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- 4 Material und Umwelt (55)
- 4.4 Thermochemische Reststoffbehandlung und Wertstoffrückgewinnung (55)
- 7 Bauwerkssicherheit (3)
- 7.1 Baustoffe (2)
- 1 Analytische Chemie; Referenzmaterialien (1)
- 1.4 Prozessanalytik (1)
- 4.2 Material-Mikrobiom Wechselwirkungen (1)
- 4.3 Schadstofftransfer und Umwelttechnologien (1)
- 7.4 Baustofftechnologie (1)
Along with the globally increasing energy demand the application of renewable energy sources is
urgently required. According to national regulations and international treaties (e.g. Kyoto Protocol)
these sources shall be sustainably available at reasonable financial effort and non-polluting during
production, use and waste treatment. Using photovoltaic sources (PV), these requirements can
clearly be met. All industry has to follow the best available technology and an integrative life cycle
approach for their products and production. PV thin film technology strictly responds to this obligation.
In order to save material resources and to minimise undesirable landfill recycling of spent PV
modules is necessary. Recycling of multi-component materials containing mixed metals typically
consists of three parts: liberation, separation, and recovery. In our study (RESOLVED an EU
Demonstration Project) the focus is on liberation and separation. The converting layer (CdTe) was
liberated (removed) from the glass carrier by sandblasting and separated subsequently from the
blast material (e.g. corundum) and other components using stepwise different separation techniques.
Both the glass substrate and CdTe are subject to re-use. The overall feasibility of the recycling
process is primarily governed by the efficiency of the procedure applied to the separation of CdTe
from the rest (blasting material, glass residues, etc.). This was performed by water-based flotation.
Several flotation procedures were studied regarding their separation yields. The distribution of
CdTe in the phases involved (flotate, water, residue) was measured using energy dispersive X-ray
fluorescence spectrometry (EDXRS) intended for future routine application and by instrumental
large-volume photon activation analysis (IPAA) as a reference procedure. The results of both analytical
methods were in satisfactory agreement.
Die Qualität von rezyklierten Gesteinskörnungen muss nicht nur bautechnischen Anforderungen und rechtlich verbindlichen Umweltstandards genügen, sondern ihr Einsatz in der Betonherstellung wird auch vor dem Hintergrund der Leitlinien der Nachhaltigkeit bewertet. Für die Gewinnung von rezyklierten Gesteinskörnungen bedeutet dies, dass sowohl bei den Abbrucharbeiten als auch bei der Bauschuttaufbereitung darauf geachtet werden muss, dass die gewählten Verfahren nicht nur ökonomischen Kriterien genügen müssen, sondern auch keine nachteiligen ökologischen oder sozialen Auswirkungen haben dürfen.
In verschiedenen Forschungsprojekten konnte durch ökobilanzielle Bewertungen von einzelnen Verfahren und Verfahrensabläufen gezeigt werden, dass rezyklierte Gesteinskörnungen aus Altbeton unter bestimmten Rahmenbedingungen umweltverträglich gewonnen werden können und ihre Nutzung durch die Substitution von Natursteinkörnungen sowohl zur Schonung von natürlichen Ressourcen als auch zu einer Reduzierung von Umweltbelastungen beitragen kann.
Municipal sewage sludge is a carrier of nutrients most important phosphorus (P) but also contains organic pollutants and heavy metals. A two steps thermal treatment based on 1. mono-incineration of sewage sludge under destruction of organic pollutants and 2. thermochemical treatment of the resulting ashes to remove heavy metals and increase P-bioavailability is suggested by the authors. The process aims at P-fertilisers production from sewage sludge. Seven sewage sludge ashes of different origin and composition and one residue from gasification of sewage sludge were thermochemically treated. The raw ashes were mixed with a chlorine donor (e.g. MgCl2) and thermally treated in a gas tight lab-scale rotary furnace. The distributions of the heavy metals between solid and gas phase were determined. The heavy metals concentrations of the treated ashes matched the legislative limits in most cases. The products from thermochemical treatment are suited raw materials for P-fertiliser production. Relevant process parameters such as temperature, type and concentration of Cl-donor and retention time were optimised for the thermochemical treatment step.
Aufgrund der Endlichkeit der Phosphorlagerstätten und der zu erwartenden Preissteigerungen auf dem Weltmarkt werden Rückgewinnung, Kreislaufflührung und sparsamer Umgang mit dem essentiellen Makronährstoff Phosphor zunehmend interessant. Der P-Rückgewinnung aus biogenen Abfallstoffen wird hierbei zukünftig eine bedeutende Rolle zukommen. Die Aufarbeitung von Klärschlammaschen zu P-Düngemitteln kann in diesem Zusammenhang einen entscheidenden Beitrag leisten.
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden statische und dynamische Versuche zur thermochemischen Behandlung von Klärschlammaschen mit dem Ziel der Bereitstellung eines geeigneten Sekundärrohstoffes für die P-Düngemittelproduktion durchgeführt. Statische Versuche mit Edelsole (MgCl2Lösung) als Cl-Donator zeigten dass eine weitgehende Schwermetallabreicherung unter signifikanter Steigerung der P-Pflanzenverfügbarkeit möglich ist. Die Schwermetalle wurden in die entsprechenden Chloride überrührt und konnten aufgrund ihrer hohen Dampfdrücke bei Betriebstemperaturen von etwa 1000°C über die Gasphase von der Asche separiert werden. Arsen, Chrom und Nickel konnten mit dieser Behandlungsmethode jedoch nicht entfernt werden. Des weiteren wurde mit der Behandlung nicht für alle untersuchten Klärschlammaschen der Grenzwert der aktuellen Düngemittelverordnung für Kupfer unterschritten. Verbesserungen in Hinblick auf die Reinigungsleistung und die technische Umsetzbarkeit des Verfahrens ließen sich durch Versuche mit Chlorgas als CL-Donator erzielen. Alle Schwermetalle inklusive Arsen, Chrom und Nickel konnten bereits ab einer Betriebstemperatur von 850°C deutlich unter die Grenzwerte nach Düngemittelverordnung abgereichert werden. Die Pflanzenverfügbarkeit des Phosphors war vergleichbar mit den Produkten aus der Behandlung mit Edelsole.
