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Organisationseinheit der BAM
Sewage sludge ashes (SSA) contain considerable mass fractions of phosphorus (5-10 w-% P) suitable for fertiliser production. Unfortunately, also most of the heavy metals remain in the ashes. A thermochemical process was developed for the treatment of SSA to i) remove heavy metals and ii) transform phosphates into bio-available mineral phases. The technology was already demonstrated in technical scale (capacity of 300 kg/h) and the company OUTOTEC is currently planning the first industrial plant. In order to manufacture a marketable multi-nutrient fertiliser from the thermochemically treated SSA further wastes and industrial by-products were taken into account. Ammonium sulphate occurs as a by-product of the caprolactam production and was chosen as N-carrier (21 w-% N). Straw ash was tested as potassium carrier (11-15 w-% K). Granulation campaigns were carried out with intensive mixers in lab-, medium-and technical scale. NPS-and NPKS-fertilisers were produced that were characterised by suitable particle size distributions and strength.
Phosphorus recycling from sewage sludge ash and meat and bone meal by thermochemical treatment
(2009)
Phosphorus can be recycled by thermochemical treatment of sewage sludge ashes using a chlorine-donor at
1000°C. Heavy metals in the sewage sludge ashes are removed and the phosphorus of the developing
phosphate-phases is characterised by a high bioavailability.
The separated heavy metals can be post-treated for recycling purposes. The P-content in the product can be
increased by addition of meat and bone meal into the thermochemical process introducing process energy at the
same time. However, first investigations showed that the elimination rates of heavy metals and the P-solubility in
citric acid decreased if meat and bone meal ash (MBMA) was added to sewage sludge ash before
thermochemical treatment.
Die Qualität von rezyklierten Gesteinskörnungen muss nicht nur bautechnischen Anforderungen und rechtlich verbindlichen Umweltstandards genügen, sondern ihr Einsatz in der Betonherstellung wird auch vor dem Hintergrund der Leitlinien der Nachhaltigkeit bewertet. Für die Gewinnung von rezyklierten Gesteinskörnungen bedeutet dies, dass sowohl bei den Abbrucharbeiten als auch bei der Bauschuttaufbereitung darauf geachtet werden muss, dass die gewählten Verfahren nicht nur ökonomischen Kriterien genügen müssen, sondern auch keine nachteiligen ökologischen oder sozialen Auswirkungen haben dürfen.
In verschiedenen Forschungsprojekten konnte durch ökobilanzielle Bewertungen von einzelnen Verfahren und Verfahrensabläufen gezeigt werden, dass rezyklierte Gesteinskörnungen aus Altbeton unter bestimmten Rahmenbedingungen umweltverträglich gewonnen werden können und ihre Nutzung durch die Substitution von Natursteinkörnungen sowohl zur Schonung von natürlichen Ressourcen als auch zu einer Reduzierung von Umweltbelastungen beitragen kann.
Über den derzeitigen und zukünftigen Umgang mit Klärschlamm wird in Deutschland seit Jahren kontrovers diskutiert. Zum einen enthalten kommunale Klärschlamme Nährstoffe, die sinnvoller Weise wieder in die landwirtschaftliche Nahrungsmittelproduktion eingebracht werden sollten. In diesem Zusammenhang steht Phosphor im Vordergrund, da diese Ressource begrenzt ist und deren zukünftig zu erwartende Knappheit neben der geringen Anzahl an Exportländern für Rohphosphate zu unberechenbaren Preissprüngen am Weltmarkt führen können. Zum anderen stellt Klärschlamm die Schadstoffsenke in der Abwasserreinigung dar, was den direkten landwirtschaftlichen Einsatz dieses Abfalls bedenklich macht. Zwar nahm die Konzentration der umweltrelevanten Schwermetalle in Klärschlämmen in den vergangenen Jahren deutlich ab (Wiechmann, Dienemann et al. 2012), die Belastung mit organischen Schadstoffen (z.B. Pharmazeutika, endokrin wirksame Substanzen, persistente organische Stoffe etc.) ist jedoch unüberschaubar und dürfte sich einem sinnvollen „Monitoring“ weitgehend entziehen. Das daraus resultierende Risiko für Mensch und Umwelt ist schwer einschätzbar und wird aufgrund der Beschaffenheit der diffusen Schadstoffquellen (z.B. Eintrag von Pharmaka und deren Metabolite über menschliche Ausscheidungen) unkalkulierbar bleiben.
Sewage sludge ashes (SSA) represent a possible source of phosphorus (P) and technology metals. So far, the sole external source for P, that is indispensable for all animate beings, is rock phosphate, a finite resource. The EU depends completely on the import from possible politically instable regions. Furthermore, rock phosphate is often contaminated with heavy metals like Cd and U, leading to health and environmental hazards. P recovered from SSA might diminish these problems. SSA of German mono incineration facilities are analyzed for their elemental composition. More than 95% of the emerging SSA is monitored, enabling the determination of complete mass flows of the ashes and their components. Initial results indicate a P recovery potential of 16,000 t/a (11% of the annual P demands for fertilizer production). The concentrations of Cd and U in SSA are one to two Orders of magnitude lower than in rock phosphate and could help to reduce possible hazards.
Die Zementindustrie erzeugt etwa 6-7% der globalen CO2-Emissionen und steht damit als Industriezweig vor dem Hintergrund einer anvisierten Klimaneutralität vor gewaltigen Herausforderungen. Der Prozess der Klinkerherstellung wurde über die vergangenen Jahrzehnte bereits kontinuierlich optimiert. Seit 1990 ist es der deutschen Zementindustrie gelungen, die spezifischen CO2-Emissionen der Zementproduktion u. a. durch den Einsatz alternativer, nicht fossiler Brennstoffe und durch Absenkung des Klinkergehalts im Zement um 20 % zu senken. Weitere konventionelle Minderungsstrategien versprechen jedoch nur noch wenig zusätzliche Reduktion. Im Falle des Portlandklinkers besteht die Schwierigkeit darin, dass zwei Drittel der CO2-Emissionen rohstoffbedingt durch die Entsäuerung des Kalksteins (CaCO3) anfallen, die durch die beschriebenen Maßnahmen nicht weiter abgesenkt werden können. Vielmehr wird es erforderlich sein, noch zu entwickelnde oder zu optimierende Technologien anzuwenden und ggf. alle relevanten Ebenen wie Produktion, Weiterverarbeitung und Anwendung von Zement und Beton neu zu denken. Neben technologischen Ansätzen zur CO2-Abscheidung mit nachfolgender langfristiger Speicherung (Carbon Capture and Storage – CCS) oder Verwertung (Carbon Capture and Utilisation – CCU) werden auch alternative Rohstoffe für die Zementproduktion und alternative Bindemittel in Betracht zu ziehen sein.
