4 Material und Umwelt
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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.
More sustainable waste management practices are an important element in the Transformation towards a circular economy (CE). Activities in this area should be dedicated to all groups of waste, including those generated in the water and sewage sector. This paper presents the characteristics of sewage sludge ash (SSA) coming from Polish municipal waste incineration plants. Due to the high content of nutrients such as phosphorus (8.01% P2O5), calcium (5.11% CaO) and magnesium (2.75% MgO), the analyzed SSA may constitute a valuable source of raw materials for the fertilizer industry.
Despite the good fertilizing properties of the SSA, in some cases the presence of heavy metals such as cadmium (0.74–1.4 mg/kg dry matter), lead (49.8–99 mg/kg dry matter), mercury (3.93 mg/kg dry matter) and arsenic (4.23–4.43 mg/kg dry matter) and poor bioavailability of P from SSA disqualifies this waste from direct use as a fertilizer. Therefore, it is necessary to look for methods that will allow the municipal SSA to be processed, for example, technologies for the extraction of phosphorus and the production of phosphate fertilizer. This way of SSA management is in the line with the CE assumptions, in which waste becomes a valuable source of secondary raw materials. Fertilizer produced from waste meeting quality, safety and labelling requirements and limits of organic, microbiological and physical contaminants will be able to be traded freely within the European Union (EU) and receive the CE marking. The idea of use of SSA for fertilizer purposes is consistent not only with the objectives of the CE but also with the Polish National Waste Management Plan 2022 and the Municipal Sewage Sludge Strategy 2019–2022, which emphasizes the necessity to maximize the use of biogenic substances contained in wastewater. Therefore, sustainable management of SSA, in particular its storage in a way enabling the recovery of phosphorus, should be promoted.
Future nutrient recovery from sewage sludge regarding three different scenarios - German case study
(2022)
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, German wastewater treatment plants (WWTPs) must recover phosphorus (P) from sewage sludge if it 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 16% of the total disposal in 2019. The reports of 10 states were evaluated for 2016 and 2017 representing approx. 60% of the total agriculturally used sludge volume. In 2016, 60% of the WWTPs’ sludges exceeded the recovery limit of 2 wt % P which is 70% of the amount of sludge and 85% of the phosphorus load. Other nutrients are not affected by the recovery obligation. However, many P recovery processes recover other nutrients, too. Considering three different scenarios for future German sewage sludge disposal shows that 70–77% of the P load in sewage sludge will probably be recovered in the future. At the same time, this applies for about 0–16% nitrogen, 36–52% of calcium, 31–53% of potassium, and 40–52% of magnesium. However, these recovered nutrients loads can substitute only 1% or less of the commercial fertilizer demand except from phosphorus which is up to 43% of the demand.
Phosphorus recycling from sewage sludge will be obligatory in Germany from 2029. Phosphorus content determination in sewage sludge is crucial to assess the prescribed recycling rates. Currently, German law regards sample preparation using aqua regia digestion in a microwave or under reflux conditions as well as instrumental phosphorus determination by ICP-OES, ICP-MS, or photometric determination with ammonium molybdate as equivalent. However, it is questionable whether these methods are indeed equivalent regarding phosphorus quantification in sludges near the limit of 20 g/kg for mandatory recycling. To answer this question, 15 sewage sludges of 11 different wastewater treatment plants were investigated with all permitted method (digestion and measurement) combinations. Moreover, one sewage sludge was also examined in an interlaboratory comparison (ILC) with 28 participants. This study shows that the above-mentioned methods differ in some cases significantly but across all method combinations and sludges, phosphorus recovery was between 80 and 121% after normalization to the grand mean (average of 15 sludges between 85 and 111%). The ILC and the examination of 15 sludges produced largely similar results. There is a tendency to higher phosphorus recovery after microwave digestion compared to reflux digestion and ICP-OES measurements determine higher phosphorus contents than ICP-MS and photometric phosphorus determination. As a result, the authors recommend ICP-OES determination of phosphorus in sewage sludge after microwave digestion.
Phosphorus (P) recovery is obligatory for all sewage sludges with more than 20 g P/kg dry matter (DM) from 2029 in Germany. Nine wastewater treatment plants (WWTPs) were chosen to investigate variations of phosphorus contents and other parameters in sewage sludge over the year. Monthly sewage sludge samples from each WWTP were analyzed for phosphorus and other matrix elements (C, N, H, Ca, Fe, Al, etc.), for several trace elements (As, Cr, Mo, Ni, Pb, Sn) and loss of ignition. Among the nine WWTPs, there are four which have phosphorus contents both above and below the recovery limit of 20 g/kg DM along the year. Considering the average phosphorus content over the year, only one of them is below the limit. Compared to other matrix elements and parameters, phosphorus fuctuations are low with an average of 7% over all nine WWTPs. In total, only hydrogen and carbon are more constant in the sludge.
In several WWTPs with chemical phosphorus elimination, phosphorus fuctuations showed similar courses like iron and/or aluminum. WWTPs with chamber flter presses rather showed dilution efects of calcium dosage. As result of this study, monthly phosphorus measurement is highly recommended to determine whether a WWTP is below the
20 g/kg DM limit.
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 %.
