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Organisationseinheit der BAM
- 4 Material und Umwelt (93)
- 4.3 Schadstofftransfer und Umwelttechnologien (93)
- 1 Analytische Chemie; Referenzmaterialien (6)
- 1.7 Organische Spuren- und Lebensmittelanalytik (4)
- 1.8 Umweltanalytik (3)
- 1.1 Anorganische Spurenanalytik (2)
- 5 Werkstofftechnik (2)
- 3 Gefahrgutumschließungen; Energiespeicher (1)
- 3.1 Sicherheit von Gefahrgutverpackungen und Batterien (1)
- 4.1 Biologische Materialschädigung und Referenzorganismen (1)
Paper des Monats
- ja (3)
Eingeladener Vortrag
- nein (35)
Im Rahmen des Projekts konnte gezeigt werden, dass Geokunststoffe bei ausreichender Stabilisierung Einsatzdauern von über 100 Jahren besitzen. Es werden keine Stoffe freigesetzt, die für Wasserorganismen schädlich sind. An den Ostseestränden im Gebiet Kaliningrad werden nennenswerte Mengen von Kunststoffresten gefunden, die zum Teil aus Küstenschutzbauwerken stammen. Ursache ist hier jedoch eine verfehlte Materialauswahl. Hauptsächlich stammen die Kunststoffreste am Strand jedoch aus unsachgemäße Abfallbehandlung.
2021 marks the 10th anniversary of the first ERA.Net RUS joint call for European-Russian STI cooperation projects. Pooling the resources of more than 20 European and Russian funding agencies, more than 150 projects were funded with an estimated budget of about € 60 million.
Being even larger than many thematic ERA.NETs, the ERA.Net RUS Plus has been the biggest and most successful regional ERA.NET so far. Indicating a strong demand for scientific cooperation, the smaller-scale projects funded within the ERA.Net RUS (Plus) calls perfectly complement Russian participation in the EU Framework Programmes.
Not least of all, the ERA-Net RUS calls are examples of successful collaboration at a time when cooperation in other fields is complicated by the politically challenging situation. These calls contributed to keeping the communication channels open.
Against this background a dedicated event in late 2021 highlighted what has been achieved within the first decade of the initiative. The project EI-GEO coordinated by BAM was selected as best practice project. The presentation displays the main results of the project and discusses the key success factors.
Effective cleanup of groundwater contaminated with radionuclides using permeable reactive barriers
(2015)
The mining of natural resources always causes environmental impacts such as land use, large quantities of waste, destruction of habitat, impairment of groundwater regime, and quite possibly contamination of soil, water, or air (Dudka and Adriano 1997). The environmental impact of mining cannot be estimated easily. The concept of total material requirement (TMR) is an attempt to quantify the environmental impact of materials. TMR is the sum of domestic and imported primary natural resources and their hidden flows (Adriaanse et al. 1997). Hidden flows are often not considered in environmental analyses because they are attributed with no cost. However, overburden from mining, earth moving for construction, and soil erosion are major sources of ecological damage. From the mining of minerals to the final products, a number of process steps take place (exploration, mine site development, extraction, milling, washing, concentration, smelting, refining, fabrication), each step being connected to other input flows such as energy or other resources. The hidden flows for metals related to metal ore mining have been investigated by Halada et al. (2001). Table 9.1 lists the data for some metals, together with the data for some other minerals and fuels. The TMR in the United States in the 1990s was between 80 and 100 tonnes per capita; in the European Union (EU-15) approximately 50 tonnes per capita (Bringezu 2002).
When reusing or disposing of contaminated granular waste materials there is a need to evaluate how the contaminants will interact on the pathway soil-groundwater and the effect this interaction will have on the surrounding environment. While column testing can provide a closer approximation to field percolation conditions than batch testing, there is still a need to develop column testing procedures that consider the requirements of practical testing time frames. This study evaluates the effect of different column contact times (2.5, 5, and 16 h) on the release of inorganic constituents from bottom ash and demolition waste, two commonly reused granular materials. Leaching data for representative constituents of concern, such as copper, chromium, sulfate and chloride, as well as pH and electrical conductivity was compared for all different contact times studied.
Results for the materials investigated in this study showed that variations in contact time have no significant effect on the release of the selected constituents and leaching parameters at low liquid to solid ratios. However, after a liquid to solid ratio of 1 L/kg, the effect is more noticeable, and higher contact times show lower pH values as well as a reduction in the release of constituents of concern from bottom ash. In the case of demolition waste, the variation of contact time did not have a strong effect on the leaching behavior.
Direct and indirect effects (DIERec) of the recovery of secondary resources are in the range of 500 million tonnes per year in Germany; energy savings are 1.4 million TJ. These savings are between 10 and 20% of the total. The effects of materials recovery exceed those of energy recovery by far with the exception of secondary plastic material where DIERec from energy recovery is higher by factor of 2.7. Untapped potential for the recovery of secondary resources exist in the fine fraction of bottom ash from municipal solid waste incineration, mainly Cu and precious metals and in urban mining.
Um den Erfordernissen des Grundwasser- und Bodenschutzes zu entsprechen ist die Kenntnis des Elutionsverhaltens von Abfall- und Bodenmaterialien erforderlich, wenn diese z.B. zur Verwertung im Straßen- oder Landschaftsbau vorgesehen sind. Im Zusammenhang mit der Novellierung der Bundes-Bodenschutzverordnung und der Einführung der Ersatzbaustoffverordnung sowie in Auswertung der Ergebnisse des BMBF-Verbundvorhabens „Sickerwasserprognose“ wurden vom DIN-Normenaus-schuss Wasserwesen, Unterausschuss „Eluierungsverfahren“ zwei Verfahren zur Elution von Fest-stoffen erarbeitet, die im Oktober 2007 als Entwürfe veröffentlicht wurden. Dabei handelt es sich um ein Säulenperkolationsverfahren zur gemeinsamen Untersuchung des Elutionsverhaltens von orga-nischen und anorganischen Stoffen (E DIN 19528) und ein Schüttelverfahren mit einem Wasser-/ Feststoff-Verhältnis (W/F) von 2 l/kg zur Untersuchung der Elution von anorganischen Stoffen (E DIN 19529). Beide Verfahren sind für Bodenmaterialien und mineralische Abfälle mit einer Korngröße bis 32 mm vorgesehen.