Agricultural sewage sludge utilization becomes less important in Germany. In 2017, new fertilizer and waste laws caused the agricultural sewage sludge utilization to collapse by more than a quarter. From 2029, in German wastewater treatment plants (WWTPs) phosphorus (P) must be recovered from sewage sludge ifit contains more than 2 wt % P. Agricultural utilization will be prohibited for large WWTPs > 100,000 population equivalents (pe) from 2029 and > 50,000 pe from 2032. In Germany, each federal state must annually report amounts and quality of agriculturally utilized sewage sludge which was 17 % of the total disposal in 2019. The reports of 10 States were evaluated for 2016 and 2017 representing approx. 60 % ofthe total agriculturally used sludge volume. Whereas phosphorus recovery is mandatory this does not apply to other nutrients. However, many P recovery processes recover other nutrients, too.
Considering three differentscenariosfor future German sewage sludge disposal Shows that 70 - 77 % ofthe P load in sewage sludge will probably be recovered in the future.
At the same time, this applies for about 0 - 16 % of nitrogen, 36 - 52 % of calcium, 31-53 % of potassium, and 40 - 52 % of magnesium. However, these recovered nutrient loads can substitute only 1 % or less ofthe commercial fertilizer demand except from phosphorus which is about 45 % ofthe demand.
Ab 2029 gilt für alle Kläranlagen in Deutschland eine Pflicht zur Rückgewinnung von Phosphor (P) aus Klärschlamm. Ausgenommen sind nur Anlagen mit Schlämmen mit weniger als 20 g P/kg bezogen auf die Trockenmasse (TM). Für eine Überprüfung der Phosphorschwankungen im Klärschlamm wurden neun verschiedene Kläranlagen ausgewählt mit Phosphorgehalten nahe der "Rückgewinnungsgrenze" von 20 g/kg TM. Der entwässerte Klärschlamm dieser Anlagen wurde monatlich beprobt und auf seinen Phosphorgehalt geprüft. Die Phosphorschwankungen betrugen je nach Anlage zwischen 4 % und 13 % (relative Standardabweichung), im Mittel rund 7 %.
There is a growing concern of the direct use of contaminated sewage sludge in agriculture due possible environmental and health hazards. Thus, incineration of the sludge and thus increasing amounts of sewage sludge ashes (SSA) are to be expected in the future. SSA contains considerable amounts of phosphorus (P) and technology metals that might be recovered as secondary raw materials. Since the EU for instance depends completely on the import of rock phosphate needed for fertilizer production, alternative sources for P are in order. Furthermore, rock phosphate is often contaminated with heavy metals like Cd and U, leading to health and environmental hazards. P recovered from SSA might diminish these problems. To determine the possible recovery potential of P and technology metals from SSA, we conducted a survey of German mono incineration facilities and analyzed the respective SSA for their elemental composition. More than 95% of the emerging SSA was monitored. Results indicate a P recovery potential of 18,000 t/a (up to 13% of the annual P demands for fertilizer production). The concentrations of Cd and U in SSA are one to two Orders of magnitude lower than in rock phosphate and could help to reduce possible hazards.
Recovery of rare earth elements - optimized elemental analysis of fluorescent lamp shredder waste
(2016)
Rare earth elements (REE) are a crucial component of fluorescence lamps. Several procedures have been developed to recovery these technological important elements. Nevertheless, actual REE recycling from fluorescence lamps is scarce so far (recovery rate of less than 1 %), with current recycling approaches concentrating on glass recovery. Since most recycling processes include several, also wet-chemical steps, a complete knowledge of the actual elemental composition of the respective mass flows is necessary for an efficient REE recovery. We tested seven different reagent mixtures for microwave-assisted digestion of fluorescent lamp shredder, including HF, HClO4, and H2O2. We determined the concentrations of 25 of the most relevant rare earth and other trace elements in the respective dilutions. Two independent digestions, one a mixture of perchlorid/nitric/hydrofluoric acid and the other aqua regia, showed the highest concentrations of 23 of these elements, excluding only Sn and Tb. The REE concentrations in the tested lamp shredder sample (stated in g/kg) were 10.2 (Y), 12.1 (La), 7.77 (Ce), 6.91 (Eu), 1.90 (Gd), and 4.11 (Tb).
Die Reduktion von Metalloxiden zum Metall in einer schmelzflüssigen mineralischen Matrix stellt die Grundlage vieler metallurgischer Verfahren dar.
Eine Prozessoptimierung und -kontrolle setzt allerdings die genaue Kenntnis der chemischen Zusammensetzung der Schmelze voraus.
Im Beitrag wird LIBS als Methode zur Online-Analyse von Hochtemperaturschmelzen vorgestellt.
Concrete is one of the most widely used construction materials and, accordingly, the concrete industry is an important stakeholder in the field of sustainable construction. Therefore various approaches have been implemented to increase the sustainability of concrete. Besides reducing CO2-emissions during cement production, increasing the energy efficiency of buildings and extending their life span, the end-of-life performance of concrete is also an essential aspect of sustainability. Reusing concrete as a secondary building material meets the requirements of sustainability in several ways: the extended time availability of primary raw materials and, thereby, the protection of natural resources as well as conserving landfill site. Furthermore, the production of recycled concrete aggregates (RCA) is a good example for closed-loop recycling.
