TY - JOUR A1 - Vogel, Christian A1 - Sekine, R. A1 - Steckenmesser, D. A1 - Lombi, E. A1 - Herzel, Hannes A1 - Zuin, L. A1 - Wang, D. A1 - Felix, R. A1 - Adam, Christian T1 - Combining diffusive gradients in thin films (DGT) and spectroscopic techniques for the determination of phosphorus species in soils N2 - A wide range of methods are used to estimate the plant-availability of soil phosphorus (P). Published research has shown that the diffusive gradients in thin films (DGT) technique has a superior correlation to plant-available P in soils compared to standard chemical extraction tests. In order to identify the plantavailable soil P species, we combined DGT with infrared and P K- and L2,3-edge X-ray adsorption near edge structure (XANES) spectroscopy. This was achieved by spectroscopically investigating the dried binding layer of DGT devices after soil deployment. All three spectroscopic methods were able to distinguish between different kinds of phosphates (poly-, trimeta-, pyro- and orthophosphate) on the DGT binding layer. However, infrared spectroscopy was most sensitive to distinguish between different types of adsorbed inorganic and organic phosphates. Furthermore, intermediates of the time-resolved hydrolysis of trimetaphosphate in soil could be analyzed. KW - Phosphorus plant-availability KW - X-ray adsorption near-edge structure (XANES) spectroscopy KW - Infrared spectroscopy KW - Diffusive gradients in thin films (DGT) PY - 2019 U6 - https://doi.org/10.1016/j.aca.2019.01.037 SN - 0003-2670 VL - 1057 SP - 80 EP - 87 PB - Elsevier AN - OPUS4-47471 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Vogel, Christian A1 - Roesch, Philipp A1 - Wittwer, Philipp A1 - Piechotta, Christian A1 - Lisec, Jan A1 - Sommerfeld, Thomas A1 - Kluge, Stephanie A1 - Herzel, Hannes A1 - Huthwelker, T. A1 - Borca, C. A1 - Simon, Franz-Georg T1 - Levels of per- and polyfluoroalkyl substances (PFAS) in various wastewater-derived fertilizers – analytical investigations from different perspectives N2 - Solid wastewater-based fertilizers were screened for per- and polyfluoroalkyl substances (PFAS) by the extractable organic fluorine (EOF) sum parameter method. The EOF values for ten sewage sludges from Germany and Switzerland range from 154 to 7209 mg kg−1. For thermal treated sewage sludge and struvite the EOF were lower with values up to 121 mg kg−1. Moreover, the application of PFAS targeted and suspect screening analysis of selected sewage sludge samples showed that only a small part of the EOF sum parameter values can be explained by the usually screened legacy PFAS. The hitherto unknown part of EOF sum parameter contains also fluorinated pesticides, pharmaceutical and aromatic compounds. Because these partly fluorinated compounds can degrade to (ultra-)short PFAS in wastewater treatment plants they should be considered as significant sources of organic fluorine in the environment. The combined results of sum parameter analysis and suspect screening reveal the need to update current regulations, such as the German fertilizer ordinance, to focus not solely on a few selected PFAS such as perfluorooctane sulfonic acid (PFOS) and perfluorooctanoic acid (PFOA) but consider an additional sum parameter approach as a more holistic alternative. Moreover, diffusion gradient in thin-films (DGT) passive samplers were utilized as an alternative simplified extraction method for PFAS in solid wastewater-based fertilizers and subsequently quantified via combustion ion chromatography. However, the DGT method was less sensitive and only comparable to the EOF values of the fertilizers in samples with >150 mg kg−1, because of different diffusion properties for various PFAS, but also kinetic exchange limitations. KW - Combustion Ion Chromatography KW - Per- and Polyfluoroalkyl substances (PFAS) KW - Sewage sludge KW - Fertilizer PY - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:b43-583429 VL - 2 IS - 10 SP - 1436 EP - 1445 PB - Royal Society of Chemistry (RSC) AN - OPUS4-58342 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Vogel, Christian A1 - Helfenstein, J. A1 - Massey, M. A1 - Sekine, R. A1 - Kretzschmar, R. A1 - Beiping, L. A1 - Peter, T. A1 - Chadwick, O. A1 - Tamburini, F. A1 - Rivard, C. A1 - Herzel, Hannes A1 - Adam, Christian A1 - Pradas del Real, A. A1 - Castillo-Michel, H. A1 - Zuin, L. A1 - Wang, D. A1 - Félix, R. A1 - Lassalle-Kaiser, B. A1 - Frossard, E. T1 - Microspectroscopy reveals dust-derived apatite grains in acidic, highly-weathered Hawaiian soils N2 - Dust deposition is an important source of phosphorus (P) to many ecosystems. However, there is little evidence of dust-derived P-containing minerals in soils. Here we studied P forms along a well-described climatic Gradient on Hawaii, which is also a dust deposition gradient. Soil mineralogy and soil P forms from six sites along the climatic gradient were analyzed with bulk (X-ray diffraction and P K-edge X-ray absorption near edge structure) and microscale (X-ray fluorescence, P K-edge X-ray absorption near edge structure, and Raman) analysis methods. In the wettest soils, apatite grains ranging from 5 to 30 μm in size were co-located at the micro-scale with quartz, a known continental dust indicator suggesting recent atmospheric deposition. In addition to co-location with quartz, further evidence of dust-derived P included backward trajectory modeling indicating that dust particles could be brought to Hawaii from