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Phosphorus (P) resource availability is declining and the efficiency of applied nutrients in agricultural soils is becoming increasingly important. This is especially true for P fertilizers from recycled materials, which often have low plant availability. Specific co-fertilization with ammoniumcan enhance P plant availability in soils amended with these P fertilizers, and thus the yield of plants. To investigate this effect, we performed a pot experiment with maize in slightly acidic soil (pH 6.9) with one water-soluble (triple superphosphate [TSP]) and two water-insoluble (sewage sludge-based and hyperphosphate [Hyp]) P fertilizers and anammoniumsulfate nitrate with or without a nitrification inhibitor (NI). The dry matter yield of maize was significantly increased by the NI with the Hyp (from 14.7 to 21.5 g/pot) and TSP (from 40.0 to 45.4 g/pot) treatments. Furthermore, P uptake was slightly increased in all three P treatments with the NI, but not significantly. Olsen-P extraction and P K-edge micro-X-ray absorption near-edge structure (XANES) spectroscopy showed that apatite-P of the water insoluble P fertilizers mobilized during the plant growth period. In addition, novel nitrogen (N) K-edge micro-XANES spectroscopy and the Mogilevkina method showed that the application of an NI increased the fixation of ammonium in detectable hot spots in the soil. Thus, the delay in the nitrification process by the NI and the possible slow-release of temporarily fixed ammoniumin the soil resulted in a high amount of plant available Ammonium in the soil solution. This development probably decreases the rhizosphere pH due to release of H+ by plants during ammoniumuptake, whichmobilizes phosphorus in the amended soil and increases the dry matter yield of maize. This is especially important for water-insoluble apatite-based P fertilizers (conventional and recycled), which tend to have poor plant availability.
Phosphorus (P) is an essential element for all life forms, and P-availability thus an important driver of a functioning agriculture. However, phosphate rock resources for P-fertilizer production are only available in a few countries. Therefore, P-recovery from waste materials has become of increasing interest during the last decade and has been investigated worldwide. In order to characterize potential novel P-fertilizers made from recycled materials, a large array of P-compound characterizations, chemical extractions and growth experiments were performed. This review bundles the work carried out in that field over the last years. Overall, P-fertilizers from recycled materials show a broad range of P-compounds with very different chemical structure and solubility. Growth experiments performed to assess their fertilizing effects display high variations for most of the products. While these experiments have demonstrated that some fertilizers made of recycled materials may reach P effects in the same order of magnitude as water-soluble phosphate rock-based fertilizers, an important limitation in their interpretation is the fact that they often vary considerably in their experimental design. The existing data show clearly that standardization of growth experiments is urgently needed to achieve comparable results. Standard chemical extractants used to assess the chemical solubility of P-fertilizers were found to be of limited reliability for predicting plant P uptake. Therefore, alternative methods such as sequential fractionation, or the extraction of incubated soil/fertilizer mixtures with standard soil extractants or with P sink methods should be tested more intensively in the future to provide alternative options to predict the P-availability of fertilizers from recycled materials.
Uranium and thorium species in phosphate rock and sewage sludge ash based phosphorus fertilizers
(2020)
Phosphorus (P) is an essential element for all forms of life and is thus often applied as phosphate rock-based P-fertilizers in agriculture to enable continuous farming. However, these P-fertilizers contain also hazardous uranium (U) and thorium (Th), up to 660 and 220 mg/kg, respectively. On the contrary, novel P-fertilizers made from sewage sludge (ash) contain only low mass fractions of U and Th. In addition to the total amount of U and Th in P-fertilizers, their mobility and bioavailability is important, which depends to a large extent on their chemical state, especially oxidation state and chemical bonding. Thus, we analyzed their chemical state in various P-fertilizers by U and Th L3-edge HERFD-XANES spectroscopy. Phosphate rocks and sewage sludge-based P-fertilizers contain mainly U(IV) compounds which have only a low bioavailability. In contrast, acidic treatment of phosphate rock to produce super phosphates lead to an oxidation to U(VI) compounds (including formation of uranium phosphates) with a strongly increased bioavailability. On the contrary, all analyzed P-fertilizers contain Th in form of strongly insoluble phosphates and oxides with a low bioavailability. Additionally performed water extractions and Diffusive Gradients in Thin-films (DGT) experiments support these findings.