However, regarding the use of RCA as a substitute for natural aggregates in concrete, attention must be paid to all issues of sustainability: this means that environmental, economic and social aspects have to be considered. Since RCA generally have inferior building material properties, such as higher porosity and lower density, the implementation of closed-loop recycling of concrete only makes sense if the technical quality assurance is secured. This paper focusses on the implementation of techniques for the deconstruction/demolition of buildings and the subsequent treatment of concrete rubble in order to improve the building material properties of RCA with regard to the requirements of sustainability and also technical rules and standards.
Due to the large quantities of construction and demolition waste (CDW) in Europe, its reuse or recycling is of particular importance. Although several countries already recycle high amounts of CDW, the use as secondary raw materials is often limited by inferior building material properties. Specific characteristics, like high porosity and low density are caused by hardened cement paste in crushed concrete and the content of mortar and plaster in brick debris. Impurities like wood or gypsum and also harmful substances like organic pollutants may be a major problem for a reuse and should be minimized. Therefore unwanted materials and impairing substances have to be separated from the secondary building material stream. This can be done during the demolition process by using techniques for selective dismantling or during the subsequent treatment of the resulting rubble. Since almost all processing steps are associated with environmental impacts, the benefits of saving natural resources by applying secondary building materials should be weighed carefully. An environmental performance evaluation was undertaken to assess different techniques for reducing gypsum in recycled concrete aggregates, aiming at a minimization of elutable sulfates. These results were compared to the environmental impacts of the extraction of natural aggregates for concrete.
Phosphorus (P) is essential for all forms of life and cannot be substituted. It is one of the macro nutrients applied in form of mineral or organic fertilizers in agricultural crop production. Mineral P fertilizers are generally based on phosphate rock, a limited resource. Western Europe completely depends on imports as it has no own relevant phosphate mines. The most abundant phosphate deposits are located only in a few countries such as Morocco, China, South Africa and the United States of America. Furthermore, phosphate rock and as a consequence mineral P fertilizers are often contaminated with the toxic elements cadmium and uranium. In Order to substitute phosphate rock P-bearing waste streams are investigated for their potential to be recyded as fertilizers. Wastewater is one of the important P-bearing waste streams that were in the focus of research in the last 10 years. German wastewater is e.g. a carrier of approx. 70,000 t of phosphorus per year.
Klärschlammaschen weisen hohe Gehalte an Phosphor auf, dieser ist allerdings schlecht für Pflanzen verfügbar. Des Weiteren enthalten sie Schwermetalle die vor dem Einsatz als Düngemittel entfernt werden müssen. Vor diesem Hintergrund wurden in den letzten Jahren nasschemische und thermochemische Verfahren entwickelt und zum Teil bereits in Demonstrationsanlagen getestet. Ein thermochemischer Verfahrensansatz wird in diesem Beitrag näher vorgestellt. Klärschlammaschen werden mit Klärschlamm als Reduktionsmittel und Natriumsulfat als Aufschlussmittel im Drehrohrofen thermisch behandelt. Bei diesem Prozess wird pflanzenverfügbares NaCaPÜ4 gebildet, unerwünschte Elemente wie As, Cd, Hg und Pb werden zum Teil über die Gasphase separiert. Die Ergebnisse eines Demonstrationsversuchs werden vorgestellt.
Phosphorous is essential for all living creatures and indispensable in its functions regarding bone structure, energy metabolism, and storage and expression of genetic information. It is removed from the soils through farming and husbandry and has to be replaced. Annually, more than 17 million tons of phosphorous are applied to soils in the form of mineral fertilizer worldwide (Killiches, 2013). In Germany, this accounts for 150,000 t/a. This fertilizer is produced from rock phosphate, which is often contaminated with heavy metals (Dissanayake et al., 2009), especially cadmium and uranium. Cd concentrations are around 30 mg/kg, U around 100 mg/kg, with even higher peak values. Since rock phosphate is treated with acids to make the phosphorous bioavailable, those heavy metals were also mobilized. When the fertilizer is applied to the farmland, the contaminants can pollute the soil and pose an environmental risk. Sewage sludge is another phosphorous source for farming. In Germany, 15,000 t/a phosphorous are applied to farmlands this way. However, there is a growing concern of possible environmental hazards since sewage sludge contains not only inorganic contaminants but also organic pollutants, especially pharmaceuticals and personal care products (Guardia et al., 2004).
Phosphorus fertilizer from sewage sludge ashes by thermochemical treatment - Benefits and challenges
(2015)
Mineral phosphorus (P) fertilizers are solely produced from phosphate rock. Europe completely depends on imports since there are no relevant phosphate rock deposits on the continent. Furthermore, phosphate rock is contaminated with heavy metals such as Cd and U that pollute the farmlands and pose environmental risks. Sewage sludge ash (SSA) might be a promising source for recycling fertilizer since it contains large amounts of P (up to 13 %). However, fertilizer from SSA has to comply with the respective ordinances, particularly the heavy metal limit values stated in the fertilizer ordinance, and requires sufficient P bioavailability. Thus, we conducted a complete survey of SSA from German mono-incineration facilities and developed a thermochemical treatment for SSA to reduce toxic elements and increase P bioavailability.
The number of different secondary raw materials used for fertilizer production is expected to increase in the future due to newly developed recycling procedures. Thus, more and more different matrices have to be analyzed. Furthermore, the respective legislation and analytical methodology is nonuniform throughout Europe. Therefore, a harmonization of the the regulations and Standards is desirable. We conduct a research project to test the existing analytical methods on their applicability to a broad variety of matrices to support the harmonization process. The project is scheduled tili late spring 2017. Initial results will be presented.
