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- 4.4 Thermochemische Reststoffbehandlung und Wertstoffrückgewinnung (55)
- 7 Bauwerkssicherheit (3)
- 7.1 Baustoffe (2)
- 1 Analytische Chemie; Referenzmaterialien (1)
- 1.4 Prozessanalytik (1)
- 4.2 Material-Mikrobiom Wechselwirkungen (1)
- 4.3 Schadstofftransfer und Umwelttechnologien (1)
- 7.4 Baustofftechnologie (1)
Along with the globally increasing energy demand the application of renewable energy sources is
urgently required. According to national regulations and international treaties (e.g. Kyoto Protocol)
these sources shall be sustainably available at reasonable financial effort and non-polluting during
production, use and waste treatment. Using photovoltaic sources (PV), these requirements can
clearly be met. All industry has to follow the best available technology and an integrative life cycle
approach for their products and production. PV thin film technology strictly responds to this obligation.
In order to save material resources and to minimise undesirable landfill recycling of spent PV
modules is necessary. Recycling of multi-component materials containing mixed metals typically
consists of three parts: liberation, separation, and recovery. In our study (RESOLVED an EU
Demonstration Project) the focus is on liberation and separation. The converting layer (CdTe) was
liberated (removed) from the glass carrier by sandblasting and separated subsequently from the
blast material (e.g. corundum) and other components using stepwise different separation techniques.
Both the glass substrate and CdTe are subject to re-use. The overall feasibility of the recycling
process is primarily governed by the efficiency of the procedure applied to the separation of CdTe
from the rest (blasting material, glass residues, etc.). This was performed by water-based flotation.
Several flotation procedures were studied regarding their separation yields. The distribution of
CdTe in the phases involved (flotate, water, residue) was measured using energy dispersive X-ray
fluorescence spectrometry (EDXRS) intended for future routine application and by instrumental
large-volume photon activation analysis (IPAA) as a reference procedure. The results of both analytical
methods were in satisfactory agreement.
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.
Pot experiments are often performed to analyze the plant-availability of phosphorus (P) in P-fertilizers. However, these experiments do not determine the P compounds present in the soil which are responsible for the yield increase. In order to better understand the results of pot experiments we analyzed the soils by P K-edge X-ray absorption near-edge structure (XANES) spectroscopy to determine the P species and unravel transformation processes. We carried out pot experiments with maize testing different waste water derived recycling P-fertilizers on an acidic and a neutral soil. Soils samples before sowing and after harvest were collected and prepared for analysis. A combination of macro- and µ-XANES spectroscopy was used to determine the chemical state of the overall soil P and to identify P compounds in P-rich spots localized by micro-X-ray fluorescence (µ-XRF). P K-edge macro-XANES spectroscopy detected organic P and/or P sorbed onto organic matter or other substrates in the unfertilized and fertilized soils. In addition, µ-XRF mapping in combination with P K-edge µ-XANES spectroscopy evidenced that some P phases present in recycling P-fertilizers (magnesium phosphate and calcium sodium phosphate) react with co-fertilized ammonium nitrate and form highly plant-available ammonium phosphates in the soil. In opposite, apatites were not affected by the presence of ammonium. Thus, for a boost of the plant-availability of P in recycling P-fertilizers these fertilizers should be directly co-fertilized with nitrogen (N) sources that contain a high amount of ammonium instead of nitrate. Possibly, a specific preparation of NP-fertilizers by granulation of recycling P-fertilizers with ammonium compounds and a nitrification inhibitor could enhance the plant-availability of the produced fertilizer whereby they become more competitive to commercially available NP-fertilizers based on phosphate rock.
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.
Weltweit werden etwa 80–85 % aller abgebauten Rohphosphate für die Produktion von Düngemitteln verwendet. Bei noch steigendem Bedarf an Phosphor (P) geht man derzeit davon aus, dass die weltweiten P-Reserven noch über 200 Jahre ausreichen. Um den P-Vorrat langfristig abzusichern, sollte der in Reststoffen enthaltene Phosphor möglichst umfänglich genutzt werden. Dieser Forderung trägt das von der Bundesregierung 2012 erstmals beschlossene Deutsche Ressourceneffizienzprogramm ProgRess Rechnung. Rohphosphat wird auch seitens der Europäischen Kommission aufgrundseiner ökonomischen Bedeutung und des unsicheren Angebots als „kritischer Rohstoff“ eingestuft. Vor diesem Hintergrund hat die Bundesregierung in der Verordnung zur Neuordnung der Klärschlammverwertung vom 27. September 2017 in Deutschland eine verpflichtende technische Rückgewinnung von Phosphor für Abwasserbehandlungsanlagen ab einer Ausbaugröße von 100.000 Einwohnerwerten (12 Jahre nach Inkrafttreten der Verordnung) bzw. ab einer Ausbaugröße von über 50.000 Einwohnerwerten (15 Jahre nach Inkrafttreten der Verordnung) vorgeschrieben. Die Verordnung enthält keine Vorgaben hinsichtlich der anzuwendenden Technologie bei der Phosphorrückgewinnung. Ausgenommen von der Rückgewinnungspflicht sind Klärschlämme mit niedrigen Phosphorgehalten (weniger als 20 Gramm Phosphor je Kilogramm Klärschlamm-Trockenmasse). Auch die im Jahre 2017 verabschiedeten neuen Rechtsvorschriften für die Düngung verlangen zukünftig einen nachhaltigen und ressourceneffizienten Umgang mit Nährstoffen bei der landwirtschaftlichen Erzeugung und schränken die P-Zufuhr insbesondere auf hoch versorgten Böden ein (Düngeverordnung vom 26. Mai 2017). Dies wird zu einem mehr am Pflanzenbedarf orientierten und ggf. vermehrt überbetrieblichen Einsatz von wirtschaftseigenen Düngern führen. Um den politischen und gesetzlichen Anforderungen gerecht zu werden, müssen einerseits wirksame und kosteneffiziente technische Verfahren zum P-Recycling (weiter)entwickelt werden. Andererseits müssen die Recyclingprodukte die Anforderungen für eine direkte Verwendung in der Landwirtschaft oder als Rohstoff für die Herstellung von Düngemitteln erfüllen. In dem vorliegenden Standpunkt wird zunächst der potenzielle Beitrag von Reststoffen zur Deckung des P-Bedarfs in der deutschen Pflanzenproduktion geschätzt. Für die wichtigsten Reststoffe werden technische Verfahren zur P-Rückgewinnung bzw. Aufarbeitung skizziert. Auf Basis der Anforderungen der Landwirtschaft bzw. der Düngemittelindustrie
an die P-Recyclingprodukte werden deren Herstellungsverfahren bewertet. Schließlich wird der Regelungs- und Forschungsbedarf formuliert.
