Schall, Lärmschutz und nachhaltige Abfallwirtschaft: Prozesse und Auswirkungen

Grundlagen des Schalls und der Akustik

Definition von Schall

Schall ist die Ausbreitung von Vibrationen, die eine Verschiebung von Teilchen im Medium (oder in der Umgebung) erzeugen. Diese Verschiebung manifestiert sich in Form kleiner Druckschwankungen, die sich wellenförmig durch das Medium ausbreiten. Wenn diese Wellen hörbar sind, spricht man von Schall. Schall breitet sich geradlinig aus. Die Geschwindigkeit hängt von der Beschaffenheit des Mediums und der Temperatur (T) ab.

Physikalische Eigenschaften des Schalls

• Menschliches Gehör: Das menschliche Ohr nimmt Schallwellen im Frequenzbereich zwischen 20 und 20.000 Zyklen/Sekunde (Hertz, Hz) wahr.
• Wellenverbindung: Die Verbindung zwischen der Frequenz ($v$) und der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Welle ($c$) ist gegeben durch $c = \lambda \cdot v$, wobei $\lambda$ die Wellenlänge in Metern ist (der Raum, der von der Welle in einem vollständigen Zyklus zurückgelegt wird).
• Schallleistung: Die Leistung, die von der Welle pro Zeiteinheit übertragen wird.

Messung des Geräuschpegels (Dezibel)

Der Geräuschpegel wird in logarithmischen Einheiten gemessen. Die Basiseinheit ist das Bel (B): $L (\text{Bel}) = \log_{10} (I/I_0)$, wobei $I$ die Intensität und $I_0$ die Bezugsintensität ist. Da Bel eine sehr große Einheit ist, wird Dezibel (dB) verwendet: $L (\text{dB}) = 10 \cdot \log_{10} (I/I_0)$.

Wichtige Messgrößen

1. Schallleistungspegel ($L_W$): Beschreibt das Verhältnis der Schallleistung: $L_W = 10 \cdot \log_{10} (W/W_0)$. $W_0$ entspricht der schwächsten Schallleistung, die das menschliche Ohr wahrnehmen kann (oft bei 1000 Hz).
2. Schalldruckpegel ($L_P$): Bezieht sich auf das Quadrat der Druckänderungen: $L_P = 20 \cdot \log_{10} (P/P_0)$. $P_0$ ist der Bezugsschalldruck.

Beide Größen werden in Dezibel gemessen und haben numerisch oft ähnliche Werte, dienen aber unterschiedlichen praktischen Zwecken.

Hörschwelle und Schmerzgrenze beim Menschen

Die Empfindlichkeit des menschlichen Gehörs hängt von Lautstärke und Frequenz ab. Die maximale Empfindlichkeit liegt zwischen 2 und 4 kHz. Die Hörschwelle liegt hier bei etwa 0 dB. Die Schmerzgrenze liegt am entgegengesetzten Ende bei über 120 dB.

Klassifizierung von Schall und Lärm

• Reiner Ton: Entsteht durch eine einzige Frequenz. Er hat eine einzelne Linie im Frequenzspektrum.
• Periodischer Ton: Eine Kombination reiner Töne, deren Schallwelle periodisch ist (z. B. Musikinstrumente). Die höheren Frequenzen sind ganzzahlige Vielfache der niedrigeren Frequenz.
• Lärm (Geräusch): Eine unsaubere Kombination reiner Klänge. Die Schallwelle ist nicht periodisch und enthält zahlreiche Schwankungen in einem breiten Frequenzspektrum.

Arten von Lärm

1. Kontinuierlicher Lärm: Variiert weder in der Frequenz noch im Schalldruckpegel oder im Spektrum über die Zeit.
2. Fluktuierender Lärm: Variiert im Schalldruckpegel und Frequenzspektrum, jedoch innerhalb enger Grenzen.
3. Impulslärm (Aufprall): Ein kurzzeitiger Prozess, verursacht durch die Kollision zweier fester Oberflächen, oft mit hohem Pegel.
4. Druck-Impulslärm: Ein kurzzeitiger Prozess mit hohem Druck, verursacht durch plötzliche Druckänderungen.
5. Hintergrundrauschen (Weißes Rauschen): Wird mit allen Frequenzen im Spektrum mit der gleichen durchschnittlichen Intensität erzeugt.