Im Rahmen eines vom BMBF geförderten KMU-Innovativ Forschungsprojekts (KKZ 0316199B) konnte in Kooperation mit der Firma Greibo Chemie GmbH ein bio-katalysierter Prozess zur Hydrolyse und Veresterung von gastronomischen Altfetten etabliert werden. Unter Anwendung des Enzyms Candida antarctica lipase-A (CAL-A) kann dieser Prozess mit einem teilweise wässrigen Medium durchgeführt werden was prozesstechnisch einige Vorteile mit sich bringt. Im Gegensatz zu anderen Acyltransferasen ist die CAL-A nicht nur in der Lage die Alkoholyse zu katalysieren sondern auch Fettsäuren zu verestern. Dies eröffnet eine breitere Anwendung des Prozesses auf weitere Produktgruppen und Abfallströme. Es wurden Optimierungen mit modifizierten Enzymen und verschiedenen Fetten und Alkoholen vorgenommen. Des Weiteren wurden die verfahrenstechnischen Parameter optimiert und ein Scale-up auf den 0,5 Tonnen Maßstab durchgeführt. Die aus dem Prozess resultierenden Fettsäureester eignen sich als Motoren- oder Hydraulikbasisöle sowie als Metallbearbeitungsöle. Im Vergleich zu den Mineralölkosten von ca. 1,0 - 1,5 € pro kg muss bei einer Umstellung eines Hydrauliköls auf Fettsäureester (konventionell hergestellt) allerdings bei einem Preis von 3 – 5 € pro kg mit Mehrkosten bei gleichbleibendem Verbrauch gerechnet werden. Für die erfolgreiche Markteinführung müssten vermutlich die durchaus vorhandenen ökologischen Vorteile der Altfett-basierten Produkte beworben werden.
LD-Schlacken weisen eine große chemische Ähnlichkeit zu Protlandzementklinker auf. Sie enthalten jedoch noch bis zu 30% Eisen, das mineralisch in oxidischer Form gebunden vorliegt. Dadurch kann sich bei der Erstarrung die wichtigste Klinkerphase "Alit" nicht ausbilden.
Durch eine reduzierende Schmelzbehandlung der Schlacke kann des mineralisch gebundene Eisen als Metall separiert werden. Dadurch wird auch die Mineralogie der Schlacke so verändert, dass auch sie nun praktisch einem Portlandzementklinker entspricht.
Entsprechende Versuche wurden am kleintechnischen Lichtbogenofen der BAM durchgeführt. Es werden Ergebnisse vorgestellt und auf Grenzen und Möglichkeiten eines derartigen Prozesses im Hinblick auf eine industrielle Umsetzung eingegangen.
Advantages of recycling gypsum plaster boards
During the last decades the material composition of buildings has become increasingly diverse. However, largely sorted material flows are needed for generating high quality secondary building materials. The use of secondary building materials can meet the requirements of sustainability in several ways: the extended time availability of primary raw materials and, thereby, the preservation of natural resources as well as the conservation of landfill sites.
Recycling of gypsum (calcium sulfate) can be a good example for the environmental benefits of closed-loop recycling. The content of sulfates in other secondary building materials, in particular in recycled concrete aggregates, should be minimized for quality reasons. In contrast, separated gypsum can also be used in gypsum production if the high quality requirements for the recycled gypsum are met. Since almost all processing steps in the recycling process are associated with environmental impacts, an environmental evaluation of the use of recycled gypsum as a substitute in gypsum production has to be carefully conducted.
This paper focusses on the techniques for generating recycled gypsum from gypsum plasterboards, the related quality requirements and a comprehensive environmental evaluation of the complete process.
Tricalcium-silicate (C3S) or Alite is the most important mineral in Portland cement. Since pure tricalcium-silicate is only stable above temperatures of 1250 °C, its decomposition has to be prevented technically by fast cooling after the sintering process. At room temperature, the decomposition velocity is very slow so that metastable tricalcium-silicate is obtained.
Although the mechanisms of clinker phase formation during burning process of Portland cement in a rotary kiln were solved and improved over the years, in view of possible economic and ecological benefits current projects aim to produce clinker phases from metallurgical slags. Recent studies discovered that the mineral phase which remained after a reducing treatment and separation of formed metallic iron from molten Linz-Donawitz (LD-) slags contained about 60 wt.% Alite despite it was cooled slowly. Because the results could be verified using slags from different origins and varying cooling velocities a chemical stabilisation of the Alite can be assumed. First tests in mortars indicate that workability, hardening and solid state properties are comparable with an ordinary Portland cement. An application of the observed phenomenon in cement production requires enhanced knowledge about formation and stabilisation conditions of Alite during crystallisation from melts in contrast to the sintering reactions in conventional Portland cement production. Therefore, this study focuses on the stabilisation mechanisms of Alite in consolidating melts. Samples from different melting experiments are analysed to determine stabilising factors.
The environmental concerns about availability of fossil fuels and greenhouse gas effect increase and alternative renewable fuels for power plants are gaining significantly of importance. One of the alternative renewable fuels is biomass but it is a difficult fuel because of its diversity and complexity. It can contain high percentages of K and Cl responsible for corrosion together with sand that have additionally an abrasive effect during combustion. Because of permanently extending the surface reaction due to abrasion the corrosion of the materials increases. In particular in power plants, the superheater tubes are exposed to a corrosive abrasive attack that is one of the main sources of concern. The development of new alloys for multilayer surface, which combines corrosive and abrasive resistance is therefore of high importance. Those new technical approaches must be at the same time cost-effective to be an alternative to conventional materials. This paper presents the principle of experimental methods developed for the investigations of high temperature corrosion combined with abrasion in thermochemical processes with high hydrochloric acid concentrations like during biomass combustion. The aim of the presented investigation methods it to test and develop suitable alloys for coatings for the super heater tubes of biomass power plants. First results of abrasion investigations show improved abrasion resistance compared to the multi-component reference material Alloy 625.
In Europa fallen jedes Jahr mehr als 10 Millionen Tonnen Klärschlamm an (Trockenmasse), etwa 2 Millionen davon in Deutschland, Bild 1 zeigt die Entwicklung der Klärschlammentsorgung in Deutschland. Nach dem Deponierungsverbot hat die Verbrennung des Klärschlamms stetig zugenommen. Die Verwendung im Landschaftsbau bzw. als Düngemittel ist nach einem Maximum um die Jahrtausendwende herum zugunsten der Verbrennung zurückgegangen, so dass heute jeweils etwa die Hälfte des Klärschlamms verbrannt und in der Landwirtschaft genutzt wird. Der Anteil an verbranntem Klärschlamm wird in Zukunft vermutlich weiter steigen. Ein wesentlicher Grund dafür ist die zunehmende Besorgnis über Schadstoffe im Klärschlamm, die Mensch und Umwelt schädigen könnten. Neben verschiedenen organischen und anorganischen Schadstoffen handelt es sich insbesondere um Emerging Pollutants of Concern (EMPOC) wie Antibiotika und Kosmetika.