Für Normen die in Verordnungen zitiert werden sollen, ist eine Verfahrensvalidierung erforderlich. Im Rahmen dieses Vorhabens waren die Verfahrenskenndaten auf der Grundlage von Ringversuchen zu ermitteln. Zunächst wurden vier für die Verordnungen relevante Materialien (Hausmüllverbrennungs-asche, Recyclingbaustoff, Bodenmaterial, Stahlwerksschlacke) als Referenzmaterialien (RM) aufberei-tet. Die zu analysierenden Parameter wurden unter Berücksichtigung der Regelungsrelevanz in Abstimmung mit dem Auftraggeber ausgewählt. Die RM wurden gemeinsam mit Referenzlösungen an die 53 Teilnehmer der Ringversuche ausgegeben. Die statistische Auswertung der Ringversuchsergebnisse erfolgte nach DIN 38402-42, wobei der Gesamtmittelwert aller Teilneh-mer als Sollwert herangezogen wurde.
Es konnte gezeigt werden, dass akzeptable Reproduzierbarkeiten für organische und anorganische Schadstoffe durch geeignete Vorgaben sowohl für Schütteltests als auch für Säulenversuche erzielt werden können. Dies gilt insbesondere unter Berücksichtigung des breiten Korngrößenspektrums der RM, der relativ hohen zugelassenen Toleranzen für das W/F bei den Säulenversuchen und des kurzen Bekanntheitsgrades der Normenentwürfe.
Die ermittelten Verfahrenskenndaten finden Eingang in die abschließende Bearbeitung der Normen.
In this study, we compare combustion ion chromatography (CIC) and high resolution-continuum source-graphite furnace molecular absorption spectrometry (HR-CS-GFMAS) with respect to their applicability for determining organically Bound fluorine sum parameters. Extractable (EOF) and adsorbable (AOF) organically bound fluorine as well as total fluorine (TF) were measured in samples fromriver Spree in Berlin, Germany, to reveal the advantages and disadvantages of the two techniques used as well as the two established fluorine sum Parameters AOF and EOF. TF concentrations determined via HR-CS-GFMAS and CIC were comparable between 148 and 270 μg/L. On average, AOF concentrations were higher than EOF concentrations, with AOF making up 0.14–0.81% of TF (determined using CIC) and EOF 0.04–0.28% of TF (determined using HR-CSGFMAS).
The results obtained by the two independent methods were in good agreement. It turned out that HR-CS-GFMAS is a more sensitive and precise method for fluorine analysis compared to CIC. EOF and AOF are comparable tools in Risk evaluation for the emerging pollutants per- and polyfluorinated alkyl substances; however, EOF is much faster to conduct.
Detektion, Quantifizierung und Entfernung von insbesondere ultrakurzkettigen PFAS in Grundwasser
(2024)
Da PFAS in großem Umfang in einer Vielzahl von Produkten verwendet wurde, sind sie im Grundwasser in der Nähe vieler industrieller und militärischer Anlagen weltweit zu finden. Darüber hinaus führten neue Vorschriften und Beschränkungen für die Verwendung von langkettigen PFAS zu einer vermehrten Produktion kurzkettiger Alternativen. Ultrakurzkettige PFAS (≥C3) können natürliche und anthropogene Barrieren durchdringen und schließlich in Trinkwasserquellen gelangen. Zudem entfernen die meisten gängigen Trinkwasser-aufbereitungsverfahren die ultrakurzkettigen PFAS nicht ausreichend. Im Kooperationsprojekt DEFEAT-PFAS wird daher das Ziel verfolgt, Wissenslücken über Nachweis, Quantifizierung und Entfernung von kurz- (C4-C7) und ultrakurzkettige (C1-C3) PFAS, in kontaminiertem Grundwasser zu schließen. Die israelischen und deutschen Projektpartner entwickeln dafür analytische Methoden and selektive Passivsammler, um das zeitliche Profil von PFAS-Spezies im Grundwasser zu erfassen und überwachen. Darüber hinaus ein zweistufiges Verfahren entwickelt, welches darauf ausgelegt ist, die relativ niedrigen PFAS-Konzentrationen im Grundwasser durch neuartige Membranverfahren, Umkehrosmose im Batchbetrieb mit geschlossenem Kreislauf sowie Verbund-Nanofiltrationsmembranen, zu konzentrieren. Anschließend werden die PFAS angereicherten Konzentrate mittels Koagulation behandelt und das verbleibende PFAS an kohlenstoffhaltigen Nanomaterialien adsorbiert.
Deponien im Jahr 2020
(2001)
Geosynthetics are widely used in hydraulic engineering and within coastal protection constructions at the Baltic Sea shore, such as walls, promenades, and gabions walls. Storms influence leads to deformation of some of the protection structures and cause the release of geotextiles onto the beach. Fragments of geotextile migrate along the shore, experiencing additional degradation and destruction down to macro-, meso-, and micro-particles. During October 2017 - March 2018, the Baltic Sea shore along the Sambia Peninsula (Kaliningrad Oblast of the Russian Federation) was monitored to establish the contamination of sandy beaches by geotextiles that had degraded. Several local sources of pollution of beaches by geosynthetic materials were established.
The database gives information on the contamination of the shore of the South-Eastern Baltic with the debris of geosynthetic materials for the period 2018–2020. This new type of coastal pollution enters the natural environment due to the destruction of coastal protection structures and construction activities. The database contains sections:
(1) a list of types of geosynthetic material residues, their photographic images and photographs illustrating examples of finds in natural conditions
[1 List_geosynthetic_debris_SEB],
(2) monitoring data on the contamination of the beach strip with the debris of geotextiles, braids from gabions, geocontainers (big bags), geocells and geogrids for the beaches of the South-Eastern Baltic for the period 2018–2020
[2 Monitoring_geosynthetic_debris_SEB];
(3) statistical distributions of the found geosynthetic debris by size
[3 Scales_geosynthetic_debris_SEB] and (4) results of test surveys on the shores of Lithuania and Poland adjacent to Kaliningrad Oblast.