Die Citratlöslichkeit konnte von etwa 50-70% (Rohasche) auf 100% (mit Cl2-Gas behandelt) angehoben werden. Bei der kleintechnischen Umsetzung des Verfahrens im Drehrohrofen traten jedoch erhebliche Korrosionsprobleme m Verbindung mit den verwendeten Stahlwerkstoffen auf. Hier besteht Entwicklungsbedarf.
Im Rahmen der Untersuchungen wurde gezeigt, dass die vorgeschlagene thermochemische Behandlung von Klarschlammaschen zur Bereitstellung eines Ausgangsmaterials für die P-Düngemittelherstellung geeignet ist und somit ein erhebliches Potential zur nachhaltigen Kreislaufführung der endlichen Ressource Phosphor erschlossen werden kann. Das thermochemische Verfahren führt sowohl zur weitgehenden Entfernung der Schwermetalle als auch zu einer deutlichen Verbesserung der Pflanzenverfügbarkeit des Phosphors. Diese erfolgversprechenden Ergebnisse sollten durch weitere kleintechnische Untersuchungen ergänzt werden, um die Basis für eine großtechnische Anwendung zu schaffen.
Über den derzeitigen und zukünftigen Umgang mit Klärschlamm wird in Deutschland seit Jahren kontrovers diskutiert. Zum einen enthalten kommunale Klärschlamme Nährstoffe, die sinnvoller Weise wieder in die landwirtschaftliche Nahrungsmittelproduktion eingebracht werden sollten. In diesem Zusammenhang steht Phosphor im Vordergrund, da diese Ressource begrenzt ist und deren zukünftig zu erwartende Knappheit neben der geringen Anzahl an Exportländern für Rohphosphate zu unberechenbaren Preissprüngen am Weltmarkt führen können. Zum anderen stellt Klärschlamm die Schadstoffsenke in der Abwasserreinigung dar, was den direkten landwirtschaftlichen Einsatz dieses Abfalls bedenklich macht. Zwar nahm die Konzentration der umweltrelevanten Schwermetalle in Klärschlämmen in den vergangenen Jahren deutlich ab (Wiechmann, Dienemann et al. 2012), die Belastung mit organischen Schadstoffen (z.B. Pharmazeutika, endokrin wirksame Substanzen, persistente organische Stoffe etc.) ist jedoch unüberschaubar und dürfte sich einem sinnvollen „Monitoring“ weitgehend entziehen. Das daraus resultierende Risiko für Mensch und Umwelt ist schwer einschätzbar und wird aufgrund der Beschaffenheit der diffusen Schadstoffquellen (z.B. Eintrag von Pharmaka und deren Metabolite über menschliche Ausscheidungen) unkalkulierbar bleiben.
In Deutschland werden gegenwärtig etwa 53 % der kommunalen Klärschlämme in Mono- und Müllverbrennungsanlagen sowie Kraft- und Zementwerken thermisch und 47 % stofflich, d.h. landwirtschaftlich (30 %) oder in landschaftsbaulichen Maßnahmen u.ä. verwertet (17 %). Bezogen auf die etwa 9,4 Mrd Kubikmeter Abwasser, die pro Jahr in Deutschland anfallen, kann von einem Potenzial von 75000 t Phosphor/a (davon ca. 67500 t P/a im Klärschlamm) ausgegangen werden. Bislang werden in der Literatur ca. 37 Verfahren zur abwasserseitigen Rückgewinnung von Phosphor beschrieben, die im Labor, im Technikumsmaßstab oder in Pilotanlagen erprobt worden sind. Weltweit wurden bisher ca. 12 davon großtechnisch umgesetzt. Etwa vier verschiedene Verfahrenstechniken lassen sich derzeit in Deutschland finden. Einige Verfahren arbeiten mit Ionenaustauschern, zum überwiegenden Teil handelt es sich jedoch um Fällungs- oder Kristallisationsverfahren, bei denen Magnesium-Ammonium-Phosphat (MAP, Struvit) entweder aus den Haupt- oder Nebenströmen einer Kläranlage oder aus dem Schlamm bzw. Schlammwasser gewonnen wird. Für den Nährstoff Phosphor konnte in den Klärschlammaschen ein Gehalt von durchschnittlich 7 % ermittelt werden. Daraus ergibt sich ein Potenzial von etwa 17500 t P/a (Tendenz steigend). Je nach Verfahren kann mit einem Rückgewinnungspotenzial von etwa 60 bis 90 % Phosphor aus der Asche (ca. 55 bis 80 % Pges bezogen auf den Kläranlagenzulauf) gerechnet werden
Aufgrund der großen Massenströme ist das Recycling von Baurestmassen von besonderer Bedeutung
für die Schonung von natürlichen Ressourcen. Eine wichtige Voraussetzung für ein hochwertiges
Recycling, wie z.B. eine Wiederverwertung von aufbereitetem Bauschutt/Altbeton als rezyklierte
Gesteinskörnung im Hochbau, ist die Einhaltung von Grenzwerten für Stör- und Schadstoffe. Dabei
steht der Sulfatgehalt im Eluat von Bauschutt besonders im Fokus. In der vorliegenden Studie wird
untersucht, wie durch die Optimierung von Abbrucharbeiten und Bauschuttaufbereitung hochwertige
Gesteinskörnungen aus Altbeton gewonnen werden können. Anhand von Literatur- und
Datenrecherchen werden zunächst Sulfatquellen in Gebäuden sowie verfügbare Abbruch- und
Aufbereitungstechniken zusammengestellt. Am Beispiel von unterschiedlichen Gebäudetypen werden
Szenarien für selektiven und nicht selektiven Abbruch (Schwerpunkt: Sulfatentfachtung) in Hinblick auf
ihre Umweltwirkungen ökobilanziell bewertet. Ergänzt werden diese Bewertungen durch
Untersuchungen an realen Bauschuttmaterialien und Abbruchprojekten. Auf dieser Basis werden
Handlungsempfehlungen für die Gewinnung von hochwertigen RC-Gesteinskörnungen erarbeitet und
diskutiert.-----------------------------------------------------------------------------------------
Due to the large-scale mass flow of construction and demolition wastes, the recycling of those
residues is of particular importance for the conservation of natural resources. An important
requirement for recycling on a high level, like the reuse of crushed concrete as recycled concrete
aggregate, is the observation of limits for hazardous substances and impurities. This study is focusing
on the reduction of sulphates in the eluate of crushed concrete. An investigation of possibilities to
optimize demolition and dismantling as well as treatment of crushed concrete with the objective of
gaining recycled concrete aggregates of high quality. Based on a literature research and a data review
the origins of sulfates in buildings and also the availability of techniques for demolition and treatment
of crushed concrete are listed and evaluated. Using the examples of different building types scenarios
for selective dismantling and non-selective demolition (focused on reducing suphates) are evaluated in
terms of affecting the environment. In addition samples from real demolition construction sites and
plants for treatment of construction rubble were investigated. Based on these results
recommendations for the production of high quality recycled concrete aggregates are worked out.
