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Wie können industriell synthetisierte Schadstoffe aus einer Stoffklasse quantifiziert werden, deren genauer Umfang unbekannt ist und auf mehrere tausend Verbindungen geschätzt wird? Im Falle der per- und polyfluorierten alkylierten Substanzen (PFAS) stellen sich Wissenschaftler*innen weltweit seit über zehn Jahren diese Frage. Neben der etablierten Methodik der Einzelstoffanalytik (engl. target analytic) existieren Summenparameteranalysen zur Quantifizierung
organisch gebundener fluorierter Verbindungen in Umweltmedien und Konsumprodukten. An der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) beschäftigen wir uns mit der Weiterentwicklung von Summenparametermethoden am Beispiel von PFAS-belasteten Umweltkompartimenten wie Böden, Klärschlämmen und Gewässerproben sowie PFAS-haltigen Konsumgütern. In diesem Beitrag stellen wir zwei ausgewählte Fallbeispiele vor und diskutieren die Vor- und Nachteile der Methoden im Vergleich zur Einzelstoffanalytik.
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 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.
Warum eine Kreislaufwirtschaft ohne Abfallverbrennung nicht funktionieren wird, beschreibt die Dechema im Positionspapier „Abfallverbrennung in der Zukunft“. Experten der Fachgruppe „Abfallbehandlung und Wertstoffrückgewinnung“ von ProcessNet, einer gemeinsamen Initiative der Dechema und der VDI-Gesellschaft Verfahrenstechnik und Chemieingenieurwesen, haben es erstellt.
The potential release of hazardous substances from polymer-based products is currently in the focus of environmental policy. Environmental simulations are applied to expose such products to selected aging conditions and to investigate release processes. Commonly applied aging exposure types such as solar and UV radiation in combination with water contact, corrosive gases, and soil contact as well as expected general effects on polymers and additional ingredients of polymer-based products are described. The release of substances is based on mass-transfer processes to the material surfaces. Experimental approaches to investigate transport processes that are caused by water contact are presented. For tailoring the tests, relevant aging exposure types and release quantification methods must be combined appropriately. Several studies on the release of hazardous substances such as metals, polyaromatic hydrocarbons, flame retardants, antioxidants, and carbon nanotubes from polymers are summarized exemplarily. Differences between natural and artificial exposure tests are discussed and demonstrated for the release of flame retardants from several polymers and for biocides from paints. Requirements and limitations to apply results from short-term artificial environmental exposure tests to predict long-term environmental behavior of polymers are presented.
Municipal solid waste incineration (MSWI) is one of the leading technologies for municipal solid waste (MSW) treatment in Europe. Incineration bottom ash (IBA) is the main solid residue from MSWI, and its annual European production is about 20 million tons. The composition of IBA depends on the composition of the incinerated waste; therefore, it may contain significant amounts of ferrous and non-ferrous (NFe) metals as well as glass that can be recovered. Technologies for NFe metals recovery have emerged in IBA treatment since the 1990s and became common practice in many developed countries. Although the principles and used apparatus are nearly the same in all treatment trains, the differences in technological approaches to recovery of valuable components from IBA – with a special focus on NFe metals recovery – are summarized in this paper.
The production of secondary materials from waste materials requires, in most cases, significantly lower energy amounts than the primary material production of raw materials. Along with lower energy demand, the greenhouse gas emissions produced are also lower. The duty of a modern waste management system should therefore be to collect and sort the waste materials in a way that the highest amounts of single material fractions with the highest qualities can be generated. In this contribution, the greenhouse gas balances of the theoretical treatment of the household waste, if collected as mixed waste in sanitary landfills, in waste incineration plants, or in mechanical-biological treatment plants, are compared to the existing separate waste collection and treatment in Germany in 2014. The results show that the treatment of the mixed collected household waste in sanitary landfills would lead to a significant release of greenhouse gases. The treatment in MBTs with the recovery of valuables and the further disposal of the biologically stabilized fraction on landfills, as well as the treatment of the high calorific fraction (also called refuse derived fuel – RDF) in RDF plants, coal-fired power plants, or cement kilns, would lead to small amounts of avoided greenhouse gas emissions. The thermal treatment in waste incineration plants would lead to moderate amounts of avoided greenhouse gases. Only with the actually practiced separate collection and treatment of household waste were significant amounts of greenhouse gas emissions avoided. In total, this is approximately 5.5 million tons of carbon dioxide equivalents for approximately 45.5 million tons of separate collected and treated household waste in Germany in 2014.