Die agronomische Effizienz von Düngemitteln wird üblicherweise im Vegetationsversuch geprüft. Vegetationsversuche erlauben die Betrachtung unterschiedlicher Kulturpflanzen und deren Strategien der Nährstoffmobilisierung und -Aneignung ebenso wie die Berücksichtigung verschiedener Substrattypen und deren Eigenschaften hinsichtlich Nährstofffixierung und -freisetzung. Solche Versuche, selbst wenn sie nicht im Feld, sondern nur im Gefäß durchgeführt werden, sind jedoch sowohl zeit- als auch kostenintensiv. In erster Näherung wird die Pflanzenverfügbarkeit insbesondere von Phosphor (P)-Düngemitteln daher herkömmlicherweise mit Hilfe standardisierter chemischer Extraktionsmethoden abgeschätzt, deren Durchführung in der deutschen ebenso wie in der europäischen Düngemittelverordnung normiert ist. Diese Methoden werden auch im Rahmen der staatlichen Düngemittelverkehrskontrolle genutzt, um die Einhaltung düngemittelrechtlicher Vorgaben zu überprüfen. Wie jüngere Arbeiten gezeigt haben, ist jedoch die Übertragung herkömmlicher Standardextraktionsmethoden auf neue Dünger aus Recyclingmaterialien wie Klärschlamm mit einigen Schwierigkeiten verbunden. Korrelationen zwischen P-Aufnahme im Vegetationsversuch und chemischer Löslichkeit im Standardextrakt sind oft nur mäßig bis schwach oder überhaupt nicht signifikant. Die vorliegende Literaturübersicht gibt einen Überblick zum aktuellen Stand des Wissens über die chemische Löslichkeit von klärschlammbasierten P-Recyclingdüngern, deren Effizienz im Vegetationsversuch und statistische Relationen zwischen beiden Parametern. Anschließend werden alternative Methoden
zur Abschätzung der P-Verfügbarkeit von Recyclingdüngern vorgestellt, die derzeit Gegenstand der wissenschaftlichen Diskussion sind.
Sewage sludge has one of the highest phosphorus (P) recovery potentials of all waste materials.
Therefore, P-recycling from sewage sludge could contribute to closing the P-cycle. Recently, various thermal processes for P-recovery have been developed, but there is still a demand for information on the effect of different process parameters (e.g. additives and temperature) on P-speciation and especially on the fertilization performance. In the present study, two common methods (low-temperature conversion at 400–500° C and thermochemical treatment at 950° C) were investigated and combined to produce highly bioavailable P-fertilizers from two different types of sewage sludge based on chemical phosphorus precipitation (Chem-P) and enhanced biological phosphorus removal (Bio-P). The results of P-fractionation, X-ray diffraction analysis, and pot experiments with maize showed that Bio-P sludges attain high P-plant-availability after treatment at low temperatures (400° C). In contrast, Chem-P sludges can adequately be treated at higher temperatures under reductive conditions with sodium additives to form highly bioavailable calcium-sodium-phosphate. Additionally, also highly heavy-metal contaminated sludges can be thermochemically treated at high temperatures to achieve the legal requirements for fertilizers.
Die agronomische Effizienz von Düngemitteln wird üblicherweise in Vegetationsversuchen geprüft. Diese erlauben die es, unterschiedliche Kulturpflanzen und deren Strategien der Nährstoffmobilisierung und -aneignung zu betrachten und verschiedene Substrattypen und deren Eigenschaften im Hinblick auf Nährstofffixierung und -freisetzung zu berücksichtigen. Solche Versuche, selbst wenn sie nicht im Feld, sondern nur im Gefäß durchgeführt werden, sind jedoch sowohl zeit- als auch kostenintensiv. In erster Näherung wird die Pflanzenverfügbarkeit insbesondere von Phosphor (P)-Düngemitteln daher in der Regel mit Hilfe standardisierter chemischer Extraktionsmethoden abgeschätzt, deren Durchführung in der deutschen ebenso wie in der europäischen Düngemittelverordnung normiert ist. Diese Methoden werden auch bei der staatlichen Düngemittelverkehrskontrolle genutzt, um zu überprüfen, ob die düngemittelrechtlichen Vorgaben eingehalten werden. Wie jüngere Arbeiten gezeigt haben, ist es jedoch schwierig, herkömmliche Standardextraktionsmethoden auf neue Dünger aus Recyclingmaterialien wie Klärschlamm zu übertragen. Korrelationen zwischen P-Aufnahme im Vegetationsversuch und chemischer Löslichkeit im Standardextrakt sind oft nur mäßig bis schwach oder überhaupt nicht signifikant. Die vorliegende Literaturübersicht gibt einen Überblick zum aktuellen Stand des Wissens über die chemische Löslichkeit von klärschlammbasierten P-Recyclingdüngern, deren Effizienz im Vegetationsversuch und statistische Relationen zwischen beiden Parametern. Anschließend werden alternative Methoden zur Abschätzung der P-Verfügbarkeit von Recyclingdüngern vorgestellt, die derzeit Gegenstand der wissenschaftlichen Diskussion sind.