the major global dust-loading areas in central Asia and northern Africa. Although it is not certain whether the individual observed apatite grains were derived from long-distance transport of dust, or from local dust sources such as volcanic ash or windblown fertilizer, these observations offer direct evidence that P-containing minerals have reached surface layers of highly-weathered grassland soils through atmospheric deposition. KW - Phosphorus KW - soil KW - microspectroscopy KW - Raman spectroscopy KW - XANES spectroscopy KW - x-ray diffraction PY - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:b43-511522 SN - 0166-0918 SN - 1872-6259 VL - 381 SP - 114681-1 EP - 114681-11 PB - Elsevier CY - Amsterdam AN - OPUS4-51152 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Steckenmesser, D. A1 - Vogel, Christian A1 - Herzel, Hannes A1 - Félix, R. A1 - Adam, Christian A1 - Steffens, D. T1 - Thermal treatment of sewage sludge for phosphorus fertilizer production: a model experiment N2 - Phosphorus (P) resource availability and quality is declining and recycling P-fertilizers from waste materials are becoming increasingly important. One important secondary P resource is sewage sludge (SSL) where P is often bound as aluminum phosphate (Al-P), iron phosphate (Fe-P) and polyphosphate (poly-P), respectively. Thermal treatment in different ways is a promising way in P recycling to produce highly plant-available P-fertilizers. To investigate mechanisms behind transformation of hardly available P-species toward plant-available P forms we treated a model SSL containing different kinds of defined P sources by low-temperature conversion (LTC) at 500 °C and subsequent thermochemical treatment of the LTC product with Na additives (TCT) at 950 °C, respectively. Pot experiments with ryegrass were carried out to determine the plant availability of P of the different treatments. The poly-P (here pyrophosphates) based fertilizers had a very high plant availability after both thermal treatments. During LTC treatment the plant availability of the Fe-P and Al-P variants increased because of the Formation of Fe(II) phosphates and/or pyro-/polyphosphates. Especially the formation of Al-polyphosphate shows a high plant availability. The subsequent TCT further increased strongly the plant availability of the Fe-P variants because of the formation of highly plant-available CaNaPO4. Thus, a direct TCT without prior LTC probably also produce CaNaPO4 and is recommended for Fe-P based SSL. However, a molar Ca/P ratio of � 1 in the fertilizer is favorable for CaNaPO4 formation. Thus, the knowledge on the source of primary P in SSL is essential for choosing the accurate thermal treatment method to produce highly plant-available P-fertilizers from SSL. KW - Phosphorus KW - Sewage sludge KW - X-ray diffraction KW - X-ray absorption near-edge structure (XANES) spectroscopy KW - Fertilizer PY - 2021 U6 - https://doi.org/10.1080/01904167.2021.1994595 SN - 0190-4167 VL - 45 IS - 8 SP - 1123 EP - 1133 PB - Taylor & Francis Online AN - OPUS4-53755 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Stahl, E. A1 - Meiller, M. A1 - Danz, P. A1 - Dombinov, V. A1 - Herzel, Hannes T1 - Recycling of nutrients from residues of thermo-chemical processing of sugarcane bagasse and straw - handling of produced fertilizers based on biomass ash N2 - Jährlich entstehen in Brasilien ca. 2 bis 10 Millionen Tonnen Aschen aus der Verbrennung von Zuckerrohrbagasse. Die Aschen enthalten schwankende Zusammensetzungen an mineralischen Nährelementen und könnten daher zu Düngezwecken verwendet werden. Allerdings ist (i) die Nährstoffverfügbarkeit gering, (ii), die entsprechende Nährstoffzusammensetzung nicht optimal für die Nutzung der Aschen als Düngemittel für die Hauptanbaukulturen in Brasilien und (iii) weisen die Aschen aufgrund häufig schlechter Verbrennungsqualitäten hohe organische Kohlenstoffgehalte auf. Im Rahmen des Forschungsprojekts ASHES („Rückführung von Nährstoffen aus Aschen von thermochemischen Prozessen mit Bagasse bzw. Zuckerrohrstroh“), arbeiten 7 deutsche und 4 brasilianische Partner an der Optimierung der thermochemischen Verwertung von Rückständen aus der Zuckerproduktion in Brasilien, inklusive der Formulierung von optimierten Düngemischungen auf Basis der generierten Aschen. In dieser Veröffentlichung wird die Verarbeitung dieser optimierten Mischungen zu Pellets und Granulaten unter Verwendung verfügbarer regionaler Reststoffe wie Filterkuchen (Vinasse-Presskuchen) sowie Hühnertrockenkot beschrieben. Zur Untersuchung der Handlingeigenschaften wurden die produzierten Pellets und Granulate hinsichtlich ihrer mechanischen Stabilität und des Wasseraufnahmevermögens untersucht. Dafür wurden geeignete Prüfverfahren angepasst und entsprechende Versuche durchgeführt. KW - Bagasse KW - Nährstoffe KW - Mechanische Stabilität KW - Granulat PY - 2018 SN - 1435-3199 IS - 10 SP - 56 EP - 59 PB - VGB PowerTech e.V. CY - Essen AN - OPUS4-47555 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Maresca, A. A1 - Krüger, O. A1 - Herzel, Hannes A1 - Adam, Christian A1 - Kalbe, Ute A1 - Astrup, T. F. T1 - Influence of wood ash pre-treatment on leaching behaviour, liming and fertilising potential N2 - In Denmark, increasing amounts of woody biomass are being used for the production of renewable energy, resulting in more wood ashes being generated. While these materials have been mainly landfilled, wood ashes may also be