All data refer to the beaches of the Kaliningrad Oblast (Russia), including the Russian parts of the Vistula and Curonian Spits, but also contains information on a one-time assessment of the pollution of the beaches of the adjacent territories: the Polish shore from the Poland-Russia border on the Vistula Spit to the mouth of the Vistula River, the Lithuanian shore from the border Lithuania-Russia on the Curonian Spit to the border of Latvia-Lithuania. Materials were collected during field surveys within the ERANET-RUS_Plus joint project EI-GEO, ID 212 (RFBR 18-55-76002 ERA_a, BMBF 01DJ18005).
Im Rahmen des Projekts wurde 1.) eine vollständige Bewertung des Stands der Technik in der EU bei der Behandlung von Rostasche vorgenommen und 2.) eine Optimierung der Nutzung der Feinfraktion in Labor- und Feldmaßstab untersucht.
Das Konsortium bestand aus zwei Universitäten aus Deutschland und Italien, der BAM als Forschungseinrichtung des Bundes und zwei Industriepartnern aus Deutschland und Schweden mit unterschiedlichen und spezifischen Fachkompetenzen.
Im Vortrag werden die Ergebnisse des weitgehend abgeschlossenen Projekts BASH-TREAT vorgestellt.
The article “Determination of organically bound fluorine sum parameters in river water samples - Comparison of combustion ion chromatography (CIC) and high resolution-continuum source-graphite furnace molecular absorption spectrometry (HR-CS-GFMAS)” was originally published Online First without Open Access. After publication in volume 413, issue 1, page 103–115 of the journal “Analytical and bioanalytical chemistry”, the authors decided to opt for Open Choice and to make the article an Open Access publication. Therefore, the copyright of the article has been changed to © The Author(s) 2021 and the article is forthwith distributed under the terms of the Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Recycled plastic granules of high-density polyethylene, polyvinyl chloride and polystyrene the size of microplastics were exposed to artificial aging conditions (2000 h; photooxidative and thermo-oxidative) to simulate their fate outdoors. Their potential to leach into water during the aging process was investigated using column percolation tests.
Aging-related changes on the surface of the material were characterised by IR measurements indicating oxidation reactions with the formation of new adsorption bands (C=O, C–O and OH), especially in the case of photooxidative aging.
These findings were confirmed by the identification of leachable organic compounds. Leaching of total organic carbon, Cl, Ca, Cu and Zn is clearly affected by changes due to aging, and their release is increased after photooxidative aging.
In general, exposure to photooxidative conditions shows a greater influence on aging and thus on leaching and seems to be the more important mechanism for the aging of microplastic in the environment. Comparison with the total content of inorganic species revealed that, for most elements, less than 3% of the total content is released after 2000 h of photooxidative aging.
Stir bar sorptive extraction (SBSE) and solid phase microextraction (SPME) are well-established sample preparation methods for the analysis of polycyclic aromatic hydrocarbons in aqueous samples. However, complex matrices especially characterized by slurry particles and dissolved organic matter (DOM) can hamper the extraction of PAH with both SBSE and SPME and lead to different results. Thus, we produced aqueous eluates from PAH-contaminated soils differing in particle size distribution and organic matter content and determined the PAH concentration in the eluates with both SBSE and SPME. Furthermore, we tested the influence of filtration on the PAH analysis. The excess finding of PAH with SBSE compared to SPME ranged from −16.6 to 24.5 %. The differences increased after filtration. We found a strong positive correlation of the excess finding to the total organic carbon content (TOC) and a negative one to the pH value. The results indicate that SBSE is less affected by complex matrices than SPME.
Das mechanische Recycling von Kunststoffen ist seit Jahren großtechnisch etabliert, hat aber technische und ökonomische Grenzen. Durch Verfahren des chemischen Recyclings gelangt man zurück zu Monomeren oder den Rohstoffen, so dass am Ende wieder Neuware für alle Einsatzgebiete von Kunststoffen entsteht. Die Vielfalt von chemischen Recyclingverfahren ist groß. Die Kapazitäten der Anlagen sind heute noch gering und die Wirtschaftlichkeit wird stark vom Ölpreis beeinflusst.
Die Rentabilitätsgrenze liegt derzeit bei einem Preis zwischen 50 und 60 US-$ pro Barrel.
Industrial-scale mechanical recycling of plastics has been established for years, but has technical and economic limits. Chemical recycling processes lead back to monomers or to the raw materials, so that in the end new goods can be produced for all areas of application of plastics. The variety of chemical recycling processes is large. The capacities of the plants are still low today. The profitability of the plants is strongly influenced by the price of oil; the profitability limit is currently between 50 and 60 US $ per barrel.
The most massive design on the Baltic shore used geosynthetic materials, the landslide protection construction in Svetlogorsk (1300 m long, 90,000 m2 area, South-Eastern Baltic, Kaliningrad Oblast, Russian Federation) comprises the geotextile and the erosion control geomat coating the open-air cliff slopes. Due to changes in elastic properties during long-term use in the open air, as well as due to its huge size, this structure can become a non-negligible source of microplastic pollution in the Baltic Sea. Weather conditions affected the functioning of the structure, so it was assessed that geosynthetic materials used in this outdoor (open-air) operation in coastal protection structures degraded over time. Samples taken at points with different ambient conditions (groundwater outlet; arid places; exposure to the direct sun; grass cover; under landslide) were tested on crystallinity and strain at break. Tests showed a 39–85% loss of elasticity of the polymer filaments after 3 years of use under natural conditions. Specimens exposed to sunlight are less elastic and more prone to fail, but not as much as samples taken from shaded areas in the grass and under the landslide, which were the most brittle.