Complete survey of German sewage sludge ashes - phosphorous and technology metal recovery potential
(2014)
Sewage sludge ashes (SSA) are a possible source for recovery of phosphorous (P) and technology metals. Phosphorous is essential for all animate beings. So far, its sole external source is rock phosphate, which is a finite resource. The EU import dependency on P from regions with high domestic demands or political instabilities is almost complete. Furthermore, rock phosphate often contains high amounts of heavy metals like Cd and U that might lead to health and environmetal hazards. P recovered from SSA might diminish these problems. We analyzed SSA from German mono incineration facilities in terms of their elemental composition and respective recovery potential. More than 97% of the emerging SSA is monitored, enabling the determination of complete mass flows of the ashes and their components. Results indicate a P recovery potential of 19,000 t/a (more than 12% of the annual P demands for fertilizer production). The concentrations of Cd and U in SSA are significantly lower than in rock phosphate and thus might help to reduce possible envrionmental and health hazards.
Due to the great quantities of construction and demolition waste in Europe, the reuse of building material waste as secondary raw materials is of particular importance. A recycling of building materials can meet the requirements of sustainability in several aspects: the extended time availability of primary raw materials and the related protection of natural resources as well as the saving of landfill sites. In recent years sulphates originating from gypsum in secondary building materials, made of construction and demolition waste, received growing attention. Sulphates are unwanted in secondary building materials for concrete production as well as for other use e.g. in unbounded layers. The content of gypsum resp. sulphates in secondary aggregates can be reduced by different methods. Depending on the type of material different steps for selective dismantling can be used to separate gypsum containing residues from concrete rubble. Furthermore some steps for the processing of building rubble are suitable for the reduction of sulphates in the produced aggregates. An environmental evaluation of different ways for the production of recycled concrete aggregates was performed with regard to a reduction of sulphates in the secondary building material. The use of techniques for selective dismantling was environmentally advantegous for the deconstruction of three investigated model houses.
Die landwirtschaftliche Klärschlammverwertung ist in der Bundesrepublik Deutschland seit Jahren rückläufig, hatte im Jahr 2017 jedoch noch einen Anteil von rund 18 % [20]. Diese Art der Verwertung wird kontrovers diskutiert, da der Klärschlamm im Rahmen der Abwasserreinigung eine Schadstoffsenke darstellt. In vergangenen Jahrzehnten wurden insbesondere die hohen Gehalte an Schwermetallen im Klärschlamm als kritisch für eine landwirtschaftliche Verwertung eingestuft. Diese Belastung konnte allerdings durch Absenkung der Einträge von Schmermetallen in das Abwasser signifikant gesenkt werden. Neben Schwermetallen kamen jedoch auch organische Schadstoffe wie Pharmazeutika, Kosmetika und Haushaltschemikalien in den Fokus der Diskussion über den Einsatz von Klärschlamm auf Agrarflächen. Heute geraten zunehmend weitere Inhaltsstoffe in den Fokus, deren Auswirkungen noch nicht abschließend geklärt sind, weshalb eine einheitliche Bewertung über Grenzwerte nicht darstellbar ist. Beispiele für diese neuen Stoffgruppen sind Mikroplastik, Nanopartikel, Antibiotikaresistenzen und persistente organische Spurenstoffe. Neben den angesprochenen Risiken gibt es in Deutschland Regionen mit einem stark erhöhten Nährstoffüberschuss. In der Kritik steht vor allem eine nicht ordnungsgemäße Düngung mit Stickstoff, welche mit Nitratauswaschungen in das Grundwasser einhergeht. Um diese Grundwasserbelastung zu verhindern wurde u.a. das Düngerecht erneut verschärft, was die Flächenkonkurrenz zwischen Klärschlamm und Wirtschaftsdünger weiter vergrößern wird. Auf Druck der EU-Kommission stehen zudem weitere Anpassungen im Düngerecht bevor, da die beschlossenen Änderungen aus Kommissionssicht nicht ausreichen, um die Nitratrichtlinie einzuhalten. Vor dem Hintergrund der angeführten Probleme wurde im Koalitionsvertrag der 18. Legislaturperiode (2013) festgeschrieben, „die Klärschlammausbringung zu Düngezwecken [zu] beenden und Phosphor und andere Nährstoffe zurück[zu]gewinnen“ [5]. Die novellierte AbfKlärV beinhaltet allerdings kein grundsätzliches Aufbringungsverbot und eine Rückgewinnungspflicht besteht lediglich für den Nährstoff Phosphor. Es ist davon auszugehen, dass sich die neuen Regelungen im Düngerecht und der Klärschlammverordnung massiv auf die landwirtschaftliche Verwertung von Klärschlamm und damit auf die Kreislaufwirtschaft verschiedener Nährstoffe auswirken werden. Zur Ermittlung dieser Auswirkungen wird seit Oktober 2018 im Auftrag des Umweltbundesamtes das REFOPLAN-Projekt „extraWERT“ (FKZ 3718 26 330 0) von der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) in Kooperation mit dem Institut für Siedlungswasserwirtschaft (ISA) der RWTH Aachen durchgeführt. In diesem Beitrag werden erste Ergebnisse dieses Projekts vorgestellt.
Blast furnace (BF) sludge and electric arc furnace (EAF) dust are typical wastes that incur from iron and steel production. In addition to iron, calcium, carbon, and silicon they usually contain high concentrations of heavy metals such as zinc, lead, and cadmium that are potentially hazardous to the environment, rendering disposal in landfills ecologically problematic and costly. Consequently, pyrometallurgical, hydrometallurgical, and hybrid methods for selective elimination of non-ferrous heavy metals from BF sludge and EAF dust have been conceived, of which only the carbothermic reduction route taken in the so-called Waelz rotary kiln process has been proven to be economically successful. However, this process has several drawbacks regarding efficiency of heavy-metal removal and recovery of iron, and it does not allow processing of BF sludge. In this study, we investigated the efficiency and feasibility of selective chlorination and evaporation of non-ferrous heavy metals, particularly zinc and lead, in both BF sludge and EAF dust as an alternative, thermochemical processing route. To this end, hydrochloric acid and iron(II) chloride solution have been used as chlorinating agents, and the process of heavy-metal chlorination and evaporation has been investigated under inert operating conditions, at variable chlorine concentrations, and at temperatures between 500 and 1200 °C.