utilised for fertilizing and liming purposes on top of soils. Pre-treatments involving hardening or granulation may be carried out prior to soil application. In this study, two Danish wood ash samples were hardened and/or granulated. Lab-hardening induced rapid changes in the shape of the acid neutralisation capacity curve of the ashes. Up-flow column tests, assuming local equilibrium conditions, were employed to investigate the leaching from pre-treated ashes. Granules and loose ashes demonstrated similar leaching behaviours, indicating that similar geochemical processes were governing their leaching. In comparison with untreated fresh ashes, the hardened ashes demonstrated reduced leaching of Ca, Ba, Pb and Zn with concentration levels generally below or close to the analytical limits of quantification; to the contrary, the leaching of As, P, Sb, Si, V and Mg was enhanced in the hardened ashes. The release of alkalinity was reduced by hardening. In general, all granules were barely breakable by finger-pinching and they could withstand one month of continuous leaching, preserving their overall shape. The solubility of phosphorous in neutral ammonium citrate indicated that about 30–51% of the total P content in the ash samples was released, suggesting that the ashes could be potentially valuable as P-fertiliser if applied onto soil. KW - Wood ash KW - Phoshpor availability KW - Leaching KW - Forest soils PY - 2019 U6 - https://doi.org/10.1016/j.wasman.2018.11.003 SN - 0956-053X VL - 83 SP - 113 EP - 122 PB - Elsevier AN - OPUS4-46583 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Huber, F. A1 - Herzel, Hannes A1 - Adam, Christian A1 - Mallow, O. A1 - Blasenbauer, D. A1 - Fellner, J. T1 - Combined disc pelletisation and thermal treatment of MSWI fly ash N2 - An environmentally friendly and cost efficient way for the management of municipal solid waste incineration (MSWI) fly ash represents its thermal co-treatment together with combustible waste. However, the safe introduction and storage of MSWI fly ash in the waste bunker is challenging and associated with severe problems (e.g. dust emissions, generation of undefined lumps and heat in case of moistened MSWI fly ash). Therefore, the aim of this study is to investigate the suitability of pelletisation as a pretreatment of MSWI fly ash. In particular, MSWI fly ash was characterised after sampling, pelletisation and thermal treatment and the transfer of constituents to secondary fly ash and flue gas was investigated. For this purpose, MSWI fly ash pellets with a water content of about 0.15 kg/kg and a diameter of about 8 mm have been produced by disc pelletiser and treated in an electrically heated pilot-scale rotary kiln at different temperatures, ranging from 450°C to 1050°C. The total contents of selected elements in the MSWI fly ash before and after thermal treatment and in the generated secondary fly ash have been analysed in order to understand the fate of each element. Furthermore, leachable contents of selected elements and total content of persistent organic pollutants of the thermally treated MSWI fly ash were determined. Due to the low total content of Hg (0.7 mg/kg) and the low leachate content of Pb (<0.36 mg/kg), even at the lowest treatment temperature of 450°C, thermally treated MSWI fly ash pellets can be classified as nonhazardous waste. However, temperatures of at least 650°C are necessary to decrease the toxic equivalency of PCDD/F and DL-PCB. The removal of toxic heavy metals like Cd and Pb is significantly improved at temperatures of 850°C, 950°C or even 1050°C. The observed metal removal led to relatively high contents of e.g. Cu (up to 11,000 mg/kg), Pb (up to 91,000 mg/kg) and Zn (up to 21,000 mg/kg) in the secondary fly ash. This metal enriched secondary fly ash might represent a potential raw material for metal recovery (e.g. via acidic leaching). Due to the high content of total dissolved solids observed in the leachate of thermally treated MSWI fly ash pellets, a wet extraction procedure is suggested to enable its safe disposal at non-hazardous waste landfills. KW - MSWI fly ash KW - Thermal treatment PY - 2018 U6 - https://doi.org/10.1016/j.wasman.2017.12.020 SN - 0956-053X VL - 73 SP - 381 EP - 391 PB - Elsevier Ltd. CY - Rotterdam AN - OPUS4-44481 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Herzel, Hannes A1 - Stemann, J. A1 - Simon, Sebastian A1 - Adam, Christian T1 - Comparison of thermochemical treatment of sewage sludge ash with sodium sulphate in laboratory-scale and pilot-scale experiments N2 - There is an ongoing debate on European scale concerning the criticality of phosphorus. In Switzerland and Germany, phosphorus recovery from phosphorus-rich waste streams will become obligatory. Sewage sludge ash is rich in phosphorus and may become an important secondary feedstock. Thermochemical treatment of sewage sludge ash with sodium sulphate under reducing conditions was shown to remove heavy metals from the solid product and produce the fully plant available crystalline phase CaNaPO4. Pilot-scale experiments in a rotary kiln were carried out at temperatures between 750 and 1000 °C and were compared to laboratory-scale experiments with crucibles. Process upscaling was successfully demonstrated but a series of differences were noticed: In comparison to laboratory-scale, solubility of phosphorus in samples from pilot-scale experiments was lower at all chosen treatment temperatures