The production of secondary materials from waste materials requires, in most cases, significantly lower energy amounts than the primary material production of raw materials. Along with lower energy demand, the greenhouse gas emissions produced are also lower. The duty of a modern waste management system should therefore be to collect and sort the waste materials in a way that the highest amounts of single material fractions with the highest qualities can be generated. In this contribution, the greenhouse gas balances of the theoretical treatment of the household waste, if collected as mixed waste in sanitary landfills, in waste incineration plants, or in mechanical-biological treatment plants, are compared to the existing separate waste collection and treatment in Germany in 2014.
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.
Almost 500 municipal solid waste incineration plants in the EU, Norway and Switzerland generate about 17.6 Mt/a of incinerator bottom ash (IBA). IBA contains minerals and metals. Metals are mostly separated and sold to the scrap market and minerals are either disposed of in landfills or utilised in the construction sector. Since there is no uniform regulation for IBA utilisation at EU level, countries developed own rules with varying requirements for utilisation. As a result from a cooperation network between European experts an up-to-date overview of documents regulating IBA utilisation is presented. Furthermore, this work highlights the different requirements that have to be considered. Overall, 51 different parameters for the total content and 36 different parameters for the emission by leaching are defined. An analysis of the defined parameter reveals that leaching parameters are significantly more to be considered compared to total content parameters. In order to assess the leaching behaviour nine different leaching tests, including batch tests, up-flow percolation tests and one diffusion test (monolithic materials) are in place.
A further discussion of leaching parameters showed that certain countries took over limit values initially defined for landfills for inert waste and adopted them for IBA utilisation. The overall utilisation rate of IBA in construction works is approximately 54 wt%. It is revealed that the rate of utilisation does not necessarily depend on how well regulated IBA utilisation is, but rather seems to be a result of political commitment for IBA recycling and economically interesting circumstances.
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.
This Special Issue, ‘Measurement of the Environmental Impact of Materials’, is focused on the impact that materials have on the environmental compartments of soil, water and air. Leaching and emission processes, including underlying mechanisms, are a recurring topic in most published articles in the present Special Issue. Contributions have come from three continents and numerous countries (USA, Germany, France, Latvia, Poland, Russia, Japan, Korea and Thailand) indicating the global dimension of the subject.
Die Autoren zeigen dazu die gesetzlichen und energiepolitischen Rahmenbedingungen und Perspektiven auf, widmen sich in aktuellen Beiträgen zur Verfahrenstechnik der thermischen Abfallbehandlung sowohl den thermischen Hauptverfahren als auch der Abgasreinigung und gehen auf das Thema Wertstoffrückgewinnung ein. Ihr Fazit: Durch Anstrengungen, das stoffliche Recycling weiter zu optimieren, können künftig weitere Kreisläufe von Produkten und Materialien hochwertig geschlossen werden. Für manche Abfallströme wird dies aber aus verschiedenen Gründen nicht möglich sein – hier bleibt die thermische Abfallbehandlung unverzichtbar.
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.
Geosynthetic materials are applied in measures for coastal protection. Weathering or any damage of constructions, as shown by a field study in Kaliningrad Oblast (Russia), could lead to the littering of the beach or the sea (marine littering) and the discharge of possibly harmful additives into the marine environment. The ageing behavior of a widely used geotextile made of polypropylene was studied by artificial accelerated ageing in water-filled autoclaves at temperatures of 30 to 80° C
and pressures of 10 to 50 bar. Tensile strength tests were used to evaluate the progress of ageing, concluding that temperature rather than pressure was the main factor influencing the ageing of geotextiles. Using a modified Arrhenius equation, it was possible to calculate the half-life for the loss of 50% of the strain, which corresponds to approximately 330 years.
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.
