4 Material und Umwelt
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Organisationseinheit der BAM
- 4 Material und Umwelt (854)
- 4.1 Biologische Materialschädigung und Referenzorganismen (192)
- 4.3 Schadstofftransfer und Umwelttechnologien (191)
- 4.4 Thermochemische Reststoffbehandlung und Wertstoffrückgewinnung (145)
- 4.5 Kunst- und Kulturgutanalyse (143)
- 4.2 Material-Mikrobiom Wechselwirkungen (137)
- 4.0 Abteilungsleitung und andere (76)
- 6 Materialchemie (63)
- 1 Analytische Chemie; Referenzmaterialien (45)
- 6.2 Material- und Oberflächentechnologien (26)
Black microcolonial fungi (MCF) are persistent inhabitants of rock surfaces in hostile desert environments. In these niches, MCF have evolved mineral-weathering and symbiotic capabilities as well as mechanisms to cope with multiple stresses such as solar irradiation, temperature extremes and low water activity. Due to their stress tolerance these ascomycetes are prominent in modern terrestrial ecosystems – like man-made material surfaces from roof to solar panels. MCF interactive capabilities support their facultative symbiotic relationships with cyanobacteria and ensure their rock-weathering geochemical activity.
Using the rock-inhabiting fungus K. petricola A95 (Chaetothyriales), we developed transformation protocols and deleted genes responsible for production of the protective pigments melanins and carotenoids. To confirm that the mutant phenotypes were not due to hidden mutations, melanin synthesis was restored by complementing the mutants with the respective wild type genes. Strains of K. petricola carrying gene variants for fluorescent proteins EGFP and DsRed are available. We successfully labelled the cytoplasm, nuclei, peroxisomes and mitochondria. Targeted and ectopic integrations result in stable transformants suitable for further phenotypical characterization. As K. petricola is a non-pathogenic fungus with all characteristic features of MCF, including meristematic growth, melanized cell-walls, extracellular polymeric substances and extensive pigment production, our results will shed light on protective role of pigments during cell wall maturation and oxidative stress defence in rock-inhabiting MCF. Genes involved in environmental sensing or substrate and phototroph interactions are currently targeted. With the help of a mutant collection and fluorescently labelled K. petricola we will be able to investigate interactions of MCF with environmental stressors, mineral substrates, soil matrices and phototrophic symbionts.
Plants and microorganisms, besides the climate, drive nitrogen (N) cycling in ecosystems. Our objective was to investigate N losses and N acquisition strategies along a unique ecosystem-sequence (ecosequence) ranging from arid shrubland through Mediterranean woodland to temperate rainforest. These ecosystems differ in mean annual precipitation, mean annual temperate, and vegetation cover, but developed on similar granitoid soil parent material, were addressed using a combination of molecular biology and soil biogeochemical tools. Soil N and carbon (C) contents, δ15N signatures, activities of N acquiring extracellular enzymes as well as the abundance of soil bacteria and fungi, and diazotrophs in bulk topsoil and rhizosphere were determined. Relative fungal abundance in the rhizosphere was higher under woodland and forest than under shrubland. This indicates toward plants' higher C investment into fungi in the Mediterranean and temperate rainforest sites than in the arid site. Fungi are likely to decompose lignified forest litter for efficient recycling of litter-derived N and further nutrients. Rhizosphere—a hotspot for the N fixation—was enriched in diazotrophs (factor 8 to 16 in comparison to bulk topsoil) emphasizing the general importance of root/microbe association in N cycle. These results show that the temperate rainforest is an N acquiring ecosystem, whereas N in the arid shrubland is strongly recycled. Simultaneously, the strongest 15N enrichment with decreasing N content with depth was detected in the Mediterranean woodland, indicating that N mineralization and loss is highest (and likely the fastest) in the woodland across the continental transect. Higher relative aminopeptidase activities in the woodland than in the forest enabled a fast N mineralization. Relative aminopeptidase activities were highest in the arid shrubland. The highest absolute chitinase activities were observed in the forest. This likely demonstrates that (a) plants and microorganisms in the arid shrubland invest largely into mobilization and reutilization of organically bound N by exoenzymes, and (b) that the ecosystem N nutrition shifts from a peptide-based N in the arid shrubland to a peptide- and chitin-based N nutrition in the temperate rainforest, where the high N demand is complemented by intensive N fixation in the rhizosphere.