Determination of P-Fertiliser-Soil Reactions by Raman and Synchrotron Infrared Microspectroscopy
(2012)
Sewage sludge ashes (SSA) contain considerable mass fractions of phosphorus (5-10 w-% P) suitable for fertiliser production. Unfortunately, also most of the heavy metals remain in the ashes. A thermochemical process was developed for the treatment of SSA to i) remove heavy metals and ii) transform phosphates into bio-available mineral phases. The technology was already demonstrated in technical scale (capacity of 300 kg/h) and the company OUTOTEC is currently planning the first industrial plant. In order to manufacture a marketable multi-nutrient fertiliser from the thermochemically treated SSA further wastes and industrial by-products were taken into account. Ammonium sulphate occurs as a by-product of the caprolactam production and was chosen as N-carrier (21 w-% N). Straw ash was tested as potassium carrier (11-15 w-% K). Granulation campaigns were carried out with intensive mixers in lab-, medium-and technical scale. NPS-and NPKS-fertilisers were produced that were characterised by suitable particle size distributions and strength.
Sewage sludge ashes (SSA) represent a possible source of phosphorus (P) and technology metals. So far, the sole external source for P, that is indispensable for all animate beings, is rock phosphate, a finite resource. The EU depends completely on the import from possible politically instable regions. Furthermore, rock phosphate is often contaminated with heavy metals like Cd and U, leading to health and environmental hazards. P recovered from SSA might diminish these problems. SSA of German mono incineration facilities are analyzed for their elemental composition. More than 95% of the emerging SSA is monitored, enabling the determination of complete mass flows of the ashes and their components. Initial results indicate a P recovery potential of 16,000 t/a (11% of the annual P demands for fertilizer production). The concentrations of Cd and U in SSA are one to two Orders of magnitude lower than in rock phosphate and could help to reduce possible hazards.
Die Zementindustrie und weitere energieintensive Industrien wie etwa die Stahlindustrie stehen vor dem Hintergrund der Transformation unserer Gesellschaft zur Klimaneutralität vor erheblichen Herausforderungen. Ziel dieser Branchen ist perspektivisch die vollständige Vermeidung klimaschädlicher Emissionen – mit besonderem Fokus auf Kohlendioxid. Neben der Umstellung auf regenerative Energieträger, sind im Speziellen für die Zementindustrie die erheblichen Anteile an CO2-Emissionen durch die Entsäuerung von Kalkstein zukünftig zu vermeiden. Da die hervorragenden Bindemitteleigenschaften des bisher hauptsächlich in Zementen eingesetzten Portlandklinkers jedoch auf Calciumverbindungen wie Tri- und Di-calciumsilikaten basieren, stellt die Substitution des Kalks derzeit für die Zementindustrie die größte Herausforderung dar. Neben vollständig neuen Bindemittelsystemen ohne Verwendung von Kalk und CCS/CCU-Technologien zur Vermeidung der CO2-Emissionen bei Verwendung von Kalk, können Abfälle und Nebenprodukte wie etwa Betonbrechsand, verschiedene Schlacken und weitere Massenreststoffe sinnvoll zur Einsparung von Rohstoffen und zur Vermeidung von CO2-Emissionen eingesetzt werden. Es gilt diese Potentiale von Sekundärrohstoffen branchenübergreifend zu identifizieren und Synergien zwischen den Branchen nutzbar zu machen. Hierbei werden neben der chemischen Zusammensetzung der Abfälle und Nebenprodukte auch die Verfügbarkeit und der Massenstrom relevante Kriterien sein. Die potenziellen Sekundärrohstoffe und deren Gemische mit chemisch ähnlicher Zusammensetzung wie die bisher verwendeten Bindemittel, können durch verschiedene technische Ansätze wieder in reaktive Bindemittel umgewandelt und damit nutzbar gemacht werden. Eine gezielte Umwandlung der nicht reaktiven mineralischen Phasen in neue mineralische Phasen mit guten Bindemitteleigenschaften, kann u. a. durch Schmelzprozesse erzielt werden. In Schmelzen können bei hohen Temperaturen die bestehenden, nicht reaktiven mineralischen Phasen zerstört und neue mineralische Phasen mit guten Bindemitteleigenschaften erzeugt werden. Hohe Freiheitsgrade durch gezielte Einstellung der stofflichen Zusammensetzung der Schmelze, durch Stoffseparationen und durch geregelte Abkühlregimes können eine maßgeschneiderte Erzeugung neuer Bindemitteltypen ermöglichen. Aufgrund der hohen erforderlichen Temperaturen von Schmelzprozessen ist die Umsetzung dieser neuen Verfahren nach Möglichkeit in bestehenden pyrometallurgischen Produktionsrouten wie etwa der Stahlproduktion vorzunehmen. So kann etwa der Einsatz von Betonbrechsand als Schlackebildner in der Stahlproduktion zielführend sein, wenn die Schlacke wieder zu einem Bindemittel prozessiert wird und in Zementen Verwendung findet. Eine stoffliche Kreislaufführung wäre hiermit gegeben, wobei der Einsatz von Kalkstein als Schlackebildner oder Rohstoff für die Zementproduktion, und damit die entsprechenden CO2-Emissionen, vermieden werden. Die Entwicklung neuartiger Bindemittelsysteme auf Basis von Sekundärrohstoffen sollte von erforderlichen Anpassungen und neuen Entwicklungen in der Regelsetzung und Normung begleitet werden. Vor allem muss gewährleistet sein, dass die mit neuen Bindemitteln hergestellten Betone den hohen Anforderungen an Dauerhaftigkeit und Umweltverträglichkeit genügen. Des Weiteren sollte mit den etablierten Methoden, wie etwa der Lebenszyklusanalyse, untersucht werden, inwiefern und in welchem Umfang die neuen technischen Entwicklungen zu Nachhaltigkeit und Klimaschutz beitragen.