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.
Aufgrund der Endlichkeit der Phosphorlagerstätten und der zu erwartenden Preissteigerungen auf dem Weltmarkt werden Rückgewinnung, Kreislaufflührung und sparsamer Umgang mit dem essentiellen Makronährstoff Phosphor zunehmend interessant. Der P-Rückgewinnung aus biogenen Abfallstoffen wird hierbei zukünftig eine bedeutende Rolle zukommen. Die Aufarbeitung von Klärschlammaschen zu P-Düngemitteln kann in diesem Zusammenhang einen entscheidenden Beitrag leisten.
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden statische und dynamische Versuche zur thermochemischen Behandlung von Klärschlammaschen mit dem Ziel der Bereitstellung eines geeigneten Sekundärrohstoffes für die P-Düngemittelproduktion durchgeführt. Statische Versuche mit Edelsole (MgCl2Lösung) als Cl-Donator zeigten dass eine weitgehende Schwermetallabreicherung unter signifikanter Steigerung der P-Pflanzenverfügbarkeit möglich ist. Die Schwermetalle wurden in die entsprechenden Chloride überrührt und konnten aufgrund ihrer hohen Dampfdrücke bei Betriebstemperaturen von etwa 1000°C über die Gasphase von der Asche separiert werden. Arsen, Chrom und Nickel konnten mit dieser Behandlungsmethode jedoch nicht entfernt werden. Des weiteren wurde mit der Behandlung nicht für alle untersuchten Klärschlammaschen der Grenzwert der aktuellen Düngemittelverordnung für Kupfer unterschritten. Verbesserungen in Hinblick auf die Reinigungsleistung und die technische Umsetzbarkeit des Verfahrens ließen sich durch Versuche mit Chlorgas als CL-Donator erzielen. Alle Schwermetalle inklusive Arsen, Chrom und Nickel konnten bereits ab einer Betriebstemperatur von 850°C deutlich unter die Grenzwerte nach Düngemittelverordnung abgereichert werden. Die Pflanzenverfügbarkeit des Phosphors war vergleichbar mit den Produkten aus der Behandlung mit Edelsole.
Die Citratlöslichkeit konnte von etwa 50-70% (Rohasche) auf 100% (mit Cl2-Gas behandelt) angehoben werden. Bei der kleintechnischen Umsetzung des Verfahrens im Drehrohrofen traten jedoch erhebliche Korrosionsprobleme m Verbindung mit den verwendeten Stahlwerkstoffen auf. Hier besteht Entwicklungsbedarf.
Im Rahmen der Untersuchungen wurde gezeigt, dass die vorgeschlagene thermochemische Behandlung von Klarschlammaschen zur Bereitstellung eines Ausgangsmaterials für die P-Düngemittelherstellung geeignet ist und somit ein erhebliches Potential zur nachhaltigen Kreislaufführung der endlichen Ressource Phosphor erschlossen werden kann. Das thermochemische Verfahren führt sowohl zur weitgehenden Entfernung der Schwermetalle als auch zu einer deutlichen Verbesserung der Pflanzenverfügbarkeit des Phosphors. Diese erfolgversprechenden Ergebnisse sollten durch weitere kleintechnische Untersuchungen ergänzt werden, um die Basis für eine großtechnische Anwendung zu schaffen.
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.
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
Aufgrund der großen Massenströme ist das Recycling von Baurestmassen von besonderer Bedeutung
für die Schonung von natürlichen Ressourcen. Eine wichtige Voraussetzung für ein hochwertiges
Recycling, wie z.B. eine Wiederverwertung von aufbereitetem Bauschutt/Altbeton als rezyklierte
Gesteinskörnung im Hochbau, ist die Einhaltung von Grenzwerten für Stör- und Schadstoffe. Dabei
steht der Sulfatgehalt im Eluat von Bauschutt besonders im Fokus. In der vorliegenden Studie wird
untersucht, wie durch die Optimierung von Abbrucharbeiten und Bauschuttaufbereitung hochwertige
Gesteinskörnungen aus Altbeton gewonnen werden können. Anhand von Literatur- und
Datenrecherchen werden zunächst Sulfatquellen in Gebäuden sowie verfügbare Abbruch- und
Aufbereitungstechniken zusammengestellt. Am Beispiel von unterschiedlichen Gebäudetypen werden
Szenarien für selektiven und nicht selektiven Abbruch (Schwerpunkt: Sulfatentfachtung) in Hinblick auf
ihre Umweltwirkungen ökobilanziell bewertet. Ergänzt werden diese Bewertungen durch
Untersuchungen an realen Bauschuttmaterialien und Abbruchprojekten. Auf dieser Basis werden
Handlungsempfehlungen für die Gewinnung von hochwertigen RC-Gesteinskörnungen erarbeitet und
diskutiert.-----------------------------------------------------------------------------------------
Due to the large-scale mass flow of construction and demolition wastes, the recycling of those
residues is of particular importance for the conservation of natural resources. An important
requirement for recycling on a high level, like the reuse of crushed concrete as recycled concrete
aggregate, is the observation of limits for hazardous substances and impurities. This study is focusing
on the reduction of sulphates in the eluate of crushed concrete. An investigation of possibilities to
optimize demolition and dismantling as well as treatment of crushed concrete with the objective of
gaining recycled concrete aggregates of high quality. Based on a literature research and a data review
the origins of sulfates in buildings and also the availability of techniques for demolition and treatment
of crushed concrete are listed and evaluated. Using the examples of different building types scenarios
for selective dismantling and non-selective demolition (focused on reducing suphates) are evaluated in
terms of affecting the environment. In addition samples from real demolition construction sites and
plants for treatment of construction rubble were investigated. Based on these results
recommendations for the production of high quality recycled concrete aggregates are worked out.