Per- and polyfluoroalkyl substances (PFAS) are a group of more than 4700 anionic and cationic anthrophonic substances which have been used extensively in a variety of products and industries due to their inert chemical stability and resistance to degradation by heat or acids. As a result of continuous use, mainly in aviation firefighting foams, thousands of industrial and military installations have been found to contain contaminated soil and groundwater resources. However, because of the continuous use of fluorinated consumer products, also effluents and sewage sludge from wastewater treatment plants (WWTPs) have been shown to be an important source of PFAS contamination into the aquatic environment. Resulting from recent stricter regulations and restrictions in the last years on the use of long chain (≥C8) PFAS, there is a significant shift in the chemical industry towards production of short (C4-C7) and ultrashort (C1-C3) chain alternatives. With the amendment of the Sewage Sludge Ordinance in 2017 the German legislation banned sewage sludge application on agricultural land, and by 2029/2032 sewage sludge will be completely prohibited from agricultural application. While environmental exposure of organic pollutants like PFAS, pesticides and pharmaceuticals are no longer desirable, phosphorus (P) from sewage sludge must still be used to produce high-quality P-fertilizers for a circular economy. Currently, plant-available P-fertilizers from sewage sludge/wastewater can be produced using a variety of treatment approaches including precipitation, leaching, and thermal treatment. However, the fate of legacy and emerging PFAS compounds during P leaching, precipitation and treatment from sewage sludge and wastewater is for the most parts still unknown.
The chemical state of antimony and vanadium species in municipal solid waste incineration bottom ash
(2023)
Due to the large quantity as residual mineral waste, municipal solid waste incineration - bottom ash (MSWI-BA) is an interesting secondary raw material that can be utilized for road construction. However, leaching of chloride, sulfate and potentially hazardous heavy metals from MSWSI-BA into the environment may cause problems in utilization of it in civil engineering. In a previous study, we performed a long-term leaching test of MSWI-BA in a lysimeter for almost six years to investigate the efficiency of the treatment process on the release of hazardous substances. While concentrations of chloride, sulfate and the majority of the heavy metals started to decrease rapidly with progressive liquid-to-solid ratio (L/S), the ecotoxic hazardous elements antimony (Sb) and vanadium (V) behaved differently. To unravel these unusual release behaviors and the oxyanion-formation of Sb and V we will apply HERFD-XANES spectroscopy to analyze their chemical state.
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.
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.
This work is aimed at exploring the recovery of heavy metals from the fine fraction of solid waste incineration bottom ash.
For this study, wet-discharged bottom ash fine-fraction samples from full-scale treatment plants in Germany and Sweden were analyzed. The potential for the recovery of heavy metal compounds was investigated through wet density-separation with a shaking table. The feed materials were processed without any pre-treatment and the optimum processing conditions were determined by means of design of experiments. Tilt angle and stroke frequency were identified as the most relevant parameters, and the optimum settings were − 7.5° and 266 rpm, respectively. The obtained balanced copper enrichments (and yields) were 4.4 (41%), 6.2 (28%) and 2.4 (23%). A maximum copper enrichment of 14.5 with 2% yield was achieved, providing a concentrate containing 35.9 wt.% relevant heavy metal elements. This included 26.3 wt.% iron, 4.3 wt.% zinc and 3.8 wt.% copper. In conclusion, density separation with shaking tables can recover heavy metals from bottom ash fine fractions. Medium levels of heavy metal enrichment (e.g., for Cu 2.7–4.4) and yield (Cu: 26–41%) can be reached simultaneously.
However, the separation performance also depends on the individual bottom ash sample.
The concept of circular economy supports mitigation of climate change and other environmental pressures to the planet. Circulating materials in anthropogenic processes come with the risk of accumulating hazardous substances and compounds. In this concept, waste incineration or waste-to-energy (WtE) is a necessary technology to remove these compounds from the life cycle. In this mini-review, contaminants of major importance in the flue gas from waste incineration plants and their environmental impact are discussed. Air pollution of WtE is often seen as the most relevant environmental impact of this treatment option. The emission values parameter set for different countries is presented and compared. The most stringent legally set of emission values could be found in parts of Europe and South Korea. Japan also permits similar strict values when authorising individual incineration plants. In North America, the values are partially less strict as the best available technologies in Europe suggest being possible. Emerging economies, such as India and China, have shown efforts to improve their environmental protection standards but still have room to improve. This could be set in relation to other industrial emitting processes and therefore could be used to assess the relevance of this industry sector to the national emission inventories.