High zinc and lead removal efficiencies of > 99.5 % were achieved with both chlorinating agents, but iron(II) chloride turned out to be overall more efficient for removal of zinc and lead from BF sludge and EAF dust. Interestingly, and in contrast to previous studies, the iron was completely retained in the processed solid residue, therefore rendering the processed residues virtually zinc- and lead-free raw materials that may either be used internally (e.g., feeding processed BF sludge and EAF dust back into the respective furnaces) or externally (e.g., for cement production).
An existing pyrometallurgical process for tantalum and niobium recovery, mainly from low grade pyrometallurgical residues, was investigated. Series of melting experiments were carried out in a pilot-scale electric arc furnace to study how the amount, the grain size and the way of feeding affect the activity of carbon as a reducing agent. During the pyrometallurgical treatment refractory metals such as tantalum and niobium are reduced to their carbide form and enriched in the molten iron-based metal phase. The cooled down slag and metal phase were analysed to investigate thermodynamic and kinetic conditions of the carbide formation. FACT Sage simulations were also used to investigate the material system in state of thermodynamic equilibrium. Results show that mass transfer and kinetics may play an important role if compared to equilibrium analyses using FACT Sage.
Since the recycling of tantalum bearing post-consumer waste is practically not existent, metallurgical residues are the most important feed for the tantalum recycling. Most tin ores naturally contain significant quantities of refractory metals. During the smelting process in primary tin production these elements are enriched in the slag phase. This slag is a highly valuable raw material for tantalum production due to its considerable concentration of tantalum and its functioning as an additional slag former in further pyrometallurgical treatment.
In this paper the first process stage of an existing pyrometallurgical process for tantalum recovery, mainly from low grade pyrometallurgical residues, is discussed. Smelting trials were carried out in a pilot-scale electric arc furnace to analyse the effect of feeding on the activity of carbon as a reducing agent. Therefore, blowing petroleum coke through an iron lance and the manual adding of coke into the melting bath were tested. During the pyrometallurgical treatment elements with a high affinity to carbon were reduced to their carbide form and enriched in the molten iron-based metal phase. The objective of the process was to reduce the oxidic tantalum completely and to enrich it into the metal phase. Furthermore, the transfer of unwanted elements such as titanium into the metal phase was aimed to be avoided.
Spoon test specimens were taken from the liquid mineral melt to follow the evolution of the reduction process. The cooled down solidified melting bath was investigated by using the XRD and EDX method to characterise the slag system and to identify relevant mineral phases.
Bei der Stahlproduktion fallen verfahrensbedingt große Mengen an Nebenprodukten und Abfällen wie Stahlwerksschlacken, Filterstäube und Gichtgasschlämme an. Hohe Anteile dieser Stoffströme werden aufgrund ihrer Zusammensetzung immer noch deponiert, obwohl sie ein hohes Wertstoffpotential aufweisen. An der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) werden Verfahren untersucht
und entwickelt, welche eine Verwertung und Kreislaufführung dieser Materialströme ermöglichen. Aus sogenannten Linz-Donawitz-(LD)-Schlacken können durch carbothermische Nachbehandlung Roheisen und ein dem Portlandzementklinker (PZK) ähnliches Bindemittel erzeugt werden. Aus Elektroofenstäuben und Gichtgasschlämmen kann Zink gewonnen und die Anteile an Eisen und Kohlenstoff in den Stahlproduktionsprozess zurückgeführt werden. Durch diese technischen Maßnahmen kann es gelingen die Deponierung von Abfällen der Stahlproduktion zukünftig deutlich zu reduzieren.
Tantalum and niobium are essential for the development of electronics towards a more and more compact design, but without reducing their performance today. Especially in smart phones and tablets, tantalum and niobium capacitors with high charge densities have already become almost indispensable. However, tantalum as a critical raw material is still a problem for the sustainable production of electronics. Due to this fact, the existence of efficient recycling processes especially in Europe is becoming even more important nowadays.
The Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) is currently working on the optimisation of an existing pyrometallurgical tantalum recycling process. Optimisation of this industrial process is carried out in a small-scale electric arc furnace (480 kVA, capacity approx. 150 kg/h) at BAM using a new and innovative equipment for on-line analysis of high temperature processes.
The aim of this project is to identify the best timing for an optimum slag tapping, when the slag is lower than minimum targeted tantalum concentration. Hence, LIBS (Laser induced breakdown spectroscopy) is used to identify the chemical composition of the slag layer and during slag tapping. The on-line-LIBS prototype of BAM enables an in-situ measurement of the element distribution in the melt after calibration on the slag system.
First results of this joint research project will be presented including LIBS-measurements and thermodynamic and kinetic aspects of the process.
Die Klinkerphasenbildung durch Sinterung in Drehrohröfen bei der Herstellung von Portlandzementklinker (PZK) ist gründlich erforscht und optimiert. Im Hinblick auf mögliche ökonomische und ökologische Vorteile befassen sich aktuelle Forschungsvorhaben darüber hinaus mit der Herstellung von Klinkermineralen aus Stahlwerksschlacken, die eine vergleichbare chemische Zusammensetzung aufweisen.
Neuste Untersuchungen zeigen, dass nach der reduzierenden Behandlung schmelzflüssiger Linz-Donawitz-(LD)-Schlacken und Abscheidung des gebildeten metallischen Eisens eine mineralische Schlacke entsteht, die unabhängig von ihren Abkühlbedingungen ca. 50–60 Gew.% des wichtigsten Klinkerminerals Alit (C3S) enthält und eine hohe hydraulische Reaktivität aufweist.