Determination of P-Fertiliser-Soil Reactions by Raman and Synchrotron Infrared Microspectroscopy
(2012)
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 und weitere energieintensive Industrien wie etwa die Stahlindustrie stehen vor dem Hintergrund der Transformation unserer Gesellschaft zur Klimaneutralität vor erheblichen Herausforderungen. Ziel dieser Branchen ist perspektivisch die vollständige Vermeidung klimaschädlicher Emissionen – mit besonderem Fokus auf Kohlendioxid. Neben der Umstellung auf regenerative Energieträger, sind im Speziellen für die Zementindustrie die erheblichen Anteile an CO2-Emissionen durch die Entsäuerung von Kalkstein zukünftig zu vermeiden. Da die hervorragenden Bindemitteleigenschaften des bisher hauptsächlich in Zementen eingesetzten Portlandklinkers jedoch auf Calciumverbindungen wie Tri- und Di-calciumsilikaten basieren, stellt die Substitution des Kalks derzeit für die Zementindustrie die größte Herausforderung dar. Neben vollständig neuen Bindemittelsystemen ohne Verwendung von Kalk und CCS/CCU-Technologien zur Vermeidung der CO2-Emissionen bei Verwendung von Kalk, können Abfälle und Nebenprodukte wie etwa Betonbrechsand, verschiedene Schlacken und weitere Massenreststoffe sinnvoll zur Einsparung von Rohstoffen und zur Vermeidung von CO2-Emissionen eingesetzt werden. Es gilt diese Potentiale von Sekundärrohstoffen branchenübergreifend zu identifizieren und Synergien zwischen den Branchen nutzbar zu machen. Hierbei werden neben der chemischen Zusammensetzung der Abfälle und Nebenprodukte auch die Verfügbarkeit und der Massenstrom relevante Kriterien sein. Die potenziellen Sekundärrohstoffe und deren Gemische mit chemisch ähnlicher Zusammensetzung wie die bisher verwendeten Bindemittel, können durch verschiedene technische Ansätze wieder in reaktive Bindemittel umgewandelt und damit nutzbar gemacht werden. Eine gezielte Umwandlung der nicht reaktiven mineralischen Phasen in neue mineralische Phasen mit guten Bindemitteleigenschaften, kann u. a. durch Schmelzprozesse erzielt werden. In Schmelzen können bei hohen Temperaturen die bestehenden, nicht reaktiven mineralischen Phasen zerstört und neue mineralische Phasen mit guten Bindemitteleigenschaften erzeugt werden. Hohe Freiheitsgrade durch gezielte Einstellung der stofflichen Zusammensetzung der Schmelze, durch Stoffseparationen und durch geregelte Abkühlregimes können eine maßgeschneiderte Erzeugung neuer Bindemitteltypen ermöglichen. Aufgrund der hohen erforderlichen Temperaturen von Schmelzprozessen ist die Umsetzung dieser neuen Verfahren nach Möglichkeit in bestehenden pyrometallurgischen Produktionsrouten wie etwa der Stahlproduktion vorzunehmen. So kann etwa der Einsatz von Betonbrechsand als Schlackebildner in der Stahlproduktion zielführend sein, wenn die Schlacke wieder zu einem Bindemittel prozessiert wird und in Zementen Verwendung findet. Eine stoffliche Kreislaufführung wäre hiermit gegeben, wobei der Einsatz von Kalkstein als Schlackebildner oder Rohstoff für die Zementproduktion, und damit die entsprechenden CO2-Emissionen, vermieden werden. Die Entwicklung neuartiger Bindemittelsysteme auf Basis von Sekundärrohstoffen sollte von erforderlichen Anpassungen und neuen Entwicklungen in der Regelsetzung und Normung begleitet werden. Vor allem muss gewährleistet sein, dass die mit neuen Bindemitteln hergestellten Betone den hohen Anforderungen an Dauerhaftigkeit und Umweltverträglichkeit genügen. Des Weiteren sollte mit den etablierten Methoden, wie etwa der Lebenszyklusanalyse, untersucht werden, inwiefern und in welchem Umfang die neuen technischen Entwicklungen zu Nachhaltigkeit und Klimaschutz beitragen.
Rechtliche Vorgaben der Klärschlammverordnung und deren Auswirkungen auf die Phosphor-Rückgewinnung
(2022)
Im Abfalltechnik-Ausschuss der Bund/Länder-Arbeitsgemeinschaft Abfall (LAGA) wurde eine Vollzugshilfe zur Klärschlammverordnung erarbeitet, die nach Verabschiedung durch die Umweltministerkonferenz Mitte Mai 2020 als LAGA-Merkblatt M-39 veröffentlicht wurde. Im vorliegenden vierten Arbeitsbericht der DWA-Arbeitsgruppe KEK-1.1 werden verschiedene Aspekte der ab dem Jahr 2029 geltenden Regelungen aufgegriffen und damit einige Punkte des LAGA M-39 hinsichtlich der technischen Auswirkungen für den Kläranlagenbetreiber konkret ausgeführt.