Die landwirtschaftliche Klärschlammverwertung ist in der Bundesrepublik Deutschland seit Jahren rückläufig, hatte im Jahr 2017 jedoch noch einen Anteil von rund 18 % [20]. Diese Art der Verwertung wird kontrovers diskutiert, da der Klärschlamm im Rahmen der Abwasserreinigung eine Schadstoffsenke darstellt. In vergangenen Jahrzehnten wurden insbesondere die hohen Gehalte an Schwermetallen im Klärschlamm als kritisch für eine landwirtschaftliche Verwertung eingestuft. Diese Belastung konnte allerdings durch Absenkung der Einträge von Schmermetallen in das Abwasser signifikant gesenkt werden. Neben Schwermetallen kamen jedoch auch organische Schadstoffe wie Pharmazeutika, Kosmetika und Haushaltschemikalien in den Fokus der Diskussion über den Einsatz von Klärschlamm auf Agrarflächen. Heute geraten zunehmend weitere Inhaltsstoffe in den Fokus, deren Auswirkungen noch nicht abschließend geklärt sind, weshalb eine einheitliche Bewertung über Grenzwerte nicht darstellbar ist. Beispiele für diese neuen Stoffgruppen sind Mikroplastik, Nanopartikel, Antibiotikaresistenzen und persistente organische Spurenstoffe. Neben den angesprochenen Risiken gibt es in Deutschland Regionen mit einem stark erhöhten Nährstoffüberschuss. In der Kritik steht vor allem eine nicht ordnungsgemäße Düngung mit Stickstoff, welche mit Nitratauswaschungen in das Grundwasser einhergeht. Um diese Grundwasserbelastung zu verhindern wurde u.a. das Düngerecht erneut verschärft, was die Flächenkonkurrenz zwischen Klärschlamm und Wirtschaftsdünger weiter vergrößern wird. Auf Druck der EU-Kommission stehen zudem weitere Anpassungen im Düngerecht bevor, da die beschlossenen Änderungen aus Kommissionssicht nicht ausreichen, um die Nitratrichtlinie einzuhalten. Vor dem Hintergrund der angeführten Probleme wurde im Koalitionsvertrag der 18. Legislaturperiode (2013) festgeschrieben, „die Klärschlammausbringung zu Düngezwecken [zu] beenden und Phosphor und andere Nährstoffe zurück[zu]gewinnen“ [5]. Die novellierte AbfKlärV beinhaltet allerdings kein grundsätzliches Aufbringungsverbot und eine Rückgewinnungspflicht besteht lediglich für den Nährstoff Phosphor. Es ist davon auszugehen, dass sich die neuen Regelungen im Düngerecht und der Klärschlammverordnung massiv auf die landwirtschaftliche Verwertung von Klärschlamm und damit auf die Kreislaufwirtschaft verschiedener Nährstoffe auswirken werden. Zur Ermittlung dieser Auswirkungen wird seit Oktober 2018 im Auftrag des Umweltbundesamtes das REFOPLAN-Projekt „extraWERT“ (FKZ 3718 26 330 0) von der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) in Kooperation mit dem Institut für Siedlungswasserwirtschaft (ISA) der RWTH Aachen durchgeführt. In diesem Beitrag werden erste Ergebnisse dieses Projekts vorgestellt.
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.
Phase formation and evolution was investigated in the CaO–SiO2 system in the range of 70–80 mol% CaO. The samples were container-less processed in an aerodynamic levitation system and crystallization was followed in situ by synchrotron x-ray diffraction at the beamline P21.1 at the German electron synchrotron (DESY). Modification changes of di- and tricalcium silicate were observed and occurred at lower temperatures than under equilibrium conditions. Despite deep sample undercooling, no metastable phase formation was observed within the measurement timescale of 1 s. For the given cooling rates ranging from 300 K s−1 to about 1 K s−1, no decomposition of tricalcium silicate was observed. No differences in phase evolution were observed between reducing and oxidizing conditions imposed by the levitation gas (Ar and Ar + O2). We demonstrate that this setup has great potential to follow crystallization in refractory oxide liquids in situ. For sub-second primary phase formation faster detection and for polymorph detection adjustments in resolution have to be implemented.
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.
Die Klinkerphasenbildung durch Sinterung in Drehrohröfen bei der Herstellung von Portlandzementklinker (PZK) ist gründlich erforscht und optimiert. Im Hinblick auf mögliche ökonomische und ökologische Vorteile befassen sich aktuelle Forschungsvorhaben darüber hinaus mit der Herstellung von Klinkermineralen aus Stahlwerksschlacken, die eine vergleichbare chemische Zusammensetzung aufweisen.
Neuste Untersuchungen zeigen, dass nach der reduzierenden Behandlung schmelzflüssiger Linz-Donawitz-(LD)-Schlacken und Abscheidung des gebildeten metallischen Eisens eine mineralische Schlacke entsteht, die unabhängig von ihren Abkühlbedingungen ca. 50–60 Gew.% des wichtigsten Klinkerminerals Alit (C3S) enthält und eine hohe hydraulische Reaktivität aufweist.
Die Stabilität des Alits auch nach langsamer Abkühlung deutet auf eine Stabilisierung des Minerals durch Nebenelemente aus den LD-Schlacken hin. Ein sinkender Anteil an LD-Schlacke durch Zusatz synthetischer Schlackemischung, die sich hinsichtlich ihrer Hauptkomponenten wie eine ausreduzierte LD-Schlacke zusammensetzt, führt zu einem Rückgang des Alitgehaltes und dem Zerfall der Schlacke beim Erstarren.
Fused cement clinker can be produced from molten basic oxygen furnace slag (BOFS) by way of a reductive thermochemical treatment. During the thermochemical treatment, oxidic iron is reduced to metallic iron and separated. The resulting low-iron slag has a chemical and mineralogical composition similar to ordinary Portland cement (OPC) clinker. In this study, the hydraulic reactivity of the fused clinker from BOFS with and without gypsum was investigated using isothermal calorimetry, differential scanning calorimetry, in situ X-ray diffraction and powder X-ray diffraction. Furthermore, a synthetic fused clinker without foreign ions and fused clinker produced by a mixture of both materials was studied. The hydraulic reaction of the fused clinker from BOFS was considerably slower than that of OPC. However, the reaction can be accelerated by adding gypsum as a sulfate carrier. Furthermore, the results showed an increased reaction rate with decreasing content of foreign ions such as Fe, P or Mn.
Basic oxygen furnace slags (BOFS) are by-products of the steelmaking process. Several researchers have studied the production of Portland cement clinker and metallic iron from BOFS via a reductive treatment.
In this study, we applied a carbothermal reduction of BOFS in a technical-scale electric arc furnace and characterised the clinker-like products. Those clinker-like non-metallic products (NMPs) had a chemical and mineralogical composition comparable to clinker for ordinary Portland cement (OPC) and contained large elongated alite crystals as major component. The pure NMPs reacted more slowly and achieved a lower degree of hydration compared with commercial OPC.
If the reactivity of the products can be further increased by employing specific adaptations, it can be used as a full clinker substitute for OPC. Nevertheless, it is also an option to use the material without further modifications as a cement component or concrete addition, which contributes to the strength development in both cases.
CFK-Abfälle werden trotz der bestehenden Verfahren zur Rückgewinnung der Carbonfasern zukünftig vermehrt anfallen. Für diese Abfälle wird nach technischen Lösungen der energetischen oder stofflichen Verwertung gesucht. Eine Möglichkeit ist die Nutzung der CFK-Abfälle als Primärkohleersatz im Lichtbogenofen bei der Stahlherstellung.