This paper focuses on the scandium speciation in bauxite residues of different origin. Insights into mineralchemical similarities and differences of these materials will be presented and links to their natural geological background discussed. The presented research should provide fundamental knowledge for the future development of efficient and viable technologies for Sc-recovery from bauxite residues derived from different bauxites and accumulating at different localities. In total, five bauxite residues were investigated which originated from Greece, Germany, Hungary and Russia (North Ural & North Timan) using a combination of different analytical tools. Those included: laser ablation inductively coupled plasma mass spectrometry, X-ray absorption near Edge structure (XANES) spectroscopy, μ-Raman spectroscopy as well as scanning electron microscopy and electron microprobe analyses. X-ray fluorescence and inductively coupled plasma mass spectrometry were used to determine the overall chemical composition. The investigated samples were found to exhibit a relatively homogenous distribution of Sc between the larger mineral particles and the fine-grained matrix except for Al-phases like diaspore, boehmite and gibbsite. These phases were found to be particularly low in Sc. The only sample where Sc mass fractions in Al-phases exceeded 50 mg/kg was the Russian sample from North Ural. Fe-phases such as goethite, hematite and chamosite (for Russian samples) were more enriched in Sc than the Al-phases.
In fact, in Greek samples goethite showed a higher capacity to incorporate or adsorb Sc than hematite. Accessory minerals like zircon, rutile/anatase and ilmenite were found to incorporate higher mass fractions of Sc (>150 mg/kg), however, those minerals are only present in small amounts and do not represent major host phases for Sc. In Russian samples from North Ural an additional Ca–Mg rich phase was found to contain significant mass fractions of Sc (>500 mg/kg). μ-XANES spectroscopy was able to show that Sc in bauxite residue occurs adsorbed onto mineral surfaces as well as incorporated into the crystal lattice of certain Fe-phases. According to our observations the bauxite type, i.e. karstic or lateritic, the atmospheric conditions during bauxitization, i.e. oxidizing or reducing, and consequently the dominant Sc-bearing species in the primary Bauxite influence the occurrence of Sc in bauxite residues. In karstic bauxites, underlying carbonate rocks can work as a pH-barrier and stabilize Sc. This prevents the Sc from being mobilized and removed during bauxitization. Hence, karstic bauxites are more prone to show a Sc enrichment than lateritic bauxites. Reducing conditions during bauxitization support the incorporation of Sc into clay minerals such as chamosite, which can dissolve and reprecipitate during Bayer processing causing Sc to be redistributed and primarily adsorb onto mineral surfaces in the bauxite residue. Oxidizing conditions support the incorporation of Sc into the crystal lattice of Fe-oxides and hydroxides, which are not affected in the Bayer process. The genetic history of the bauxite is therefore the major influential factor for the Sc occurrence in bauxite residues.
The present study shows the potential of high-resolution imaging and nano-Fourier-transform infrared (nano-FTIR) spectroscopy for corrosion science. The protective oxidation layers of different chlorine-gas treated silicon
carbides (SiCs) were characterized with these techniques. A nitrified SiC showed the highest resistant strength against chlorine corrosion at 1000 °C compared to the other SiCs. Nano-FTIR spectroscopy with a lateral resolution below 40 nm detected differences in the crystallinity of the bulk-SiC and in the transitional region to the protective layer. Furthermore, high-resolution imaging provides deep insight in the interfacial layer between bulk-SiC and the protective oxidation layer on sub-micrometer scale.
