteme für die Materiallagerung, innovative chemische Neutralisierungstechniken zur Verringerung der Reaktivität oder wassersparende Technologien, die den Bedarf an Frischwasser reduzieren.

Abfallminimierung

In vielen Fällen können Abfälle bei einer Vielzahl von Prozessen nicht gänzlich vermieden werden. Es gibt jedoch zahlreiche Strategien, um das Abfallaufkommen zu verringern oder zu minimieren. Abfallminimierung oder Quellenreduzierung bezieht sich auf die kollektiven Strategien der Entwicklung und Herstellung von Produkten oder Dienstleistungen, die die Menge des erzeugten Abfalls und/oder die Toxizität des entstehenden Abfalls minimieren. Oftmals ergeben sich diese Bemühungen aus festgestellten Trends oder bestimmten Produkten, die Probleme im Abfallstrom verursachen, und den daraufhin ergriffenen Maßnahmen zur Behebung dieser Probleme. In der Industrie können Abfälle durch die Wiederverwendung von Materialien, die Verwendung von weniger gefährlichen Ersatzstoffen oder die Änderung von Design- und Verarbeitungskomponenten reduziert werden. Durch Abfallminimierung oder Quellenreduzierung können viele Vorteile erzielt werden, einschließlich der geringeren Nutzung natürlicher Ressourcen und der Verringerung der Toxizität von Abfällen.

Abfallminimierungsstrategien sind in der Fertigung weit verbreitet; die Einsparungen beim Materialeinsatz schonen die Ressourcen, sparen aber auch erhebliche fertigungsbezogene Kosten. Fortschritte bei der rationellen Verpackung verringern den Materialverbrauch, eine höhere Vertriebseffizienz reduziert den Kraftstoffverbrauch und die daraus resultierenden Luftemissionen. Darüber hinaus können technische Baumaterialien oft mit bestimmten vorteilhaften Eigenschaften entwickelt werden, die, wenn sie bei der Gesamtkonstruktion berücksichtigt werden, die Gesamtmasse und das Gewicht des für ein bestimmtes Bauwerk benötigten Materials erheblich reduzieren können. Dies verringert den Bedarf an überschüssigem Material und reduziert den mit der Herstellung von Bauteilen verbundenen Abfall.

Die chemische Reinigungsindustrie ist ein hervorragendes Beispiel für die Substitution von Produkten zur Verringerung der Entstehung giftiger Abfälle. Jahrzehntelang verwendeten Chemischreinigungsbetriebe Tetrachlorethylen oder „Perc“ als Lösungsmittel für die chemische Reinigung. Obwohl es wirksam ist, ist Tetrachlorethylen eine relativ giftige Verbindung. Außerdem kann es leicht in die Umwelt gelangen, wo es aufgrund seiner physikalischen Eigenschaften sehr widerspenstig ist. Außerdem sind die beim Abbau entstehenden Zwischenprodukte für die menschliche Gesundheit und die Umwelt noch giftiger.

Aufgrund seiner Toxizität und seiner Auswirkungen auf die Umwelt hat die chemische Reinigungsindustrie neue Verfahren eingeführt und verwendet zunehmend weniger giftige Ersatzprodukte, einschließlich Verbindungen auf Erdölbasis. Darüber hinaus werden bei neu entstehenden Technologien Kohlendioxid und andere relativ harmlose Verbindungen eingesetzt. Während diese Ersatzprodukte in vielen Fällen durch staatliche Vorschriften vorgeschrieben sind, wurden sie auch als Reaktion auf die Nachfrage der Verbraucher und andere marktwirtschaftliche Kräfte eingeführt.

Recycling und Wiederverwendung

Recycling bezieht sich auf die Rückgewinnung nützlicher Materialien wie Glas, Papier, Kunststoffe, Holz und Metalle aus dem Abfallstrom, damit sie in die Herstellung neuer Produkte einfließen können. Durch den verstärkten Einsatz von Recyclingmaterialien wird der Bedarf an Rohstoffen für identische Anwendungen reduziert. Recycling reduziert den Bedarf an natürlichen Ressourcen für Rohstoffe, ermöglicht aber auch die Rückgewinnung und Nutzung von Abfallstoffen als wertvolle Ressourcen. Das Recycling von Abfällen schont direkt die natürlichen Ressourcen, verringert den Energieverbrauch und die Emissionen, die bei der Gewinnung von Rohstoffen und ihrer anschließenden Verarbeitung zu Fertigprodukten entstehen, reduziert den Gesamtenergieverbrauch und die Treibhausgasemissionen, die zum globalen Klimawandel beitragen, und verringert die Verbrennung oder Deponierung der recycelten Materialien. Darüber hinaus bringt das Recycling verschiedene wirtschaftliche Vorteile mit sich, darunter das Potenzial zur Schaffung von Arbeitsplätzen und zur Förderung des Wachstums.