The main obstacle to bottom ash (BA) being used as a recycling aggregate is the content of salts and potential toxic elements (PTEs), concentrated in a layer that coats BA particles. This work presents a dry treatment for the removal of salts and PTEs from BA particles. Two pilotscale abrasion units (with/without the removal of the fine particles) were fed with different BA samples. The performance of the abrasion tests was assessed through the analyses of particle size and moisture, and that of the column leaching tests at solid-to-liquid ratios between 0.3 and 4. The results were: the particle-size distribution of the treated materials was homogeneous (25 wt % had dimensions <6.3 mm) and their moisture halved, as well as the electrical conductivity of the leachates. A significant decrease was observed in the leachates of the treated BA for sulphates (44%),
chlorides (26%), and PTEs (53% Cr, 60% Cu and 8% Mo). The statistical analysis revealed good correlations between chloride and sulphate concentrations in the leachates with Ba, Cu, Mo, and Sr, illustrating the consistent behavior of the major and minor components of the layer surrounding BA particles. In conclusion, the tested process could be considered as promising for the improvement of BA valorization.
Monodisperse iron oxide nanoparticles as reference material candidate for particle size measurements
(2020)
In order to utilize and rationally design materials at the nanoscale the reliable characterization of their physico-chemical properties is highly important, especially with respect to the assessment of their environmental or biological impact. Furthermore, the European Commission’s REACH Regulations require the registration of nanomaterials traded in quantities of at least 1 ton. Powders or dispersions where 50% (number distribution) of the constituent particles have sizes ≤ 100 nm in at least one dimension are defined as nanomaterials. This creates a need for industrial manufacturers and research or analytical service facilities to reliably characterize potential nanomaterials. Currently, BAM is developing reference nanoparticles, which shall expand the scarce list of worldwide available nano reference materials certified for particle size distribution and will also target other key parameters like shape, structure, porosity or functional properties. In this respect, materials like iron oxide or titanium dioxide are considered as candidates to complement the already available silica, Au, Ag, and polystyrene reference nanoparticles.
The thermal decomposition of iron oleate precursors in high boiling organic solvents can provide large quantities of iron oxide nanoparticles that can be varied in size and shape.[1, 2] The presence of oleic acid or other hydrophobic ligands as capping agents ensures stable dispersion in nonpolar solvents. Such monodisperse, spherical particles were synthesized at BAM and pre-characterized by electron microscopy (TEM, SEM including the transmission mode STEM-in-SEM) and dynamic light scattering comparing cumulants analysis and frequency power spectrum.
1. REACH regulations and nanosafety concerns create a strong need for nano reference materials with diverse properties.
2. Iron oxide nanoparticles are under development as new candidate reference material at BAM.
3. Narrow particle size distribution confirmed by light scattering and electron microscopy.
Eine entscheidende Problematik nach Inkrafttreten der neuen
Klärschlammverordnung ist, wie Phosphor nicht nur rückgewonnen,
sondern in den Markt eingeschleust und letztlich auch
in den Kreislauf zurückgeführt werden kann. Die Wege hierzu
sind noch weitgehend ungeklärt. Die DWA-Arbeitsgruppe KEK-
1.1 hat aus diesem Grund einen Workshop durchgeführt, um
rechtliche Anforderungen an Rezyklate, Aspekte der Rezyklatqualität
und -beschaffenheit sowie den aktuellen Markt für Rezyklate
zu diskutieren. Auf Basis dieses Workshops wurde ein
Arbeitsbericht erstellt, der sich schwerpunktmäßig mit dem Einsatz
von Rezyklaten zu Düngezwecken beschäftigt. Hierzu liegen
bereits Erkenntnisse vor, und es sind bereits Praxisbeispiele in
der Umsetzung.