because of shorter retention time and incomplete decomposition of sodium sulphate. X-ray diffraction analysis revealed remaining phase fractions of whitlockite (Ca3-x(Mg,Fe)x(PO4)2) and sodium sulphate from the starting materials in products and thus indicated incomplete reaction. In contrast to the results of laboratory-scale experiments, the crystalline phase CaNaPO4 was clearly absent in the products from the rotary kiln but instead a Mg-bearing phase (Ca,Mg)NaPO4 was formed. Laboratory-scale experiments confirmed (Ca,Mg)NaPO4 is an intermediate phase between whitlockite and CaNaPO4. However, both crystalline phases are characterized by high plant availability. It was shown that heavy metal removal increased at higher temperatures whereas solubility and thus plant availability of phosphorus already reached its maxima at temperatures of 950 °C in pilot-scale and 875 °C in laboratory-scale experiments. KW - Crystalline phase identification KW - Heavy metal removal KW - Phosphorus availability KW - Process upscaling KW - Recovery KW - Rhenanite PY - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:b43-524084 VL - 19 IS - 3 SP - 1997 EP - 2006 PB - Springer AN - OPUS4-52408 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CHAP A1 - Herzel, Hannes A1 - Kugler, Stefan Anton A1 - Schaaf, T. A1 - Adam, Christian ED - Holm, O. ED - Thome-Kozmiensky, E. ED - Quicker, P. ED - Kopp-Assenmacher, S. T1 - Herstellung neuer Düngemittelausgangsstoffe durch thermochemische Behandlung von Klärschlammaschen N2 - Klärschlammasche kann viel Phosphor enthalten (bis zu 12%). Aus diesem Grund ist diese Asche ein gutes Ausgangsmaterial für Phosphordünger. Aufgrund der geringen Pflanzenverfügbarkeit des Phosphors in der Asche ist eine Aufbereitung notwendig. In diesem Buchbeitrag wird das thermochemische Verfahren AshDec vorgestellt, welches von dem Fachbereich 4.4 mit der Firma Outotec entwickelt worden ist. Es werden die Hintergründe diskutiert, die Phasenreaktionen bei diesem Prozess besprochen, Pflanzenversuche ausgewertet, verschiedene Extraktionen diskutiert und ein Konzept für eine mögliche Pilotanlage dargestellt. KW - Phosphor KW - Extraktionen KW - Alkalien KW - Thermochemisch PY - 2018 SN - 978-3-94431-043-5 SP - 495 EP - 512 PB - Thome-Kozmiensky Verlag GmbH CY - Neuruppin AN - OPUS4-46603 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Herzel, Hannes A1 - Grevel, K.-D. A1 - Emmerling, Franziska A1 - Dachs, E. A1 - Benisek, A. A1 - Adam, Christian A1 - Majzlan, J. T1 - Thermodynamic properties of calcium alkali phosphates Ca(Na,K)PO4 N2 - Calcium alkali phosphates Ca(Na,K)PO4 are main constituents of bioceramics and thermochemically produced phosphorus fertilizers because of their bioavailability. Sparse thermodynamic data are available for the endmembers CaNaPO4 and CaKPO4. In this work, the missing data were determined for the low-temperature phase modifications of the endmembers CaNaPO4 and CaKPO4 and three intermediate Ca(Na,K)PO4 compositions. Standard enthalpy of formation ranges from - 2018.3 ± 2.2 kJ mol-1 to - 2030.5 ± 2.1 kJ mol-1 and standard entropy from 137.2 ± 1.0 J mol-1 K-1 to 148.6 ± 1.0 J mol-1 K-1 from sodium endmember b-CaNaPO4 to potassium endmember b0-CaKPO4. Thermodynamic functions are calculated up to 1400 K for endmembers and the sodium-rich intermediate phase b-Ca(Na0.93K0.07)PO4. Functions above 640 K are extrapolated because of the phase transition from low- to high-temperature phase. Impurities in the synthesized intermediate phases c-Ca(Na0.4K0.6)PO4 and c-Ca Na0.35K0.65)PO4 and one additional phase transition around 500 K impeded the determination of high-temperature thermodynamic functions. In general, data for phase transition temperatures agree with the previously reported phase diagrams. KW - Formation enthalpy KW - Heat capacity KW - Phase transformation KW - Bioceramics KW - Phosphorus fertilizer KW - Entropy PY - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:b43-507640 VL - 55 SP - 8477 EP - 8490 PB - Springer AN - OPUS4-50764 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Herzel, Hannes A1 - Dombinov, V. A1 - Vogel, Christian A1 - Willbold, S. A1 - Levandowski, G. V. A1 - Meiller, M. A1 - Müller, F. A1 - Zang, J. W. A1 - da Fonseca-Zang, W. A. A1 - Jablonowski, N. D. A1 - Schrey, S. D. A1 - Adam, Christian T1 - Soybean Fertilized by P-Phases from Bagasse-Based Materials: P-Extraction Procedures, Diffusive Gradients in Thin Films (DGT), and X-ray Diffraction Analysis (XRD) N2 - The Brazilian sugarcane industry produced around 173 million tons (Mt) of bagasse in 2018. Bagasse is a by-product of juice extraction for ethanol and sugar production and is combusted in order to generate power, producing up to 10 Mt of ash per year. This ash contains various concentrations of plant nutrients, which allow the ash to be used as a crop fertilizer. However, the concentration and extractability of phosphorus (P), an essential plant nutrient, are low in bagasse ash. To increase the P content, we co-gasified and co-combusted bagasse with P-rich chicken manure. The resulting ash was thermochemically post-treated with alkali additives (Na2SO4 and K2SO4) to increase the availability of P to plants. We aimed to: (i) investigate the effect of thermochemical post-treatment of co-gasification residue and co-combustion ash on P availability to soybeans, (ii) explore the potential of chemical extraction methods (citric acid, neutral ammonium