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Verwertung von Klärschlamm
(2018)
Die natürlichen Nährstoffkreisläufe werden durch anthropogene Einflüsse, wie das Einbringen von Schadstoffen in nährstoffreiche Stoffströme, und die ungünstige lokale Verteilung der Nährstoffe (z.B. im Zuge der Intensivtierhaltung), erheblich gestört. Es sind lokale Unter- und Überversorgungen mit Nährstoffen zu beobachten. Gelangen die Nährstoffe in Gewässer, kommt es zum bekannten Phänomen der Eutrophierung. Hierbei ist der Nährstoff Phosphat meist der limitierende Faktor und es bestehen große Bestrebungen den anthropogenen Eintrag in Fließgewässer, Seen und Binnenmeere zu unterbinden. Der Schutz der Ostsee vor Nährstoffeinträgen ist beispielsweise ein sehr wichtiges Thema geworden und wird u.a. von der Baltic Sea Action Group verfolgt.
Weitere Auswirkungen des bestehenden Systems sind Entzüge aus dem Nährstoffkreislauf, wie etwa bei der Deponierung phosphor- aber gleichzeitig auch schadstoffhaltiger Klärschlammaschen oder bei der Mitverbrennung von Klärschlamm in Müllverbrennungsanlagen, Kraftwerken oder Zementwerken. Hier wird das Phosphat ebenfalls als Bestandteil von Aschen deponiert oder in Form von Baustoffen einer sinnvollen stofflichen Nutzung entzogen. Gegen diese Art des Verlusts von Phosphat aus dem Nährstoffkreislauf hat der Gesetzgeber mit der Novellierung der Klärschlammverordnung reagiert, die am 3. Oktober 2017 in Kraft getreten ist und u.a. Regelungen zur Rückgewinnung von Phosphat aus Klärschlamm und Klärschlammasche enthält.
Klärschlämme aus kommunalen Abwasserbehandlungsanlagen ab einer genehmigtenAusbaugröße von über 100.000 bzw. über 50.000 Einwohnerwerten (EW) dürfen nach einer Übergangsfrist ab dem 1. Januar 2029 bzw. 2032 nicht mehr in der Landwirtschaft oder im Landschaftsbau verwertet werden. Die Betreiber dieser Anlagen sind zur Rückgewinnung des im Schlamm enthaltenen Phosphors verpflichtet, wenn der Klärschlamm einen Phosphorgehalt von 20 g/kg Trockenrückstand (TR) oder mehr aufweist. Für Klärschlämme mit P-Gehalten > 40 g/kg TR reicht alternativ die Absenkung der P-Konzentration um 50 % aus. Die Rückgewinnung kann aus dem Schlamm oder aus der Verbrennungsasche des thermisch vorbehandelten Klärschlamms erfolgen.
Aus der Asche müssen mindestens 80 % des Phosphoranteils zurückgewonnen werden. Anstelle einer Phosphorrückgewinnung aus Klärschlämmen aus kleineren und mittelgroßen Abwasserbehandlungsanlagen (bis 50.000 EW) können diese Schlämme auch
weiterhin zu Düngezwecken auf Böden ausgebracht werden, sofern die Anforderungen und insbesondere die Grenzwerte der Klärschlammverordnung und des Düngerechts eingehalten werden.
In der Abwasserreinigung wird der Makronährstoff Phosphor je nach Typ und Größe der Abwasserreinigungsanlage durch verschiedene Verfahren der Phosphatelimination weitgehend in die feste Phase, den Klärschlamm, überführt. Dies geschieht durch die Zugabe von Fällmitteln auf der Basis von Eisen- oder Aluminiumsalzen, oder durch das Verfahren der vermehrten biologischen Phosphorelimination (Bio-P). Das Phosphat liegt nun abhängig vom eingesetzten Verfahren als Bestandteil der gewachsenen Biomasse, als gefälltes Salz, adsorbiert an Eisen(oxi)hydroxiden oder im Falle der Bio-P Klärschlämme auch intrazellulär in Form von Polyphosphaten vor. Weitergehende Informationen hierzu sind im Beitrag von Kratz et al. Pflanzenverfügbarkeit und agronomische Effizienz von klärschlamm-basierten Phosphor (P) – Recyclingdüngern in diesem Buch zu finden. Die Bindungsformen unterscheiden sich demnach nach Art der eingesetzten Technologie der Phosphatelimination erheblich und haben einen entscheidenden Einfluss auf die verschiedenen Möglichkeiten der P-Extraktion und Rückgewinnung.