Rechtliche Vorgaben der Klärschlammverordnung und deren Auswirkungen auf die Phosphor-Rückgewinnung
(2022)
Im Abfalltechnik-Ausschuss der Bund/Länder-Arbeitsgemeinschaft Abfall (LAGA) wurde eine Vollzugshilfe zur Klärschlammverordnung erarbeitet, die nach Verabschiedung durch die Umweltministerkonferenz Mitte Mai 2020 als LAGA-Merkblatt M-39 veröffentlicht wurde. Im vorliegenden vierten Arbeitsbericht der DWA-Arbeitsgruppe KEK-1.1 werden verschiedene Aspekte der ab dem Jahr 2029 geltenden Regelungen aufgegriffen und damit einige Punkte des LAGA M-39 hinsichtlich der technischen Auswirkungen für den Kläranlagenbetreiber konkret ausgeführt.
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.
Die Zementindustrie erzeugt etwa 6-7% der globalen CO2-Emissionen und steht damit als Industriezweig vor dem Hintergrund einer anvisierten Klimaneutralität vor gewaltigen Herausforderungen. Der Prozess der Klinkerherstellung wurde über die vergangenen Jahrzehnte bereits kontinuierlich optimiert. Seit 1990 ist es der deutschen Zementindustrie gelungen, die spezifischen CO2-Emissionen der Zementproduktion u. a. durch den Einsatz alternativer, nicht fossiler Brennstoffe und durch Absenkung des Klinkergehalts im Zement um 20 % zu senken. Weitere konventionelle Minderungsstrategien versprechen jedoch nur noch wenig zusätzliche Reduktion. Im Falle des Portlandklinkers besteht die Schwierigkeit darin, dass zwei Drittel der CO2-Emissionen rohstoffbedingt durch die Entsäuerung des Kalksteins (CaCO3) anfallen, die durch die beschriebenen Maßnahmen nicht weiter abgesenkt werden können. Vielmehr wird es erforderlich sein, noch zu entwickelnde oder zu optimierende Technologien anzuwenden und ggf. alle relevanten Ebenen wie Produktion, Weiterverarbeitung und Anwendung von Zement und Beton neu zu denken. Neben technologischen Ansätzen zur CO2-Abscheidung mit nachfolgender langfristiger Speicherung (Carbon Capture and Storage – CCS) oder Verwertung (Carbon Capture and Utilisation – CCU) werden auch alternative Rohstoffe für die Zementproduktion und alternative Bindemittel in Betracht zu ziehen sein.
Die Zementindustrie und weitere energieintensive Industrien wie etwa die Stahlindustrie stehen vor dem Hintergrund der Transformation unserer Gesellschaft zur Klimaneutralität vor erheblichen Herausforderungen. Ziel dieser Branchen ist perspektivisch die vollständige Vermeidung klimaschädlicher Emissionen – mit besonderem Fokus auf Kohlendioxid. Neben der Umstellung auf regenerative Energieträger, sind im Speziellen für die Zementindustrie die erheblichen Anteile an CO2-Emissionen durch die Entsäuerung von Kalkstein zukünftig zu vermeiden. Da die hervorragenden Bindemitteleigenschaften des bisher hauptsächlich in Zementen eingesetzten Portlandklinkers jedoch auf Calciumverbindungen wie Tri- und Di-calciumsilikaten basieren, stellt die Substitution des Kalks derzeit für die Zementindustrie die größte Herausforderung dar. Neben vollständig neuen Bindemittelsystemen ohne Verwendung von Kalk und CCS/CCU-Technologien zur Vermeidung der CO2-Emissionen bei Verwendung von Kalk, können Abfälle und Nebenprodukte wie etwa Betonbrechsand, verschiedene Schlacken und weitere Massenreststoffe sinnvoll zur Einsparung von Rohstoffen und zur Vermeidung von CO2-Emissionen eingesetzt werden. Es gilt diese Potentiale von Sekundärrohstoffen branchenübergreifend zu identifizieren und Synergien zwischen den Branchen nutzbar zu machen. Hierbei werden neben der chemischen Zusammensetzung der Abfälle und Nebenprodukte auch die Verfügbarkeit und der Massenstrom relevante Kriterien sein. Die potenziellen Sekundärrohstoffe und deren Gemische mit chemisch ähnlicher Zusammensetzung wie die bisher verwendeten Bindemittel, können durch verschiedene technische Ansätze wieder in reaktive Bindemittel umgewandelt und damit nutzbar gemacht werden. Eine gezielte Umwandlung der nicht reaktiven mineralischen Phasen in neue mineralische Phasen mit guten Bindemitteleigenschaften, kann u. a. durch Schmelzprozesse erzielt werden. In Schmelzen können bei hohen Temperaturen die bestehenden, nicht reaktiven mineralischen Phasen zerstört und neue mineralische Phasen mit guten Bindemitteleigenschaften erzeugt werden. Hohe Freiheitsgrade durch gezielte Einstellung der stofflichen Zusammensetzung der Schmelze, durch Stoffseparationen und durch geregelte Abkühlregimes können eine maßgeschneiderte Erzeugung neuer Bindemitteltypen ermöglichen. Aufgrund der hohen erforderlichen Temperaturen von Schmelzprozessen ist die Umsetzung dieser neuen Verfahren nach Möglichkeit in bestehenden pyrometallurgischen Produktionsrouten wie etwa der Stahlproduktion vorzunehmen. So kann etwa der Einsatz von Betonbrechsand als Schlackebildner in der Stahlproduktion zielführend sein, wenn die Schlacke wieder zu einem Bindemittel prozessiert wird und in Zementen Verwendung findet. Eine stoffliche Kreislaufführung wäre hiermit gegeben, wobei der Einsatz von Kalkstein als Schlackebildner oder Rohstoff für die Zementproduktion, und damit die entsprechenden CO2-Emissionen, vermieden werden. Die Entwicklung neuartiger Bindemittelsysteme auf Basis von Sekundärrohstoffen sollte von erforderlichen Anpassungen und neuen Entwicklungen in der Regelsetzung und Normung begleitet werden. Vor allem muss gewährleistet sein, dass die mit neuen Bindemitteln hergestellten Betone den hohen Anforderungen an Dauerhaftigkeit und Umweltverträglichkeit genügen. Des Weiteren sollte mit den etablierten Methoden, wie etwa der Lebenszyklusanalyse, untersucht werden, inwiefern und in welchem Umfang die neuen technischen Entwicklungen zu Nachhaltigkeit und Klimaschutz beitragen.