citrate, formic acid, and Mehlich-I) and diffusive gradients in thin films (DGT) to predict the availability of P to soybeans, and (iii) identify the responsible P-phases using X-ray diffraction . We evaluated P availability to soybeans growing in Brazilian Oxisol soil in two independent greenhouse pot experiments. The positive effect of thermochemical treatment on P availability from gasification residue was confirmed through the observation of increased P uptake and biomass in soybean plants. These findings were confirmed by chemical extraction methods and DGT. The gasification residue contained whitlockite as its main P-bearing phase. Thermochemical post-treatment converted whitlockite into highly soluble CaNaPO4. In contrast, co-combustion ash already contained highly soluble Ca(Na,K)PO4 as its main P-bearing phase, making thermochemical post-treatment unnecessary for increasing P availability. In conclusion, increased extractability and availability of P for soybeans were closely connected to the formation of calcium alkali phosphate. Our findings indicate that this combined methodology allows for the prediction of P-fertilization effects of ash. KW - Sugar cane bagasse KW - Chicken manure ash KW - Thermochemical treatment KW - Nutrient KW - Plant availability PY - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:b43-509735 VL - 10 SP - 895 EP - 6 PB - MDPI AN - OPUS4-50973 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Herzel, Hannes A1 - Aydin, Zeynep A1 - Adam, Christian T1 - Crystalline phase analysis and phosphorus availability after thermochemical treatment of sewage sludge ash with sodium and potassium sulfates for fertilizer production N2 - Phosphorus rich sewage sludge ash is a promising source to produce phosphorus recycling fertilizer. However, the low plant availability of phosphorus in these ashes makes a treatment necessary. A thermochemical treatment (800–1000 °C) with alkali additives transforms poorly plant available phosphorus phases to highly plant available calcium alkali Phosphates (Ca,Mg)(Na,K)PO4. In this study, we investigate the use of K2SO4 as additive to produce a phosphorus potassium fertilizer in laboratory-scale experiments (crucible). Pure K2SO4 is not suitable as high reaction temperatures are required due to the high melting point of K2SO4. To overcome this barrier, we carried out series of experiments with mixtures of K2SO4 and Na2SO4 resulting in a lower economically feasible reaction temperature (900–1000 °C). In this way, the produced phosphorus potassium fertilizers (8.4 wt.% K, 7.6 wt.% P) was highly plant available for phosphorus indicated by complete extractable phosphorus in neutral ammonium citrate solution. The added potassium is, in contrast to sodium, preferably incorporated into silicates instead of phosphorus phases. Thus, the highly extractable phase (Ca,Mg)(Na,K)PO4 in the thermochemical products contain less potassium than expected. This preferred incorporation is confirmed by a pilot-scale trial (rotary kiln) and thermodynamic calculation. KW - Phosphorus recovery KW - Recycling fertilizer KW - Calcium alkali phosphate KW - Silicate PY - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:b43-536276 SN - 1611-8227 IS - 23 SP - 2242 EP - 2254 PB - Springer AN - OPUS4-53627 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Herzel, Hannes A1 - Adam, Christian T1 - P-Rückgewinnung aus Klärschlammasche - AshDec® Verfahren N2 - Klärschlammaschen können eine hohe Phosphatkonzentration aufweisen und stellen damit einen geeigneten Sekundärrohstoff für die Produktion von Phosphatdüngemitteln dar. Bisher wird dieses Potential der Klärschlammaschen für die Phosphor-Rückgewinnung jedoch kaum genutzt, da die in den Aschen enthaltenen Phosphate für Pflanzen kaum verfügbar und die Aschen teilweise mit toxischen Schwermetallen belastet sind. Im AshDec®-Verfahren wird die Klärschlammaschen im Drehrohrofen im Temperaturbereich 800-1000°C unter Zugabe von Alkali-Additiven (bsp. Na2CO3) thermochemisch behandelt, um ein wirksames und schadstoffarmes Phosphatdüngemittel herzustellen. Aktuell bereitet die Firma Emter GmbH den Bau der ersten großtechnischen AshDec®-Anlage mit einer Kapazität von 30.000 Jahrestonnen Klärschlammasche am Standort ihrer Klärschlammverbrennungsanlage (Altenstadt / Oberbayern) vor. Die erste Ausbaustufe dieser Anlage wird durch das BMBF-Projekt R-Rhenania im Rahmen der Förderinitiative RePhoR begleitet. T2 - 2. Thüringer Klärschlammkommunalkonferenz CY - Thüringer Ministerium für Umwelt, Energie und Naturschutz DA - 21.06.2022 KW - Rückgewinnung KW - Phosphor KW - Klärschlamm KW - Dünger PY - 2022 AN - OPUS4-55088 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - THES A1 - Herzel, Hannes T1 - Phase reaction during thermochemical treatment of sewage sludge and biomass ashes with alkali compounds to increase nutrient plant availability N2 - Das Element Phosphor ist für Pflanzen, Tiere und Menschen essenziell. Um die Phosphorversorgung für Pflanzen in der Landwirtschaft zu gewährleisten, werden Phosphordünger eingesetzt. Die Nährstoffe werden hauptsächlich durch Wirtschaftsdünger (Gülle, Jauche, Stallmist) zurückgeführt. Zusätzlich werden in der konventionellen Landwirtschaft mineralische Phosphordünger eingesetzt, die vorwiegend aus dem fossilen Rohstoff Phosphorit gewonnen werden. Um die Abhängigkeit von fossilen Rohstoffen zu reduzieren, sollen nährstoffhaltige Rest- und Abfallstoffe zur Phosphordünger aufbereitet werden. In Abwasserkläranlagen fällt phosphorreicher Klärschlamm als Abfallstoff an. Der größte Anteil des Klärschlammes wird in Steinkohlekraftwerken, Zementwerken oder in Monoklärschlammverbrennungsanlagen verbrannt. Die Klärschlammaschen aus den Monoverbrennungsanlagen enthalten bis zu 12 Gew.