Schallmesssysteme

• Schallpegelmesser (SLM): Das Signal wird über ein Mikrofon aufgenommen, verstärkt und durch einen Filter korrigiert, um den Schalldruckpegel für jede Frequenz entsprechend der Empfindlichkeit des menschlichen Ohrs auszugleichen. Es gibt vier Kompensationsskalen (A, B, C, D), wobei die A-Skala am häufigsten verwendet wird. Der Schallpegelmesser misst den Schall in Dezibel.
• Dosimeter: Misst den Schalldruckpegel in Bezug auf die Expositionszeit. Dient zur Ermittlung der Lärmdosis.
• Spektralanalysator: Misst Schallpegel unabhängig voneinander in bestimmten Frequenzbändern.

Ursachen und Quellen von Lärm

1. Industrielle Tätigkeiten:
   • a) Strömungsgeräusche: Geräusche, die durch zirkulierende Flüssigkeiten in geschlossenen Leitungen (Rohren), durch Druckänderungen (z. B. Brenner) oder durch Flüssigkeiten auf bewegten Oberflächen (Pumpen, Gebläse, Kompressoren) entstehen.
   • b) Maschinenreibung: Lärm, der entsteht, wenn Oberflächen in Kontakt kommen (Sägen, Zahnräder).
   • c) Aufprall fester Körper: Lärm, der durch den Kontakt auf einer festen Oberfläche entsteht (Bohrer, Hämmer).
2. Städtische Aktivitäten:
   • a) Öffentliche Bau- oder Konstruktionsgeräusche: Vorübergehend, aber laut (Bulldozer, Hämmer, Fahrzeuge).
   • b) Gemeinschaftsdienste: Heizungs- und Klimaanlagen (ständige Geräusche).
   • c) Tonsignale: Sporadisch, aber manchmal häufig (Sirenen, Hupen).
   • d) Freizeit und Erholung: Verschiedene Ursprünge (Discos, Feuerwerk); oft die ärgerlichsten für die Gemeinschaft.
   • e) Transportmittel: Flugzeuge (in der Nähe von Flughäfen), Züge, Autos. Faktoren, die den Lärm von Autos beeinflussen, sind: Fahrzeugtyp, Alter und Wartungszustand (Motor, Getriebe, Bremssystem), Luftreibung bei hohen Geschwindigkeiten und die Art der Straße.

Auswirkungen von Lärm

1. Physiologische Wirkungen:

   Sie beziehen sich auf die Wirkung von Lärm auf das Gehör. Sie sind leicht messbar (im Gegensatz zu psychologischen Effekten, die statistisch untersucht werden). Töne unter 60 dB erzeugen keine Auswirkungen auf das Gehör, unabhängig von der Dauer der Exposition. Ab 80 dB kann es, abhängig von der Expositionszeit, zu irreversiblem Hörverlust kommen, da sich die Haarsinneszellen nicht regenerieren. Dieser Verlust ist jedoch nicht fortschreitend, wenn die Exposition beendet wird.

2. Psychologische Effekte:

   Die Wirkung von Lärm auf den Menschen ist indirekt und schwer quantifizierbar. Sie manifestiert sich in Form von Beschwerden und unangenehmen Gefühlen. Störungen betreffen die mündliche Kommunikation, Ruhe, Schlaf und Arbeitsleistung.

Auswirkungen von Lärm auf Materialien

Wenn eine Schallwelle auf ein Material trifft, wird ein Teil der Wellenenergie absorbiert, was zu molekularen Veränderungen führen kann. Die wichtigsten Phänomene sind Resonanz und Materialermüdung.

• Resonanz: Wenn die Vibrationen, die auf das Material einwirken, mit dessen Eigenfrequenz übereinstimmen, erhöht sich die Schwingung, bis die Elastizitätsgrenze überschritten wird, was zum Bruch führen kann (z. B. ein Rohrbruch durch abnormale Vibrationen).
• Ermüdung: Wenn die absorbierte Energie zyklisch und repetitiv ist (besonders bei Metallen), verliert das Material seine elastischen Eigenschaften und bricht (z. B. Risse im Motor nach langer Betriebszeit).