Agricultural sewage sludge utilization becomes less important in Germany. In 2017, new fertilizer and waste laws caused the agricultural sewage sludge utilization to collapse by more than a quarter. From 2029, in German wastewater treatment plants (WWTPs) phosphorus (P) must be recovered from sewage sludge ifit contains more than 2 wt % P. Agricultural utilization will be prohibited for large WWTPs > 100,000 population equivalents (pe) from 2029 and > 50,000 pe from 2032. In Germany, each federal state must annually report amounts and quality of agriculturally utilized sewage sludge which was 17 % of the total disposal in 2019. The reports of 10 States were evaluated for 2016 and 2017 representing approx. 60 % ofthe total agriculturally used sludge volume. Whereas phosphorus recovery is mandatory this does not apply to other nutrients. However, many P recovery processes recover other nutrients, too.
Considering three differentscenariosfor future German sewage sludge disposal Shows that 70 - 77 % ofthe P load in sewage sludge will probably be recovered in the future.
At the same time, this applies for about 0 - 16 % of nitrogen, 36 - 52 % of calcium, 31-53 % of potassium, and 40 - 52 % of magnesium. However, these recovered nutrient loads can substitute only 1 % or less ofthe commercial fertilizer demand except from phosphorus which is about 45 % ofthe demand.
Recycled fertilizers produced using processes for the recovery of phosphate from residual materials such as wastewater, sewage sludge and sewage sludge ashes show very good bioavailability, but it is still a product largely unknown to the market. The aim of CLOOP is therefore to document the properties and effects of such fertilizers through chemical, mineralogical and ecological analyses as well as analytical method development and pot and field plant growth trials.
Outotec focused on 3 points in CLOOP: Experimental campaigns, process simulations as well as economic analyses with focus on the AshDec process, respectively the design of a large-scale AshDec plant for phosphorus recovery. The laboratory scale trials as well as the semi-industrial scale campaign provided valuable insights into the operating parameters of the process and the plant. As a result, for example, the temperature range could be significantly lowered, and the additive addition reduced by approx. 20 %. They have further shown that the AshDec process is not susceptible to operating fluctuations and that the product can be consistently produced at high quality. With the selection of suitable operating parameters, heavy metals (As, Pb, Cd, (Zn)) can be removed. Within the campaign, about 1.5 t of fertilizer for the plant trials in CLOOP could be produced. An AshDec plant process was digitally created in simulation software, allowing valuable process parameters to be simulated at various operating parameters. On this basis, a full-scale plant was designed. The data obtained in the project were used for a detailed economic analysis including a sensitivity analysis. It was possible to show under which conditions this plant can be operated economically.
At BAM, the AshDec fertilizer was synthesized with different additives and then applied to plant experiments at Uni Bonn. The goal hereby was to check differences in plant uptake. Because of the promising results of AshDec synthesized with sodium-carbonate and because this AshDec version does not require special off gas treatment for sulfur recovery (compared to AshDec synthesized with sodium-sulfate), all project partners agreed on continuing working with this AshDec variation. It was then used as a raw P-source for formulating it into NPK-fertilizers, by granulation with ammonium-sulfate and straw ash as potassium source. These recycling fertilizers were applied to plant- and field experiments by project partners in Brazil (University of Sao Paulo) and Australia (University of Queensland). Furthermore, in leaching experiments, the solubility of phosphorus in AshDec was compared to triple super phosphate. The experiments were carried out on soils with a varying phosphorus buffering index. Results show, that the phosphorus form in AshDec is way less soluble in water. This indicates that AshDec has the potential for a so-called next generation fertilizer – a fertilizer which’s nutrients remain in the soil and supply the plant according to its needs. At the moment, this behavior gets examined more in depth in lysimeter experiments in cooperation with University of Technology Berlin.
The focus of KWB is the Life Cycle Assessment (LCA) of different NextGen fertilizers to evaluate the entire process chain from recovery to fertilizer application. The NextGen fertilizer is credited by the amount of plant available nutrients in the product, which replace nutrients from conventional fertilizer. The LCA covers N-struvite precipitation from municipal wastewater, K-struvite precipitation from industrial wastewater and the AshDec-product from sewage sludge. The LCA task is almost complete. It could be shown that struvite precipitation has comprehensive environmental benefits, mainly since positive side effects occur in sewage sludge treatment (e.g. reduced sludge volume). In principle, the energetic and ecological profile of the AshDec process compared to direct use of sewage sludge ash cannot be assessed as being generally beneficial or negative. Regarding the global warming potential, the Ashdec process shows that the expenses (e.g. energy, chemicals) cannot be covered by the P fertilizer credit. In contrast, the impact categories “terrestrial acidification potential”, and “freshwater eutrophication potential” show positive results as the credits for conventional fertilizer are higher than the burdens for the process.
At University Bonn, the standardized pot experiments were conducted with several AshDec variations, using ryegrass, soybean, and spinach on a slightly acidic sandy soil and an organic-free standard substrate. P-uptake and biomass production of different AshDec variations were generally like those of triple super phosphate and struvite, and clearly outperformed untreated sewage sludge ash and rock phosphate. Field trials in Australia and Brazil with sugarcane on acidic soils are still ongoing and results are expected by the end of 2021.