Zu den gängigen Recyclingmaterialien gehören Papier, Kunststoff, Glas, Aluminium, Stahl und Holz. Außerdem können viele Baumaterialien wiederverwendet werden, darunter Beton, Asphalt, Mauerwerk und Bewehrungsstahl. „Grüne“ Pflanzenabfälle werden oft zurückgewonnen und sofort als Mulch oder Dünger wiederverwendet. Viele Industriezweige gewinnen auch verschiedene Nebenprodukte zurück und/oder raffinieren und „regenerieren“ Lösungsmittel zur Wiederverwendung. Beispiele hierfür sind die Rückgewinnung von Kupfer und Nickel aus Metallveredelungsprozessen, die Rückgewinnung von Ölen, Fetten und Weichmachern durch Lösungsmittelextraktion aus Filtermedien wie Aktivkohle und Tonen sowie die Rückgewinnung von Säuren durch Sprührösten, Ionenaustausch oder Kristallisation. Darüber hinaus wird eine Reihe von gebrauchten Ölen auf Lebensmittelbasis zurückgewonnen und in „Biodiesel“-Anwendungen verwendet.

Zahlreiche Beispiele für erfolgreiche Recycling- und Wiederverwendungsbemühungen sind täglich zu finden. In einigen Fällen werden die recycelten Materialien als Ausgangsmaterial verwendet und in hohem Maße zu Endprodukten verarbeitet. Gängige Beispiele sind die Verwendung von Altpapier für die Herstellung von neuem Papier oder die Verarbeitung von alten Aluminiumdosen zu neuen Aluminiumprodukten. In anderen Fällen werden die zurückgewonnenen Materialien vor ihrer Wiederverwendung nur wenig oder gar nicht verarbeitet.

Gängige Beispiele sind die Verwendung von Baumabfällen als Holzspäne oder die Verwendung von Ziegelsteinen und anderen Einrichtungsgegenständen für neue Bauwerke. In jedem Fall hängt der Erfolg des Recyclings von einer effektiven Sammlung und Verarbeitung von Wertstoffen, von Märkten für die Wiederverwendung (z.B. Herstellung und/oder Anwendungen, die recycelte Materialien verwenden) und von der öffentlichen Akzeptanz und Förderung von recycelten Produkten und Anwendungen, die recycelte Materialien verwenden, ab.

Biologische Behandlung

Die Deponierung von Abfällen, die erhebliche organische Anteile enthalten, wird in vielen Ländern, auch in den Vereinigten Staaten, zunehmend abgelehnt. In mehreren europäischen Ländern sind solche Entsorgungspraktiken sogar verboten. Da die Deponierung keine attraktive Bewirtschaftungsoption darstellt, wurden andere Techniken entwickelt. Eine Möglichkeit besteht darin, Abfälle so zu behandeln, dass biologisch abbaubare Stoffe abgebaut werden und die verbleibende anorganische Abfallfraktion (bekannt als Reststoffe) anschließend entsorgt oder für einen nützlichen Zweck verwendet werden kann.

Der biologische Abbau von Abfällen kann durch aerobe Kompostierung, anaerobe Vergärung oder mechanisch-biologische Behandlung (MBT) erreicht werden. Wenn die organische Fraktion von den anorganischen Stoffen getrennt werden kann, kann die aerobe Kompostierung oder die anaerobe Vergärung eingesetzt werden, um den Abfall abzubauen und in brauchbaren Kompost zu verwandeln. Beispielsweise können organische Abfälle wie Lebensmittelabfälle, Gartenabfälle und Tierdung, die aus natürlich abbauenden Bakterien bestehen, unter kontrollierten Bedingungen in Kompost umgewandelt werden, der dann als natürlicher Dünger verwendet werden kann. Bei der aeroben Kompostierung werden ausgewählte Anteile organischer Abfälle in Haufen, Reihen oder Behältern entweder unter offenen Bedingungen oder in geschlossenen Gebäuden mit Gassammel- und -aufbereitungssystemen gelagert. Während des Prozesses werden dem Abfallmaterial Füllstoffe wie Holzspäne zugesetzt, um den aeroben Abbau des organischen Materials zu fördern. Schließlich wird das Material in einem Aushärtungsprozess stabilisiert und gereift, wobei gleichzeitig Krankheitserreger abgetötet werden. Zu den Endprodukten des Kompostierungsprozesses gehören Kohlendioxid, Wasser und das verwertbare Kompostmaterial.