Conventional phosphate fertilizers are usually highly water-soluble and rapidly solubilize when moistened by the soil solution. However, if this solubilization is not in alignment with plants demand, P can react with the soil colloidal phase, becoming less available over time. This is more pronounced in acidic, oxidic tropical soils, with
high P adsorption capacity, reducing the efficiency of P fertilization. Furthermore, these fertilizers are derived from phosphate rock, a non-renewable resource, generating an environmental impact. To assess these concerns, waste-recycled P sources (struvite, hazenite and AshDec®) were studied for their potential of reducing P Fixation by the soil and improving the agronomic efficiency of the P fertilization. In our work, we compared the solubilization dynamics of struvite, hazenite, AshDec® to triple superphosphate (TSP) in a sandy clay loam Ferralsol, as well as their effect on solution pH and on soil P pools (labile, moderately-labile and non-labile) via an incubation experiment. Leaching columns containing 50 g of soil with surface application of 100 mg per column (mg col 1) of P from each selected fertilizer and one control (nil-P) were evaluated for 60 days. Daily leachate samples from the column were analyzed for P content and pH. Soil was stratified in the end and submitted to P
fractionation. All results were analyzed considering p < 0.05. Our findings showed that TSP and struvite promoted an acid P release reaction (reaching pHs of 4.3 and 5.5 respectively), while AshDec® and hazenite reaction was alkaline (reaching pHs of 8.4 and 8.5 respectively). Furthermore, TSP promoted the highest P release among all sources in 60 days (52.8 mg col 1) and showed rapid release dynamic in the beginning, while struvite and hazenite showed late release dynamics and lower total leached P (29.7 and 15.5 mg col 1 P respectively). In contrast, no P-release was detected in the leachate of the AshDec® over the whole trial period. Struvite promoted
the highest soil labile P concentration (7938 mg kg 1), followed by hazenite (5877 mg kg 1) and AshDec® (4468 mg kg 1), all higher than TSP (3821 mg kg 1), while AshDec® showed high moderately-labile P (9214 mg kg 1), reaffirming its delayed release potential.
The use of highly water-soluble phosphorus (P) fertilizers can lead to P fixation in the soil, reducing fertilization efficiency. Waste-derived, low water-solubility sources can potentially increase sugarcane’s P uptake compared to triple superphosphate by reducing adsorption to the soil.
Aims:We aimed to test struvite, hazenite, and AshDec® for their agronomic potential as recycled fertilizers for sugarcane production in a typical tropical soil.We hypothesize that these sources can reduce P fixation in the soil, increasing its availability and sugarcane’s absorption.
Methods: In a greenhouse pot experiment, two consecutive sugarcane cycles, 90 days each, were conducted in a Ferralsol. The recovered sources struvite, hazenite, AshDec®, and the conventional triple superphosphate were mixed in the soil in three P doses (30, 60, and 90 mg kg–1), aside a control (nil-P). At both harvests, sugarcane number of sprouts, plant height, stem diameter, dry mass yield, shoot phosphorus, and soil P fractionation were investigated.
Results: At 90 days, struvite and hazenite performed better for dry mass yield (70.7 and 68.3 g pot–1, respectively) than AshDec® and triple superphosphate (59.8 and 57.4 g pot–1, respectively) and for shoot P, with 98.1, 91.6, 75.6, and 66.3 mg pot–1, respectively. At 180 days, struvite outperformed all treatments for dry mass yield (95.3 g pot–1) and AshDec® (75.5 mg pot–1) for shoot P. Struvite was 38% and hazenite 21% more efficient than triple superphosphate in P uptake, while AshDec® was 6% less efficient. Soil had higher labile P under struvite, hazenite, and AshDec® than triple superphosphate by the end of the first cycle, while only the later increased nonlabile P by the end of the experiment (180 days).
Conclusions:Waste-derived P sources were more efficient in supplying P for sugarcane and delivering labile P in 180 days than triple superphosphate.
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.
In Denmark, increasing amounts of woody biomass are being used for the production of renewable energy, resulting in more wood ashes being generated. While these materials have been mainly landfilled, wood ashes may also be utilised for fertilizing and liming purposes on top of soils. Pre-treatments involving hardening or granulation may be carried out prior to soil application. In this study, two Danish wood ash samples were hardened and/or granulated. Lab-hardening induced rapid changes in the shape of the acid neutralisation capacity curve of the ashes. Up-flow column tests, assuming local equilibrium conditions, were employed to investigate the leaching from pre-treated ashes. Granules and loose ashes demonstrated similar leaching behaviours, indicating that similar geochemical processes were governing their leaching. In comparison with untreated fresh ashes, the hardened ashes demonstrated reduced leaching of Ca, Ba, Pb and Zn with concentration levels generally below or close to the analytical limits of quantification; to the contrary, the leaching of As, P, Sb, Si, V and Mg was enhanced in the hardened ashes. The release of alkalinity was reduced by hardening. In general, all granules were barely breakable by finger-pinching and they could withstand one month of continuous leaching, preserving their overall shape. The solubility of phosphorous in neutral ammonium citrate indicated that about 30–51% of the total P content in the ash samples was released, suggesting that the ashes could be potentially valuable as P-fertiliser if applied onto soil.
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.
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.
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.
AbstractRed mud is the waste of bauxite refinement into alumina, the feedstock for aluminium production1. With about 180 million tonnes produced per year1, red mud has amassed to one of the largest environmentally hazardous waste products, with the staggering amount of 4 billion tonnes accumulated on a global scale1. Here we present how this red mud can be turned into valuable and sustainable feedstock for ironmaking using fossil-free hydrogen-plasma-based reduction, thus mitigating a part of the steel-related carbon dioxide emissions by making it available for the production of several hundred million tonnes of green steel. The process proceeds through rapid liquid-state reduction, chemical partitioning, as well as density-driven and viscosity-driven separation between metal and oxides. We show the underlying chemical reactions, pH-neutralization processes and phase transformations during this surprisingly simple and fast reduction method. The approach establishes a sustainable toxic-waste treatment from aluminium production through using red mud as feedstock to mitigate greenhouse gas emissions from steelmaking.
