Ultrafeine Partikel 01.02.2020, 00:00 Uhr

Ultrafeine Partikel im Abgas von Humankremationsanlagen

Zusammenfassung Der Anteil an Kremationen (Feuerbestattungen) nimmt in Deutschland seit Jahren zu und umfasst bereits mehr als 65 % aller Bestattungen. Grenzwerte für die Emissionen von Feinstaub oder die Anzahl ultrafeiner Partikel (UFP) existieren nicht und bisher sind auch keine systematischen Untersuchungen bekannt, welche Partikelemissionen in Krematorien auftreten. Daher kann zum aktuellen Zeitpunkt nicht beurteilt werden, ob es sich bei Krematorien um nennenswerte Feinstaubquellen handelt. Um diese Lücke zu schließen, wurden die reingasseitigen UFP-Konzentrationen in zehn Krematorien unterschiedlichen Bau- bzw. Modernisierungsjahres und mit verschiedenen Abgasreinigungstechnologien gemessen. Über die Kremationsdauer gemittelte UFP-Konzentrationen zwischen 1,19 · 10³ und 4,26 · 107 cm–3 wurden erfasst. Die höchsten Konzentrationen zeigten sich bei Anlagen mit Flugstromverfahren, deren Filtereinheiten unmittelbar vor der nächsten Revision standen. Bei Anlagen gleichen Typs mit gewarteten Filtereinheiten lag die mittlere UFP-Konzentration zwei Größenordnungen darunter.

Brennofen

Brennofen

Foto: panthermedia.net/by Kenny

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,

Bild 1. Verfahrensschema eines Krematoriums mit Festbettfilter. Bild: Technische Universität Dresden

Bild 1. Verfahrensschema eines Krematoriums mit Festbettfilter. Bild: Technische Universität Dresden

katalytische Filtration (Bild 2),

Bild 2. Verfahrensschema eines Krematoriums mit katalytischen Filterschläuchen. Bild: Technische Universität Dresden

Bild 2. Verfahrensschema eines Krematoriums mit katalytischen Filterschläuchen. Bild: Technische Universität Dresden

Sorption im Flugstromverfahren (Bild 3).

Bild 3. Verfahrensschema eines Krematoriums mit Flugstromverfahren. Bild: Technische Universität Dresden

Bild 3. Verfahrensschema eines Krematoriums mit Flugstromverfahren. Bild: Technische Universität Dresden

Beim Festbettverfahren wird eine Schüttung von Sorptionsmittelkörnern vom Abgas durchströmt, wobei die Sorption stattfindet. Diese Verfahrensvariante kann auch auftretende Konzentrationsspitzen sicher abscheiden. Die beladene Füllung wird in regelmäßigen Abständen entsorgt und durch Frischmaterial ersetzt. Der Chemisorptionsfilter stellt eine besondere Art dieses Abgasreinigungsverfahrens dar. Die Reinigung erfolgt dabei in einem Schritt, wodurch auf eine Staubabscheidung im Vorfeld des Festbettadsorbers verzichtet wird. Diese Zusammenführung bedingt einen fast täglichen teilweisen Austausch des Bettmaterials. Der Adsorber würde sich anderenfalls mit Flugasche anreichern und an seine Kapazitätsgrenzen stoßen.

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.

Bild 4. Schematische Darstellung des Messgeräteaufbaus. Bild: Technische Universität Dresden

Bild 4. Schematische Darstellung des Messgeräteaufbaus. Bild: Technische Universität Dresden

Der Messbereich des CPC liegt bei 0 bis 150.000 cm–3 im Einzelzählmodus und bis zu 3 Mio. cm–3 im fotometrischen Modus. Das Messsystem wurde bereits von Schneider et al. [3] zur Messung von UFP-Konzentrationen hinter Verbrennungsanlagen genutzt.

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).

Bild 5. Beispielhafte UFP-Konzentration über der Prozesszeit für die drei Verfahrensvarianten. Bild: Technische Universität Dresden

Bild 5. Beispielhafte UFP-Konzentration über der Prozesszeit für die drei Verfahrensvarianten. Bild: Technische Universität Dresden

Im Anschluss sinken die UFP-Konzentrationen um bis zu fünf Größenordnungen. Zunächst wurde ein Zusammenhang mit der Prozessführung vermutet. Zu Beginn einer Kremation, also beim Öffnen der Ofentür, wird der Saugzug auf volle Leistung geregelt, um den Unterdruck im Ofen aufrecht zu erhalten. Daraus resultiert eine deutliche höhere Strömungsgeschwindigkeit des Abgases, das Partikel aus allen Teilen der Abgasreinigung mitreißen kann. Wie die punktierte Linie im unteren Diagramm von Bild 5 zeigt, konnte sich dieser Zusammenhang nicht bestätigen. Zu diesem Zeitpunkt wurde das Prozedere während einer Sargeinfahrt simuliert, ohne dass ein Sarg in den Ofen eingefahren wurde. Ein Konzentrationspeak trat nicht auf.