Verwertung von Klärschlamm
(2018)
Die natürlichen Nährstoffkreisläufe werden durch anthropogene Einflüsse, wie das Einbringen von Schadstoffen in nährstoffreiche Stoffströme, und die ungünstige lokale Verteilung der Nährstoffe (z.B. im Zuge der Intensivtierhaltung), erheblich gestört. Es sind lokale Unter- und Überversorgungen mit Nährstoffen zu beobachten. Gelangen die Nährstoffe in Gewässer, kommt es zum bekannten Phänomen der Eutrophierung. Hierbei ist der Nährstoff Phosphat meist der limitierende Faktor und es bestehen große Bestrebungen den anthropogenen Eintrag in Fließgewässer, Seen und Binnenmeere zu unterbinden. Der Schutz der Ostsee vor Nährstoffeinträgen ist beispielsweise ein sehr wichtiges Thema geworden und wird u.a. von der Baltic Sea Action Group verfolgt.
Weitere Auswirkungen des bestehenden Systems sind Entzüge aus dem Nährstoffkreislauf, wie etwa bei der Deponierung phosphor- aber gleichzeitig auch schadstoffhaltiger Klärschlammaschen oder bei der Mitverbrennung von Klärschlamm in Müllverbrennungsanlagen, Kraftwerken oder Zementwerken. Hier wird das Phosphat ebenfalls als Bestandteil von Aschen deponiert oder in Form von Baustoffen einer sinnvollen stofflichen Nutzung entzogen. Gegen diese Art des Verlusts von Phosphat aus dem Nährstoffkreislauf hat der Gesetzgeber mit der Novellierung der Klärschlammverordnung reagiert, die am 3. Oktober 2017 in Kraft getreten ist und u.a. Regelungen zur Rückgewinnung von Phosphat aus Klärschlamm und Klärschlammasche enthält.
Klärschlämme aus kommunalen Abwasserbehandlungsanlagen ab einer genehmigtenAusbaugröße von über 100.000 bzw. über 50.000 Einwohnerwerten (EW) dürfen nach einer Übergangsfrist ab dem 1. Januar 2029 bzw. 2032 nicht mehr in der Landwirtschaft oder im Landschaftsbau verwertet werden. Die Betreiber dieser Anlagen sind zur Rückgewinnung des im Schlamm enthaltenen Phosphors verpflichtet, wenn der Klärschlamm einen Phosphorgehalt von 20 g/kg Trockenrückstand (TR) oder mehr aufweist. Für Klärschlämme mit P-Gehalten > 40 g/kg TR reicht alternativ die Absenkung der P-Konzentration um 50 % aus. Die Rückgewinnung kann aus dem Schlamm oder aus der Verbrennungsasche des thermisch vorbehandelten Klärschlamms erfolgen.
Aus der Asche müssen mindestens 80 % des Phosphoranteils zurückgewonnen werden. Anstelle einer Phosphorrückgewinnung aus Klärschlämmen aus kleineren und mittelgroßen Abwasserbehandlungsanlagen (bis 50.000 EW) können diese Schlämme auch
weiterhin zu Düngezwecken auf Böden ausgebracht werden, sofern die Anforderungen und insbesondere die Grenzwerte der Klärschlammverordnung und des Düngerechts eingehalten werden.
In der Abwasserreinigung wird der Makronährstoff Phosphor je nach Typ und Größe der Abwasserreinigungsanlage durch verschiedene Verfahren der Phosphatelimination weitgehend in die feste Phase, den Klärschlamm, überführt. Dies geschieht durch die Zugabe von Fällmitteln auf der Basis von Eisen- oder Aluminiumsalzen, oder durch das Verfahren der vermehrten biologischen Phosphorelimination (Bio-P). Das Phosphat liegt nun abhängig vom eingesetzten Verfahren als Bestandteil der gewachsenen Biomasse, als gefälltes Salz, adsorbiert an Eisen(oxi)hydroxiden oder im Falle der Bio-P Klärschlämme auch intrazellulär in Form von Polyphosphaten vor. Weitergehende Informationen hierzu sind im Beitrag von Kratz et al. Pflanzenverfügbarkeit und agronomische Effizienz von klärschlamm-basierten Phosphor (P) – Recyclingdüngern in diesem Buch zu finden. Die Bindungsformen unterscheiden sich demnach nach Art der eingesetzten Technologie der Phosphatelimination erheblich und haben einen entscheidenden Einfluss auf die verschiedenen Möglichkeiten der P-Extraktion und Rückgewinnung.
A new sewage sludge ordinance was set in force in Germany in 2017 that makes phosphorus recovery from sewage sludge mandatory. The technological possibilities for P-recovery from waste water, sewage sludge and sewage sludge ash were presented.
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.