An environmentally friendly and cost efficient way for the management of municipal solid waste incineration (MSWI) fly ash represents its thermal co-treatment together with combustible waste. However, the safe introduction and storage of MSWI fly ash in the waste bunker is challenging and associated with severe problems (e.g. dust emissions, generation of undefined lumps and heat in case of moistened MSWI fly ash). Therefore, the aim of this study is to investigate the suitability of pelletisation as a pretreatment of MSWI fly ash. In particular, MSWI fly ash was characterised after sampling, pelletisation and thermal treatment and the transfer of constituents to secondary fly ash and flue gas was investigated. For this purpose, MSWI fly ash pellets with a water content of about 0.15 kg/kg and a diameter of about 8 mm have been produced by disc pelletiser and treated in an electrically heated pilot-scale rotary kiln at different temperatures, ranging from 450°C to 1050°C. The total contents of selected elements in the MSWI fly ash before and after thermal treatment and in the generated secondary fly ash have been analysed in order to understand the fate of each element. Furthermore, leachable contents of selected elements and total content of persistent organic pollutants of the thermally treated MSWI fly ash were determined. Due to the low total content of Hg (0.7 mg/kg) and the low leachate content of Pb (<0.36 mg/kg), even at the lowest treatment temperature of 450°C, thermally treated MSWI fly ash pellets can be classified as nonhazardous waste. However, temperatures of at least 650°C are necessary to decrease the toxic equivalency of PCDD/F and DL-PCB. The removal of toxic heavy metals like Cd and Pb is significantly improved at temperatures of 850°C, 950°C or even 1050°C. The observed metal removal led to relatively high contents of e.g. Cu (up to 11,000 mg/kg), Pb (up to 91,000 mg/kg) and Zn (up to 21,000 mg/kg) in the secondary fly ash. This metal enriched secondary fly ash might represent a potential raw material for metal recovery (e.g. via acidic leaching). Due to the high content of total dissolved solids observed in the leachate of thermally treated MSWI fly ash pellets, a wet extraction procedure is suggested to enable its safe disposal at non-hazardous waste landfills.
There is an ongoing debate on European scale concerning the criticality of phosphorus. In Switzerland and Germany, phosphorus recovery from phosphorus-rich waste streams will become obligatory. Sewage sludge ash is rich in phosphorus and may become an important secondary feedstock. Thermochemical treatment of sewage sludge ash with sodium sulphate under reducing conditions was shown to remove heavy metals from the solid product and produce the fully plant available crystalline phase CaNaPO4. Pilot-scale experiments in a rotary kiln were carried out at temperatures between 750 and 1000 °C and were compared to laboratory-scale experiments with crucibles. Process upscaling was successfully demonstrated but a series of differences were noticed: In comparison to laboratory-scale, solubility of phosphorus in samples from pilot-scale experiments was lower at all chosen treatment temperatures because of shorter retention time and incomplete decomposition of sodium sulphate. X-ray diffraction analysis revealed remaining phase fractions of whitlockite (Ca3-x(Mg,Fe)x(PO4)2) and sodium sulphate from the starting materials in products and thus indicated incomplete reaction. In contrast to the results of laboratory-scale experiments, the crystalline phase CaNaPO4 was clearly absent in the products from the rotary kiln but instead a Mg-bearing phase (Ca,Mg)NaPO4 was formed. Laboratory-scale experiments confirmed (Ca,Mg)NaPO4 is an intermediate phase between whitlockite and CaNaPO4. However, both crystalline phases are characterized by high plant availability. It was shown that heavy metal removal increased at higher temperatures whereas solubility and thus plant availability of phosphorus already reached its maxima at temperatures of 950 °C in pilot-scale and 875 °C in laboratory-scale experiments.
Herstellung neuer Düngemittelausgangsstoffe durch thermochemische Behandlung von Klärschlammaschen
(2018)
Klärschlammasche kann viel Phosphor enthalten (bis zu 12%). Aus diesem Grund ist diese Asche ein gutes Ausgangsmaterial für Phosphordünger. Aufgrund der geringen Pflanzenverfügbarkeit des Phosphors in der Asche ist eine Aufbereitung notwendig.
In diesem Buchbeitrag wird das thermochemische Verfahren AshDec vorgestellt, welches von dem Fachbereich 4.4 mit der Firma Outotec entwickelt worden ist. Es werden die Hintergründe diskutiert, die Phasenreaktionen bei diesem Prozess besprochen, Pflanzenversuche ausgewertet, verschiedene Extraktionen diskutiert und ein Konzept für eine mögliche Pilotanlage dargestellt.
Calcium alkali phosphates Ca(Na,K)PO4 are main constituents of bioceramics and thermochemically produced phosphorus fertilizers because of their bioavailability. Sparse thermodynamic data are available for the endmembers CaNaPO4 and CaKPO4. In this work, the missing data were determined for the low-temperature phase modifications of the endmembers CaNaPO4 and CaKPO4 and three intermediate Ca(Na,K)PO4 compositions. Standard enthalpy of formation ranges from - 2018.3 ± 2.2 kJ mol-1 to - 2030.5 ± 2.1 kJ mol-1 and standard entropy from 137.2 ± 1.0 J mol-1 K-1 to 148.6 ± 1.0 J mol-1 K-1 from sodium endmember b-CaNaPO4 to potassium endmember b0-CaKPO4.
Thermodynamic functions are calculated up to 1400 K for endmembers and the sodium-rich intermediate phase b-Ca(Na0.93K0.07)PO4. Functions above 640 K are extrapolated because of the phase transition from low- to high-temperature phase. Impurities in the synthesized intermediate phases c-Ca(Na0.4K0.6)PO4 and c-Ca Na0.35K0.65)PO4 and one additional phase transition around 500 K impeded the determination of high-temperature thermodynamic functions. In general, data for phase transition temperatures agree with the previously reported phase diagrams.
The Brazilian sugarcane industry produced around 173 million tons (Mt) of bagasse in 2018. Bagasse is a by-product of juice extraction for ethanol and sugar production and is combusted in order to generate power, producing up to 10 Mt of ash per year. This ash contains various concentrations of plant nutrients, which allow the ash to be used as a crop fertilizer. However, the concentration and extractability of phosphorus (P), an essential plant nutrient, are low in bagasse ash. To increase the P content, we co-gasified and co-combusted bagasse with P-rich chicken manure. The resulting ash was thermochemically post-treated with alkali additives (Na2SO4 and K2SO4) to increase the availability of P to plants. We aimed to: (i) investigate the effect of thermochemical post-treatment of co-gasification residue and co-combustion ash on P availability to soybeans, (ii) explore the potential of chemical extraction methods (citric acid, neutral ammonium citrate, formic acid, and Mehlich-I) and diffusive gradients in thin films (DGT) to predict the availability of P to soybeans, and (iii) identify the responsible P-phases using X-ray diffraction . We evaluated P availability to soybeans growing in Brazilian Oxisol soil in two independent greenhouse pot experiments. The positive effect of thermochemical treatment on P availability from gasification residue was confirmed through the observation of increased P uptake and biomass in soybean plants. These findings were confirmed by chemical extraction methods and DGT. The gasification residue contained whitlockite as its main P-bearing phase. Thermochemical post-treatment converted whitlockite into highly soluble CaNaPO4. In contrast, co-combustion ash already contained highly soluble Ca(Na,K)PO4 as its main P-bearing phase, making thermochemical post-treatment unnecessary for increasing P availability. In conclusion, increased extractability and availability of P for soybeans were closely connected to the formation of calcium alkali phosphate. Our findings indicate that this combined methodology allows for the prediction of P-fertilization effects of ash.