A pot experiment was carried out with maize to determine the phosphorus (P) plant-availability of different secondary P-fertilizers derived from wastewater. We analyzed the respective soils by P K-edge X-ray absorption near-edge structure (XANES) spectroscopy to determine the P chemical forms that were present and determine the transformation processes. Macro- and micro-XANES spectroscopy were used to determine the chemical state of the overall soil P and identify P compounds in P-rich spots. Mainly organic P and/or P adsorbed on organic matter or other substrates were detected in unfertilized and fertilized soils. In addition, there were indications for the formation of ammonium phosphates in some fertilized soils. However, this effect was not seen in the maize yield of all P-fertilizers. The observed reactions between phosphate from secondary P-fertilizers and cofertilized nitrogen compounds should be further investigated. Formation of highly plant-available compounds such as ammonium phosphates could make secondary P-fertilizers more competitive to commercial phosphate rock-based fertilizers with positive effects on resources conservation.
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.
Characterization of phosphorus compounds in soils by deep ultraviolet (DUV) Raman microspectroscopy
(2017)
Deep ultraviolet Raman microspectroscopy was successfully investigated as a new approach to analyze the chemical state of phosphorus compounds directly in soil. We demonstrate that ultraviolet excitation has the advantage to avoid the interference with the strong fluorescence, which occurs in the visible spectral range caused by organic matter in soils. Furthermore, the spatial resolution of <1 μm2 enables the detection of very small phosphorus particles. For some organic phosphorus compounds (β-glycerophosphate, aminomethylphosphonic acid), sample cooling to -100 °C is found to strongly reduce the rate of degradation induced by the illumination with the ultraviolet excitation light. However, phytic acid and adenosine monophosphate degraded even with cooling. Our results reveal the capability of deep ultraviolet Raman microspectroscopy as a high-resolution benchtop imaging technique for the analysis of local interactions between soil compounds with the potential to become an analytical key to improve the understanding of transformation mechanisms of phosphates as well as other mineral phases in soils.
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.
The plant-availability of phosphorus (P) in fertilizers and soil can strongly influence the yield of agricultural crops. However, there are no methods to efficiently and satisfactorily analyze the plant-availability of P in sewage sludge-based P fertilizers except by undertaking time-consuming and complex pot or field experiments. We employed the diffusive gradients in thin films (DGT) technique to quantify the plant P availability of various types of P fertilizers with a novel focus on sewage sludge-based P fertilizers. Mixtures of fertilizer and soil were incubated for 3 weeks at 60% water holding capacity. DGT devices were deployed at the beginning of the incubation and again after 1, 2, and 3 weeks. Two weeks of incubation were sufficient for the formation of plant-available P in the fertilizer/soil mixtures. In a pot experiment, the DGT technique predicted maize (Zea mays L.) biomass yield and P uptake significantly more accurately than standard chemical extraction tests for P fertilizers (e.g., water, citric acid, and neutral ammonium citrate). Therefore, the DGT technique can be recommended as a reliable and robust method to screen the performance of different types of sewage sludge-based P fertilizers for maize cultivation minimizing the need for time-consuming and costly pot or field experiments.
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.
A wide range of methods are used to estimate the plant-availability of soil phosphorus (P). Published research has shown that the diffusive gradients in thin films (DGT) technique has a superior correlation to plant-available P in soils compared to standard chemical extraction tests. In order to identify the plantavailable soil P species, we combined DGT with infrared and P K- and L2,3-edge X-ray adsorption near edge structure (XANES) spectroscopy. This was achieved by spectroscopically investigating the dried binding layer of DGT devices after soil deployment. All three spectroscopic methods were able to distinguish between different kinds of phosphates (poly-, trimeta-, pyro- and orthophosphate) on the DGT binding layer. However, infrared spectroscopy was most sensitive to distinguish between different types of adsorbed inorganic and organic phosphates. Furthermore, intermediates of the time-resolved hydrolysis of trimetaphosphate in soil could be analyzed.
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.
Sewage sludge and sewage sludge ashes (SSA) are produced in huge amounts at municipal waste water treatment plants (WWTP) all around the world and have become an issue for many urbanized areas. To deal with this unceasing mass flow in an ecologically and economically responsible way a comprehensive chemical and structural characterization of all types of SSA is needed. X-ray powder diffraction (XRD) is one of the most promising analytical methods for this task. Although, there has been ample chemical evidence showing that many SSA contain aluminium phosphate as a major component up to now no aluminium phosphate or aluminium-rich mixed phosphate phase has been reported to be identified by XRD in a SSA produced at a mono-incineration facility. The outcome of the present com-bined XRD and Mossbauer spectroscopy investigation provides comprehensive evidence closing this gap for the first time.