For the first time, fluorine K-edge X-ray absorption near-edge structure (XANES) spectroscopy was applied to detect per- and polyfluoroalkyl substances (PFAS) in various soil and sewage sludge samples. The method can be used to determine the speciation of inorganic and organic fluorides, without pre-treatment of solid samples. Therefore, XANES spectra of several inorganic fluorides as well as selected fluorinated organic compounds were recorded. While inorganic fluorides partially exhibit a variety of sharp spectral features in the XANES spectrum, almost all inspected organofluorine compounds show two distinct broad features at 688.5 and 692.0 eV. Moreover, the peak intensity ratio 688.5 eV/692.0 eV in the PFAS XANES spectrum can be inversely correlated to the chain length of the perfluoro sulfonic acid group. The detection of targeted PFAS by bulk-XANES spectroscopy in combination with linear combination fitting in soils and sewage sludges was not applicable due to the low organic fluorine to total fluorine ratio of the samples (0.01–1.84%). Nonetheless, direct analysis of pure PFAS revealed that analysis of organofluorine species might be achieved in higher concentrated samples. Furthermore, quantitative measurements by combustion ion chromatography (CIC) evaluated as sum parameters extractable organically bound fluorine (EOF) and total fluorine (TF) emphasize that besides soils, sewage sludges are a significant source of organic fluorine in agriculture (154–7209 μg/kg).
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.
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).
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.
Geosynthetic materials are applied in measures for coastal protection. Weathering or any damage of constructions, as shown by a field study in Kaliningrad Oblast (Russia), could lead to the littering of the beach or the sea (marine littering) and the discharge of possibly harmful additives into the marine environment. The ageing behavior of a widely used geotextile made of polypropylene was studied by artificial accelerated ageing in water-filled autoclaves at temperatures of 30 to 80 °C and pressures of 10 to 50 bar. Tensile strength tests were used to evaluate the progress of ageing, concluding that temperature rather than pressure was the main factor influencing the ageing of geotextiles. Using a modified Arrhenius equation, it was possible to calculate the half-life for the loss of 50% of the strain, which corresponds to approximately 330 years. Dynamic surface leaching and ecotoxicological tests were performed to determine the possible release of contaminants. No harmful effects on the test organisms were observed.
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.
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.
Waste-to-energy (WtE) is one of the leading technologies for municipal solid waste (MSW) treatment in Europe. According to Eurostat data, in 2015, 27 % of MSW was utilized in WtE plants, which represents more than 80 million tons per year. Therefore, the European annual production of incineration bottom ash (IBA) is about 20 million tons, as it is about 25 wt% of input MSW. In the European List of Waste, IBA is listed as mirror entry (i.e. waste materials which should be classified as either non-hazardous or hazardous, depending on its hazardous properties and/or content of hazardous substances) under codes 19 01 11 and 19 01 12.
Recent trends indicate that WtE allows, apart from utilization of the energy content of waste, also the recovery of various valuable components. Hence, WtE can be included in the key technologies that can put the circular economy concept into practice. Secondary raw materials in the case of WtE are solid residues, especially IBA, as it is a secondary source, particularly of ferrous metals (Fe) and non-ferrous metals (NF) and glass. Moreover, the residual mineral fraction can be used for various applications in the construction industry, i.e. as aggregates substitute for bound or unbound applications, in cement manufacturing or, as indicated by recent research, also in more sophisticated applications, e.g. for ceramics production. Recovery of these metals can also cause huge greenhouse gas savings. Alone in Europe, metal recovery from IBA reduces greenhouse gas emissions by approximately 3.2 million tonnes of CO2 equivalent.
Rohstoffe sind knapp. Hinzu kommt, dass auf dem Weg vom Erz zum Metall viel Energie benötigt wird, mechanische Energie beim Zerkleinern, thermische Energie beim Schmelzen oder elektrische Energie bei der Elektrolyse. Ausgedrückt als Exergie kann man die Verbräuche gut vergleichen. Die meisten technischen Prozesse sind aber vom berechneten thermodynamischen Optimum weit entfernt.