Phosphorus rich sewage sludge ash is a promising source to produce phosphorus recycling fertilizer. However, the low plant availability of phosphorus in these ashes makes a treatment necessary. A thermochemical treatment (800–1000 °C) with alkali additives transforms poorly plant available phosphorus phases to highly plant available calcium alkali Phosphates (Ca,Mg)(Na,K)PO4. In this study, we investigate the use of K2SO4 as additive to produce a phosphorus potassium fertilizer in laboratory-scale experiments (crucible). Pure K2SO4 is not suitable as high reaction temperatures are required due to the high melting point of K2SO4.
To overcome this barrier, we carried out series of experiments with mixtures of K2SO4 and Na2SO4 resulting in a lower economically feasible reaction temperature (900–1000 °C). In this way, the produced phosphorus potassium fertilizers (8.4 wt.% K, 7.6 wt.% P) was highly plant available for phosphorus indicated by complete extractable phosphorus in neutral ammonium citrate solution. The added potassium is, in contrast to sodium, preferably incorporated into silicates instead of phosphorus phases. Thus, the highly extractable phase (Ca,Mg)(Na,K)PO4 in the thermochemical products contain less potassium than expected. This preferred incorporation is confirmed by a pilot-scale trial (rotary kiln) and thermodynamic calculation.
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.
One of the typical wastes produced in blast-furnace (BF) ironmaking is BF sludge, which mostly consists of carbon and iron oxides, but also contains toxic trace metals such as Zn, Pb, Cd, As, and Hg that render the material hazardous. Due to the lack of an established recycling process, BF sludges are landfilled, which is ecologically questionable and costly. Here, we investigate selective removal of Zn, Pb, and Cd from BF sludge by chlorination–evaporation reactions using thermodynamic modelling and laboratory-scale experiments. Specifically, BF sludge was thermochemically treated at 650–1000 °C with a spent iron(II) chloride solution from steel pickling and the effects of process temperature and retention time on removal of Zn, Pb, and Cd were investigated. Zinc and Pb were quantitatively removed from BF sludge thermochemically treated at 900–1000 °C, whereas Fe and C as well as other major elements were mostly retained. The Zn, Pb, and Cd contents in the thermochemically treated BF sludge could be lowered from ∼56 g/kg, ∼4 g/kg, and ∼0.02 g/kg to ≤0.7 g/kg, ≤0.02 g/kg, and ≤0.008 g/kg, respectively, thus rendering the processed mineral residue a non-hazardous raw material that may be re-utilized in the blast furnace or on the sinter band.
Dieser Beitrag beschreibt die Entwicklung eines neuen chemischen Verfahrens, das in einem Kooperationsprojekt zwischen der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) und der Ferro Duo GmbH entwickelt wird. Mit dem entwickelten Verfahren soll es ermöglicht werden, schwermetallhaltige Filterstäube und -schlämme wie Gichtgasschlämme oder Elektroofenstäube, die als Abfälle während der Produktion von Roheisen und Rohstahl anfallen und die derzeit größtenteils deponiert werden, zu recyceln und die darin enthaltenen Wertstoffe (v.a. Eisen, Kohlenstoff und Zink) wieder in den Rohstoffkreislauf zurückzugeben. Das Verfahren basiert auf dem Prinzip der Chlorierung der in den Filterstäuben und -schlämmen enthaltenen Schwermetalloxide nach Zugabe eines flüssigen Chlordonators wie Eisen(II)-chlorid-Lösung oder Salzsäure. Die so chlorierten Schwermetalloxide werden bei Temperaturen zwischen 650 und 1100 °C in Form von Schwermetallchloriden verdampft und so selektiv vom behandelten Feststoff separiert. Erste experimentelle Ergebnisse zeigen, dass die Gehalte an Schwermetallen wie Zink, Blei und Cadmium um bis zu 99,7% reduziert werden können und die thermochemisch behandelten Filterstäube und -schlämme durch das Verfahren in sekundäre, im Wesentlichen aus Eisenoxiden bestehenden Rohstoffe für die Roheisenproduktion umgewandelt werden können. Da die chlorhaltigen Lösungen selbst Abfallstoffe aus anderen Industriezweigen sind (z.B. aus der Titandioxidproduktion oder der Stahlbeize), vereint das hier entwickelte Verfahren auf elegante Weise zwei Abfallstoffströme und wandelt diese in sekundäre Rohstoffe – einem mineralischen Rohstoff für die Roheisenproduktion sowie Zinkchlorid – um.
Re-melting of scrap in an electric arc furnace (EAF) results in the accumulation of filter dust from off-gas treatment that predominantly consists of iron and zinc oxides. Filter dust is classified as hazardous waste due to its high contents of potentially toxic or ecotoxic elements such as Pb, Cr, Cd, and As. A promising processing route for this waste is selective chlorination, in which the non-ferrous metal oxides are chlorinated and selectively evaporated in form of their respective chlorides from the remaining solids via the process gas flow. Here, we investigate stepwise thermochemical treatment of EAF dust with either waste iron(II) chloride solution or hydrochloric acid at 650, 800, and 1100 ◦C. The Zn and Pb contents of the thermochemically processed EAF dust could be lowered from 29.9% and 1.63% to 0.09% and 0.004%, respectively. Stepwise heating allowed high separation between zinc chloride at the 650 ◦C step and sodium-, potassium-, and lead-containing chlorides at higher temperatures. Furthermore, the lab-scale results were transferred to the use of an experimental rotary kiln highlighting the possibilities of upscaling the presented process. Selective chlorination of EAF dust with liquid chlorine donors is, therefore, suggested as a potential recycling method for Zn-enriched steelworks dusts.