Half of global material consumption involves mineral material. The circularity is still low so that the enhanced use of secondary building material is required to close loops. Three different secondary building materials are discussed based on exemplary research results: construction and demolition waste (C&D waste), soil-like material, and incineration bottom ash (IBA). Focus was placed on the environmental compatibility of the materials examined mainly by standardized leaching tests. C&D waste was investigated after a wet treatment using a jigging machine, and soil-like material and IBA were characterized with respect to their material composition. Their environmental compatibilities in particular were studied using standard leaching tests (batch tests and column tests).
It was concluded that soil-like material can mostly be utilized even when the precautionary limit values set are exceeded by a factor of less than two. For C&D waste, the fine fraction below 2 mm and the content of brick material is problematic. IBA fulfills quality level “HMVA-2” following German regulations. Improved levels of utilization might be achievable with better treatment technologies.
In Germany, about 60 million tons of demolition waste are generated annually. Approximately 70% of the demolition waste is currently recycled. Most recycling applications, for example in roadbed substructures, can be seen as a kind of downcycling. However, there are also some high-level applications for demolition waste. For instance, crushed and sieved concrete demolition waste can be used as concrete aggregate instead of natural materials. Depending on the crushing process, about a third of the broken concrete is currently concrete sand. At present, concrete sand fraction (0-4 mm) is rarely reused as a concrete aggregate. This is due to the fact that some important characteristics of crushed concrete sand are different from those of natural sand. As a result, it does not reach the standards required for aggregates. Concrete containing such aggregate is of lower quality than concrete made of natural aggregate. This paper describes an experimental investigation on the treatment of concrete sand gained from demolition waste by wet processing using a jig whereby the sand is separated by grain size and, more importantly, by density. Concrete produced with concrete sand which has been treated in this manner should have the same quality as concrete prepared with natural aggregate. Recycled sand used as aggregate substitutes natural resources and avoids disposal of waste. It has all the characteristics of an Ecomaterial. (author abst.)
Die neue VDI Richtlinie 3925 stellt Bewertungswerkzeuge vor, die es erlauben, ökologische, ökonomische und inzwischen auch soziale Aspekte und Auswirkungen verschiedener Abfallbehandlungsverfahren miteinander zu vergleichen. Die Richtlinie verfolgt das Ziel, die Anwendung von geeigneten wissenschaftlich-technischen Bewertungsmethoden auf abfallwirtschaftliche Fragen zu beschreiben. Die Methoden, deren Einsatz, Anwendung, Komplexität, Möglichkeiten und Grenzen werden anhand von Praxisbeispielen erläutert.---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
The new VDI guideline 3925 presents assessment tools for the comparison of economic, ecological and also social aspects of different waste treatment processes. Objective of the guideline is to describe the application of suitable scientific and technical assessment methods to waste management strategies. The methods, their applicability, complexity, opportunities and limits are illustrated using practical examples.
Geokunststoffe werden im Wasserbau häufig eingesetzt, beispielsweise bei Maßnahmen für den Küstenschutz oder in Ballastschichten für Windenergieanlagen. Eine zunehmende Anwendung von Geokunststoffen wird aufgrund der Ausweitung der Offshore-Windenergieerzeugung und des Schutzes auf steigende Wasserspiegel und extremere Wetterbedingungen infolge des Klimawandels beobachtet. Die Anwendung von Geokunststoffen in Wasserbauprojekten bietet zwar verschiedene wirtschaftliche und technische Vorteile, wurde jedoch kürzlich in Frage gestellt, da sich diese Materialien während ihrer Lebensdauer verschlechtern und langfristig gefährliche Auswirkungen auf die aquatische Umwelt haben können, insbesondere als Ursprung von Kunststoffabfällen oder als Quelle / Senke für Chemikalien wie Weichmacher und Stabilisatoren, die bei der Herstellung von Geokunststoffen verwendet werden, um deren Leistung zu verbessern. Der Vortrag geht auf diese Bedenken ein.
This study was undertaken to investigate the long-term performance of elemental iron as reactive material for the removal of uranium in passive groundwater remediation systems. By using 237U as a radioindicator it was possible to track the movement of the contamination front through a test column without taking samples or dismantling the apparatus. The stoichiometric ratio between uranium and iron was found to be 1:(1390±62). The reaction between iron and uranium is of pseudo first-order kinetics and the rate constant was measured to be (1.1±0.09)×10-3 s-1. These data enable the calculation of ideal lifetime for permeable reactive barriers (PRB) using iron for uranium removal neglecting hydrological factors that may impair the function of PRBs.
This study was undertaken to investigate the long-term performance of hydroxyapatite (HAP) as reactive material for the removal of uranium in passive groundwater remediation systems. 237U used as a radioindicator enabled tracking the movement of the contamination front through a test column without taking samples or dismantling the apparatus. The stoichiometric ratio between uranium and HAP was found to be 1:(487±19). Uranium removal by HAP is of pseudo first-order kinetics and the rate constant was measured to be (1.1±0.1)×10-3 s-1. HAP can sorb more than 2900 mg/kg uranium. Possible reaction pathways of uranium and HAP are discussed. The data obtained enable the calculation of ideal lifetime for permeable reactive barriers (PRB) using HAP for uranium removal neglecting hydrological factors that may impair the function of PRBs.
Behaviour of uranium in elemental iron and hydroxyapatite reactive barriers: column experiments
(2005)
Für eine detaillierte Analyse der Gefüge- und Porenstruktur weitgestufter Erdstoffe ist es notwendig, diese dreidimensional (3D) zu visualisieren und ihre Kenngrößen zu ermitteln. Dazu wurde an der BAM eine Präparationsmethode entwickelt, die es ermöglicht die Porenstruktur von Probenkörpern aus suffosiven Erdstoffen und definierten Korngrößenverteilungen über CT-Aufnahmen abzubilden. Über eine eigens dafür, in Zusammenarbeit mit dem Zuse-Institut Berlin (ZIB), entwickelte Bildanalysemethode wurden die Strukturdaten visualisiert. Aus dem Bilddatensatz konnte bereits in der Rückwärtsrechnung eine Kornverteilungslinie zur Validierung generiert und mit experimentell ermittelten Sieblinien verglichen werden. Des Weiteren wurden in Säulenexperimenten Kornumlagerungsprozesse unter der Verwendung von CT-Aufnahmen beobachtet.
