4 Material und Umwelt
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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.
Die landwirtschaftliche Klärschlammverwertung ist in der Bundesrepublik Deutschland seit Jahren rückläufig. Neben den Risiken durch Schadstoffeinträge gibt es in Deutschland Regionen mit einem stark erhöhten Nährstoffüberschuss. Um die Grundwasserbelastung zu verhindern wurde u.a. das Düngerecht verschärft, was die Flächenkonkurrenz zwischen Klärschlamm und Wirtschaftsdünger vergrößern wird.
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. In diesem Beitrag werden erste Ergebnisse des Projekts extraWERT vorgestellt.
Die P-Rückgewinnung aus Teilströmen mit erhöhten P-Gehalten kann direkt in den Kläranlagenbetrieb integriert werden und führt dort in vielen Fällen zu betrieblichen und ökonomischen Vorteilen. Sie ist in der Regel auf Bio-P-Kläranlagen beschränkt, da hier die anaerobe P-Rücklösung initiiert und genutzt werden kann. Durch die reine P-Rücklösung durch Schaffung anaerober Bedingungen ist allerdings das Potential der Rückgewinnung auf 5 bis 15 Prozent der Zulauffracht limitiert.
Die meisten Kläranlagen in Deutschland werden mit einer chemischen Phosphor-Fällung betrieben. Diese Anlagen können aus dem Klärschlamm Phosphat in ausreichend hoher Konzentration nur zurückgewinnen, indem zusätzlich anorganische Säuren wie Schwefelsäure zugeführt werden oder ein Aufschluss mit flüssigem Kohlendioxid stattfindet. Es wird angenommen, dass sich mit diesen Verfahren mehr als 50 Prozent der Zulauffracht einer Kläranlage zurückgewinnen lassen. Der Aufschluss von Klärschlamm mit Schwefelsäure geht aber mit vergleichsweise hohen Umweltwirkungen sowie mit höheren Kosten im Vergleich zu anderen Phosphor-Rückgewinnungsverfahren einher. Ein sehr hohes Potential der Rückgewinnung von Phosphor (P) ist bei allen Verfahren gegeben, die als Rohstoff die Asche aus der Monoverbrennung verwerten. Der Aufschluss mit anorganischen Säuren ermöglicht die sichere Phosphor-Rückgewinnung von mehr als 80% Prozent des Kläranlagenzulaufs. Die Verfahren sind zum Teil großtechnisch umgesetzt oder es befinden sich großtechnische Anlagen im Bau. Auch thermochemische Verfahren wurden entwickelt und deren Einsatzbereitschaft im großtechnischen Maßstab erfolgreich demonstriert. In dem nachfolgenden Beitrag werden unterschiedliche praxiserprobte Verfahren zur Phosphor-Rückgewinnung unter technischen und wirtschaftlichen Aspekten vorgestellt.
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.
Phosphorus (P) fertilizers from secondary resources became increasingly important in the last years. However, these novel P-fertilizer can also contain toxic pollutants e.g. chromium (Cr) in the hexavalent state (Cr(VI)), which is regulated with low limit values in agricultural products (German fertilizer ordinance limit: 2 mg/kg Cr(VI)). The determination of Cr(VI) in these novel fertilizer matrices can be hampered by redox processes that lead to false results with the standard wet chemical extraction method (German norm DIN EN 15192). Therefore, we analyzed Cr(VI) in various P-fertilizers with the DGT technique. DGT devices equipped with a APA (polyacrylamide) diffusion layer and Cr(VI) selective N-methyl-D-glucamine (NMDG) binding layer were used for the study. After a 24 h conditioning period of the fertilizer at 60% of the water holding capacity (WHC), the fertilizers were brought to 100% WHC, transferred onto the DGT devices and deployed for 24 h at 25°C. The extraction of Cr from the DGT binding layer was carried out with 1 M HNO3 for 24 h. The Cr-concentrations of the extract were determined by means of ICP-MS. We found a good correlation between the standard wet chemical extraction and the DGT method for the whole range of P-fertilizers. However, partly soluble Cr(VI) compounds cannot be detected in full extent by the DGT method that is best suited for mobile Cr(VI). Furthermore, Cr K-edge XANES spectroscopy showed that the Cr(VI)-selective DGT binding layer also adsorbs mobile Cr(III) compounds from acid treatment of phosphates which can therefore cause an overestimation of Cr(VI). The DGT method was very sensitive and in most cases selective for the analysis of Cr(VI) in P-fertilizers made from recycled materials. However, the results of certain types of P-fertilizers containing mobile Cr(III) or partly immobile Cr(VI) show that still some optimization of the method is required to avoid over- or underestimation of Cr(VI).