Blast furnace (BF) sludge and electric arc furnace (EAF) dust are typical wastes that incur from iron and steel production. In addition to iron, calcium, carbon, and silicon they usually contain high concentrations of heavy metals such as zinc, lead, and cadmium that are potentially hazardous to the environment, rendering disposal in landfills ecologically problematic and costly. Consequently, pyrometallurgical, hydrometallurgical, and hybrid methods for selective elimination of non-ferrous heavy metals from BF sludge and EAF dust have been conceived, of which only the carbothermic reduction route taken in the so-called Waelz rotary kiln process has been proven to be economically successful. However, this process has several drawbacks regarding efficiency of heavy-metal removal and recovery of iron, and it does not allow processing of BF sludge. In this study, we investigated the efficiency and feasibility of selective chlorination and evaporation of non-ferrous heavy metals, particularly zinc and lead, in both BF sludge and EAF dust as an alternative, thermochemical processing route. To this end, hydrochloric acid and iron(II) chloride solution have been used as chlorinating agents, and the process of heavy-metal chlorination and evaporation has been investigated under inert operating conditions, at variable chlorine concentrations, and at temperatures between 500 and 1200 °C.
High zinc and lead removal efficiencies of > 99.5 % were achieved with both chlorinating agents, but iron(II) chloride turned out to be overall more efficient for removal of zinc and lead from BF sludge and EAF dust. Interestingly, and in contrast to previous studies, the iron was completely retained in the processed solid residue, therefore rendering the processed residues virtually zinc- and lead-free raw materials that may either be used internally (e.g., feeding processed BF sludge and EAF dust back into the respective furnaces) or externally (e.g., for cement production).
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 leaching behavior of scandium (Sc) from bauxite residues can differ significantly when residues of different geological backgrounds are compared. The mineralogy of the source rock and the physicochemical environment during bauxitization affect the association of Sc in the bauxite i.e., how Sc is distributed amongst different mineral phases and whether it is incorporated in and/or adsorbed onto those phases. The Sc association in the bauxite is in turn crucial for the resulting Sc association in the bauxite residue. In this study systematic leaching experiments were performed on three different bauxite residues using a statistical design of experiments approach. The three bauxite residues compared originated from processing of lateritic and karstic bauxites from
Germany, Hungary, and Russia. The recovery of Sc and Fe was determined by ICP-OES measurements. Mineralogical changes were analyzed by X-ray-diffraction and subsequent Rietveld refinement. The effects of various parameters including temperature, acid type, acid concentration, liquid-to-solid ratio and residence time were studied. A response surface model was calculated for the selected case of citric acid leaching of Hungarian bauxite residue. The investigations showed that the type of bauxite residue has a strong influence. The easily leachable fraction of Sc can vary considerably between the types, reaching ~20–25% in German Bauxite residue and ~50% in Russian bauxite residue. Mineralogical investigations revealed that a major part of this fraction was released from secondary phases such as cancrinite and katoite formed during Bayer processing of the bauxite.
The effect of temperature on Sc and Fe recovery is strong especially when citric acid is used. Based on the exponential relationship between temperature and Fe-recovery it was found to be particularly important for the selectivity of Sc over Fe. Optimization of the model for a maximum Sc recovery combined with a minimum Fe
recovery yielded results of ~28% Sc recovery at <2% Fe recovery at a temperature of 60 ◦C, a citric acid normality of 1.8, and a liquid-to-solid ratio of 16 ml/g. Our study has shown that detailed knowledge about the Sc association and distribution in bauxite and bauxite residue is key to an efficient and selective leaching of Sc
from bauxite residues.
Sugarcane bagasse is commonly combusted to generate energy. Unfortunately, recycling strategies rarely consider the resulting ash as a potential fertilizer. To evaluate this recycling strategy for a sustainable circular economy, we characterized bagasse ash as a fertilizer and measured the effects of co-gasification and co-combustion of bagasse with either chicken manure or sewage sludge: on the phosphorus (P) mass fraction, P-extractability, and mineral P phases. Furthermore, we investigated the ashes as fertilizer for soybeans under greenhouse conditions. All methods in combination are reliable indicators helping to assess and predict P availability from ashes to soybeans. The fertilizer efficiency of pure bagasse ash increased with the ash amount supplied to the substrate. Nevertheless, it was not as effective as fertilization with triple-superphosphate and K<sub>2</sub>SO<sub>4</sub>, which we attributed to lower P availability. Co-gasification and co-combustion increased the P mass fraction in all bagasse-based ashes, but its extractability and availability to soybeans increased only when co-processed with chicken manure, because it enabled the formation of readily available Ca-alkali phosphates. Therefore, we recommend co-combusting biomass with alkali-rich residues to increase the availability of P from the ash to plants.
Treatment and reusing of hazardous wastes have become significant issues of modern societies. Blast furnace sludge (BFS) and electric arc furnace dust (EAFD) are such typical wastes, because they usually contain high amounts of undesirable elements such as zinc (Zn) and lead (Pb).
These elements can cause operational problems in reusing of BFS and EAFD. In this study, the Ferro Duo GmbH and the Federal Institute for Materials Research and Testing have investigated a novel approach for eliminating and/or recovering Zn and Pb from both wastes. Applied was a selective chlorination and volatilization of Zn and Pb as chlorides at temperatures between 500 °C and 1100 °C. Both product obtained, Zn and Pb in the form of ZnCl2 and PbCl2 and the purified solid mineral compound are attractive materials for further use. Hydrochloric acid and iron(II) chloride were used as chlorination agents. Exceptionally high Zn and Pb removal efficiencies of >99.5 % could be achieved with both chlorination agents, whereby iron(II) chloride exhibited better performance.
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.
Bei der Stahlproduktion fallen verfahrensbedingt große Mengen an Nebenprodukten und Abfällen wie Stahlwerksschlacken, Filterstäube und Gichtgasschlämme an. Hohe Anteile dieser Stoffströme werden aufgrund ihrer Zusammensetzung immer noch deponiert, obwohl sie ein hohes Wertstoffpotential aufweisen. An der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) werden Verfahren untersucht
und entwickelt, welche eine Verwertung und Kreislaufführung dieser Materialströme ermöglichen. Aus sogenannten Linz-Donawitz-(LD)-Schlacken können durch carbothermische Nachbehandlung Roheisen und ein dem Portlandzementklinker (PZK) ähnliches Bindemittel erzeugt werden. Aus Elektroofenstäuben und Gichtgasschlämmen kann Zink gewonnen und die Anteile an Eisen und Kohlenstoff in den Stahlproduktionsprozess zurückgeführt werden. Durch diese technischen Maßnahmen kann es gelingen die Deponierung von Abfällen der Stahlproduktion zukünftig deutlich zu reduzieren.
