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Phosphorus-fertilizers from secondary resources such as sewage sludge ash (SSA) will become more important in the future as they could substitute conventional fertilizers based on the nonrenewable resource phosphate rock. Thermochemical approaches were developed which remove heavy metals from SSA prior to its fertilizer application on farmlands. We analyzed the chemical state of mercury and selenium in SSA before and after thermochemical treatment under different conditions for P-fertilizer production by X-ray absorption near edge structure (XANES) spectroscopy. In some incineration plants the mercury loaded carbon adsorber from off-gas cleaning was collected together with the SSA for waste disposal. SSAs from those plants contained mercury mainly bound to carbon/organic material. The other SSAs contained inorganic mercury compounds which are most probably stabilized in the SSA matrix and were thus not evaporated during incineration. During thermochemical treatment, carbon-bound mercury was removed quantitatively. In contrast, a certain immobile fraction of inorganic mercury compounds remained in thermochemically treated SSA, which were not clearly identified. HgSe might be one of the inorganic compounds, which is supported by results of Se K-edge XANES spectroscopy. Furthermore, the chemical state of selenium in the SSAs was very sensitive to the conditions of the thermochemical treatment.
The amount of sewage sludge produced worldwide is expected to further increase due to rising efforts in wastewater treatment. There is a growing concern against its direct use as fertilizer due to contamination of the sludge with heavy metals and organic pollutants. Incinerating the sludge degrades organic compounds almost completely and concentrates heavy metals and phosphorus. However, the sewage sludge ash (SSA) is almost completely disposed of and with it all resources are removed from the economic cycle. Comprehensive knowledge of the composition of SSA is crucial to assess the resource recovery potentials. We conducted a survey of all SSA emerging in Germany and determined the respective mass fractions of 57 elements over a period of one year. The median content of phosphorus was 7.9%, indicating an important recovery potential. Important trace elements were Zn (2.5 g/kg), Mn (1.3 g/kg), and Cu (0.9 g/kg). Mass fractions of technology metals such as V, Cr, Ga, Nb, and rare earths were comparatively low. Considering the possible use of SSA as secondary raw material for fertilizer production it should be noted that its Cd and U content (2.7 mg/kg and 4.9 mg/kg respectively) is significantly lower than that of rock phosphate based mineral fertilizers.
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.
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.
Determination of chromium (VI) in primary and secondary fertilizer and their respective precursors
(2017)
Hexavalent chromium species (Cr(VI)) are often carcinogenic, of high acute toxicity, highly mobile, and thus pose a severe risk to health and environment. Fertilizers usually contain significant amounts of chromium. Therefore, a reliable analysis of chromium and the fraction of Cr(VI) are crucial for safe use of fertilizers. This problem is expected to increase in the future, since more and more recycled fertilizers emerge due to increasing fertilizer demand and respective supply risks. However, existing analytical methods have been developed for conventional fertilizers and have to be tested whether they are suitable for the new materials. Thus, we performed a wet-chemical extraction for Cr(VI) on several matrices as well as respective quality control experiments including spiking with Cr(III) and Cr(VI)compounds. We found the Cr(VI) amounts to be below 2 mg/kg except for a thermally post-treated sewage sludge ash (SSA) that showed 12.3 mg/kg. The presence of organic matter e.g. in sludge or precipitated struvite caused a reduction of spiked Cr(VI) and thus no satisfying recovery for Quality control. Cr(VI) reduction was also observed for SSA, presumably due to the presence of Fe(II) compounds.
Even though the tested procedure can be hampered in some recycled fertilizer matrices, it might be adapted to be applicable also for these complex samples.
Die europäische Kommission (Generaldirektion Unternehmen und Industrie) hat kürzlich die Auswirkungen einer harmonisierten europäischen Düngemittelverordnung, einschließlich der technischen Durchführbarkeit und den umweltbezogenen, wirtschaftlichen und sozialen Auswirkungen einer solchen Gesetzgebung untersuchen lassen. Basierend auf diesen Ergebnissen soll nun die EU-Düngemittelverordnung (EG) 2003/2003 revidiert werden. Neben der Vielzahl von bestehenden und neuen Düngemitteltypen wie z.B. Phosphor-Recyclingdüngern soll die neue Verordnung auch organische Düngemittel und somit Matrices wie Klärschlamm, Gärrückstände und Wirtschaftsdünger regeln. Dies bedeutet, dass Parameter und Grenzwerte, die bisher in verschiedenen Verordnungen für verschiedene Matrices geregelt wurden, künftig gemeinschaftlich geregelt werden (Klärschlamm, Düngemittel) und weitere Matrices zusätzlich geregelt werden müssen (Phosphor-Recycling-Produkte, Produkte aus Klärschlamm/-aschen).