-% Phosphor und sind daher für die Düngerherstellung geeignet. Ein geeignetes Verfahren zur Aufbereitung der Klärschlammaschen ist die thermochemische Behandlung im Drehrohrofen. Mit dem sogenannten AshDec®-Prozess, kann ein Phosphordünger hergestellt werden. Aktuell wird eine großtechnische Anlage in Altenstadt (Bayern) geplant, die im Jahr 2023 den Betrieb aufnehmen soll. Der zentrale Bestandteil ist die Phasenumwandlung von schlecht pflanzenverfügbaren Phosphaten in der Klärschlammasche (vorwiegend das Calciumphosphat Whitlockit und Aluminiumphosphat) zu gut pflanzenverfügbaren Calciumalkaliphosphaten im Produkt. Um dies zu erzielen, werden die Aschen mit Natrium- und/oder Kalium-Verbindungen gemischt und einer thermochemischen Behandlung bei 800-1000 °C zugeführt. Um die Pflanzenverfügbarkeit und Düngewirkung von Phosphaten abschätzen zu können, ist die chemische Extraktionsmethode mit neutraler Ammoniumcitratlösung geeignet. In der Dissertation werden die (Phosphor-)Phasenreaktionen und die Prozessbedingungen des thermochemischen Verfahrens untersucht, um das Verfahren gezielt zu modifizieren und die Wirtschaftlichkeit zu steigern. Die Zielphasen der thermochemischen Behandlung sind die Calciumalkaliphosphate CaNaPO4 und CaKPO4, und deren Mischphasen Ca(Na,K)PO4, welche in der Publikation 3.1 synthetisiert wurden. Für diese Calciumalkaliphosphate wurden die thermodynamischen Daten der Standardbildungsenthalpie, Standardentropie, Wärmekapazität und die Wärmemenge der Phasenumwandlung bestimmt (Publikation 3.1). Bei der thermochemischen Behandlung von Klärschlammaschen wurden als Additive Natrium- und Kaliumsulfat bei verschiedenen Temperaturen getestet. Der Einsatz von Kaliumadditiven ist erwünscht, um den Marktwert des Produktes durch die Produktion eines Phosphor-Kalium-Düngers zu erhöhen. Zusätzlich wird eine möglichst geringe Prozesstemperatur angestrebt, bei der die erwünschten Calciumalkaliphosphate gebildet werden. In den Publikationen 3.2 und 3.3 wird gezeigt, dass für Klärschlammaschen eine komplette Phasenumwandlung zu Calciumnatriumphosphaten ab 875 °C in Laborversuchen (Korundtiegel) mit dem Additiv Natriumsulfat erzielt werden kann. Der Einsatz von Kaliumsulfat erforderte notwendige Reaktionstemperaturen von über 1100 °C. Diese unterschiedlichen Reaktionstemperaturen hängen mit den Schmelzpunkten von Natriumsulfat (890 °C) und Kaliumsulfat (1070 °C) zusammen. Um Kaliumsulfat in den Prozess bei niedrigen Temperaturen zu integrieren, wurden Natriumsulfat und Kaliumsulfat vor der Behandlung gemischt. Dies führte zu einer Schmelzpunkterniedrigung und resultierte in Reaktionstemperaturen zwischen 900 °C bis 1000 °C für die untersuchten Mischungen von Natrium- und Kaliumsulfat (Publikation 3.3). Die Zusammensetzung der Calciumalkaliphosphate Ca(Na,K)PO4 war anders als erwartet. Bei der Phasenanalytik stellte sich heraus, dass bei geringem und mittlerem Anteil von Kaliumsulfat im Alkali-Additiv nur Calciumnatriumphosphate mit sehr geringen Kaliumgehalten gebildet wurden. Erst bei einem hohen Anteil von Kaliumsulfat in der Mischung der Alkalisulfate konnten kaliumhaltige Calciumalkaliphosphate nachgewiesen werden (u.a. (Ca0.9Mg0.1)(Na0.6K0.4)PO4). Dieser geringere Einbau von Kalium in die Calciumalkaliphosphate hängt mit den zusätzlich stattfindenden Reaktionen zwischen den Alkalien und den Silikaten zusammen. Es ist bekannt, dass die zugegebenen Alkalisulfate zuerst mit Silikaten und anschließend mit den Phosphaten reagieren. Silikate bauen bevorzugt Kalium ein, deswegen konnten erst kaliumhaltige Phosphate gebildet werden, wenn die Reaktion mit den Silikaten abgeschlossen war. Dies führte zu einem geringeren Kaliumanteil in den gebildeten Phosphaten im Vergleich zum Kaliumanteil der verwendeten Alkaliadditive. Das in Silikaten gebundene Kalium ist wahrscheinlich schlecht für die Pflanzen verfügbar. Dies könnte den Einsatz der produzierten Phosphor-Kalium-Dünger einschränken. Der bevorzugte Kaliumeinbau in Silikaten konnte auch in Kalkulationen mit den thermodynamischen Daten aus der Publikation 3.1 gezeigt werden. Mittels Phasenanalytik vor und nach der chemischen Extraktion, konnte die Zugehörigkeit zu verschiedenen Modifikationen der Calciumalkaliphosphaten sicher bestimmt werden und eine ungefähre Zusammensetzung dieser Calciumalkaliphosphate abgeschätzt werden. So konnte nachgewiesen werden, dass die Modifikation vom CaNaPO4 ungefähr 10 % Magnesium einbauen kann. Wenn mehr Magnesium eingebaut wird, bildet sich die Phase (Ca,Mg)NaPO4, die eine vergleichbare Struktur wie die bekannte Phase (Ca0.72Mg0.28)NaPO4 aufweist. Dieses magnesiumreiche Calciumnatriumphosphat entstand vermutlich, wenn entweder erhöhte Anteile an Kalium eingebaut wurden (Ca0.8Mg0.2)(Na0.85K0.15)PO4 (Publikation 3.3) oder die Phasenumwandlung vom Calciumphosphat Whitlockit zum Calciumalkaliphosphat CaNaPO4 noch nicht abgeschlossen war (Publikation 3.2). Wenn mehr Kalium eingebaut wird, dann entsteht eine Phase (u.a. (Ca0.9Mg0.1)(Na0.6K0.4)PO4) ähnlich zu den Mischphasen aus der Publikation 3.1. In den Publikationen 3.4 und 3.5 wurden keine Klärschlammaschen untersucht, sondern