Ab 2029 gilt für alle Kläranlagen in Deutschland eine Pflicht zur Rückgewinnung von Phosphor (P) aus Klärschlamm. Ausgenommen sind nur Anlagen mit Schlämmen mit weniger als 20 g P/kg bezogen auf die Trockenmasse (TM). Für eine Überprüfung der Phosphorschwankungen im Klärschlamm wurden neun verschiedene Kläranlagen ausgewählt mit Phosphorgehalten nahe der "Rückgewinnungsgrenze" von 20 g/kg TM. Der entwässerte Klärschlamm dieser Anlagen wurde monatlich beprobt und auf seinen Phosphorgehalt geprüft. Die Phosphorschwankungen betrugen je nach Anlage zwischen 4 % und 13 % (relative Standardabweichung), im Mittel rund 7 %.
extraWERT Forschungsvorhaben
(2022)
Die novellierte AbfKlärV (2017) beinhaltet die Verpflichtung zum P-Recycling ab einem P-Gehalt im Klärschlamm von 20 g/kg. Im Vortrag werden Ergebnisse des Forschungsvorhabens extraWERT zu diesem Themenkomplex vorgestellt. Es werden Untersuchungen zu P-Gehalten deutscher Klärschlämme und zu den zulässigen Analysemethoden dafür vorgestellt.
Sewage sludge ashes (SSA) contain up to 13% P and are thus promising raw materials for fertilizer production. However, SSAs also contain heavy metals and the main P-bearing mineral phases whitlockite and aluminium phosphate are poorly bioavailable. We developed and patented a process that produces fertilizers from SSA addressing the above mentioned challenges. SSA is thermo-chemically treated at ~950°C under reducing conditions (reductive: dry sewage sludge) in a rotary kiln together with an alkali compound such as sodium or potassium sulfate, hydroxide or carbonate. Some undesired trace elements such as As, Hg, Pb and Cd are evaporated and separated via off gas treatment system. The poorly soluble phosphates are transformed into calcium alkali phosphates (CaNaPO4 or CaKPO4) that are not water soluble but completely soluble in neutral ammonium citrate solution (NAC). Pot experiments showed that the fertilizer performance of the treated SSA containing calcium alkali phosphates as the single P-bearing mineral phase was comparable to the performance of triple superphosphate. The PNAC-solubility of fertilizer products correlated very well with the resulting contents of calcium alkali phosphates and the P-uptake of plants in pot experiments. The effect of the ratio alkali/P on the PNAC-solubility was investigated by crucible experiments and trial series with a medium scale rotary kiln using different SSAs and alkali phosphates. The effects of operational parameters such as the temperature and the retention time were investigated as well as concurring side reactions of the alkali compounds e.g. with SiO2 present in SSA. The alkali/P ratio must be roughly adjusted at 2 to achieve 100% PNAC-solubility for a common type of SSA. A demonstration trial with an output of 2 t recycling fertilizer was carried out in an industrial rotary kiln (product output 30 kg/h). The PNAC-solubility of the product varied between 60% and 80% during the 4 days campaign showing that the transformation of the mineral P-phases to calcium alkali phosphates was not complete. This was observed although the amount of Na2SO4 additive was dosed according to the results of the pre-investigations. Structure analysis by XRD showed that besides the target compound CaNaSO4 also some Ca3(PO4)2 remained in the SSA as well as some unreacted Na2SO4 additive. Obviously, the conditions in the industrial rotary kiln were not optimal for the process showing that some process aspects have to be reconsidered for the scale-up.
Pot experiments are often performed to analyze the plant-availability of phosphorus (P) in P-fertilizers. However, these experiments do not determine the P compounds present in the soil which are responsible for the yield increase. In order to better understand the results of pot experiments we analyzed the soils by P K-edge X-ray absorption near-edge structure (XANES) spectroscopy to determine the P species and unravel transformation processes. We carried out pot experiments with maize testing different waste water derived recycling P-fertilizers on an acidic and a neutral soil. Soils samples before sowing and after harvest were collected and prepared for analysis. A combination of macro- and µ-XANES spectroscopy was used to determine the chemical state of the overall soil P and to identify P compounds in P-rich spots localized by micro-X-ray fluorescence (µ-XRF). P K-edge macro-XANES spectroscopy detected organic P and/or P sorbed onto organic matter or other substrates in the unfertilized and fertilized soils. In addition, µ-XRF mapping in combination with P K-edge µ-XANES spectroscopy evidenced that some P phases present in recycling P-fertilizers (magnesium phosphate and calcium sodium phosphate) react with co-fertilized ammonium nitrate and form highly plant-available ammonium phosphates in the soil. In opposite, apatites were not affected by the presence of ammonium. Thus, for a boost of the plant-availability of P in recycling P-fertilizers these fertilizers should be directly co-fertilized with nitrogen (N) sources that contain a high amount of ammonium instead of nitrate. Possibly, a specific preparation of NP-fertilizers by granulation of recycling P-fertilizers with ammonium compounds and a nitrification inhibitor could enhance the plant-availability of the produced fertilizer whereby they become more competitive to commercially available NP-fertilizers based on phosphate rock.
Phosphorrecycling sollte nicht isoliert praktiziert werden, sondern im Kontext der spezifischen Abwasserbehandlung und der Betrachtung weiterer Nährstoffe wie Stickstoff und Kalium.
Hohe Rückgewinnungsquoten um jeden Preis sind nicht immer zielführend und u.U. sogar schädlich für die Kreislaufwirtschaft. Es sollte eine Kombination verschiedener Ansätze je nach vorhandener Infrastruktur verfolgt werden. Fällungsverfahren (Struvit) sind geeignet kostengünstig kleine Mengen Phosphor zurückzugewinnen. Für ein umfassendes P-Recycling muss die Rückgewinnung aus der Asche erfolgen.