Wastewater contains a diverse array of organic and inorganic compounds and its complex composition strongly depends on the location and the connected dischargers. However, municipal wastewater as a carrier of feces and urine generally contains considerable amounts of the main nutrients nitrogen and phosphorus. The latter is in the focus of the discussions about the recovery potential of wastewater due to the relatively high mass flows of phosphorus in wastewater and the finite nature and decreasing quality of phosphate rock reserves. But due to the presence of the whole periodic table of elements, wastewater might contain further valuable components of interest for recovery including those defined as critical raw materials by the European Commission. Phosphorus and most of the other critical raw materials are fixed in the sewage sludge and after incineration in the sewage sludge ash (SSA). This is accompanied by high concentration factors from wastewater via sludge to ash. However, the mass fractions of the majority of elements in sewage sludge are comparable to those of the earth crust, indicating no relative enrichment. Nevertheless, enrichment factors of 100 or higher are given for phosphorus, copper, zinc, cadmium, silver, tin, lead and the platinum group elements indicating an anthropogenic input. An economic value of sewage sludge was estimated to $460,-/t calculated on the basis of the respective market prices for high purity elements – a theoretical value. A German survey of sewage sludge ashes showed that the mass fractions and the mass flows of most of the elements present in SSA are probably too low for an economic recovery. In most cases the mass flows are rather small compared to the imports and the chemical forms are not suitable for recovery. An exception is phosphorus that is present in high mass fractions up to 13% and that bears a high substitution potential. If the application of P-recovery technologies lead to a further concentration of valuable elements e.g. as by-products in side streams of the process, it would probably make also the recovery of other elements of economic interest.
Laminates of carbon fiber reinforced plastic (CFRP), which are manufactured by injection technology, are reinforced with boehmite particles. This doping strengthens the laminates, whose original properties are weaker than those of prepregs. Besides the shear strength, compression strength and the damage tolerance, the mode of action of the nanoparticles in resin and in CFRP is also analyzed. It thereby reveals that the hydroxyl groups and even more a taurine modification of the boehmites' surface alter the elementary polymer morphology. Consequently a new flow and reaction comportment, lower glass transition temperatures and shrinkage, as well as a changed mechanical behavior occur. Due to a structural upgrading of the matrix (higher shear stiffness, reduced residual stress), a better fiber-matrix adhesion, and differing crack paths, the boehmite nanoparticles move the degradation barrier of the material to higher loadings, thus resulting in considerably upgraded new CFRP.
Methods have been presented for detailed studies of railway vibration and for the fast prediction of train-induced ground vibration. The ground vibration is generated by static or dynamic loads. The main purpose of this contribution was to show the influence of inhomogeneous soils on the different vibration components.
Layered soils, namely a soft layer on a stiffer half-space, yield a quite specific transmission behavior. The low-frequency and sometimes also high-frequency cut-off of the transfer function of the soil is demonstrated in theory and by experiments at many sites of which the soil model is approximated from dispersion and transfer function measurements. The layer frequency divides the frequency range in a low-frequency range, where the stiff half-space rules the low amplitudes, and a high amplitude high-frequency range which is mainly determined by the softer top layer. A thick soft layer yields a very low layer frequency, so that the higher soft soil amplitudes have a wider range down to low frequencies. A thin layer yields a high layer frequency, so that the high frequencies above this layer frequency are dominant. The higher the contrast between the stiff half-space and the soft layer is, the stronger the increase between the half-space and layer amplitudes, the more characteristic are the spectra of the soil transfer function. The range of measured soils has been from vS1 down to 125 m/s, vS2 up to 1000 m/s and the layer frequencies are within 10 Hz < f0 < 75 Hz. Moreover, during this measuring campaign in Switzerland, all 11 sites showed clearly the layer-on-half-space behaviour. The transfer functions of inhomogeneous soils have been used to predict the ground vibration due to dynamic axle loads which is usually thought to be the most important component.
The passage of static loads, in the contrary, results in very small vibration amplitudes for low train speeds, which can only be found at near distances and at low frequencies. They attenuate very rapidly with distance and lose very rapidly the higher frequency content. The passage of static axle loads can be included in the prediction of railway vibration just for completeness.