Kompostmaterial kann in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden. Neben der Verwendung als Bodenverbesserungsmittel für den Pflanzenanbau kann Kompost auch zur Sanierung von Böden, Grundwasser und Regenwasser eingesetzt werden. Die Kompostierung kann arbeitsintensiv sein, und die Qualität des Komposts hängt stark von der ordnungsgemäßen Steuerung des Kompostierungsprozesses ab. Eine unzureichende Kontrolle der Betriebsbedingungen kann zu Kompost führen, der für nützliche Anwendungen ungeeignet ist. Dennoch erfreut sich die Kompostierung zunehmender Beliebtheit. 2009 wurden durch die Kompostierung 82 Millionen Tonnen Abfallmaterial aus dem Deponiestrom entfernt, 1980 waren es noch 15 Millionen Tonnen. Durch diese Umleitung wurde 2009 auch die Freisetzung von etwa 178 Millionen Tonnen Kohlendioxid verhindert – eine Menge, die den jährlichen Kohlendioxidemissionen von 33 Millionen Autos entspricht.

In einigen Fällen sind aerobe Verfahren nicht durchführbar. Als Alternative können anaerobe Verfahren eingesetzt werden. Bei der anaeroben Vergärung werden gemischte oder sortierte organische Abfälle in Behältern unter anaeroben Bedingungen abgebaut. Der anaerobe Abbauprozess erzeugt eine Kombination aus Methan und Kohlendioxid (Biogas) sowie Rückstände (Klärschlamm). Das Biogas kann zum Heizen und zur Stromerzeugung verwendet werden, während die Rückstände als Düngemittel und Bodenverbesserungsmittel eingesetzt werden können. Die anaerobe Vergärung wird bevorzugt für feuchte Abfälle eingesetzt, während für trockene Abfälle die Kompostierung bevorzugt wird. Der Vorteil der anaeroben Vergärung ist die Gewinnung von Biogas; diese Gewinnung und die anschließende sinnvolle Nutzung machen sie zu einer bevorzugten Alternative zur Deponierung von Abfällen. Außerdem werden die Abfälle durch die anaerobe Vergärung schneller abgebaut als bei der Deponierung.

Eine weitere Alternative zur Abfallbehandlung, die mechanisch-biologische Behandlung (MBT), ist in den Vereinigten Staaten nicht weit verbreitet. In Europa ist diese Alternative jedoch weit verbreitet. Bei dieser Methode werden die Abfälle einer Kombination aus mechanischen und biologischen Verfahren unterzogen, die das Volumen durch den Abbau der organischen Fraktionen im Abfall verringern. Mechanische Verfahren wie Sortieren, Schreddern und Zerkleinern bereiten den Abfall für die anschließende biologische Behandlung vor, die entweder aus aerober Kompostierung oder anaerober Vergärung besteht. Nach den biologischen Prozessen kann die reduzierte Abfallmasse einer Verbrennung unterzogen werden.

Verbrennung

Der Abfallabbau erzeugt nicht nur nützliche feste Endprodukte (wie Kompost), sondern die Abbaunebenprodukte können auch als nützliche Energiequelle genutzt werden. Wie bereits erwähnt, kann bei der anaeroben Vergärung von Abfällen Biogas entstehen, das aufgefangen und zur Stromerzeugung genutzt werden kann. Alternativ kann Abfall auch direkt verbrannt werden, um Energie zu erzeugen. Bei der Verbrennung wird der Abfall bei sehr hohen Temperaturen verbrannt, um elektrische Energie zu erzeugen. Das Nebenprodukt der Verbrennung ist Asche, die vor der Entsorgung oder in einigen Fällen auch vorteilhaften Wiederverwendung ordnungsgemäß charakterisiert werden muss. In den Industrieländern ist die Verbrennung weit verbreitet, da der Platz auf den Deponien begrenzt ist. Schätzungen zufolge werden jährlich etwa 130 Millionen Tonnen Abfall in mehr als 600 Anlagen in 35 Ländern verbrannt. Darüber hinaus wird die Verbrennung häufig eingesetzt, um gefährliche Abfälle wie chlorierte Kohlenwasserstoffe, Öle, Lösungsmittel, medizinische Abfälle und Pestizide wirksam zu bekämpfen.