Biokohlen aus Modellklärschlämmen (Publikation 3.5) und Biomasseaschen (Publikation 3.4) aus der Vergasung oder Verbrennung einer Mischung aus Zuckerrohrbagasse und Hühnertrockenkot. Die thermochemischen Produkte der Biokohlen bzw. Biomasseaschen enthielten das gewünschte CaNaPO4 und hatten eine hohe Düngewirkung in Pflanzenwachstumsversuchen mit Sojapflanzen bzw. Gräsern. KW - AshDec KW - Recycling fertilizer KW - Calcium alkali phosphate PY - 2020 SP - 1 EP - 186 CY - Jena AN - OPUS4-54724 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Herzel, Hannes A1 - Adam, Christian A1 - Schaaf, T. A1 - Künstler, J. T1 - Thermochemical P recycling from ash by AshDec ® process N2 - Klärschlammaschen können eine hohe Phosphatkonzentration aufweisen und stellen damit einen geeigneten Sekundärrohstoff für die Produktion von Phosphatdüngemitteln dar. Bisher wird dieses Potential der Klärschlammaschen für die Phosphor-Rückgewinnung jedoch kaum genutzt, da die in den Aschen enthaltenen Phosphate für Pflanzen kaum verfügbar und die Aschen teilweise mit toxischen Schwermetallen belastet sind. Im AshDec®-Verfahren wird die Klärschlammaschen im Drehrohrofen im Temperaturbereich 800-1000°C unter Zugabe von Alkali-Additiven (bsp. Na2CO3) thermochemisch behandelt, um ein wirksames und schadstoffarmes Phosphatdüngemittel herzustellen. Aktuell bereitet die Firma Emter GmbH den Bau der ersten großtechnischen AshDec®-Anlage mit einer Kapazität von 30.000 Jahrestonnen Klärschlammasche am Standort ihrer Klärschlammverbrennungsanlage (Altenstadt / Oberbayern) vor. Die erste Ausbaustufe dieser Anlage wird durch das BMBF-Projekt R-Rhenania im Rahmen der Förderinitiative RePhoR begleitet. T2 - Wastewater, Water and Resource Recovery (Workshop) CY - Online meeting DA - 11.04.2022 KW - Phosphorus recovery KW - Heavy metal removal KW - Ashdec PY - 2022 AN - OPUS4-54727 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Herzel, Hannes A1 - Adam, Christian T1 - Thermochemische Behandlung von Klärschlammaschen - Phosphorrückgewinnung mit dem AshDec Prozess N2 - Klärschlammaschen können eine hohe Phosphatkonzentration aufweisen und stellen damit einen geeigneten Sekundärrohstoff für die Produktion von Phosphatdüngemitteln dar. Bisher wird dieses Potential der Klärschlammaschen für die Phosphor-Rückgewinnung jedoch kaum genutzt, da die in den Aschen enthaltenen Phosphate für Pflanzen kaum verfügbar und die Aschen teilweise mit toxischen Schwermetallen belastet sind. Im AshDec®-Verfahren wird die Klärschlammaschen im Drehrohrofen im Temperaturbereich 800-1000°C unter Zugabe von Alkali-Additiven (bsp. Na2CO3) thermochemisch behandelt, um ein wirksames und schadstoffarmes Phosphatdüngemittel herzustellen. Aktuell bereitet die Firma Emter GmbH den Bau der ersten großtechnischen AshDec®-Anlage mit einer Kapazität von 30.000 Jahrestonnen Klärschlammasche am Standort ihrer Klärschlammverbrennungsanlage (Altenstadt / Oberbayern) vor. Die erste Ausbaustufe dieser Anlage wird durch das BMBF-Projekt R-Rhenania im Rahmen der Förderinitiative RePhoR begleitet. T2 - VDI.TECHNIK.TALK.ONLINE CY - Online meeting DA - 11.11.2021 KW - Phosphor KW - Recycling KW - Ashdec PY - 2021 AN - OPUS4-54325 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Herzel, Hannes A1 - Kugler, Stefan Anton A1 - Schaaf, T. A1 - Adam, Christian T1 - Herstellung neuer Düngemittelausgangsstoffe durch thermochemische Behandlung von Klärschlammaschen N2 - Der Fachbereich 4.4 hat zusammen mit der Firma Outotec ein thermochemisches Verfahren im Drehrohrofen entwickelt, um die Phosphorphasen in Klärschlammasche umzuwandeln, damit die behandelten Aschen als Dünger eingesetzt werden können. In dem Vortrag wird das Verfahren erklärt, die Düngewirkung dargestellt und Pilotversuche vorgestellt. T2 - Berliner Klärschlammkonferenz CY - Berlin, Germany DA - 05.11.2018 KW - Thermochemisch KW - Alkalien KW - Dünger KW - Phosphor KW - Upscaling PY - 2018 AN - OPUS4-46602 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Herzel, Hannes A1 - Adam, Christian A1 - Emter, J. A1 - Leimkötter, D. A1 - Künstler, J. A1 - Schaaf, T. A1 - Kraus, F. T1 - Demonstrationskampagne und Klärschlammasche-Monitoring N2 - Im Verbundprojekt R-Rhenania wird eine industrielle Demonstrationsanlage am Standort der Monoverbrennungsanlage Altenstadt der Firma Emter errichtet und im Jahr 2024 den Betrieb aufnehmen. Die vorhandene Rostfeuerung-Monoverbrennung wird so umgebaut, dass ein neues thermochemisches Verfahren integriert werden kann, welches hochwirksame und schadstoffarme Dünger produziert (bis zu 17.000 t/a). Die thermochemischen Produkte werden in Gefäß- und Feldversuchen im ökologischen Landbau auf ihre Düngewirkung getestet. Die Umweltverträglichkeit der Demonstrationsanlage wird untersucht, wie auch die Übertragbarkeit des Verfahrens auf weitere Regionen. T2 - Statusseminar RePhoR CY - Frankfurt a. M., Germany DA - 03.05.2023 KW - Phosphor KW - Recycling KW - Thermochemisch PY - 2023 AN - OPUS4-58480 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Herzel, Hannes A1 - Adam, Christian T1 - Klärschlammasche Monitoring 2022/23 - P-Löslichkeiten und Schwermetallgehalte N2 - Im Rahmen des BMBF Projektes R-Rhenania wurden von fast allen Monoverbrennungsanlagen in Deutschland Klärschlammasche-Proben eingesammelt. Diese Aschen wurden auf die Gesamtchemie-Zusammensetzung, Schwermetalle und die Löslichkeit des Phosphates untersucht. T2 - 6. Berliner Klärschlammkonferenz BKK