Klärschlammaschen können eine hohe Phosphatkonzentration aufweisen und stellen damit einen geeigneten Sekundärrohstoff für die Produktion von Phosphatdüngemitteln dar. Bisher wird dieses Potential der Klärschlammaschen für die Phosphor-Rückgewinnung jedoch kaum genutzt, da die in den Aschen enthaltenen Phosphate für Pflanzen kaum verfügbar und die Aschen teilweise mit toxischen Schwermetallen belastet sind.
Im AshDec®-Verfahren wird die Klärschlammaschen im Drehrohrofen im Temperaturbereich 800-1000°C unter Zugabe von Alkali-Additiven (bsp. Na2CO3) thermochemisch behandelt, um ein wirksames und schadstoffarmes Phosphatdüngemittel herzustellen. Aktuell bereitet die Firma Emter GmbH den Bau der ersten großtechnischen AshDec®-Anlage mit einer Kapazität von 30.000 Jahrestonnen Klärschlammasche am Standort ihrer Klärschlammverbrennungsanlage (Altenstadt / Oberbayern) vor. Die erste Ausbaustufe dieser Anlage wird durch das BMBF-Projekt R-Rhenania im Rahmen der Förderinitiative RePhoR begleitet.
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.
Die Zementindustrie und weitere energieintensive Industrien wie etwa die Stahlindustrie stehen vor dem Hintergrund der Transformation unserer Gesellschaft zur Klimaneutralität vor erheblichen Herausforderungen. Ziel dieser Branchen ist perspektivisch die vollständige Vermeidung klimaschädlicher Emissionen – mit besonderem Fokus auf Kohlendioxid. Neben der Umstellung auf regenerative Energieträger, sind im Speziellen für die Zementindustrie die erheblichen Anteile an CO2-Emissionen durch die Entsäuerung von Kalkstein zukünftig zu vermeiden. Da die hervorragenden Bindemitteleigenschaften des bisher hauptsächlich in Zementen eingesetzten Portlandklinkers jedoch auf Calciumverbindungen wie Tri- und Di-calciumsilikaten basieren, stellt die Substitution des Kalks derzeit für die Zementindustrie die größte Herausforderung dar. Neben vollständig neuen Bindemittelsystemen ohne Verwendung von Kalk und CCS/CCU-Technologien zur Vermeidung der CO2-Emissionen bei Verwendung von Kalk, können Abfälle und Nebenprodukte wie etwa Betonbrechsand, verschiedene Schlacken und weitere Massenreststoffe sinnvoll zur Einsparung von Rohstoffen und zur Vermeidung von CO2-Emissionen eingesetzt werden. Es gilt diese Potentiale von Sekundärrohstoffen branchenübergreifend zu identifizieren und Synergien zwischen den Branchen nutzbar zu machen. Hierbei werden neben der chemischen Zusammensetzung der Abfälle und Nebenprodukte auch die Verfügbarkeit und der Massenstrom relevante Kriterien sein. Die potenziellen Sekundärrohstoffe und deren Gemische mit chemisch ähnlicher Zusammensetzung wie die bisher verwendeten Bindemittel, können durch verschiedene technische Ansätze wieder in reaktive Bindemittel umgewandelt und damit nutzbar gemacht werden. Eine gezielte Umwandlung der nicht reaktiven mineralischen Phasen in neue mineralische Phasen mit guten Bindemitteleigenschaften, kann u. a. durch Schmelzprozesse erzielt werden. In Schmelzen können bei hohen Temperaturen die bestehenden, nicht reaktiven mineralischen Phasen zerstört und neue mineralische Phasen mit guten Bindemitteleigenschaften erzeugt werden. Hohe Freiheitsgrade durch gezielte Einstellung der stofflichen Zusammensetzung der Schmelze, durch Stoffseparationen und durch geregelte Abkühlregimes können eine maßgeschneiderte Erzeugung neuer Bindemitteltypen ermöglichen. Aufgrund der hohen erforderlichen Temperaturen von Schmelzprozessen ist die Umsetzung dieser neuen Verfahren nach Möglichkeit in bestehenden pyrometallurgischen Produktionsrouten wie etwa der Stahlproduktion vorzunehmen. So kann etwa der Einsatz von Betonbrechsand als Schlackebildner in der Stahlproduktion zielführend sein, wenn die Schlacke wieder zu einem Bindemittel prozessiert wird und in Zementen Verwendung findet. Eine stoffliche Kreislaufführung wäre hiermit gegeben, wobei der Einsatz von Kalkstein als Schlackebildner oder Rohstoff für die Zementproduktion, und damit die entsprechenden CO2-Emissionen, vermieden werden. Die Entwicklung neuartiger Bindemittelsysteme auf Basis von Sekundärrohstoffen sollte von erforderlichen Anpassungen und neuen Entwicklungen in der Regelsetzung und Normung begleitet werden. Vor allem muss gewährleistet sein, dass die mit neuen Bindemitteln hergestellten Betone den hohen Anforderungen an Dauerhaftigkeit und Umweltverträglichkeit genügen. Des Weiteren sollte mit den etablierten Methoden, wie etwa der Lebenszyklusanalyse, untersucht werden, inwiefern und in welchem Umfang die neuen technischen Entwicklungen zu Nachhaltigkeit und Klimaschutz beitragen.
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.