Maßnahmen zum Schallschutz

Schallschutz zielt darauf ab, den Lärmpegel zu reduzieren, um nachteilige Auswirkungen zu minimieren. Es existieren entsprechende Vorschriften. Bei Neuanlagen ist eine ordnungsgemäße Planung kostengünstiger. Bei Bestandsanlagen müssen Schallpegelmessungen durchgeführt werden, um Korrekturmaßnahmen umzusetzen.

Maßnahmen an der Schallquelle

• Reduzierung der lärmemittierenden Oberflächen (Puffer).
• Isolierung der schwingenden Teile mit geeigneten Materialien (Kork, Schaumstoff).
• Ersetzen oder Modifizieren der Schallquelle.
• Sicherstellen, dass die Maschine in gutem Betriebszustand ist, um den Lärm so weit wie möglich zu reduzieren.

Nachhaltige Abfallwirtschaft und Verwertung

Betrieb und Kontrolle von Deponien

Für den korrekten Betrieb einer Deponie ist die Kontrolle folgender Faktoren notwendig:

1. Sickerwasserproduktion: Wasser dringt in die Deponie ein und erzeugt hochgradig umweltschädliche Flüssigkeiten, das sogenannte Sickerwasser. Die Flüssigkeit muss gesammelt und gereinigt werden, bevor sie abgeleitet wird.
2. Gasbildung: Bei der anaeroben Fermentation entsteht Methan. Dieses Gas staut sich in den Schichten. Bei Kontakt mit Luft und Konzentrationen über 10 % kann es zu einer Explosion kommen, obwohl dieses Phänomen sehr selten ist.
3. Gerüche und Tiere: Gerüche ziehen Nagetiere, Insekten und Vögel an. Dies wird durch die Abdeckung aller Rückstände vermieden.
4. Umweltauswirkungen: Lärm, verursacht durch die Maschinen, kann durch vegetative Barrieren (Bäume) und die Standortwahl fernab von Wohngebieten vermieden werden.

Thermische und biologische Abfallverwertung

Vergasung

Die Vergasung ist ein Prozess zur Energiegewinnung aus festen Abfällen. Sie ist gekennzeichnet durch die Durchführung einer Verbrennung in Abwesenheit von Sauerstoff ($O_2$). Es entstehen Kohlenmonoxid (CO), Kohlendioxid ($CO_2$) und Wasserstoff ($H_2$). Der Prozess wird bei Temperaturen ($T$) von 700 °C bis 1000 °C durchgeführt, wobei der $O_2$-Anteil auf 10–15 % des für eine vollständige Verbrennung benötigten reduziert wird.

Arten der Vergasung

• 1. Verwendung von Luft: Erzeugt ein Produzentengas oder Generatorgas, das zur Dampf- und Stromerzeugung genutzt wird.
• 2. Verwendung von reinem $O_2$ und Wasserdampf: Erzeugt ein Synthesegas, das zur Gewinnung von Benzin und Methanol verwendet wird.

Pyrolyse

Die Pyrolyse ist ein Verbrennungsprozess von biologischem Material, der in Abwesenheit von $O_2$ bei Temperaturen zwischen 275 °C und 450 °C durchgeführt wird. Die Endprodukte (Wasserstoff, Kohlenstoffoxide, Kohlenwasserstoffe, flüssige Kohlenwasserstoffe und fester kohlenstoffhaltiger Abfall) hängen von der Abfallart, der Ofentemperatur und der Verweildauer ab.

Variante der Pyrolyse

Die Verflüssigung ist eine Variante, bei der ein reduzierendes Gas ($CO_2$, $H_2$ oder Synthesegas) hinzugefügt wird. Dieser Prozess verbessert die Ausbeute an flüssigen Brennstoffen.

Anaerobe Vergärung (Biogasgewinnung)

Die anaerobe Vergärung ist ein biologischer Prozess zur Verwertung fester Abfälle, insbesondere wenn diese große Mengen an Feuchtigkeit enthalten (z. B. Klärschlamm oder Viehabfälle). Die Vergärung ist eine mikrobielle Fermentation ohne $O_2$, die zur Entstehung von Biogas (ein Gasgemisch aus Methan und $CO_2$) und einem schweren, mineralreichen Schlamm führt.

