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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.
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.
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.
Der Verwertung von Bodenmaterialien wird auf Grund des Volumens dieses Stoffstromes eine hohe umweltpolitische Bedeutung beigemessen. Dabei ist unter Gewährleistung des Vorsorge- und Nachhaltigkeitsprinzips eine möglichst hochwertige Verwertung anzustreben, um natürliche Ressourcen zu schonen und die Beseitigung von Abfällen weitestgehend zu vermeiden.
Die vorgesehene Novelle der BBodSchV enthält in den Paragraphen 6 bis 8 neue Vorgaben hinsichtlich des Auf- und Einbringens von Bodenmaterialien unterhalb oder außerhalb einer durchwurzelbaren Bodenschicht. So soll die Möglichkeit eingeräumt werden, Bodenmaterialien mit Feststoffgehalten von regulierten Stoffen zwischen dem einfachen und doppelten Vorsorgewert einer weiteren Verwertung zuzuführen unter der Voraussetzung, dass die Eluatwerte eingehalten werden.
Im Rahmen eines Forschungsvorhabens des Umweltbundesamtes (FKZ: 3716 74 203 0) wurden unterschiedliche Bodenmaterialien (Baggergut, Bankettschälgut, Stadt- und Auenböden, Bergematerial), die unter diese Kriterien fallen, mit besonderem Fokus auf PAK hinsichtlich ihres Verwertungspotentials untersucht.
Dabei wurden auch die Auswirkungen der Umstellung des Elutionsverfahrens von einem Wasser-Feststoffverhältnis (W/F) von 10 l/kg auf ein W/F von 2 l/kg auf die Einstufung von Bodenmaterialien betrachtet.
Insbesondere für die Stoffgruppe der PAK konnte gezeigt werden, dass sich mit Verabschiedung der neuen Regelungen zusätzliche Verwertungsmöglichkeiten von Bodenmaterialien außerhalb der durchwurzelbaren Bodenschicht eröffnen und deren Deponierung teilweise vermieden werden kann.
Potential use of incineration bottom ash in construction – Evaluation of the environmental impact
(2020)
Knowledge of the long-term leaching behavior of potentially harmful substances is crucial for the assessment of the environmental compatibility of reusing municipal solid-waste incineration bottom ash (MSWI BA) in construction, i.e., as a road base layer.
BA fractions obtained from wet-processing aiming at the improvement of environmental quality were used to investigate the mobility of relevant substances. Eluates from laboratory-scaled leaching procedures (column percolation and lysimeters) were analyzed to learn about the long-term release of substances. Unsaturated conditions and artificial rainwater (AR) were used in the lysimeter tests to simulate field conditions. In addition, batch test eluates were generated at usual liquid-to-solid ratios (L/S) for compliance testing purposes. A variety of cations and anions was measured in the eluates.
The wet treatment reduces the leaching of chloride and particularly sulfate by more than 60%. The release of typical contaminants for the treated MSWI BA such as the heavy metals Cu and Cr was well below 1% in the conducted leaching tests.
An increase in the Sb concentration observed in the lysimeter experiments starting at L/S 0.75 L/kg and in the column experiment at L/S 4 L/kg is assumed to be related to decreasing concentrations of Ca and thus to the dissolution of sparingly soluble calcium antimonate. The same leaching mechanism applies with V, but the concentration levels observed are less critical regarding relevant limit values. However, on the long term the behavior of Sb could be problematic for the application of MSWI BA in construction.
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.
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.
Das Recycling von gemischten Baustoffen führt neben der Herstellung von Gesteinskörnungen parallel zu einem stärker schadstoffbelasteten Stoffstrom, der circa ein Drittel der ursprünglichen Masse ausmacht. Dieser sogenannte Brechsand endet derzeit in der Deponierung und wird somit der Kreislaufwirtschaft entzogen. Der vorliegende Beitrag untersucht nun die Aufbereitung dieses Materials unter Verwendung einer Setzmaschine im Pilotmaßstab. Hierbei wird die Eignung dieser Technik evaluiert und das Aufbereitungsprodukt als möglicher Ersatzbaustoff untersucht.