Zukünftig werden vermehrt P-Recyclate auf den Düngemittelmarkt kommen. Diese müssen ausreichend charakterisiert werden, um Sicherheit und Wirksamkeit beurteilen zu können. Mit dem Vortrag wurde der wissenschaftliche Beirat für Düngungsfragen des Bundesministeriums für Ernährung und Landwirtschaft beraten.
Conventional fertilisers have their disadvantages as nutrient release is not synchronised with the demand of plants. Several approaches of "next generation fertilisers" are aiming at controlled nutrient release. Recycling fertilisers are often not soluble in water but fully plant available. They are suitable raw materials for the production of new types of controlled release fertilisers.
Carbonfasern sind äußerst stabil und werden auch in Anlagen zur Verbrennung von Sondermüll kaum zerstört. Beim Handling carbonfaserhaltiger Abfälle können Gesundheitsrisken auftreten (Abgabe von WHO-Fasern). Es werden Methoden der Verwertung carbonfaserhaltiger Reststoffe in der Pyrometallurgie diskutiert.
Das Element Phosphor ist für alle Lebewesen essenziell und wird beispielsweise von Pflanzen in Form von Phosphaten aufgenommen.
In der landwirtschaftlichen Produktion werden dem Boden die Phosphate durch Wachstum und Ernte der Pflanzen entzogen und müssen ihm in Form von Phosphatdüngemitteln wieder zugeführt werden, um die Nahrungsmittelproduktion zu sichern. Rohphosphat stellt die Grundlage unserer derzeitigen Phosphatdüngemittel dar, ist aber gleichzeitig ein endlicher Rohstoff.
Des Weiteren sind insbesondere sedimentäre Rohphosphate oftmals mit erheblichen Konzentrationen toxischer Schadstoffe wie Cadmium, Uran und Thorium belastet. Eine Kreislaufführung des Phosphats sollte erfolgen, um natürliche Rohstoffvorkommen zu schonen und den Eintrag von Schadstoffen auf unsere Böden zu unterbinden.
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.
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.
In Bayern wird Klärschlamm aus der kommunalen Abwasserreinigung weitgehend verbrannt. Monoverbrennungsanlagen - ausschließlich für kommunalen Klärschlamm - gibt es in Altenstadt, München, Gendorf, Straubing, Neu-Ulm und zukünftig auch in Augsburg. Die Anlage in Altenstadt verbrennt jährlich ca. 55.000 t Klärschlamm-Trockensubstanz und produziert dabei rund 15.000 t phosphatreiche Aschen.
Die Asche aus Altenstadt wird zurzeit überwiegend direkt landwirtschaftlich genutzt. Aufgrund der niedrigen Schadstoffgehalte ist diese Nutzung nach den düngemittelrechtlichen Regelungen gesetzlich zulässig. Um der Intention der neuen Düngeverordnung (26. Mai 2017) nach hocheffizienten, d.h. gut pflanzenverfügbaren Düngemitteln zu entsprechen, ist eine Aufbereitung der Klärschlammasche geplant. Im Rahmen des R-Rhenania Projektes errichten der Betreiber der Klärschlammverbrennungsanlage Altenstadt in Bayern Emter GmbH - und der Düngemittelhersteller sePura GmbH gemeinsam eine AshDec®-Demonstrationsanlage, die im Jahr 2023 den Betrieb aufnehmen soll. Das angewandte AshDec®-Verfahren schließt die Phosphate in der Klärschlammasche thermisch im Drehrohrofen auf und macht diese für Pflanzen vollständig verfügbar. Gleichzeitig werden Schadstoffe wie Arsen, Blei und Cadmium entfernt. Den thermischen Aufschluss kennt man bereits vom erfolgreichen, aber nicht mehr produzierten Düngemittel „Rhenania-Phosphat“, das auf der Basis von Rohphosphaten hergestellt wurde.
Die geplante Anlage wird neben den Aschen aus Altenstadt zusätzlich die Aschen aus weiteren bayerischen Verbrennungsanlagen verwerten und für eine Kapazität von 30.000 Jahrestonnen Asche ausgelegt sein. Der Projektpartner sePura plant den produzierten Dünger vollständig in Bayern zu verwerten. Dies verringert die Umweltbelastung durch lange Transportwege und fördert die Regionalität des Vorhabens.