Recycled fertilizers produced using processes for the recovery of phosphate from residual materials such as wastewater, sewage sludge and sewage sludge ashes show very good bioavailability, but it is still a product largely unknown to the market. The aim of CLOOP is therefore to document the properties and effects of such fertilizers through chemical, mineralogical and ecological analyses as well as analytical method development and pot and field plant growth trials.
Outotec focused on 3 points in CLOOP: Experimental campaigns, process simulations as well as economic analyses with focus on the AshDec process, respectively the design of a large-scale AshDec plant for phosphorus recovery. The laboratory scale trials as well as the semi-industrial scale campaign provided valuable insights into the operating parameters of the process and the plant. As a result, for example, the temperature range could be significantly lowered, and the additive addition reduced by approx. 20 %. They have further shown that the AshDec process is not susceptible to operating fluctuations and that the product can be consistently produced at high quality. With the selection of suitable operating parameters, heavy metals (As, Pb, Cd, (Zn)) can be removed. Within the campaign, about 1.5 t of fertilizer for the plant trials in CLOOP could be produced. An AshDec plant process was digitally created in simulation software, allowing valuable process parameters to be simulated at various operating parameters. On this basis, a full-scale plant was designed. The data obtained in the project were used for a detailed economic analysis including a sensitivity analysis. It was possible to show under which conditions this plant can be operated economically.
At BAM, the AshDec fertilizer was synthesized with different additives and then applied to plant experiments at Uni Bonn. The goal hereby was to check differences in plant uptake. Because of the promising results of AshDec synthesized with sodium-carbonate and because this AshDec version does not require special off gas treatment for sulfur recovery (compared to AshDec synthesized with sodium-sulfate), all project partners agreed on continuing working with this AshDec variation. It was then used as a raw P-source for formulating it into NPK-fertilizers, by granulation with ammonium-sulfate and straw ash as potassium source. These recycling fertilizers were applied to plant- and field experiments by project partners in Brazil (University of Sao Paulo) and Australia (University of Queensland). Furthermore, in leaching experiments, the solubility of phosphorus in AshDec was compared to triple super phosphate. The experiments were carried out on soils with a varying phosphorus buffering index. Results show, that the phosphorus form in AshDec is way less soluble in water. This indicates that AshDec has the potential for a so-called next generation fertilizer – a fertilizer which’s nutrients remain in the soil and supply the plant according to its needs. At the moment, this behavior gets examined more in depth in lysimeter experiments in cooperation with University of Technology Berlin.
The focus of KWB is the Life Cycle Assessment (LCA) of different NextGen fertilizers to evaluate the entire process chain from recovery to fertilizer application. The NextGen fertilizer is credited by the amount of plant available nutrients in the product, which replace nutrients from conventional fertilizer. The LCA covers N-struvite precipitation from municipal wastewater, K-struvite precipitation from industrial wastewater and the AshDec-product from sewage sludge. The LCA task is almost complete. It could be shown that struvite precipitation has comprehensive environmental benefits, mainly since positive side effects occur in sewage sludge treatment (e.g. reduced sludge volume). In principle, the energetic and ecological profile of the AshDec process compared to direct use of sewage sludge ash cannot be assessed as being generally beneficial or negative. Regarding the global warming potential, the Ashdec process shows that the expenses (e.g. energy, chemicals) cannot be covered by the P fertilizer credit. In contrast, the impact categories “terrestrial acidification potential”, and “freshwater eutrophication potential” show positive results as the credits for conventional fertilizer are higher than the burdens for the process.
At University Bonn, the standardized pot experiments were conducted with several AshDec variations, using ryegrass, soybean, and spinach on a slightly acidic sandy soil and an organic-free standard substrate. P-uptake and biomass production of different AshDec variations were generally like those of triple super phosphate and struvite, and clearly outperformed untreated sewage sludge ash and rock phosphate. Field trials in Australia and Brazil with sugarcane on acidic soils are still ongoing and results are expected by the end of 2021.
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 %.
extraWERT Forschungsvorhaben
(2022)
Die novellierte AbfKlärV (2017) beinhaltet die Verpflichtung zum P-Recycling ab einem P-Gehalt im Klärschlamm von 20 g/kg. Im Vortrag werden Ergebnisse des Forschungsvorhabens extraWERT zu diesem Themenkomplex vorgestellt. Es werden Untersuchungen zu P-Gehalten deutscher Klärschlämme und zu den zulässigen Analysemethoden dafür vorgestellt.
Sewage sludge ashes (SSA) contain up to 13% P and are thus promising raw materials for fertilizer production. However, SSAs also contain heavy metals and the main P-bearing mineral phases whitlockite and aluminium phosphate are poorly bioavailable. We developed and patented a process that produces fertilizers from SSA addressing the above mentioned challenges. SSA is thermo-chemically treated at ~950°C under reducing conditions (reductive: dry sewage sludge) in a rotary kiln together with an alkali compound such as sodium or potassium sulfate, hydroxide or carbonate. Some undesired trace elements such as As, Hg, Pb and Cd are evaporated and separated via off gas treatment system. The poorly soluble phosphates are transformed into calcium alkali phosphates (CaNaPO4 or CaKPO4) that are not water soluble but completely soluble in neutral ammonium citrate solution (NAC). Pot experiments showed that the fertilizer performance of the treated SSA containing calcium alkali phosphates as the single P-bearing mineral phase was comparable to the performance of triple superphosphate. The PNAC-solubility of fertilizer products correlated very well with the resulting contents of calcium alkali phosphates and the P-uptake of plants in pot experiments. The effect of the ratio alkali/P on the PNAC-solubility was investigated by crucible experiments and trial series with a medium scale rotary kiln using different SSAs and alkali phosphates. The effects of operational parameters such as the temperature and the retention time were investigated as well as concurring side reactions of the alkali compounds e.g. with SiO2 present in SSA. The alkali/P ratio must be roughly adjusted at 2 to achieve 100% PNAC-solubility for a common type of SSA. A demonstration trial with an output of 2 t recycling fertilizer was carried out in an industrial rotary kiln (product output 30 kg/h). The PNAC-solubility of the product varied between 60% and 80% during the 4 days campaign showing that the transformation of the mineral P-phases to calcium alkali phosphates was not complete. This was observed although the amount of Na2SO4 additive was dosed according to the results of the pre-investigations. Structure analysis by XRD showed that besides the target compound CaNaSO4 also some Ca3(PO4)2 remained in the SSA as well as some unreacted Na2SO4 additive. Obviously, the conditions in the industrial rotary kiln were not optimal for the process showing that some process aspects have to be reconsidered for the scale-up.