Resultierend aus den aktuellen nationalen Entwicklungen insbesondere bezüglich des Ausstiegs aus der landwirtschaftlichen Klärschlammverwertung und im Hinblick auf die Bestrebungen hinsichtlich der Schonung natürlicher Ressourcen (z.B. ProgRess) ist zu erwarten, dass die Anzahl an Düngemitteln, die aus Recyclingmaterialien gewonnen werden, stark zunehmen wird. Recyclingdünger aus dem Stoffstrom Klärschlamm- bzw. Klärschlammasche werden zukünftig einen großen Anteil an diesen neuen Produkten ausmachen.
Vor den angeführten Hintergründen ist es notwendig relevante und insbesondere bereits genormte Verfahren hinsichtlich ihrer Anwendbarkeit auf z.B. Klärschlamm/-aschen und daraus gewonnenen Recycling-Düngern sowie auf kommerzielle P-Düngemittel zu prüfen.
Vor diesem Hintergrund wurde die BAM (FB 4.4) vom UBA mit einer Untersuchung beauftragt:
UFOPLAN FKZ: 3714263200
„Untersuchung der Anwendbarkeit der im Rahmen des CEN-Projekts HORIZONTAL entwickelten Analyseverfahren auf Düngemittel und Klärschlamm/ -aschen“
Laufzeit: 01.07.2014 – 31.01.2017
In Deutschland werden gegenwärtig etwa 53 % der kommunalen Klärschlämme in Mono- und Müllverbrennungsanlagen sowie Kraft- und Zementwerken thermisch und 47 % stofflich, d.h. landwirtschaftlich (30 %) oder in landschaftsbaulichen Maßnahmen u.ä. verwertet (17 %). Bezogen auf die etwa 9,4 Mrd Kubikmeter Abwasser, die pro Jahr in Deutschland anfallen, kann von einem Potenzial von 75000 t Phosphor/a (davon ca. 67500 t P/a im Klärschlamm) ausgegangen werden. Bislang werden in der Literatur ca. 37 Verfahren zur abwasserseitigen Rückgewinnung von Phosphor beschrieben, die im Labor, im Technikumsmaßstab oder in Pilotanlagen erprobt worden sind. Weltweit wurden bisher ca. 12 davon großtechnisch umgesetzt. Etwa vier verschiedene Verfahrenstechniken lassen sich derzeit in Deutschland finden. Einige Verfahren arbeiten mit Ionenaustauschern, zum überwiegenden Teil handelt es sich jedoch um Fällungs- oder Kristallisationsverfahren, bei denen Magnesium-Ammonium-Phosphat (MAP, Struvit) entweder aus den Haupt- oder Nebenströmen einer Kläranlage oder aus dem Schlamm bzw. Schlammwasser gewonnen wird. Für den Nährstoff Phosphor konnte in den Klärschlammaschen ein Gehalt von durchschnittlich 7 % ermittelt werden. Daraus ergibt sich ein Potenzial von etwa 17500 t P/a (Tendenz steigend). Je nach Verfahren kann mit einem Rückgewinnungspotenzial von etwa 60 bis 90 % Phosphor aus der Asche (ca. 55 bis 80 % Pges bezogen auf den Kläranlagenzulauf) gerechnet werden
Fluorescence lamps contain considerable amounts of rare earth elements (REE). Several recycling procedures for REE recovery from spent lamps have been established. However, despite their economic importance, the respective recycling is scarce so far, with an REE recovery rate of less than 1%. A reliable analysis of REE and other relevant metals like Yttrium is crucial for a thorough and complete recovery process. This applies both to the solid matter and aqueous phase, since most of the recycling processes include wet-chemical steps. We tested seven different reagent mixtures for microwave-assisted digestion of fluorescent lamp shredder, including hydrofluoric acid, perchloric acid, and hydrogen peroxide. We determined the concentrations of 25 of the most relevant rare earth and other trace elements (Al, P, Ti, V, Cr, Fe, Ni, Cu, Ga, Ge, As, Y, Ag, Cd, Sn, Sb, La, Ce, Eu, Gd, Tb, W, Au, Hg, and Pb) in the respective dilutions. Two independent digestions, one a mixture of perchlorid/nitric/hydrofluoric acid and the other aqua regia, showed the highest concentrations of 23 of these elements, excluding only Sn and Tb. The REE concentrations in the tested lamp shredder sample (stated in g/kg) were 10.2 (Y), 12.1 (La), 7.77 (Ce), 6.91 (Eu), 1.90 (Gd), and 4.11 (Tb).
Phosphorus 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.