Als eine weitere Möglichkeit zur Beschreibung von Gefüge- und Porenstrukturen wurden Kugelpackungen modelliert und deren Strukturdaten ermittelt. Mit einem an der HTWK entwickelten stochastisch-heuristischen Algorithmus lassen sich wirklichkeitsnahe 3D-Gefügemodelle aus kugelförmigen Feststoffpartikeln generieren. Die Kornverteilung ist dabei wählbar. Für die erstellten Gefügemodelle kann der vollständige Porengraph einschließlich der Porengrößen und Engstellen ermittelt und ausgelesen werden.
Ein an der BAM entwickelter und durch die BUW erweiterter Säulenversuch unter Verwendung systematisch veränderter Korngemische von natürlichen Gesteinskörnungen und Glaskugeln ergab weitere Aufschlüsse über die strukturbildenden Fraktionen des Korngerüstes.
Die Perkolationstheorie ist eine moderne wahrscheinlichkeitstheoretische Methode, um Fluss- und Transportvorgänge innerhalb poröser Medien zu simulieren. Über Porennetzwerkmodelle werden die komplexen Fließwege in der Porenstruktur vereinfacht abgebildet. An der BUW wurde ein 3D-Bond-Perkolationsmodell auf einem simplen kubischen Gitter realisiert, in dem die Gitterknoten die Poren und die Gitterstäbe die Porenengstellen repräsentieren. Lokale und globale Strukturveränderungen infolge Partikeltransports werden über die Analyse von Porenräumen beschrieben. Mit diesem Perkolationsmodell können Aussagen zur lokalen und globalen Strukturveränderung durch Partikeltransport in definierten Bodenvolumen abgeleitet werden. Die hergeleiteten Zusammenhänge zu den suffosiven Materialtransportbedingungen mit der Perkolationstheorie sind für homogene, isotrope und selbstähnliche Erdstoffgefüge gültig.
Die Bundesanstalt für Materialforschung und –prüfung (BAM) mit ihrem Fachbereich 4.3 Schadstofftransfer und Umwelttechnologien hat für das Verbundvorhaben „ATR - Aufschluss, Trennung und Rückgewinnung von ressourcenrelevanten Metallen aus Rückständen thermischer Prozesse mit innovativen Verfahren“ die Gesamtkoordination übernommen. Bei insgesamt neun Projektpartnern fiel folgerichtig ein nicht unwesentlicher Aufwand für Verwaltungsaufgaben an.
Insbesondere die Verzögerungen bei dem Bau der großtechnischen Anlagen im Teilprojekt B (ausführlich erläutert im Bericht für das Gesamtvorhaben) resultierten in einer Vielzahl von Folgeaufgaben.
Wissenschaftlich verfahrenstechnisches Ziel des Teilprojektes A bei der BAM war die Rückgewinnung von Metallen und metallischer Verbindungen aus speziellen, bereits teilaufbereiteten Fraktionen von Aschen aus der Hausmüllverbrennung (HMVA). Ausgangsmaterial sollten Fraktionen sein, die im Rahmen des Projektes vom Projektpartner TARTECH eco industries AG bereitgestellt werden sollten. Eigens und im Rahmen des Projektes entwickelte Hochgeschwindigkeits-Rotations-
Beschleuniger sollten die mineralischen Oberflächenverkrustungen abschlagen, die einzelnen Bestandteile trennen und so eine effizientere Sortierung mit Anschlussverfahren ermöglichen. Die Verfahren, die bei der BAM dafür zum Einsatz kamen, waren im Wesentlichen Flotation und Dichtesortierung mittels eines Zentrifugalsortierers. Der Fokus der Untersuchungen lag dabei auf der Rückgewinnung bzw. Anreicherung von Kupfer und Kupferverbindungen.
In den Rückständen thermischer Verfahren sind bedingt durch den Verbrennungsprozess Metalle sowohl in elementarer wie auch in chemisch gebundener Form enthalten. Früher wurde Eisenschrott vor allem deshalb mit Magneten abgetrennt, weil sonst die Verwertung als Baustoff erschwert war. Nichteisen-Metalle, bei Rostasche aus einer Müllverbrennungsanlage (MVA) sind dies hauptsächlich Kupfer und Aluminium, können mit der Wirbelstromtechnik abgetrennt werden. Auf diese Weise sinken auch die Gehalte an umweltrelevanten Schwermetallen. Allerdings werden die kleinen Korngrößen und die chemische gebundenen Metallen (z.B. Oxide oder Carbonate) bisher in der Aufbereitung nicht erfasst. Der Beitrag befasst sich mit den verfahrenstechnischen Potenzialen zur Erhöhung der Metallausbeute.
In 2018, the production of Municipal SolidWaste (MSW) in EU-28 reached 250.6 Mt, with the adoption of different management strategies, involving recycling (48 wt %), incineration and thermal valorization (29 wt %) and landfilling (23 wt %). This work was based on the analysis of the baseline situation of MSW management in EU-28 in 2018, considering its progress in 2008–2018, and discussed the possible improvement perspectives based on a framework involving incineration and recycling as the only possible alternatives, specifically evaluating the capability of already-existing incineration plants to fulfill the EU needs in the proposed framework. The results of the assessment showed two main crucial issues that could play a pivotal role in the achievement of Circular Economy action plan targets: the need to increase the recycling quotas for specific MSW fractions through the separate collection, and therefore the improvement of definite treatment process chains; the optimization of the recovery of secondary raw materials from incineration bottom ash, involving the Recycling of ferrous and nonferrous metals and the mineral fraction. Both issues need to find an extensive application across all member states to decrease the actual differences in the adoption of sustainable MSW management options.