Complete Survey of German Sewage Sludge Ashes - Phosphorous and Technology Metal Recovery Potential
(2014)
There is a growing concern of the direct use of contaminated sewage sludge in agriculture due possible environmental and health hazards. Thus, incineration of the sludge and thus increasing amounts of sewage sludge ashes (SSA) are to be expected in the future. SSA contains considerable amounts of phosphorus (P) and technology metals that might be recovered as secondary raw materials. Since the EU for instance depends completely on the import of rock phosphate needed for fertilizer production, alternative sources for P are in order. Furthermore, rock phosphate is often contaminated with heavy metals like Cd and U, leading to health and environmental hazards. P recovered from SSA might diminish these problems. To determine the possible recovery potential of P and technology metals from SSA, we conducted a survey of German mono incineration facilities and analyzed the respective SSA for their elemental composition. More than 95% of the emerging SSA was monitored. Results indicate a P recovery potential of 18,000 t/a (up to 13% of the annual P demands for fertilizer production). The concentrations of Cd and U in SSA are one to two Orders of magnitude lower than in rock phosphate and could help to reduce possible hazards.
Phosphorus recycling from sewage sludge ash and meat and bone meal by thermochemical treatment
(2009)
Phosphorus can be recycled by thermochemical treatment of sewage sludge ashes using a chlorine-donor at
1000°C. Heavy metals in the sewage sludge ashes are removed and the phosphorus of the developing
phosphate-phases is characterised by a high bioavailability.
The separated heavy metals can be post-treated for recycling purposes. The P-content in the product can be
increased by addition of meat and bone meal into the thermochemical process introducing process energy at the
same time. However, first investigations showed that the elimination rates of heavy metals and the P-solubility in
citric acid decreased if meat and bone meal ash (MBMA) was added to sewage sludge ash before
thermochemical treatment.
Recovery of rare earth elements - optimized elemental analysis of fluorescent lamp shredder waste
(2016)
Rare earth elements (REE) are a crucial component of fluorescence lamps. Several procedures have been developed to recovery these technological important elements. Nevertheless, actual REE recycling from fluorescence lamps is scarce so far (recovery rate of less than 1 %), with current recycling approaches concentrating on glass recovery. Since most recycling processes include several, also wet-chemical steps, a complete knowledge of the actual elemental composition of the respective mass flows is necessary for an efficient REE recovery. We tested seven different reagent mixtures for microwave-assisted digestion of fluorescent lamp shredder, including HF, HClO4, and H2O2. We determined the concentrations of 25 of the most relevant rare earth and other trace elements in the respective dilutions. Two independent digestions, one a mixture of perchlorid/nitric/hydrofluoric acid and the other aqua regia, showed the highest concentrations of 23 of these elements, excluding only Sn and Tb. The REE concentrations in the tested lamp shredder sample (stated in g/kg) were 10.2 (Y), 12.1 (La), 7.77 (Ce), 6.91 (Eu), 1.90 (Gd), and 4.11 (Tb).
Die europäische Kommission (Generaldirektion Unternehmen und Industrie) hat kürzlich die Auswirkungen einer harmonisierten europäischen Düngemittelverordnung, einschließlich der technischen Durchführbarkeit und den umweltbezogenen, wirtschaftlichen und sozialen Auswirkungen einer solchen Gesetzgebung untersuchen lassen. Basierend auf diesen Ergebnissen soll nun die EU-Düngemittelverordnung (EG) 2003/2003 revidiert werden. Neben der Vielzahl von bestehenden und neuen Düngemitteltypen wie z.B. Phosphor-Recyclingdüngern soll die neue Verordnung auch organische Düngemittel und somit Matrices wie Klärschlamm, Gärrückstände und Wirtschaftsdünger regeln. Dies bedeutet, dass Parameter und Grenzwerte, die bisher in verschiedenen Verordnungen für verschiedene Matrices geregelt wurden, künftig gemeinschaftlich geregelt werden (Klärschlamm, Düngemittel) und weitere Matrices zusätzlich geregelt werden müssen (Phosphor-Recycling-Produkte, Produkte aus Klärschlamm/-aschen).
Resultierend aus den aktuellen nationalen Entwicklungen insbesondere bezüglich des Ausstiegs aus der landwirtschaftlichen Klärschlammverwertung und im Hinblick auf die Bestrebungen hinsichtlich der Schonung natürlicher Ressourcen (z.B. ProgRess) ist zu erwarten, dass die Anzahl an Düngemitteln, die aus Recyclingmaterialien gewonnen werden, stark zunehmen wird. Recyclingdünger aus dem Stoffstrom Klärschlamm- bzw. Klärschlammasche werden zukünftig einen großen Anteil an diesen neuen Produkten ausmachen.
Vor den angeführten Hintergründen ist es notwendig relevante und insbesondere bereits genormte Verfahren hinsichtlich ihrer Anwendbarkeit auf z.B. Klärschlamm/-aschen und daraus gewonnenen Recycling-Düngern sowie auf kommerzielle P-Düngemittel zu prüfen.
Vor diesem Hintergrund wurde die BAM (FB 4.4) vom UBA mit einer Untersuchung beauftragt:
UFOPLAN FKZ: 3714263200
„Untersuchung der Anwendbarkeit der im Rahmen des CEN-Projekts HORIZONTAL entwickelten Analyseverfahren auf Düngemittel und Klärschlamm/ -aschen“
Laufzeit: 01.07.2014 – 31.01.2017
Die Reduktion von Metalloxiden zum Metall in einer schmelzflüssigen mineralischen Matrix stellt die Grundlage vieler metallurgischer Verfahren dar.
Eine Prozessoptimierung und -kontrolle setzt allerdings die genaue Kenntnis der chemischen Zusammensetzung der Schmelze voraus.
Im Beitrag wird LIBS als Methode zur Online-Analyse von Hochtemperaturschmelzen vorgestellt.
Concrete is one of the most widely used construction materials and, accordingly, the concrete industry is an important stakeholder in the field of sustainable construction. Therefore various approaches have been implemented to increase the sustainability of concrete. Besides reducing CO2-emissions during cement production, increasing the energy efficiency of buildings and extending their life span, the end-of-life performance of concrete is also an essential aspect of sustainability. Reusing concrete as a secondary building material meets the requirements of sustainability in several ways: the extended time availability of primary raw materials and, thereby, the protection of natural resources as well as conserving landfill site. Furthermore, the production of recycled concrete aggregates (RCA) is a good example for closed-loop recycling.