Special attention should be given to the case if the train runs with the Rayleigh-wave speed of the soil (Rayleigh train). The Rayleigh-train effect is strongest for a homogeneous half-space: At the near-field of the track the amplitudes are raised strongly compared to normal trains, and in addition, little attenuation with distance is observed. In case of a layered soil, the low-frequency cut-off reduces the frequency range and the amplitudes of the homogeneous quasi-static ground vibrations. Therefore, the Rayleigh-train effects are clearly reduced by a layered soil and they disappear if the layer frequency (for example for a thin layer) is higher than the frequency band of the axle impulse. The Rayleigh-train effect could completely disappear in a randomly inhomogeneous soil, but this has not been analysed so far.
The axle impulses from static loads can have an additional, quite different effect. They can be scattered by a randomly inhomogeneous soil so that a part (the scattered part) of the axle impulse can reach further distances from the track. This can establish a certain mid-frequency component of the ground vibration which becomes dominant in the far-field, and this important component exists for all train speeds. Experimental results from BAM and international measurements show the importance of the corresponding frequency range.
The mitigation of train induced ground vibration by elastic and stiff track elements has been analysed threefold. The vehicle-track interaction yields the reduction at high frequencies above the vehicle-track resonance. This is the standard effect. The filtering of trackbed errors by the bending stiffness of the track yields a certain mid-frequency effect. An even stronger mid-frequency effect is predicted for the mitigation of the scattered axle impulses by the bending stiffness and elastic elements of the track.
Offshore wind turbines enter unknown territory, especially where the foundations are concerned. This is because offshore wind power can only make use of the experience from the common offshore constructions used by the oil and gas industry to a limited extent. The offshore wind industry has tried to reduce foundation dimensions, especially the pile lengths, as much as possible compared with those of the oil and gas industry. This is because with the large number of wind turbines involved it can provide considerable economic advantages. On the other hand, the stability of the foundations is additionally at risk because due to the much larger number of cyclic loads they are subjected to it is very difficult to predict how they will behave. Since offshore wind farms are manufactured in series, every systematic fault in the foundation acts as a series fault for a large number of turbines. This calls for monitoring – and the right dimensions of pile foundation, the most common type of foundations used for wind turbines
Offshore-Windenergie betritt Neuland, gerade bei der Gründung. Denn Windenergie auf See kann die Erfahrungen der gängigen Offshore-Konstruktionen der Öl- und Gasindustrie nur bedingt nutzen. Mehr als dort, versucht man bei der Offshore-Windenergie, die Gründungsabmessungen – insbesondere die Pfahllängen – soweit wie möglich zu reduzieren. Denn dies kann bei der hohen Anzahl der Windenergieanlagen erhebliche wirtschaftliche Vorteile bringen. Andererseits wird die Standsicherheit der Gründungen durch den viel höheren Anteil an zyklischen Lasten gegenüber den gängigen Offshore- Strukturen in schwer einschätzbarer Weise zusätzlich gefährdet. Da Offshore-Windenergieanlagen in Serienfertigung produziert werden, wirkt sich hier jeder systematische Fehler bei der Gründung dann gleich als Serienfehler auf eine Vielzahl von Anlagen aus. Überwachung ist also angesagt – und das richtige Maß bei der Pfahlgründung, der am meisten verwendete Fundamenttyp bei Windenergieanlagen.
The stability and geometric nonlinearities of slender structures are a major topic in structural design. While this topic is most relevant in the field of Structural Engineering, e.g. for steel or concrete structures, only few applications take the role of soil-structure-interaction explicitly into account. The focus of this paper is placed on the impact of soil support and its modelling for the buckling analysis based on examples both for pile foundations and for railway track stability. The general interaction between steel design and the geotechnical input will be addressed. The paper discusses and summarizes a range of subtopics based on experience and current research at the author’s institute.
The interaction between the package lid system and internal Content during mechanical drop testing is a decisive matter in evaluating Impact loads and the safety of the package. In the case of movable contents ist impact onto the inner side of the package lid can cause additional load peaks on the lid and the lid bolts. Some aspects of this issue were discussed on the basis of experimental results from instrumented drop tests with transport casks and on the basis of analytical approaches.
Chapter 6: Case studies
(2023)