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 Europäische Kommission präsentierte am 11. Dezember 2019 den European Green Deal, ein Konzept mit dem Ziel, bis zum Jahr 2050 als erster Kontinent Klimaneutralität zu erreichen. Mit Inkrafttreten der Verordnung (EU) 2021/1119 des Europäischen Parlaments und des Europäischen Rates am 29. Juli 2021 zur Schaffung des Rahmens für die Verwirklichung der Klimaneutralität („Europäisches Klimagesetz“), ist dieses, sowie das Ziel der Reduzierung der Nettotreibhausgasemissionen um mindestens 55 % bis 2030 in der Gesetzgebung der Europäischen Union verankert. Die Stahlindustrie in der Europäischen Union mit ca. 57 Mio. t Nettotreibhausgasemissionen im Jahr 2020, die annähernd 2 % der Emissionen der Europäischen Union ausmachen (Inklusive Energie: 127 Mio. t; 4 %), bekennt sich zur erheblichen Reduzierung der CO2-Emissionen bis zum Jahr 2030 und zum Erreichen der Klimaneutralität bis zum Jahr 2050. Als Schlüsselwege zur Verwirklichung dieser Zielstellung hat sie zum einen Smart Carbon Usage (SCU) und zum anderen Carbon Direct Avoidance (CDA) in einer Roadmap formuliert. SCU umfasst CO2-reduzierende Maßnahmen in bestehenden Eisen- und Stahlproduktionsprozessen, Carbon Capture and Storage- (CCS) sowie Carbon Capture and Usage-Technologien (CCU). Wohingegen bei CDA CO2-Emissionen durch erneuerbare elektrische Energie sowie wasserstoffbasierte Reduktion des Eisenerzes gar nicht erst entstehen sollen. Der CDA-Weg, der voraussichtlich beschritten werden muss, um eine klimaneutrale Stahlproduktion zu erreichen [38], geht mit einer kostenintensiven Transformation der Stahlproduktion einher, die bereits von vielen Unternehmen der Stahlindustrie eingeleitet wurde und von der im Wesentlichen die beiden in Europa vorherrschenden Stahlproduktionsrouten Hochofen-Konverter-Route und Elektrolichtbogenofen-Route betroffen sind. Die CO2-Emissionen der Hochofen-Konverter-Route, von denen der überwiegende Anteil auf den Hochofen fällt, liegen laut einer für das Jahr 2015 erstellten Studie bei 1921 kg CO2/t Rohstahl inklusive der CO2-Last der Pellets als Einsatzmaterial sowie der Emissionen der nachgelagerten Stranggießanlagen und Walzwerke. Im Hochofen wird das Eisenerz durch Kohlenstoff (C) bzw. Kohlenstoffmonoxid (CO) – welche größtenteils aus dem Koks, der dem Hochofen zusammen mit dem Möller über die Gicht zugeführten wird, stammen – unter Entstehung von Roheisen und Kohlenstoffdioxid (CO2) reduziert. Das neben dem CO2 im Prozessgas enthaltene CO wird zum Beispiel zur Energiegewinnung in peripheren Prozessen ebenfalls unter Bildung von CO2 verbrannt. Zusätzlich zur Reduktion hat der Koks unter anderem physikalische Aufgaben, wie die Errichtung eines Stützgerüstes und die Gewährleistung der Permeabilität im Hochofenprozess. Somit ist eine vollkommene Substitution des Kokses zur Vermeidung der CO2-Emissionen im Hochofen nicht denkbar. Viele Strategien der Stahlunternehmen zum Erreichen der Klimaziele verfolgen daher den Wechsel von der Rohstahlproduktion aus der Hochofen-Konverter-Route hin zur Rohstahlproduktion im Elektrolichtbogenofen (EAF – Electric Arc Furnace) mit dem Einsatz von direkt reduziertem Eisen (Eisenschwamm, DRI – Direct Reduced Iron) aus vorgelagerten Direktreduktionsanlagen, die mit Wasserstoff (H2) als Reduktionsmittel betrieben werden können. Dabei ist die Elektrostahlerzeugung kein neuer Prozess und nimmt in der europäischen Union bereits jetzt einen Anteil von ca. 44 % der Rohstahlproduktion ein, jedoch überwiegend mit Schrott als Einsatzmaterial. Bei der Elektrostahlerzeugung mit Schrotteinsatz fallen laut der oben genannten Studie von Lüngen für das Jahr 20152 410 kg CO2-Emissionen pro Tonne Rohstahl an, von denen der Großteil auf die CO2-Last der fremd bezogenen elektrischen Energie zurückzuführen ist und daher nicht im Produktionsprozess selbst entsteht. Auch die Direktreduktion wird schon seit 1972 in der weltweit zweiten und bis heute in Westeuropa einzigen Direktreduktionsanlage in Hamburg betrieben. Während hier noch mit einem Reduktionsgas gearbeitet wird, das hauptsächlich aus einem aus Erdgas gewonnenen Wasserstoff-Kohlenstoffmonoxid-Gemisch besteht, liegt eine aktuelle Kernherausforderung in der Bereitstellung des in der Größenordnung der von der Transformation betroffenen Rohstahlproduktionskapazitäten notwendigen, mit erneuerbarer elektrischer Energie hergestellten Wasserstoffs. Wird zusätzlich der Strom für das Einschmelzen im Elektrolichtbogenofen aus erneuerbaren Quellen gewonnen und werden schließlich als Brennstoff verwendete Kohle und als Brennstoff verwendetes Erdgas durch CO2-neutrale Bio-Brennstoffe ersetzt, sind sowohl für den Einsatz von mit Wasserstoff reduziertem und auf Pellets ohne CO2-Last basiertem Eisenschwamm als auch für den Einsatz von Schrott CO2-Emissionen von jeweils nur 60 kg CO2/t Rohstahl erreichbar, was eine Reduktion der Emissionen, ausgehend von der Konverter-Hochofen-Route um 97 % und ausgehend von der Schrott-Elektrolichtbogenofen-Route um 85 % bedeuten würde.