P recycling fertilizers are gaining increasing importance in our efforts to close nutrient cycles. An unsatisfactory performance of standard chemical extraction methods to assess the fertilizing effects of such products was reported. They demonstrated that DGT extractions of incubated soil/fertilizer mixtures were able to predict the fertilizing effects of the respective products more accurately. Since DGT works with soil/fertilizer mixtures, its interpretation is soil-dependent. Therefore, in order to facilitate its use as a tool to predict fertilizer performance, it needs to be standardized based on a standard substrate. This research aims to develop a standard substrate based on which evaluation categories for the DGT fertilizer extraction can be derived. The substrate composition should allow to vary the most important soil properties determining the plant availability of fertilizer P. It must also be reproducible at any time and any place. Substrate variants with varying proportions of quartz sand, a clay mineral and sphagnum peat were prepared and set to pH-levels 5.5 and 7 by addition of CaCO3. 7 variants were incubated with a set of test fertilizers (2 recycling fertilizers based on sewage sludge ash and 2 conventional mineral fertilizers) for 2 weeks. Substrate/fertilizer mixtures were then extracted with DGT and an ANOVA was performed to test if the DGT extraction was able to depict significant differences between fertilizers and substrate variants. An 8-week pot trial with ryegrass (3 cuts) was set up with the same substrate variants and test fertilizers. P uptake was determined to assess the fertilizing effect and correlated with the results of the DGT extractions. Statistically significant differences were found between DGT results for the various test fertilizers and substrate variants, indicating that DGT is able to differentiate between P solubility of fertilizers in relation to substrate quality. DGT results showed a strong relationship with P uptake, confirming that this method is suitable to predict the fertilizing effect of P fertilizers. Further optimization of substrate composition and tests with a wider variety of crops and fertilizer types are needed, before evaluation categories for DGT values can be derived.
Brazilian farming industry consumed around 2.2 million tons of phosphorus (P) fertilizers in 2016. The agricultural industry depends on imported P fertilizers and over 98% of P fertilizers were used for sugarcane, soybean and maize production.
An alternative is to use P from sugarcane bagasse. Bagasse is the fibrous plant material remaining after extraction of sugarcane juice, and it is combusted for energy production. Remaining ash con-tains up to 0.6 wt% P. The use of bagasse ash (BA) as P fertilizer could decrease the annual import of P fertilizers by 6% of the imported P fertilizer based on 2016 values. Since the bioavailability of P from BA to plants is poorly investigated, this study addresses the effects of (i) gasification tempera-ture (710-849°C), (ii) processing method (gasification vs. combustion), (iii) biomass modifications by co-processing bagasse with chicken manure (BA+CM), and (iv) the soil (Brazilian Oxisol soil vs. nutri-ent poor substrate) on the bioavailability of P from BA to soybeans (Glycine max).
Gasification of BA at 806 °C resulted in significantly highest uptake of P by soybeans and was around 0.33 mmol after 51 days growing. The bioavailability of P significantly increased due to co-gasification of bagasse and chicken manure (BA+CM) and the soybeans took up around 16% more P. Compared to the nutrient-poor substrate, the bioavailability of P in BA+CM ash treated Oxisol soil was signifi-cantly lower by 46% and there was no significant effect of processing method on the bioavailability of P from the BA+CM ash to soybeans. Contrary to the Oxisol soil, the bioavailability of P from co-combusted BA+CM ash was significantly higher compared to co-gasified BA+CM ash. In conclusion, co-processing of bagasse with nutrient rich residues can increase the value of BA as P fertilizer. The bioavailability of P from ash to plants depends on the P forms. Mineralogical analyses of ash P forms by NMR and X-ray diffraction are in progress and will be presented at the conference.
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.
Specific co-fertilization of nutrients can enhance their plant-availability and thus the yield of plants. To investigate this effect, we performed a pot experiment with three different P-fertilizers and ammonium nitrate sulfate as a co-fertilizer, without and with a nitrification inhibitor (NI), and analyzed the form of nitrogen (N) in the soil via novel X-ray spectroscopic method. The application of NI with the N fertilizer led to a higher dry matter yield of maize. Novel N K-edge micro-X-ray absorption near-edge structure (micro-XANES) spectroscopy identified that the application of a NI promotes the temporary formation of a non-exchangeable N in detectable hot-spots in the soil. The subsequent slow release and prolonged availability of N during plant growth leads to higher yield. It can be concluded that NIs lead to a temporary fixation of ammonium-N in a pool that can be accessed by plant roots. Those types of available nutrient pools meet the idea of so-called “next generation fertilizers” as plants have access to nutrients according to their current demand.
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 a lower plant-availability compared to commercial P-fertilizers but are expected to play an increasingly important role into the future (Kratz et al. 2019). One promising way to increase the plant-availability of the fertilizer P is a co-fertilization with specific nitrogen (N) forms which can enhance the P uptake and make P-fertilizers from recycled material more competitive to commercial phosphate rock-based P-fertilizers (Rahmatullah et al. 2006; Vogel et al. 2018). To investigate this effect, we performed a pot experiment with three different P-fertilizers (sewage sludge-based, phosphate rock and triple superphosphate) and ammonium nitrate sulfate as a co-fertilizer, without and with a nitrification inhibitor (NI), and analyzed the form of N and P in soil via a suite of chemical and novel X-ray spectroscopic methods. The application of NI with the P and N fertilizers led to a higher dry matter yield and a higher P uptake of maize. Novel N K-edge micro-X-ray absorption near-edge structure (micro-XANES) spectroscopy identified that the application of a NI promotes the temporary formation of a non-exchangeable N in detectable hot-spots in the soil. The subsequent slow release and prolonged availability of N during plant growth leads to higher yield and nutrient uptake. It can be concluded that NIs lead to a temporary fixation of ammonium-N in a pool that can be accessed by plant roots. Those types of available nutrient pools meet the idea of so-called “next generation fertilizers” as plants have access to nutrients according to their current demand.