Die Stabilität des Alits auch nach langsamer Abkühlung deutet auf eine Stabilisierung des Minerals durch Nebenelemente aus den LD-Schlacken hin. Ein sinkender Anteil an LD-Schlacke durch Zusatz synthetischer Schlackemischung, die sich hinsichtlich ihrer Hauptkomponenten wie eine ausreduzierte LD-Schlacke zusammensetzt, führt zu einem Rückgang des Alitgehaltes und dem Zerfall der Schlacke beim Erstarren.
Die Europäische Kommission präsentierte am 11. Dezember 2019 den European Green Deal, ein Konzept mit dem Ziel, bis zum Jahr 2050 als erster Kontinent Klimaneutralität zu erreichen. Mit Inkrafttreten der Verordnung (EU) 2021/1119 des Europäischen Parlaments und des Europäischen Rates am 29. Juli 2021 zur Schaffung des Rahmens für die Verwirklichung der Klimaneutralität („Europäisches Klimagesetz“), ist dieses, sowie das Ziel der Reduzierung der Nettotreibhausgasemissionen um mindestens 55 % bis 2030 in der Gesetzgebung der Europäischen Union verankert. Die Stahlindustrie in der Europäischen Union mit ca. 57 Mio. t Nettotreibhausgasemissionen im Jahr 2020, die annähernd 2 % der Emissionen der Europäischen Union ausmachen (Inklusive Energie: 127 Mio. t; 4 %), bekennt sich zur erheblichen Reduzierung der CO2-Emissionen bis zum Jahr 2030 und zum Erreichen der Klimaneutralität bis zum Jahr 2050. Als Schlüsselwege zur Verwirklichung dieser Zielstellung hat sie zum einen Smart Carbon Usage (SCU) und zum anderen Carbon Direct Avoidance (CDA) in einer Roadmap formuliert. SCU umfasst CO2-reduzierende Maßnahmen in bestehenden Eisen- und Stahlproduktionsprozessen, Carbon Capture and Storage- (CCS) sowie Carbon Capture and Usage-Technologien (CCU). Wohingegen bei CDA CO2-Emissionen durch erneuerbare elektrische Energie sowie wasserstoffbasierte Reduktion des Eisenerzes gar nicht erst entstehen sollen. Der CDA-Weg, der voraussichtlich beschritten werden muss, um eine klimaneutrale Stahlproduktion zu erreichen [38], geht mit einer kostenintensiven Transformation der Stahlproduktion einher, die bereits von vielen Unternehmen der Stahlindustrie eingeleitet wurde und von der im Wesentlichen die beiden in Europa vorherrschenden Stahlproduktionsrouten Hochofen-Konverter-Route und Elektrolichtbogenofen-Route betroffen sind. Die CO2-Emissionen der Hochofen-Konverter-Route, von denen der überwiegende Anteil auf den Hochofen fällt, liegen laut einer für das Jahr 2015 erstellten Studie bei 1921 kg CO2/t Rohstahl inklusive der CO2-Last der Pellets als Einsatzmaterial sowie der Emissionen der nachgelagerten Stranggießanlagen und Walzwerke. Im Hochofen wird das Eisenerz durch Kohlenstoff (C) bzw. Kohlenstoffmonoxid (CO) – welche größtenteils aus dem Koks, der dem Hochofen zusammen mit dem Möller über die Gicht zugeführten wird, stammen – unter Entstehung von Roheisen und Kohlenstoffdioxid (CO2) reduziert. Das neben dem CO2 im Prozessgas enthaltene CO wird zum Beispiel zur Energiegewinnung in peripheren Prozessen ebenfalls unter Bildung von CO2 verbrannt. Zusätzlich zur Reduktion hat der Koks unter anderem physikalische Aufgaben, wie die Errichtung eines Stützgerüstes und die Gewährleistung der Permeabilität im Hochofenprozess. Somit ist eine vollkommene Substitution des Kokses zur Vermeidung der CO2-Emissionen im Hochofen nicht denkbar. Viele Strategien der Stahlunternehmen zum Erreichen der Klimaziele verfolgen daher den Wechsel von der Rohstahlproduktion aus der Hochofen-Konverter-Route hin zur Rohstahlproduktion im Elektrolichtbogenofen (EAF – Electric Arc Furnace) mit dem Einsatz von direkt reduziertem Eisen (Eisenschwamm, DRI – Direct Reduced Iron) aus vorgelagerten Direktreduktionsanlagen, die mit Wasserstoff (H2) als Reduktionsmittel betrieben werden können. Dabei ist die Elektrostahlerzeugung kein neuer Prozess und nimmt in der europäischen Union bereits jetzt einen Anteil von ca. 44 % der Rohstahlproduktion ein, jedoch überwiegend mit Schrott als Einsatzmaterial. Bei der Elektrostahlerzeugung mit Schrotteinsatz fallen laut der oben genannten Studie von Lüngen für das Jahr 20152 410 kg CO2-Emissionen pro Tonne Rohstahl an, von denen der Großteil auf die CO2-Last der fremd bezogenen elektrischen Energie zurückzuführen ist und daher nicht im Produktionsprozess selbst entsteht. Auch die Direktreduktion wird schon seit 1972 in der weltweit zweiten und bis heute in Westeuropa einzigen Direktreduktionsanlage in Hamburg betrieben. Während hier noch mit einem Reduktionsgas gearbeitet wird, das hauptsächlich aus einem aus Erdgas gewonnenen Wasserstoff-Kohlenstoffmonoxid-Gemisch besteht, liegt eine aktuelle Kernherausforderung in der Bereitstellung des in der Größenordnung der von der Transformation betroffenen Rohstahlproduktionskapazitäten notwendigen, mit erneuerbarer elektrischer Energie hergestellten Wasserstoffs. Wird zusätzlich der Strom für das Einschmelzen im Elektrolichtbogenofen aus erneuerbaren Quellen gewonnen und werden schließlich als Brennstoff verwendete Kohle und als Brennstoff verwendetes Erdgas durch CO2-neutrale Bio-Brennstoffe ersetzt, sind sowohl für den Einsatz von mit Wasserstoff reduziertem und auf Pellets ohne CO2-Last basiertem Eisenschwamm als auch für den Einsatz von Schrott CO2-Emissionen von jeweils nur 60 kg CO2/t Rohstahl erreichbar, was eine Reduktion der Emissionen, ausgehend von der Konverter-Hochofen-Route um 97 % und ausgehend von der Schrott-Elektrolichtbogenofen-Route um 85 % bedeuten würde.