The long-term leaching behavior of incineration bottom ash (IBA) was studied with large-scale samples from two German waste incinerators with grate technology. The observation period was up to 281 days. The aging processes proceeded faster in the outdoor storage of the samples. The dominant factor in the leaching behavior is the pH, which starts at values above 12 and decreases to values below 10 (outdoors, <11 indoors). Most heavy metals exhibit minimum solubility in this pH range. The solubility of Sb depends on the prevailing Ca concentration, due to the formation of low-soluble Ca antimonate. The very low sulfate concentrations observed in the leaching tests with fresh IBA could be explained by the presence of ettringite. In the course of the aging reaction, ettringite is transformed into gypsum. The results from batch tests were compared with those from column tests, showing reasonable agreement. Leaching dynamics can be better followed with column tests. All results confirm that the use of IBA is possible under German law.
Aschen und Schlacken und aus der Abfallverbrennung, chemische und mineralogische Zusammensetzung
(2022)
Aschen und Schlacken sind mengenmäßig der wichtigste Reststoffstrom in der thermischen Abfallbehandlung. Die enthaltenen elementaren Metalle werden mit gängigen Verfahren abgetrennt und einer Verwertung als Sekundärrohstoff zugeführt. Durch die chemische und mineralogische Zusammensetzung der mineralischen Fraktion wird das Umweltverhalten sowie die abfallrechtliche Einstufung bestimmt. Methoden zur Ermittlung der Einstufung werden vorgestellt. Das Löslichkeitsverhalten von Schwermetallen in gealterten Aschen hängt meist vom pH-Wert in den standardisierten Auslaugtests ab. Das davon abweichende Verhalten von Antimon wird detailliert beschrieben.
In Deutschland fallen aktuell pro Jahr über 5 Mio. Tonnen Hausmüllverbrennungs-aschen (HMVA) an. Eine Verwertung dieser Aschen und Schlacken ist in Deutschland möglich und findet überwiegend im Deponiebau statt. Für die Verwertung sind in der Ersatzbaustoffverordnung Eluatgrenzwerte für Schwermetalle und einige andere Parameter vorgesehen.
Der Umgang mit HMVA könnte durch eine Einstufung als gefährlicher Abfall erschwert werden. Maßgeblich für die Einstufung eines Abfalls als gefährlich oder ungefährlich sind die gefahrenrelevanten Eigenschaften HP 1 bis HP 15 nach Anhang III der Richtlinie 2008/98/EG über Abfälle mit dort festgelegten Konzentrationsgrenzen. Für HMVA ist im Wesentlichen nur der Parameter HP 14 (Ökotoxizität) von Bedeutung. Dafür sind entscheidend die Gehalte an chemischen Verbindungen mit den Gefahrenhinweiscodes (hazard statement code, HSC) H400, H410, H411, H412 und H413. Eine detaillierte Diskussion zu den übrigen Gefahreneigenschaften bei HMVA findet sich in der Literatur. Die Einstufung als gefährlicher Abfall erfolgt nach festgelegten Rechenregeln.
Die BAM bearbeitet ein durch das UBA gefördertes Forschungsprojekt zur Erfassung und Bewertung von Analysedaten zu Aschen und Schlacken aus Abfallverbrennungsanlagen. Die Ergebnisse des Vorhabens sollen bei der Weiterentwicklung des vorhandenen Konzeptes für eine bundeseinheitlichen Untersuchung und abfallrechtlichen Einordnung von Aschen und Schlacken aus deutschen Abfallverbrennungsanlagen unterstützend herangezogen werden. Im Vortrag werden Verfahren zur quantitativen Bestimmung der einstufungsrelevanten Verbindungen vorgestellt: 1.) der Praxisleitfaden von ITAD und IGAM, 2.) Methode basierend auf der Bioverfügbarkeit und 3.) Methode basierend auf Speziierungsanalyse.
Im Rahmen eines vom Umweltbundesamt geförderten Forschungsprojekts wurde untersucht, ob die Abtrennung der Feinfraktion (0-2 mm) eine Verbesserung der umweltrelevanten Eigenschaften bewirkt und somit HMVA-1 erreicht werden kann. In Deutschland wird die Rostasche durch Nassentschlackungssysteme aus dem Feuerraum ausgetragen. Durch den Kontakt mit Wasser setzen direkt hydraulische Reaktionen ein, die eine vollständige Abtrennung der Feinfraktion unmöglich machen. Das wurde bereits in den 1990er Jahren erkannt und führte zur Entwicklung des ABB InRec Verfahrens mit Trockenentaschung als ersten Verfahrensschritt. Auch damals war das Ziel eine möglichst inerte Rostasche für die Verwertung zu erzeugen. In den letzten Jahren wurden in der Schweiz Trockenentaschungssystem installiert, hier vor allem um die Rückgewinnung von elementaren Metallen auch in der Feinfraktion zu verbessern. Welche Potenziale sich dabei erschließen lassen, wurde in einem anderen UBA-Projekt untersucht. Im Rahmen unserer Arbeiten wurde versuchsweise trockene Rostasche an einer Anlage in Süddeutschland genommen und im Labor untersucht. Im Vortrag werden die Ergebnisse zum Auslaugverhalten und zur Gefahreneigenschaft HP14 (Ökotoxizität) vorgestellt.
Aschen und Schlacken aus der thermischen Abfallbehandlung stellen mit rund 25% Massenanteil die größte Reststofffraktion dar. In Deutschland fallen pro Jahr rund 6 Millionen Tonnen an. Während sich die Verwertung der metallischen Anteile problemlos gestaltet, werden an die mineralische Fraktion Anforderungen bezüglich der möglichen Freisetzung von Schwermetallen sowie Chlorid und Sulfat gestellt. In der Ersatzbaustoffverordnung sind für Aschen und Schlacken aus der Abfallverbrennung zwei Materialklassen mit unterschiedlich hohen Anforderungen an die Umweltverträglichkeit definiert. Im Rahmen eines Forschungsprojekts wurde untersucht, ob mit Abtrennung der Feinfraktion von 0–2mm die höhere Materialklasse HMVA-1 erreicht werden kann. Im Ergebnis wurde eine Verbesserung des Auslaugverhaltens erzielt, doch nicht in dem Maß, dass eine Qualität nach HMVA-1 erreicht wird. Rostaschen halten aber die Anforderungen zur Deponierung auf einer DK I-Deponie sowie die Anforderungen zur Verwertung gemäß HMVA-2 sicher ein.