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.

Tabelle 1. Ergebnis der Untersuchung zum Einfluss des Sarges auf die entstehenden UFP-Konzentrationen im Reingas in einem Krematorium mit Flugstromverfahren.

Tabelle 1. Ergebnis der Untersuchung zum Einfluss des Sarges auf die entstehenden UFP-Konzentrationen im Reingas in einem Krematorium mit Flugstromverfahren.

Eine Systematik lässt sich anhand der dokumentierten Parameter nicht ableiten. Die mittleren UFP-Konzentrationen bei Verwendung eines lackierten Sarges schwanken im gleichen Bereich wie bei Verwendung eines unlackierten Sarges. Auch lässt sich kein Zusammenhang zwischen der Art des Sarges und der Dauer von der Sargeinfahrt bis zum Auftreten des ersten Konzentrationspeaks erkennen. Sowohl zu den Leichnamen selbst als auch zum Füllmaterial der Särge stand keine Information zur Verfügung. Hier können sich Unterschiede zeigen, die die Peakausprägung deutlich mehr beeinflussen als das Sargmaterial und das Gesamtgewicht.

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.

Bild 6. Beispielhafte Partikelgrößenverteilungen für die drei Verfahrens­varianten.   Bild: Technische Universität Dresden

Bild 6. Beispielhafte Partikelgrößenverteilungen für die drei Verfahrens­varianten.   Bild: Technische Universität Dresden

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.

Tabelle 2. Gegenüberstellung der Messergebnisse aller Krematorien.

Tabelle 2. Gegenüberstellung der Messergebnisse aller Krematorien.

Die Daten sind nur für vollständig erfasste Kremationen aufgelistet. Die Anzahl der zur Verfügung stehenden Datensätze ist je nach Abgasreinigungsverfahren sehr unterschiedlich. Anlagen mit Flugstromverfahren werden in Deutschland sehr häufig installiert, während der Chemisorptionsfilter eine absolute Ausnahme bleibt und auch europaweit nur in wenigen Anlagen zu finden ist. In dieser unterschiedlichen Datenanzahl liegt es auch begründet, dass die grafische Darstellung der mittleren Konzentrationen in Bild 7 für den Chemisorptionsfilter und Festbettadsorber keine Box zeigt.

Bild 7. Gegenüberstellung der mittleren UFP-Konzentrationen aller Krematorien.   Bild: Technische Universität Dresden

Bild 7. Gegenüberstellung der mittleren UFP-Konzentrationen aller Krematorien.   Bild: Technische Universität Dresden

Weitere Messungen an den entsprechenden Anlagentypen sind anzustreben. Tabelle 2 und Bild 7 zeigen auch die Bandbreite der mittleren UFP-Konzentrationen. Bei den Flugstromverfahren liegen zwischen den 10-%- und 90-%-Quantilen über zwei Größenordnungen. Der Zustand der Filteranlage hat einen großen Einfluss auf die gemessenen UFP-Konzentrationen. Zwischen dem Medianwert der Anlagen mit gewarteten Filtereinheiten und den Anlagen, bei denen diese Wartung unmittelbar bevorstand, liegen über zwei Größenordnungen.

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.

Bild 8. Gegenüberstellung der maximalen UFP-Konzentrationen aller Krematorien.   Bild: Technische Universität Dresden

Bild 8. Gegenüberstellung der maximalen UFP-Konzentrationen aller Krematorien.   Bild: Technische Universität Dresden

Die Kremationsdauer bzw. Intensität der Verbrennung können einen deutlichen Einfluss auf die entstehenden Emissionen haben. Wird die Kremation schnell durchgeführt, indem der Ofen nach Einfahrt auf maximaler Leistung gefahren wird, kommt es beim Sargaufbruch zum Beispiel zur Sauerstoffunterversorgung, wodurch Kohlenmonoxidemissionen entstehen (Bildung von „heißem“ CO) [4]. Bild 9 zeigt die mittleren UFP-Konzentrationen im Reingas über der Kremationsdauer.

Bild 9. Mittlere UFP-Konzentrationen in Abhängigkeit der Kremationsdauer.   Bild: Technische Universität Dresden

Bild 9. Mittlere UFP-Konzentrationen in Abhängigkeit der Kremationsdauer.   Bild: Technische Universität Dresden

Im Fall von UFP zeigt sich kein erkennbarer Zusammenhang. Sollte es infolge der unterschiedlichen Kremationsdauer und damit Prozessintensivität rohgasseitig zu erhöhten UFP-Konzentrationen gekommen sein, werden diese von den Filteranlagen aller Krematorien ausreichend abgefangen.

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.

Von M. Köhler, A. Ohle, M. Beckmann, S. Steinau, F. Tettich, S. Graf

Dipl.-Ing. Martin Köhler, Dr.-Ing. Andrea Ohle, Prof. Dr.-Ing. Michael Beckmann - TU Dresden, Institut für Verfahrenstechnik und Umwelttechnik, Professur für Energieverfahrenstechnik, Dresden.

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