Prozessfaktoren und Nutzung

Der Prozess wird durch Faktoren wie Temperatur, Säuregehalt, Feststoffgehalt (weniger als 10 %), Nährstoffe (C, P, N, Mineralien) sowie toxische Substanzen beeinflusst. Er findet in dichten Behältern (Fermentern) statt. Das gewonnene Erdgas besteht zu etwa 70 % aus Methan und kann als Wärmequelle (Kochen, Heizen, Warmwasser, Beleuchtung) oder als Motorkraftstoff genutzt werden.

Verwertung fester Abfälle: Recycling

Recycling ist die selektive Verwertung von Abfällen zur Wiederverwendung. Es ist eine Methode, die täglich angewendet wird, um eine bessere Ressourcenbewirtschaftung, Energieeinsparungen und den Schutz der Umwelt durch Reduzierung des Abfallvolumens zu erreichen.

Die Abfälle, die auf diese Weise genutzt werden können, sind: Pappe und Zellstoff, Kunststoffe, Glas und Metalle.

Phasen des Recyclings

1. Trennung: Dies ist die wichtigste und teuerste Phase. Materialien können durch physikalische Methoden (nach Farbe, Helligkeit, Größe, Dichte, Härte) oder manuell getrennt werden. Bei der manuellen Trennung sortieren die Bürger die Abfälle zu Hause in spezielle Behälter.
2. Verwertung (Aufbereitung): Die Aufbereitung ist materialspezifisch:
   • Papier/Zellstoff: Wird mit Wasser zu einer Paste verarbeitet, um neues Papier herzustellen. Dies spart Holz und reduziert die Entwaldung.
   • Kunststoffe: Erfordern eine zweite Trennung, da es verschiedene, unverträgliche Kunststoffarten gibt. Der Kunststoff wird gewaschen, granuliert und zu neuen Kunststoffprodukten verarbeitet.
   • Glas: Wird nach Farbe getrennt, gereinigt und zerkleinert. Das gewonnene Calcinat (Scherbenmaterial) wird zusammen mit Rohstoffen (Sand, Kalkstein) in die Glasherstellung eingebracht. Das Calcinat senkt den Schmelzpunkt, was Energie und Rohstoffe spart.
   • Metalle: Werden nach Typ getrennt. Weißblech wird entzinnt und dann zu Stahl verarbeitet. Aluminium wird direkt in die Produktion zurückgeführt, was Rohstoffe und Energie spart.

Herstellung von Kompost (Aerobe Fermentation)

Kompost ist Material, das durch die aerobe Fermentation von biologischen Abfällen mittels Bakterien entsteht. Während des Prozesses werden durch Hitze (Temperaturen um 60 °C) alle Arten von Krankheitserregern und Parasiten zerstört. Kompost ist ein Bodenregenerator oder Bodenverbesserer, da er die physikalischen (Porosität, Wasserspeicherkapazität), chemischen und biologischen (mikrobielle Flora) Eigenschaften des Bodens verbessert.

Kompostierungsmethoden

Der einfachste Weg, Kompost zu erhalten, ist die Natürliche Gärung (Haufenkompostierung). Die Abfälle werden zerkleinert, befeuchtet und in Haufen von 2 m Höhe geschichtet. Im ersten Monat wird alle 10 Tage umgesetzt, in den folgenden zwei Monaten monatlich. Nach 3 Monaten ist die Gärung abgeschlossen.

Die Produktionszeit kann durch eine Schnelle Gärung (Intensivkompostierung) reduziert werden. Hierbei wird der Abfall in geschlossene Behälter gegeben, befeuchtet, belüftet und kontinuierlich gerührt. Dieser Prozess dauert nur 15 Tage und bietet eine bessere Kontrolle gegen Schädlinge. Die Produktqualität hängt vom Kohlenstoff-Stickstoff-Verhältnis (C/N), der Feuchtigkeit, der Temperatur, dem Säuregehalt und der Belüftung ab.