Der Betrieb von Elektrolichtbogenöfen macht die an den Standorten vorhandenen Konverter sowie die Infrastruktur für Behandlung und Transport des Roheisens überflüssig. Die fortwährende Nutzung dieser bestehenden Anlagenstruktur dient daher unter anderem als Motivation für die Entwicklung einer zweiten Transformationsstrategie, die einen sogenannten Einschmelzer (SAF – Submerged Arc Furnace) als der Direktreduktionsanlage nachgelagerten Prozess vorsieht, in dem wiederum Roheisen erschmolzen wird, das anschließend im Konverter zu Rohstahl veredelt wird.
Die Transformation der Stahlindustrie beeinflusst einen weiteren CO2-intensiven Industriesektor, nämlich die Zementindustrie die verantwortlich ist für rund 4 % der CO2-Emissionen in der EU. Etwa zwei Drittel dieser Emissionen entfallen als Prozessemissionen auf die Entsäuerung des Rohstoffs Kalkstein (CaCO3), also auf die Abspaltung von CO2 unter Entstehung des für die Herstellung von Zementklinker notwendigen Branntkalks (CaO) als Zwischenstufe bei der Bildung der hydraulischen Phasen Tri- und Dicalciumsilikat. Als eines der fünf Themenfelder (5C-Ansatz: Clinker, Cement, Concrete, Construction, Carbonation), welche die europäische Zementindustrie entlang ihrer Wertschöpfungskette zum Erreichen der gesetzlichen Vorgaben der europäischen Union erarbeitet hat, umfasst das Feld "Cement" zum größten Teil die Reduzierung des Klinker-Zement-Faktors. Im Jahr 2017 betrug er 77 %, das heißt, dass 23 % des Klinkers durch alternative Materialien ersetzt wurden. Bis zum Jahr 2030 wird ein Faktor von 74 % und bis zum Jahr 2050 von 65 % angestrebt. Den größten Anteil an den Klinkersubstituten hat mit 33 % der Hüttensand aus der Stahlindustrie. Bei der Roheisenproduktion im Hochofen entsteht als Nebenprodukt Hochofenschlacke, die unter Zugabe von Schlackebildnern die Gangart des Möllers und mineralische Koksbestandteile abbindet, sowie weitere unerwünschte Begleitelemente wie Schwefel und Alkalien aufnimmt. Allein in Deutschland wurden im Jahr 2021 6,90 Mio. t – das entspricht 90 % der gesamten produzierten Hochofenschlacke – zu glasig erstarrtem Hüttensand granuliert. Dieser Hüttensand besitzt latent hydraulische Eigenschaften und wird daher seit mehr als 140 Jahren als Zementbestandteil eingesetzt, wodurch in Deutschland jährlich rund 4,5 Mio. t CO2-Emissionen eingespart werden. Alle Transformationsstrategien der Stahlindustrie beinhalten die notwendige Außerbetriebnahme der CO2-intensiven Hochöfen. Dies hat unter anderem zur Folge, dass die Hochofenschlacke als Nebenprodukt der Rohstahlerzeugung im Hochofen nicht mehr zur Verfügung stehen wird, wodurch die weitere Reduzierung des Klinker-Zement-Faktors erhebliche Zusatzmengen alternativer Materialien benötigen wird. Derzeit ist noch unklar, ob z.B. calcinierte Tone im benötigten Umfang erzeugt werden können.
Der Fachbereich Thermochemische Reststoffbehandlung und Wertstoffrückgewinnung der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) und das Institut für Baustoffforschung FEhS forschen zusammen mit Industriepartnern und weiteren Forschungseinrichtungen im Rahmen zweier Projekte in den Kooperationssphären der Stahl- und Zementindustrie, die zur Bewältigung dieser Herausforderungen beitragen. Im Projekt SlagCEM wird die Produktion eines hydraulischen Zementbestandteils durch Reduktion von Konverter- bzw. Linz-Donawitz-Schlacke (LDS) untersucht. Die mit den zusätzlich aufgenommen Lichtbogenofenkapazitäten steigenden Mengen an Elektrolichtbogenofenschlacke (EOS, engl. electric arc furnace slag, EAFS) werden im Projekt DRI-EOS behandelt, welches die Produktion eines latent hydraulischen Hüttensandsubstituts zum Ziel hat.
Aufgrund der natürlichen und vom Menschen verursachten Heterogenität von Böden erfordert der Erhalt und die Verbesserung ihrer Fruchtbarkeit durch landwirtschaftliche Bewirtschaftungsmaßnahmen sorgfältig geplante Ent-scheidungen, die auf einer detaillierten Erfassung der Bodeneigenschaften und einem vertieften Verständnis der Bodenprozesse beruhen. Es ist bekannt, dass die konventionelle, flächen-einheitliche Bewirtschaftung Ertragsver-luste durch zu geringe Bewirtschaftungsintensität (z. B. Düngung) auf einen Teil der Fläche verursacht, während andere Teile des Feldes zu hohe Dosen erhalten und es dadurch zu Verschwendung von Ressourcen und zu Um-weltbelastungen kommt. Trotz der Verfügbarkeit von Technologien für ortsspezifische Düngung ist die Akzeptanz ortsspezifischer Bewirtschaftung (Precision Agriculture) in der Praxis noch gering. Ein wesentlicher Grund dafür ist das Fehlen von kostengünstigen Methoden zur Erfassung der bewirtschaftungsrelevanten Bodenmerkmale. So-wohl für die elementanalytische Untersuchung von Böden als auch für die Untersuchung von Ausgangsmaterialien (z.B. Klärschlammaschen) für ihre Verwendung als Dünger ist eine zuverlässige Analytik und Prozessüberwachung erforderlich.