Whereas the behavior of geosynthetics in landfill engineering is well studied and documented since decades, little is known on application in applications such as coastal protection or ballast layers for wind energy plants.
However, due to the rapid expansion of offshore wind energy, rising water levels and more extreme weather conditions as a result of climate change more and more hydraulic engineering projects will be realized in the future.
Construction with geosynthetics has various advantages, but it has to be ensured that there is no negative environmental impact from the application of geosynthetics in hydraulic engineering.
It is expected that any effect will be visible only on the long-term. Therefore, accelerated testing is needed to derive requirements for geosynthetics in hydraulic engineering.
Antimony in incineration bottom ash – Leaching behavior and conclusions for treatment processes
(2020)
Antimony (Sb) is used in industrial products mainly as flame retardant in plastic material. Due to such additives in plastics, about a half of Sb ends up in municipal solid waste incineration at the end-of-life and consequently in relevant amounts in the generated bottom ash. In contact with water, the initial leachability is low, as antimonates form sparingly soluble compounds with Ca2+. Following the carbonation of the incineration bottom ash (IBA) during the proceeding ageing the pH in the leachates decreases. With decreasing concentration of Ca in the eluate the solution equilibrium changes and antimonates dissolve. In Germany it is intended to regulate Sb in IBA with the planned implementation of the so called Mantelverordnung (MantelVO, containing provisions on the utilisation of mineral waste) in the near future. The limit values set in the draft might be critical for IBA and therefore pose a risk for the utilisation of the mineral fraction of IBA in the well-established recycling routes.
Due to its large mineral fraction, incineration bottom ash (IBA) from municipal solid waste incineration is an interesting raw material that can be used for road construction or to produce secondary building materials. However, leaching chloride, sulfate, and potentially harmful heavy metals may cause problems in using IBA in civil engineering. Investigating leaching behavior is crucial for the assessment of the environmental compatibility of IBA applications. Various test procedures are available for that purpose. In the present study, a long-term leaching test of a wet-mechanically treated IBA was performed in a lysimeter for almost six years.
While concentrations of chloride, sulfate and the majority of the heavy metals started to decrease rapidly with progressive liquid-to-solid ratio (L/S), antimony (Sb) and vanadium (V) behaved differently. At the beginning of the lysimeter test, the Sb and V concentrations were low, but after approximately one year of operation at an L/S ratio of around 0.8 L/kg, a steady increase was observed. It was shown that this increase is the result of low Ca concentrations due to the formation of CaCO3.
With the data, the solubility products from Ca-antimonate and Ca-vanadate were calculated. The unusual leaching behavior of Sb and V should be kept in mind when considering field scenarios and evaluating the impact on the environment.
Antimon (Sb) wird industriell vorwiegend als Flammschutzmittel in Kunststoffen verwendet. Am Ende des Lebenszyklus landet etwa die Hälfte des produzierten Sb, vorwiegend über entsprechend dotierte Kunststoffe, in Haus- und vor allem Industrieabfällen und in der Folge auch in relevanten Mengen in Rostaschen aus der Verbrennung dieser Abfälle.
Zwar werden in den Produkten Sb-Verbindungen in der Oxidationsstufe 3 eingesetzt, in den Aschen liegt Sb jedoch wegen der leichten Oxidierbarkeit überwiegend in der Oxidationsstufe 5 als Oxyanion vor (Sb(OH)6- oder Sb2O74-). Die Freisetzung beim Kontakt mit Wasser ist zunächst gering, weil die Antimonate schwerlösliche Verbindungen mit Ca2+ bilden. Durch die Carbonatisierung der Aschen während der vorgeschalteten Lagerung sinkt der pH-Wert im Eluat. Die Konzentration von Ca im Eluat nimmt mit fortschreitender Elutionsdauer ab, wodurch sich das Lösungsgleichgewicht verschiebt und Antimonate gelöst werden können. Dieses Verhalten wird durch einen Langzeitversuch mit Lysimetern bestätigt. Experimentelle Daten aus unterschiedlichen Elutionstests wurden mit dem Solver-Modul in MS Excel gefittet. Daraus ergibt sich Ca(Sb(OH)6)2xCa0.78(OH)1.56 als mögliche Verbindung für in Rostaschen enthaltenes Ca-Antimonat.
Laut Entwurf der MantelVO ist für Sb in Rostaschen eine Regulierung vorgesehen. Die darin vorgesehenen Grenzwerte könnten ein Problem für Rostaschen darstellen und gefährden die Verwertung der mineralischen Fraktion. In den meisten Bundesländern geschieht der Vollzug derzeit nach dem LAGA Merkblatt M20. Die darin festgelegten Parameter zur Bewertung berücksichtigen im Prinzip nur eine Richtung, bei der sich die Materialeigenschaften im Zuge der Alterung von Rostaschen verbessern. Dieser Zusammenhang ist bei Sb nicht gegeben, was bei der Beurteilung des Gefahrenpotentials aber Berücksichtigung finden sollte. Das entgegengesetzte Verhalten von Sb stellt Aufbereiter und Verwerter möglicherweise vor Probleme. Die Einführung einer Ersatzbaustoffverordnung im Rahmen der MantelVO soll bundeseinheitliche Rechtssicherheit bei der Verwertung von mineralischen Recyclingmaterialien schaffen. Damit würde dann auch eine Grundlage für Investitionen in verbesserte Aufbereitungsverfahren geschaffen werden. Da im Hinblick auf Sb aus dargestellten Zusammenhängen jedoch eher das Gegenteil zu befürchten ist, besteht Forschungsbedarf, um dieses Problem zu lösen.