Phosphorrecycling sollte nicht isoliert praktiziert werden, sondern im Kontext der spezifischen Abwasserbehandlung und der Betrachtung weiterer Nährstoffe wie Stickstoff und Kalium.
Hohe Rückgewinnungsquoten um jeden Preis sind nicht immer zielführend und u.U. sogar schädlich für die Kreislaufwirtschaft. Es sollte eine Kombination verschiedener Ansätze je nach vorhandener Infrastruktur verfolgt werden. Fällungsverfahren (Struvit) sind geeignet kostengünstig kleine Mengen Phosphor zurückzugewinnen. Für ein umfassendes P-Recycling muss die Rückgewinnung aus der Asche erfolgen.
Complete Survey of German Sewage Sludge Ashes - Phosphorous and Technology Metal Recovery Potential
(2014)
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 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
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.
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.
This report gives technological information about processes for the recovery of phosphorus from sewage sludge ash including mass- and energy balance, process conditions and product quality.
The information in this report aim at giving an overview on different concepts for the recovery of phosphorus from sewage sludge ash and are intended to allow a general qualitative comparison between the different technical approaches. This report also describes the technological backgrounds of the processes that were furthermore investigated by life cycle assessment (LCA) and life cycle cost (LCC) analysis. However, most process data stated in this report are site specific data. The LCA/LCC study includes the definition of a common base line for all processes, detailed process modeling and plausibility assessments. Results of the LCA/LCC-studies are reported in deliverables D9.2 und D10.1.
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.
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.
The SUSAN-project aimed at developing a sustainable and safe strategy for nutrient recovery from sewage sludges using thermal treatment. Mono-incineration of the sludges completely destructs the organic pollutants in a first step. The incineration residues are ashes with a high phosphorus content that still contain heavy metal compounds above the limits for agricultural use. Furthermore, phosphorus in the ashes exhibits low bioavailability - a disadvantage in farming. Therefore, in a second thermochemical step heavy metals are removed and phosphorus transferred into mineral phases available for plants. The principle of the SUSAN-project is the separation of the small heavy metals fraction from the ashes to receive a phosphorus rich product suited as raw material for fertilisers that also contains SiO2, CaO, Al2O3, Fe2O3, MgO and K2O.
The thermochemical process is based on evaporation of volatile heavy metal chlorides at 850 - 1000 °C. The sewage sludge ashes are mixed with chlorine donors such as MgCl2 or KCl, grained and treated in a thermal aggregate e.g. a rotary furnace. At the same time a transfer of non soluble P-compounds into Mineral phases available for plants takes place.
Besides technological development of the thermochemical process, the products fertilisation performance, the product design, the market for the products and the sustainability of the whole process chain are emphasised in the SUSAN-project.
In dem Projekt sollten die Aufbereitung der Betonbrechsandfraktion aus Bauschutt mittels eines Nassverfahrens zu einer geeigneten Gesteinskörnung für die Betonherstellung sowie die vollständige Verwertung der bei diesem Verfahren anfallenden Reststoffe demonstriert werden.
Der im Rahmen der geordneten Vorsortierung mit zahlreichen Schritten zur Qualitätssicherung hergestellte Betonbrechsand war qualitativ hochwertig und wies nur geringe Schadstoffgehalte auf. Für die Nassaufbereitung des Betonbrechsands wurde vom Projektpartner Allmineral der Prototyp einer Sandsetzmaschine zur Dichtetrennung designt und konstruiert. Diese Sandsetzmaschine wurde für die umfangreichen Betonbrechsandversuche in die Aufbereitungsanlage der BAM integriert. Begleitend zur Aufbereitung wurden die eingesetzten Materialien, Bauschutt und Prozesswasser, sowie die Austragsprodukte chemisch-physikalisch und mineralogisch untersucht.
Die anschließenden Baustoffuntersuchungen zeigten, dass durch das im Demonstrationsprojekt angewandte Nassaufbereitungsverfahren eine deutliche Verbesserung der Materialeigenschaften des Betonbrechsandes erzielt werden konnte. Die Qualität von Natursteinkörnungen wurde (z.B. aufgrund von Kornschädigungen durch den Bruch des Altbetons und noch verbleibende Zementanhaftungen) gleichwohl nicht erreicht. Gerade die Betonprüfungen (mit Anteilen von bis zu 50% Betonbrechsand an der gesamten Gesteinskörnung) haben jedoch gezeigt, dass es dennoch sehr wohl möglich wäre, größere Mengen von aufbereitetem Betonbrechsand in der Betonherstellung zu verwerten und so im Sinne der Nachhaltigkeit den Verbrauch von natürlichen Sandvorkommen zu reduzieren.