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.
Enhanced post-denitrification without addition of an external carbon source in membrane bioreactors
(2005)
This study investigates a post-denitrification process without the addition of an external carbon source combined with an enhanced biological phosphorus removal (EBPR) in a membrane bioreactor (MBR). Three trial plants, with two different process configurations, were operated on two different sites, and a variety of accompanying batch tests were conducted. It was shown that even without dosing of an external carbon source, denitrification rates (DNR) much above endogenous rates could be obtained in post-denitrification systems. Furthermore, the anaerobic reactor located ahead of the process had a positive impact on the DNR. Given these surprising results, the project team decided to identify the carbon source used by the microorganisms in the post-denitrification process. Batch tests could demonstrate that lysis products do not play a major role as a C-source for post-denitrification. The following hypothesis was proposed to explain the observations: the glycogen, internally stored by the substrate accumulating bacteria, if anaerobic conditions are followed by aerobic conditions could act as carbon source for denitrification in post-denitrification system. First exploratory batch tests, where the glycogen evolution was monitored, corroborate this assumption.
Für die Entfernung von VOC (volatile organic compounds) aus der Luft von Fertigungsstätten werden vielfach mikroporöse Adsorbentien eingesetzt. Die gereinigte Luft wird rezyklisiert. Für die mit VOC beladenen Adsorbentien wird ein Regenerierungsweg für den mehrfachen Gebrauch gesucht. Bei der Regenerierung sollen die VOC möglichst vollständig desorbiert werden und mit einer geringen Gasmenge in einer katalytischen Verbrennung zu CO2 und H2O umgewandelt werden. Die Wirtschaftlichkeit der Luftreinigung wird wesentlich bestimmt durch die Sorptionskapazität des Adsorbens, die erforderliche Energie für die thermische Regenerierung und die Menge des Spülgases bei der Regenerierung. In dieser Arbeit wird der Einsatz von Typ X-Zeolithpulver in der Luftreinigung einer Lackiererei beschrieben und dessen Regenerierung im Labor mittels DTA/TG und Isothermenmessung der Schlüsselkomponenten untersucht. Ferner wurde die Regenerierung des beladenen Zeoliths in einem Labor-Drehrohrofen unter Variation der Betriebsparameter untersucht und anschließend mit ausgewählten Parametern in einem kleintechnischen Drehrohrofen durchgeführt. Die Verfahrensvarianten werden diskutiert.
Phosphor ist ein für alle Lebewesen essenzielles Element und kann in seinen Funktionen z. B. als Bestandteil der DNS und RNS sowie als Schlüsselelement beim Energiestoffwechsel (ADP/ATP) nicht ersetzt werden. Klärschlammaschen sind aufgrund ihrer hohen Gehalte an Phosphor (1525 % P2O5) geeignete Sekundärrohstoffe für die Herstellung von P-Düngemitteln. Aufgrund der schlechten Pflanzenverfügbarkeit des Phosphors und der Gehalte an umweltrelevanten Schwermetallen sollten diese allerdings nicht direkt in der Landwirtschaft eingesetzt werden. Im Mittelpunkt des EU-Projekts SUSAN steht die Entwicklung und Optimierung einer thermochemischen Behandlung von Klärschlammaschen, mit der die Düngewirkung der Aschen auf das Niveau konventioneller Mineraldünger (Thomaskali und Superphosphat SSP) angehoben wird und die Schwermetallkonzentrationen unter die Grenzwerte nach Düngemittelverordnungen europäischer Länder abgesenkt werden. Die sehr positiven Ergebnisse, die bisher im SUSAN-Projekt erzielt wurden, und die darauf basierenden ökonomischen Betrachtungen legen eine großtechnische Umsetzung des Verfahrens nahe.
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.