Wie Länder mit ihren Abfällen umgehen, hängt nicht nur von der Wirtschaftskraft eines Landes ab. Selbst in einem reichen Land wie Australien werden unbehandelte Abfälle einfach deponiert. Im Rahmen der Travelling Conference, einer vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Vortragsreihe, besuchten Fachleute die Länder Südkorea, Vietnam und Australien, um mit Experten vor Ort Fragestellungen aus der Abfallwirtschaft zu diskutieren. Zu den Schwerpunktthemen zählte die Steigerung der Ressourceneffizienz im Spannungsfeld von ökonomischen und umweltpolitischen Interessen. Eine Frage war beispielsweise die Bewertung der Umweltverträglichkeit von mineralischen Abfällen, wenn diese als Ersatzbaustoffe eingesetzt werden. In diesem Beitrag werden Ähnlichkeiten und Unterschiede bei der Entsorgung von Siedlungsabfällen, beim Recycling und bei der Bewertung der Umweltverträglichkeit der Wiederverwertung von Abfällen in den drei besuchten Ländern im Vergleich zu Deutschland aufgezeigt. Dabei ist man sich in Deutschland und den drei besuchten Ländern einig, dass die Abfallbeseitigung auf Deponien ohne Rückgewinnung von Ressourcen oder Energie die schlechteste Abfallentsorgungsoption ist. Einigkeit besteht auch darin, dass die Ziele einer nachhaltigen Abfallwirtschaft der Schutz der menschlichen Gesundheit und der Umwelt sowie die Schonung von Ressourcen sind. In allen drei Ländern werden große Mengen an mineralischen Abfällen erzeugt, die bei Nachweis der Umweltverträglichkeit einen Teil von natürlichem Sand und Kies für die Bauindustrie ersetzen könnten. Ähnlich wie in Deutschland werden recycelte Abfälle im Tiefbau jedoch nur in geringem Maße eingesetzt. Gründe dafür sind fehlende Behandlungsanlagen für mineralische Abfälle und Bedenken im Hinblick auf die Umweltverträglichkeit.
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.
Angesichts stetig steigender Rohstoffnachfrage und sich verknappenden Ressourcen rücken Sekundärrohstoffe zur Deckung des Bedarfes immer stärker in den Fokus.
Besonders Hausmüllverbrennungsaschen (HMVA) verfügen über hohe Anteile an Metallen wie Aluminium, Kupfer, oder Eisen, aber auch Spuren von Silber und Gold.
Aus diesem Grund wurde bereits in einer Vielzahl von Arbeiten und Projekte die Behandlung von Rostaschen diskutiert. Hauptaugenmerk der Betrachtungen ist die Rückgewinnung von Wertstoffen, insbesondere der Metallfraktion, sowie die Aufbereitung der Rostasche als Ersatzbaustoff. Die bisherigen Betrachtungen konzentrierten sich auf die Fraktionen der Partikel größer 2 mm. Die Feinfraktion kleiner 2 mm wurde bislang meist deponiert. Da die Feinfraktion etwa 25 M% der
HMVA ausmacht, wurde für weitere Untersuchungen zum Zweck einer besseren Verwertung das Projekt „BASH-TREAT“ im Programm ERA-MIN 2 initiiert.
Der Aufbau der Werkstoffe wird durch Merkmale wie Bindungsart, atomare Strukturen, Kristallstrukturen einschließlich ihrer Gitterbaufehler, Körner und Phasen bestimmt. Die Mikrostruktur (Gefüge) stellt den Verbund der Kristalle, Phasen und Gitterbaufehler auf mikroskopischer und nanoskopischer Skala dar. Die Grundlagen der Phasenumwandlungen werden behandelt und die Bedeutung von Diffusionsprozessen erläutert. Werkstoffe sind bedeutend für Kultur, Wirtschaft, Technik und Umwelt. Ihre Herstellung benötigt Ressourcen und Energie. Recycling ist eine Möglichkeit zur Erhöhung der Ressourcenproduktivität.
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.
Since it was realized that sites contaminated with metals and radionuclides needed treatment, various remediation methods have been and are being developed. Depending on the size of the contaminated site and urgency of intervention, conventional or recently introduced techniques have been used. Conventional techniques include excavation and removal for treatment of soil and contaminants, or the so-called “pump-and-treat” method, in which contaminated groundwater is removed from the ground by pumping and treated in a treatment plant on the surface. It has the advantage of using proven techniques and is easy to control, and the treated groundwater can be reinjected into the ground or discharged in rivers or lakes. Novel methods include permeable reactive barriers, biomineralization, and electrokinetic remediation.