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Phosphor ist ein für alle Lebewesen essentielles Element und in seinen Funktionen nicht zu ersetzen. Der Bedarf wird aus der Nahrung gedeckt, daher wird Phosphor letztendlich durch Ackerbau den Böden entzogen. Der Nährstoff muss ersetzt werden, um dauerhafte Landwirtschaft zu ermöglichen. Das geschieht zum einen durch den Einsatz von Wirtschaftsdüngern, aber zu einem großen Teil auch durch Mineraldünger. Das hierfür benötigte Rohphosphat wird bergmännisch aus fossilen Lagerstätten gewonnen. Die entsprechende Reichweite wird auf über 300 Jahre geschätzt. Daher besteht zwar keine unmittelbare Gefahr, dass dieser lebenswichtige Nährstoff zu Neige geht, es bestehen jedoch erhebliche Versorgungsrisiken. Zum einen ist Europa nahezu vollständig von Importen abhängig und damit auch Schwankungen der Weltmarktpreise ausgesetzt. Darüber hinaus liegen Förderung und Reserven von Rohphosphaten entweder in Ländern mit hohem Eigenbedarf (USA, China) oder in politisch instabilen Regionen (Marokko, West Sahara). Außerdem sind viele Rohphosphate mit Schwermetallen wie Uran, Thorium und Cadmium belastet. Das Umweltbundesamt schätzt, dass jährlich mehr als 160 t Uran durch Mineraldünger auf deutsche Ackerflächen ausgebracht werden. Rückgewinnung von Phosphor könnte helfen, diese Probleme zu reduzieren. Ein bedeutendes Potential dafür stellt der Abwasserstrom dar. Die Menge an Phosphor darin wird deutschlandweit auf etwa 70.000 t jährlich geschätzt. Das entspricht etwa der Hälfte der Menge an Phosphor, die derzeit für Mineraldünger benötigt wird. Der Vortrag würde sich mit möglichen Prozessen der Rückgewinnung, deren Wirtschaftlichkeit und Herausforderungen der Analytik befassen:
- in den letzten Jahren wurden zahlreiche Verfahren zur Rückgewinnung von Phosphor aus verschiedensten Phasen der Abwasserreinigung entwickelt (wässrige Phase, Klärschlamm, Klärschlammasche). Ausgewählte Verfahren würden vorgestellt und bewertet.
- für einen Einsatz der so gewonnenen Recyclingphosphate als Düngemittel muss die Schadstofffreiheit und Pflanzenverfügbarkeit der Nährstoffe sichergestellt werden. Dazu ist zu prüfen, ob die zurzeit gängigen Verfahren der Probenvorbereitung und Analytik auch auf Recyclingphosphate anwendbar sind. Das gilt neben der Bioverfügbarkeit von Phosphor besonders für Schadstoffe, da die Recyclingdünger aus Abfallmaterialien gewonnen werden, die stark belastet sein können. Das gilt besonders für die speziesspezifische Analytik von Chrom (Chrom (VI) vs. Chrom (III)) in verschiedenen Matrices.
The annual demand of phosphorus (P) for fertilizer use is more than 550,000 t in Germany. Several of the input streams like mineral fertilizer produced from phosphate rock or sewage sludge are problematic due to contamination with heavy metals and organic pollutants and/or supply risks. Phosphorus recovery from the wastewater stream might help to diminish these problems. Several procedures have been developed to recover P from either sewage sludge ash (SSA) or wastewater via precipitation or crystallization as struvite. This study determined the elemental composition and trace metal mass fractions of 252 SSA samples and 17 struvite samples from wastewater treatment plants (WWTP) to see whether there are differences related to the source of the sludge (municipal/industrial) or the stage of the WWTP where the struvite is produced. Results indicated that there is no clear trend of the elemental mass fractions related to the source of the sludge. All struvite samples show very low heavy metal contents, even though the struvite precipitated from the sludge shows slightly elevated heavy metal mass fractions compared to struvite crystallized from sludge liquor. Struvite is a clean and plant available material for fertilizer production from wastewater streams and has some advantages for the wastewater treatment plant. However, since the P recovery rate of struvite processes is low (7–11%) compared to that from SSA processes (90%), recovery from SSA is necessary for a substantial P recovery from the wastewater stream.
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).
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).
Phosphorus is essential for all animate beings and not replaceable in its functions. Recovered phosphorus from secondary sources is expected gain importance in the future due to supply risks and environmental concerns regarding fossil phosphate rock, the single source of phosphorus so far. Existing regulations, standards, and analytical methods are basically configured for well-established organic and mineral fertilizer but not for the emerging recycling products. Consequently, the respective procedures have to be adapted, especially in terms of matrix effects and so far not regulated pollutants like uranium and emerging pollutants of concern.
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