Die bei der Nassaufbereitung des Betonbrechsands anfallenden Restsstoffe, nämlich die Fraktionen Leichtgut und Feinstfraktion wurden separat erfasst und bilanziert. Diese Materialien wurden auf die Eignung als Kompostzugabe in Hinblick auf Schadstoffanreicherungen und Pflanzenverträglichkeit untersucht (Projektpartner Deisl). Nach der Kompostierung in Rotteboxen wurden Wachstumsversuche mit dem Referenzgewächs Kresse (Kressetest nach ÖNORM) mit zufriedenstellenden Ergebnissen durchgeführt. Die Reststoffe Feinstgut und Leichtgut aus dem Nassaufbereitungsprozess könnten – sofern die Schadstoffgehalte nachweislich unter den vorgegebenen Grenzwerten liegen – als Zugabe zur Vererdung in der Kompostierung eingesetzt werden.
Zukünftig werden vermehrt P-Recyclate auf den Düngemittelmarkt kommen. Diese müssen ausreichend charakterisiert werden, um Sicherheit und Wirksamkeit beurteilen zu können. Mit dem Vortrag wurde der wissenschaftliche Beirat für Düngungsfragen des Bundesministeriums für Ernährung und Landwirtschaft beraten.
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.
Wastewater contains a diverse array of organic and inorganic compounds and its complex composition strongly depends on the location and the connected dischargers. However, municipal wastewater as a carrier of feces and urine generally contains considerable amounts of the main nutrients nitrogen and phosphorus. The latter is in the focus of the discussions about the recovery potential of wastewater due to the relatively high mass flows of phosphorus in wastewater and the finite nature and decreasing quality of phosphate rock reserves. But due to the presence of the whole periodic table of elements, wastewater might contain further valuable components of interest for recovery including those defined as critical raw materials by the European Commission. Phosphorus and most of the other critical raw materials are fixed in the sewage sludge and after incineration in the sewage sludge ash (SSA). This is accompanied by high concentration factors from wastewater via sludge to ash. However, the mass fractions of the majority of elements in sewage sludge are comparable to those of the earth crust, indicating no relative enrichment. Nevertheless, enrichment factors of 100 or higher are given for phosphorus, copper, zinc, cadmium, silver, tin, lead and the platinum group elements indicating an anthropogenic input. An economic value of sewage sludge was estimated to $460,-/t calculated on the basis of the respective market prices for high purity elements – a theoretical value. A German survey of sewage sludge ashes showed that the mass fractions and the mass flows of most of the elements present in SSA are probably too low for an economic recovery. In most cases the mass flows are rather small compared to the imports and the chemical forms are not suitable for recovery. An exception is phosphorus that is present in high mass fractions up to 13% and that bears a high substitution potential. If the application of P-recovery technologies lead to a further concentration of valuable elements e.g. as by-products in side streams of the process, it would probably make also the recovery of other elements of economic interest.
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.
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.
Gegenstand dieser Arbeit ist die Untersuchung eines bestehenden pyrometallurgischen Prozesses zur Rückgewinnung von Tantal und Niob aus metallurgischen Reststoffen mit vorwiegend niedriger Wertstoffkonzentration.
Zur näheren Erforschung der im vorliegenden Stoffsystem ablaufenden Reduktionsprozesse wurden in einem Elektrolichtbogenofen Schmelzversuche im Pilotmaßstab durchgeführt. Als Reduktionsmittel diente Koks, welcher mithilfe einer Argon-gespülten Eisenlanze in die flüssige mineralische Schmelze eingebracht wurde. Während der Reduktionsbehandlung werden Refraktärmetalle wie Tantal und Niob in ihre Carbide überführt und anschließend in der erschmolzenen eisenbasierten Metallphase am Boden des Reaktors angereichert. Neben Tantal und Niob gelangt auch ein Teil des im Einsatzmaterial enthaltenen Titans als unerwünschtes Begleitelement in die Metallphase.
Sein Großteil verbleibt jedoch als Oxid in der Schlacke und wird dort hauptsächlich im Mineral Perowskit (CaTiO3) gebunden. Die erstarrten Schlackeproben wurden mit verschiedenen Methoden wie Röntgenfluoreszensanalyse, Röntgenbeugung und Rasterelektronenmikroskopie mit gekoppelter energiedispersiver Röntgenanalyse untersucht, um die Bildung tantalhaltiger Mineralphasen zu verschiedenen Stadien des Reduktionsprozesses zu verfolgen.
Die hier gewonnenen Erkenntnisse zeigen, dass weniger die durch das Einblasen von Koks verursachte Reduktionsreaktion, sondern das Absinken der tantalreichen Eisentröpfchen in der flüssigen mineralischen Schmelze, gefolgt von ihrer Anreicherung in die Metallphase, für die Kinetik ausschlaggebend ist.
Das Element Phosphor ist für alle Lebewesen essenziell und wird beispielsweise von Pflanzen in Form von Phosphaten aufgenommen.
In der landwirtschaftlichen Produktion werden dem Boden die Phosphate durch Wachstum und Ernte der Pflanzen entzogen und müssen ihm in Form von Phosphatdüngemitteln wieder zugeführt werden, um die Nahrungsmittelproduktion zu sichern. Rohphosphat stellt die Grundlage unserer derzeitigen Phosphatdüngemittel dar, ist aber gleichzeitig ein endlicher Rohstoff.
Des Weiteren sind insbesondere sedimentäre Rohphosphate oftmals mit erheblichen Konzentrationen toxischer Schadstoffe wie Cadmium, Uran und Thorium belastet. Eine Kreislaufführung des Phosphats sollte erfolgen, um natürliche Rohstoffvorkommen zu schonen und den Eintrag von Schadstoffen auf unsere Böden zu unterbinden.