Der Betrieb von Elektrolichtbogenöfen macht die an den Standorten vorhandenen Konverter sowie die Infrastruktur für Behandlung und Transport des Roheisens überflüssig. Die fortwährende Nutzung dieser bestehenden Anlagenstruktur dient daher unter anderem als Motivation für die Entwicklung einer zweiten Transformationsstrategie, die einen sogenannten Einschmelzer (SAF – Submerged Arc Furnace) als der Direktreduktionsanlage nachgelagerten Prozess vorsieht, in dem wiederum Roheisen erschmolzen wird, das anschließend im Konverter zu Rohstahl veredelt wird.
Die Transformation der Stahlindustrie beeinflusst einen weiteren CO2-intensiven Industriesektor, nämlich die Zementindustrie die verantwortlich ist für rund 4 % der CO2-Emissionen in der EU. Etwa zwei Drittel dieser Emissionen entfallen als Prozessemissionen auf die Entsäuerung des Rohstoffs Kalkstein (CaCO3), also auf die Abspaltung von CO2 unter Entstehung des für die Herstellung von Zementklinker notwendigen Branntkalks (CaO) als Zwischenstufe bei der Bildung der hydraulischen Phasen Tri- und Dicalciumsilikat. Als eines der fünf Themenfelder (5C-Ansatz: Clinker, Cement, Concrete, Construction, Carbonation), welche die europäische Zementindustrie entlang ihrer Wertschöpfungskette zum Erreichen der gesetzlichen Vorgaben der europäischen Union erarbeitet hat, umfasst das Feld "Cement" zum größten Teil die Reduzierung des Klinker-Zement-Faktors. Im Jahr 2017 betrug er 77 %, das heißt, dass 23 % des Klinkers durch alternative Materialien ersetzt wurden. Bis zum Jahr 2030 wird ein Faktor von 74 % und bis zum Jahr 2050 von 65 % angestrebt. Den größten Anteil an den Klinkersubstituten hat mit 33 % der Hüttensand aus der Stahlindustrie. Bei der Roheisenproduktion im Hochofen entsteht als Nebenprodukt Hochofenschlacke, die unter Zugabe von Schlackebildnern die Gangart des Möllers und mineralische Koksbestandteile abbindet, sowie weitere unerwünschte Begleitelemente wie Schwefel und Alkalien aufnimmt. Allein in Deutschland wurden im Jahr 2021 6,90 Mio. t – das entspricht 90 % der gesamten produzierten Hochofenschlacke – zu glasig erstarrtem Hüttensand granuliert. Dieser Hüttensand besitzt latent hydraulische Eigenschaften und wird daher seit mehr als 140 Jahren als Zementbestandteil eingesetzt, wodurch in Deutschland jährlich rund 4,5 Mio. t CO2-Emissionen eingespart werden. Alle Transformationsstrategien der Stahlindustrie beinhalten die notwendige Außerbetriebnahme der CO2-intensiven Hochöfen. Dies hat unter anderem zur Folge, dass die Hochofenschlacke als Nebenprodukt der Rohstahlerzeugung im Hochofen nicht mehr zur Verfügung stehen wird, wodurch die weitere Reduzierung des Klinker-Zement-Faktors erhebliche Zusatzmengen alternativer Materialien benötigen wird. Derzeit ist noch unklar, ob z.B. calcinierte Tone im benötigten Umfang erzeugt werden können.
Der Fachbereich Thermochemische Reststoffbehandlung und Wertstoffrückgewinnung der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) und das Institut für Baustoffforschung FEhS forschen zusammen mit Industriepartnern und weiteren Forschungseinrichtungen im Rahmen zweier Projekte in den Kooperationssphären der Stahl- und Zementindustrie, die zur Bewältigung dieser Herausforderungen beitragen. Im Projekt SlagCEM wird die Produktion eines hydraulischen Zementbestandteils durch Reduktion von Konverter- bzw. Linz-Donawitz-Schlacke (LDS) untersucht. Die mit den zusätzlich aufgenommen Lichtbogenofenkapazitäten steigenden Mengen an Elektrolichtbogenofenschlacke (EOS, engl. electric arc furnace slag, EAFS) werden im Projekt DRI-EOS behandelt, welches die Produktion eines latent hydraulischen Hüttensandsubstituts zum Ziel hat.
Carbonfaser verstärkte Kunststoffe (CFK) sind aus dem Leichtbau nicht mehr wegzudenken. Da die Produktion der Fasern viel Energie benötigt ist deren Recycling anzustreben. Durch Bearbeitung und Handling während des Recyclings verkürzen sich die Carbonfasern (CF) analog zur Papierfaser. Zu kurze Fasern können nicht mehr in eine Flächenstruktur eingebracht werden und müssen daher aus dem Kreislauf ausgeschleust und einer Verwertung zugeführt werden. Untersuchungen des Lehr- und Forschungsgebiets Technologie der Energierohstoffe (TEER) der RWTH Aachen University haben gezeigt, dass die Bedingungen für eine energetische Nutzung von CF-Abfällen in Abfallverbrennungsanlagen nicht geeignet sind. Zudem können CF Betriebsprobleme verursachen. Des Weiteren können bei einer unzureichenden thermischen Behandlung sogenannte WHO-Fasern entstehen, die als gesundheitsschädlich einzustufen sind. Eine Alternative können Hochtemperaturverfahren mit höheren Verweilzeiten sein. Es kommt die Herstellung von Calciumcarbid in Frage, bei der CF als Kohlenstoffträger und der Kunststoff als Energieträger genutzt werden. Eine weitere Verwertungsoption stellt die Stahlproduktionsroute dar. Erste Untersuchungen der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) und TEER am kleintechnischen Lichtbogen der BAM zeigen, dass CF-Abfälle potentiell als Reduktionsmittel und Energieträger eingesetzt werden können.
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.
Im Verbundprojekt R-Rhenania wird eine industrielle Demonstrationsanlage am Standort der Monoverbrennungsanlage Altenstadt der Firma Emter errichtet und im Jahr 2024 den Betrieb aufnehmen. Die vorhandene Rostfeuerung-Monoverbrennung wird so umgebaut, dass ein neues thermochemisches Verfahren integriert werden kann, welches hochwirksame und schadstoffarme Dünger produziert (bis zu 17.000 t/a). Die thermochemischen Produkte werden in Gefäß- und Feldversuchen im ökologischen Landbau auf ihre Düngewirkung getestet. Die Umweltverträglichkeit der Demonstrationsanlage wird untersucht, wie auch die Übertragbarkeit des Verfahrens auf weitere Regionen.
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.
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.
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.