Trotz der Vorteile wird die Verbrennung wegen der hohen anfänglichen Baukosten und der giftigen Ascheemissionen (siehe Tabelle oben) oft negativ beurteilt. Derzeit werden viele Systeme der „nächsten Generation“ erforscht und entwickelt, und die USEPA entwickelt neue Vorschriften zur sorgfältigen Überwachung der Luftemissionen von Verbrennungsanlagen im Rahmen des Clean Air Act.

Deponieentsorgung

Trotz der Fortschritte bei der Wiederverwendung und dem Recycling bleibt die Deponieentsorgung die wichtigste Abfallentsorgungsmethode in den Vereinigten Staaten. Wie bereits erwähnt, nimmt das Aufkommen an festen Siedlungsabfällen weiter zu, aber die Gesamtkapazität der Deponien nimmt ab. Neue Vorschriften für die ordnungsgemäße Abfallentsorgung und der Einsatz innovativer Abdichtungssysteme zur Minimierung der möglichen Grundwasserkontamination durch Sickerwasserinfiltration und -migration haben zu einem erheblichen Anstieg der Kosten für die Deponieentsorgung geführt. Auch der Widerstand der Öffentlichkeit gegen Deponien wächst weiter, teilweise ausgelöst durch die Erinnerung an historische unkontrollierte Ablagerungspraktiken und die daraus resultierenden unerwünschten Nebeneffekte wie unkontrollierte Vektoren, kontaminiertes Grundwasser, unkontrollierte Geruchsbelästigung und daraus resultierende Wertminderung von Immobilien.

Abbildung 1: Moderne Deponie

Deponien können für die Aufnahme gefährlicher Abfälle gemäß RCRA Subtitle C ausgelegt und zugelassen sein, oder sie können für die Aufnahme fester Siedlungsabfälle gemäß RCRA Subtitle D ausgelegt und zugelassen sein. Unabhängig von ihrer Abfallbezeichnung sind Deponien technische Bauwerke, die aus Boden- und Seitenabdichtungssystemen, Sickerwassersammel- und -ableitungssystemen, Endabdeckungssystemen, Gassammel- und -ableitungssystemen sowie Grundwasserüberwachungssystemen bestehen. Für die Standortwahl, die Planung und den Betrieb von Deponien ist ein umfangreiches Genehmigungsverfahren erforderlich. Auch die Überwachung von Deponien nach dem Verschluss ist in der Regel für mindestens 30 Jahre erforderlich. Aufgrund ihrer Konstruktion werden die Abfälle in den Deponien anaerob abgebaut. Während des Abbaus wird Biogas erzeugt und gesammelt. Die Sammelsysteme verhindern eine unkontrollierte Gasausbreitung unter der Oberfläche und verringern die Gefahr von Explosionen. Das aufgefangene Gas wird häufig in Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen zur Heizung oder Stromerzeugung verwendet. Darüber hinaus werden viele Deponien nach ihrer Schließung einem „Landrecycling“ unterzogen und als Golfplätze, Erholungsparks oder für andere nützliche Zwecke umgestaltet.

Abfälle befinden sich in der Regel in einem trockenen Zustand in den Deponien, weshalb die Abbaugeschwindigkeit in der Regel sehr langsam ist. Diese langsamen Abbaugeschwindigkeiten sind mit langsamen abbaubedingten Setzungen verbunden, die wiederum das Potenzial für eine vorteilhafte Wiederverwendung an der Oberfläche erschweren oder verringern können. In jüngster Zeit wurde das Konzept der Bioreaktor-Deponien entwickelt, bei dem das Sickerwasser rezirkuliert und/oder ausgewählte Flüssigkeiten injiziert werden, um die Feuchtigkeit im Abfall zu erhöhen, was wiederum einen schnellen Abbau bewirkt. Die erhöhten Abbauraten steigern die Biogasproduktion, was das Potenzial für eine vorteilhafte Energieerzeugung durch Biogasgewinnung und -nutzung erhöht.