CY - Berlin, Germany DA - 13.11.2023 KW - Monoverbrennungsanlage KW - Phosphor KW - Neutralammoniumnitrat KW - Zitronensäure PY - 2023 AN - OPUS4-59436 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Herzel, Hannes A1 - Adam, Christian T1 - Klärschlammasche Monitoring 2022/23 - Erste Ergebnisse: P Löslichkeiten & Schwermetalle N2 - Im Rahmen des BMBF Projektes R-Rhenania wurden von fast allen Monoverbrennungsanlagen in Deutschland Klärschlammasche-Probeneingesammelt. Diese Aschen wurden auf die Gesamtchemie-Zusammensetzung, Schwermetalle und die Löslichkeit des Phosphates untersucht. T2 - 95. Sitzung des DWA Fachausschusses KEK 3 CY - Hannover, Germany DA - 27.11.2023 KW - Phosphor KW - Monoverbrennungsanlage KW - Neutralammoniumcitrat KW - Zitronensäure PY - 2023 AN - OPUS4-59437 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Herzel, Hannes A1 - Adam, Christian A1 - Emter, J. A1 - Leimkötter, D. T1 - Thermochemisches P Recycling aus Klärschlamm – erste großtechnische Anlage am Standort Altenstadt (Bayern) N2 - Im Verbundprojekt R-Rhenania wird eine industrielle Demonstrationsanlage am Standort der Monoverbrennungsanlage Altenstadt der Firma Emter errichtet und im Jahr 2024 den Betrieb aufnehmen. Die vorhandene Rostfeuerung-Monoverbrennung wird so umgebaut, dass ein neues thermochemisches Verfahren integriert werden kann, welches hochwirksame und schadstoffarme Dünger produziert (bis zu 17.000 t/a). Die thermochemischen Produkte werden in Gefäß- und Feldversuchen im ökologischen Landbau auf ihre Düngewirkung getestet. Die Umweltverträglichkeit der Demonstrationsanlage wird untersucht, wie auch die Übertragbarkeit des Verfahrens auf weitere Regionen. T2 - 13. VDI Klärschlammbehandlung CY - Koblenz, Germany DA - 14.09.2022 KW - Phosphor KW - Versuchskampagne KW - Recycling KW - Nährstoffe KW - Dünger PY - 2022 AN - OPUS4-59576 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Dombinov, V. A1 - Herzel, Hannes A1 - Meiller, M. A1 - Müller, F. A1 - Willbold, S. A1 - Zang, J. W. A1 - da Fonseca-Zang, W. A. A1 - Adam, Christian A1 - Klose, H. A1 - Poorter, H. A1 - Jablonowski, N. D. A1 - Schrey, S. D. T1 - Sugarcane bagasse ash as fertilizer for soybeans: Effects of added residues on ash composition, mineralogy, phosphorus extractability and plant availability N2 - Sugarcane bagasse is commonly combusted to generate energy. Unfortunately, recycling strategies rarely consider the resulting ash as a potential fertilizer. To evaluate this recycling strategy for a sustainable circular economy, we characterized bagasse ash as a fertilizer and measured the effects of co-gasification and co-combustion of bagasse with either chicken manure or sewage sludge: on the phosphorus (P) mass fraction, P-extractability, and mineral P phases. Furthermore, we investigated the ashes as fertilizer for soybeans under greenhouse conditions. All methods in combination are reliable indicators helping to assess and predict P availability from ashes to soybeans. The fertilizer efficiency of pure bagasse ash increased with the ash amount supplied to the substrate. Nevertheless, it was not as effective as fertilization with triple-superphosphate and K2SO4, which we attributed to lower P availability. Co-gasification and co-combustion increased the P mass fraction in all bagasse-based ashes, but its extractability and availability to soybeans increased only when co-processed with chicken manure, because it enabled the formation of readily available Ca-alkali phosphates. Therefore, we recommend co-combusting biomass with alkali-rich residues to increase the availability of P from the ash to plants. KW - Combustion and gasification KW - Phosphate extractability and availability KW - X-ray diffraction (XRD) PY - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:b43-567632 SN - 1664-462X VL - 13 SP - 1 EP - 13 PB - Frontiers Media CY - Lausanne AN - OPUS4-56763 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Adam, Christian A1 - Herzel, Hannes T1 - Modifiziertes Rhenania Phosphat auf Klärschlammasche für Bayern N2 - Es wurde das Projekt R-Rhenania MODIFIZIERTES RHENANIA PHOSPHAT AUS KLÄRSCHLAMMASCHE FÜR BAYERN mit seinen Inhalten und der Projektstruktur vorgestellt. T2 - 6. P-Rück-Kongress: Phosphor - ein kritischer Rohstoff mit Zukunft CY - Online meeting DA - 25.11.2020 KW - Phosphorrückgewinnung KW - Klärschlammasche PY - 2020 AN - OPUS4-51667 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Adam, Christian A1 - Herzel, Hannes T1 - R-Rhenania - Modifiziertes Rhenania Phosphat aus Klärschlammasche für Bayern N2 - Im Verbundprojekt R-Rhenania wird eine industrielle Demonstrationsanlage am Standort der Monoverbrennungsanlage Altenstadt der Firma Emter errichtet und im Jahr 2024 den Betrieb aufnehmen. Die vorhandene Rostfeuerung-Monoverbrennung wird so umgebaut, dass ein neues thermochemisches Verfahren integriert werden kann, welches hochwirksame und schadstoffarme Dünger produziert (bis zu 17.000 t/a). Die thermochemischen Produkte werden in Gefäß- und Feldversuchen im ökologischen Landbau auf ihre Düngewirkung getestet. Die Umweltverträglichkeit der Demonstrationsanlage wird untersucht, wie auch die Übertragbarkeit des Verfahrens auf weitere Regionen. T2 - Statusseminar RePhoR CY - Frankfurt am Main, Germany DA - 03.05.2023 KW - Phosphor KW - Monoverbrennung KW - Recycling KW - Nährstoffe KW - Dünger PY - 2023 AN - OPUS4-59486 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER -