4 Material und Umwelt
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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.
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.
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.
Phosphorus (P) fertilizers from secondary resources became increasingly important in the last years. However, these novel P-fertilizers can also contain toxic pollutants such as chromium in its hexavalent state (Cr(VI)). This hazardous form of chromium is therefore regulated with low limit values for agricultural products even though the correct determination of Cr(VI) in these fertilizers may be hampered by redox processes, leading to false results. Thus, we applied the novel diffusive gradients in thin-films (DGT) technique for Cr(VI) in fertilizers and compared the results with the standard wet chemical extraction method (German norm DIN EN 15192) and Cr K-edge X-ray Absorption near-edge structure (XANES) spectroscopy. We determined an overall good correlation between the wet chemical extraction and the DGT method. DGT was very sensitive and for most tested materials selective for the analysis of Cr(VI) in P-fertilizers. However, hardly soluble Cr(VI) compounds cannot be detected with the DGT method since only mobile Cr(VI) is analyzed. Furthermore, Cr K-edge XANES spectroscopy showed that the DGT binding layer also adsorbs small amounts of mobile Cr(III) so that Cr(VI) values are overestimated. Since certain types of the P fertilizers contain mobile Cr(III) or partly immobile Cr(VI), it is necessary to optimize the DGT binding layers to avoid aforementioned over- or underestimation. Furthermore, our investigations showed that the Cr K-edge XANES spectroscopy technique is unsuitable to determine small amounts of Cr(VI) in fertilizers (below approx. 1% of Cr(VI) in relation to total Cr).
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.
Da das Recycling von tantalhaltigen Post-Consumer-Abfällen praktisch nicht existiert, stellen metallurgische Reststoffe eine äußerst wichtige Rohstoffquelle für das Tantalrecycling dar. Die meisten Zinnerze enthalten von Natur aus erhebliche Mengen an Refraktärmetallen. Diese Elemente werden in den Schlacken der pyrometallurgischen Primärzinngewinnung angereichert. Aufgrund ihrer vergleichsweise hohen Wertstoffkonzentration und ihrer Funktion als zusätzlicher Schlackenbildner stellen diese Schlacken einen wertvollen Rohstoff für die Verhüttung tantalhaltiger Reststoffe dar. In der vorliegenden Arbeit wird ein existierendes Verfahren zur Tantalrückgewinnung diskutiert, dem hauptsächlich pyrometallurgische Rückstände geringer Wertstoffkonzentration als Einsatzstoff dienen. Mit Hilfe des Verfahrens sollte dasoxidisch vorliegende Tantal vollständig reduziert und in der Metallphase angereichert werden. Weiterhin sollte vermieden werden, dass unerwünschte Elemente wie Titan in die Metallphase überführt werden. Ziel der Untersuchung war es, die ablaufenden Reduktionsprozesse besser zu verstehen, um so Ansätze für die Prozessoptimierung identifizieren zu können.
One of the key elements in the transformation towards a circular economy (CE) is providing more sustainable practices for resources and waste management. Improvement actions focused on transformation towards a CE should be targeted at all groups of materials and waste. As water is essential for human survival and well-being and plays a significant role in sustainable development (SD), the actions related to the reuse of water and the recovery of raw materials from wastewater and other water-based waste should be taken. The paper presents a proposition for a new CE model framework in the water and wastewater sector, which includes the six following actions: reduction—prevent wastewater generation in the first place by the reduction of water usage and pollution reduction at source; reclamation (removal)—an application of effective Technologies for the removal of pollutants from water and wastewater; reuse—reuse of wastewater as an alternative source of water supply (non-potable usage), recycling—recovery of water from wastewater for potable usage; recovery—recovery of resources such as nutrients and energy from water-based waste, and rethink—rethinking how to use resources to create a sustainable economy, which is `free` of waste and emissions. The novelty of the proposed CE model framework is that it presents possible ways of implementing CE principles in the water and wastewater sector, with a strong emphasis not only technological but also organisational and societal changes. Application of the proposed model may help to further transform the European economy to the CE model. Moreover, the indicated model can be significant tool supporting an assessment of local or regional progress towards CE in the water and wastewater sector and further environmental management and planning.
Popioły pochodzące z instalacji do spalania komunalnych osadów ściekowych, znajdującej się na terytorium Polski, poddano procesom termochemicznego przekształcania, dzięki czemu otrzymano produkty nawozowe spełniające kryteria dopuszczające je do obrotu jako nawozy mineralne. Ponadto dokonano analizy możliwości wykorzystania popiołów na cele nawozowe zgodnie z obecnie przyjętymi dokumentami strategicznymi i planistycznymi dotyczącymi gospodarki odpadami na poziomie krajowym i europejskim.
This paper presents an inventory of sewage sludge ashes (SSA) generated in the mono-incineration plants for municipal sewage sludge in Poland. This research focused on the detailed study of mass flows, chemical composition, and phosphorus recovery potential. There are currently 11 sludge mono-incineration plants operated with a total capacity of 160,300 Mg dry weight (d.w.) of sludge annually. Recently, a significant increase in the amount of SSA generated in these plants has been observed, reaching 26,756 Mg in 2018. Chemical composition of SSA showed significant amounts of the main nutrients: calcium (~14%), phosphorus (~13%), magnesium (~3%), and potassium (~1%). Additional main elements were iron (~14.5%), silicon (~13%), and aluminium (~6%). The main trace elements in the SSA were zinc (~3750 mg/kg) and copper (~899 mg/kg). Pollutants, according to fertilizer regulations of different countries, present in Polish SSA were chromium(~703 mg/kg), nickel (~260 mg/kg), lead (~94 mg/kg), and Cadmium (~9 mg/kg). The radionuclides, uranium, and thorium often present in higher amounts in commercial phosphate rock-based fertilizers, were only detected in SSA t low levels of 4–9 mg/kg and 2–3 mg/kg, respectively. Theoretical phosphorus recovery potential from the SSA (from plants in Cracow, Lodz, Gdansk, Gdynia, Szczecin, and Kielce) was estimated at 1613.8 Mg, of which 33.9% is bioavailable. Currently, in Poland, the recommended approach is the production of fertilizers as a result of the extraction of phosphorus from the SSA with its use in the production of secondary mineral fertilizers.
Further research in this area is required considering Polish conditions and legislation.
Phosphorus (P) recovery from sewage sludge ash (SSA) is one of the most promising approaches of phosphate rock substitution in mineral fertilizers and might be a sustainable way to secure supply of this raw material in the future. In the current investigation, the process of thermochemical treatment of SSA was applied to SSA coming from selected mono-incineration plants of municipal sewage sludge in Poland (Cracow, Gdansk, Gdynia, Lodz, Kielce and Szczecin).
The Polish SSA was thermochemically converted in the presence of sodium (Na) additives and a reducing agent (dried sewage sludge) to obtain secondary raw materials for the production of marketable P fertilizers. The process had a positive impact on the bioavailability of phosphorus and reduced the content of heavy metals in the obtained products. The P solubility in neutral Ammonium citrate, an indicator of its bioavailability, was significantly raised from 19.7–45.7% in the raw ashes and 76.5–100% in the thermochemically treated SSA. The content of nutrients in the recyclates was in the range of 15.7–19.2% P2O5, 10.8–14.2% CaO, 3.5–5.4% Na2O, 2.6–3.6% MgO and 0.9–1.3% K2O. The produced fertilizer raw materials meet the Polish norms for trace elements covered by the legislation: the content of lead was in the range 10.2–73.1 mg/kg, arsenic 4.8–22.7 mg/kg, Cadmium 0.9–2.8 mg/kg and mercury <0.05 mg/kg. Thus, these products could be potentially directly used for fertilizer production. This work also includes an analysis of the possibilities of using ashes for fertilizer purposes in Poland, based on the assumptions indicated in the adopted strategic and planning documents regarding waste management and fertilizer production.