Analytik für Ersatzbaustoffe
(2008)
Die Abfallwirtschaft in Deutschland behandelt eine Menge von 359 Mio. Tonnen. Den größten Anteil haben Bau- und Abbruchabfälle mit 54%. Die Behandlungsverfahren dafür unterscheiden sich stark von denen für Siedlungsabfälle. Gemäß Europäischer Abfallrichtlinie ist Recycling gegenüber einer energetischen Verwertung in der Hierarchie der Abfallbehandlungsverfahren höher bewertet. Bei der thermischen Behandlung entscheidet die Energieeffizienz des Verfahrens, ob eine Behandlung als Verwertung oder Beseitigung gilt. Nach dieser Richtlinie erfolgt die Berechnung der Energieeffizienz stark vereinfacht mit der sogenannten R1-Formel. Veröffentlichte Daten zu Wärme- und Stromproduktion verschiedener thermischer Abfallbehandlungsanlagen werden mit der R1-Formel und Daten aus der Literatur verglichen. Mengen und Entsorgungswege sowie Möglichkeiten zur Bewertung von Abfallbehandlungsverfahren werden diskutiert. ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Waste management in Germany covers an amount of 359 million tons. The largest fraction is construction and demolition waste (C&D waste) with some 54%. The treatment processes for C&D waste differ from those for municipal solid waste. According to the European Directive on Waste a waste hierarchy shall apply where recycling has a higher priority than energy recovery. A thermal treatment is regarded as recovery operation only if the energy efficiency is above a certain limit. Under the terms of the directive a simplified calculation of the energy efficiency is perfomed using the so-called R1 formula. Published data on heat and power production of several thermal waste treatment plants are compared to the R1 formula and data from literature. Amount and waste management options for different waste fractions and how to evaluate different waste management processes are discussed.
Aktuell werden in Deutschland in rund 100 thermischen Abfallbehandlungsanlagen (davon 66 Hausmüllverbrennungsanlagen) rund 20 Millionen Tonnen brennbare Abfälle verbrannt. Mit rund 5 Millionen Tonnen pro Jahr bildet die Rostasche die mengenmäßig größte Rückstandsfraktion. Nach einer Lagerung von einigen Wochen erfüllt die Rostasche im Regelfall die Anforderungen für die Deponieklasse 1.
Allerdings wird der Großteil der Rostasche nicht deponiert, sondern aufbereitet und verwertet. Zur Aufbereitung kommen verschieden Verfahren zum Einsatz. Für die Abtrennung der Eisen- und NE-Metalle werden magnetische Verfahren und die Wirbelstromtechnik eingesetzt. Für die mineralischen Fraktion gibt es eine Vielzahl von Sortier- und Klassierungsverfahren, Waschverfahren und weitergehende thermische Verfahren.
Abfallrecht
(2000)
The main obstacle to bottom ash (BA) being used as a recycling aggregate is the content of salts and potential toxic elements (PTEs), concentrated in a layer that coats BA particles. This work presents a dry treatment for the removal of salts and PTEs from BA particles. Two pilotscale abrasion units (with/without the removal of the fine particles) were fed with different BA samples. The performance of the abrasion tests was assessed through the analyses of particle size and moisture, and that of the column leaching tests at solid-to-liquid ratios between 0.3 and 4.
The results were: the particle-size distribution of the treated materials was homogeneous (25 wt % had dimensions <6.3 mm) and their moisture halved, as well as the electrical conductivity of the leachates. A significant decrease was observed in the leachates of the treated BA for sulphates (44%), chlorides (26%), and PTEs (53% Cr, 60% Cu and 8% Mo). The statistical analysis revealed good correlations between chloride and sulphate concentrations in the leachates with Ba, Cu, Mo, and Sr, illustrating the consistent behavior of the major and minor components of the layer surrounding BA particles. In conclusion, the tested process could be considered as promising for the improvement of BA valorization.
The main obstacle to bottom ash (BA) being used as a recycling aggregate is the content of salts and potential toxic elements (PTEs), concentrated in a layer that coats BA particles. This work presents a dry treatment for the removal of salts and PTEs from BA particles. Two pilotscale abrasion units (with/without the removal of the fine particles) were fed with different BA samples. The performance of the abrasion tests was assessed through the analyses of particle size and moisture, and that of the column leaching tests at solid-to-liquid ratios between 0.3 and 4. The results were: the particle-size distribution of the treated materials was homogeneous (25 wt % had dimensions <6.3 mm) and their moisture halved, as well as the electrical conductivity of the leachates. A significant decrease was observed in the leachates of the treated BA for sulphates (44%),
chlorides (26%), and PTEs (53% Cr, 60% Cu and 8% Mo). The statistical analysis revealed good correlations between chloride and sulphate concentrations in the leachates with Ba, Cu, Mo, and Sr, illustrating the consistent behavior of the major and minor components of the layer surrounding BA particles. In conclusion, the tested process could be considered as promising for the improvement of BA valorization.
A sustainable recycling of photovoltaic (PV) thin film modules gains in importance due to the considerable growing of the PV market and the increasing scarcity of the resources for semiconductor materials. The paper presents the development of two strategies for thin film PV recycling based on (wet) mechanical processing for broken modules, and combined thermal and mechanical methods for end-of-life modules. The feasibility of the processing steps was demonstrated in laboratory scale as well as in semi-technical scale using the example of CdTe and CIS modules. Pre-concentrated valuables In and Te from wet mechanical processing can be purified to the appropriate grade for the production of new modules.
An advantage of the wet mechanical processing in comparison to the conventional procedure might be the usage of no or a small amount of chemicals during the several steps.
Some measures are necessary in order to increase the efficiency of the wet mechanical processing regarding the improvement of the valuable yield and the related enrichment of the semiconductor material.
The investigation of the environmental impacts of both recycling strategies indicates that the strategy, which includes wet mechanical separation, has clear advantages in comparison to the thermal treatment or disposal on landfills.
Vor 30 Jahren wurde die erste BAM-Zulassung für ein Geokunststoffprodukt in der Deponietechnik ausgestellt. Seither wurden immer wieder eigene wissenschaftliche Untersuchungen durchgeführt, neue Forschungsergebnisse herangezogen und die Prüftechnik weiterentwickelt, um die Eignung und Funktionsdauer von Kunststoffdichtungsbahnen, Schutzschichten, Kunststoff-Dränelementen, geotextilen Filtern oder Bewehrungsgittern beurteilen zu können. Einige dieser Entwicklungen werden hier diskutiert.