However, regarding the use of RCA as a substitute for natural aggregates in concrete, attention must be paid to all issues of sustainability: this means that environmental, economic and social aspects have to be considered. Since RCA generally have inferior building material properties, such as higher porosity and lower density, the implementation of closed-loop recycling of concrete only makes sense if the technical quality assurance is secured. This paper focusses on the implementation of techniques for the deconstruction/demolition of buildings and the subsequent treatment of concrete rubble in order to improve the building material properties of RCA with regard to the requirements of sustainability and also technical rules and standards.
Concrete is one of the most widely used construction materials and, accordingly, the concrete industry is an important stakeholder in the field of sustainable construction. Therefore various approaches have been implemented to increase the sustainability of concrete. Besides reducing CO2-emissions during cement production, increasing the energy efficiency of buildings and extending their life span, the end-of-life performance of concrete is also an essential aspect of sustainability. Reusing concrete as a secondary building material meets the requirements of sustainability in several ways: the extended time availability of primary raw materials and, thereby, the protection of natural resources as well as conserving landfill site. Furthermore, the production of recycled concrete aggregates (RCA) is a good example for closed-loop recycling.
However, regarding the use of RCA as a substitute for natural aggregates in concrete, attention must be paid to all issues of sustainability: this means that environmental, economic and social aspects have to be considered. Since RCA generally have inferior building material properties, such as higher porosity and lower density, the implementation of closed-loop recycling of concrete only makes sense if the technical quality assurance is secured. This paper focusses on the implementation of techniques for the deconstruction/demolition of buildings and the subsequent treatment of concrete rubble in order to improve the building material properties of RCA with regard to the requirements of sustainability and also technical rules and standards.
Due to the large quantities of construction and demolition waste (CDW) in Europe, its reuse or recycling is of particular importance. Although several countries already recycle high amounts of CDW, the use as secondary raw materials is often limited by inferior building material properties. Specific characteristics, like high porosity and low density are caused by hardened cement paste in crushed concrete and the content of mortar and plaster in brick debris. Impurities like wood or gypsum and also harmful substances like organic pollutants may be a major problem for a reuse and should be minimized. Therefore unwanted materials and impairing substances have to be separated from the secondary building material stream. This can be done during the demolition process by using techniques for selective dismantling or during the subsequent treatment of the resulting rubble. Since almost all processing steps are associated with environmental impacts, the benefits of saving natural resources by applying secondary building materials should be weighed carefully. An environmental performance evaluation was undertaken to assess different techniques for reducing gypsum in recycled concrete aggregates, aiming at a minimization of elutable sulfates. These results were compared to the environmental impacts of the extraction of natural aggregates for concrete.
Phosphorus (P) is essential for all forms of life and cannot be substituted. It is one of the macro nutrients applied in form of mineral or organic fertilizers in agricultural crop production. Mineral P fertilizers are generally based on phosphate rock, a limited resource. Western Europe completely depends on imports as it has no own relevant phosphate mines. The most abundant phosphate deposits are located only in a few countries such as Morocco, China, South Africa and the United States of America. Furthermore, phosphate rock and as a consequence mineral P fertilizers are often contaminated with the toxic elements cadmium and uranium. In Order to substitute phosphate rock P-bearing waste streams are investigated for their potential to be recyded as fertilizers. Wastewater is one of the important P-bearing waste streams that were in the focus of research in the last 10 years. German wastewater is e.g. a carrier of approx. 70,000 t of phosphorus per year.
This report gives technological information about processes for the recovery of phosphorus from sewage sludge ash including mass- and energy balance, process conditions and product quality.
The information in this report aim at giving an overview on different concepts for the recovery of phosphorus from sewage sludge ash and are intended to allow a general qualitative comparison between the different technical approaches. This report also describes the technological backgrounds of the processes that were furthermore investigated by life cycle assessment (LCA) and life cycle cost (LCC) analysis. However, most process data stated in this report are site specific data. The LCA/LCC study includes the definition of a common base line for all processes, detailed process modeling and plausibility assessments. Results of the LCA/LCC-studies are reported in deliverables D9.2 und D10.1.
Phosphorous is essential for all living creatures and indispensable in its functions regarding bone structure, energy metabolism, and storage and expression of genetic information. It is removed from the soils through farming and husbandry and has to be replaced. Annually, more than 17 million tons of phosphorous are applied to soils in the form of mineral fertilizer worldwide (Killiches, 2013). In Germany, this accounts for 150,000 t/a. This fertilizer is produced from rock phosphate, which is often contaminated with heavy metals (Dissanayake et al., 2009), especially cadmium and uranium. Cd concentrations are around 30 mg/kg, U around 100 mg/kg, with even higher peak values. Since rock phosphate is treated with acids to make the phosphorous bioavailable, those heavy metals were also mobilized. When the fertilizer is applied to the farmland, the contaminants can pollute the soil and pose an environmental risk. Sewage sludge is another phosphorous source for farming. In Germany, 15,000 t/a phosphorous are applied to farmlands this way. However, there is a growing concern of possible environmental hazards since sewage sludge contains not only inorganic contaminants but also organic pollutants, especially pharmaceuticals and personal care products (Guardia et al., 2004).
Phosphorus fertilizer from sewage sludge ashes by thermochemical treatment - Benefits and challenges
(2015)
Mineral phosphorus (P) fertilizers are solely produced from phosphate rock. Europe completely depends on imports since there are no relevant phosphate rock deposits on the continent. Furthermore, phosphate rock is contaminated with heavy metals such as Cd and U that pollute the farmlands and pose environmental risks. Sewage sludge ash (SSA) might be a promising source for recycling fertilizer since it contains large amounts of P (up to 13 %). However, fertilizer from SSA has to comply with the respective ordinances, particularly the heavy metal limit values stated in the fertilizer ordinance, and requires sufficient P bioavailability. Thus, we conducted a complete survey of SSA from German mono-incineration facilities and developed a thermochemical treatment for SSA to reduce toxic elements and increase P bioavailability.