4 Material und Umwelt
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Der Vortrag liefert eine Zusammenfassung der wichtigsten Ergebnisse des extraWERT-Vorhabens mit Schwerpunkt auf den Umsetzungsfragen zur Klärschlammverordnung. Bei diesen Punkten handelt es sich um die Untersuchung von monatlichen Phosphorschwankungen in kommunalem Klärschlamm und die Gleichwertigkeit verschiedener Verfahren zur Phosphorbestimmung in Klärschlamm.
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 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.
Thermochemische Behandlung von Klärschlammaschen - Phosphorrückgewinnung mit dem AshDec Prozess
(2021)
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.
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.
Gleichwertigkeit der nach AbfKlärV zulässigen Verfahren zur Phosphorbestimmung in Klärschlamm
(2021)
In dem Meeting wurde den Notifizierern und Ausrichtern des jährlichen länderübergreifenden Ringversuchs Klärschlamm die Ergebnisse zu Untersuchungen hinsichtlich der Gleichwertigkeit verschiedener nach AbfKlärV zulässiger Verfahren zur Phosphorbestimmung in Klärschlamm vorgestellt. Die Untersuchungen an 15 Klärschlammproben ergaben die höchsten Ergebnisse für das Messverfahren ICP-OES und das Aufschlussverfahren in der Mikrowelle. Diese Ergebnisse wurden im Ringversuch bestätigt.
Die Ergebnisse des extraWERT-Vorhabens wurden Vertreter*innen des Umweltministeriums von Bund und Ländern vorgestellt und im Zusammenhang mit dem Vollzug der AbfKlärV diskutiert. Es ging um die Phosphorschwankungen in kommunalem Klärschlamm und eine Empfehlung der Untersuchungshäufigkeit, um den Phosphorgehalt rechtssicher festzustellen. Des weiteren wurde die Performance verschiedener nach Verordnung gleichwertiger Analyseverfahren für Phosphor in Klärschlamm diskutiert anhand von Ringversuchsergebnissen und Eigenuntersuchungen an 15 Klärschlammproben.
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 agriculturallyused 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 nut rient loads can substitute only 1 % or less ofthe commercial fertilizer demand except from phosphorus which is about 45 % ofthe demand.
Gypsum is widely used in the construction sector, and its worldwide consumption has been increasing now for several decades. Currently, the gypsum demand is met up to 60% by FGD gypsum (a by-product from coal-fired power plants) in Germany. The natural gypsum deposits cover the remaining gypsum demand. Due to national climate protection goals and the related shutdown of coal-fired power plants, the FGD gypsum supply will decrease significantly in the coming years and, therefore, other gypsum sources must be found.
Depending on the lifetime of the used gypsum products in the construction sector, an increase of gypsum in construction and demolition waste is to be expected. With regard to an upcoming shortage of gypsum, several approaches are being tested to recover gypsum from construction and demolition waste. Gypsum plasterboard recycling is already implemented on an industrial scale. Furthermore, new processes to recycle different types of gypsum products from construction and demolition waste are being examined. Of particular interest are different types of gypsum boards because they are well suited for selective dismantling. Therefore, they can be recovered comparatively free of impurities which is most important for the gypsum recycling.
In the research project “GipsRec 2.0”, funded by the Federal Ministry of Education and Research, recycling methods for gypsum fiberboards are being investigated. Additionally, the suitability of different types of synthetic gypsum as substitutes for FGD gypsum is being considered. Currently, the quantities of recycled gypsum are not sufficient with regard to the reduction of FGD gypsum. An increase of gypsum recycling should be achieved to narrow the future gypsum gap that will occur in the near future.
CF Pyro: Stofflich-energetische Verwertung von carbonfaserhaltigen Abfällen in der Pyrometallurgie
(2021)
Despite its contribution to tackling climate change by lightweight design, growing CFRP production also results in a global waste generation of 62 kt/a. Accordingly, the energy-intensive production process of carbon fibers (CF) necessitates sustainable recycling solutions.
Herein we will give an overview of current recycling processes, discuss their limitations and present a novel approach for safe treatment of CF unsuitable for material recovery . Our project CF Pyro examines feedstock recycling in pyrometallurgical processes, focusing on reactivity of CF, process stability and prevention of hazardous WHO fiber release. Besides fundamental experimental breakthroughs, their broader impact on circular economy will be presented.
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 %.
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.
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.
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.
Gegenstand dieser Arbeit ist die Untersuchung eines bestehenden pyrometallurgischen Prozesses zur Rückgewinnung von Tantal und Niob aus metallurgischen Reststoffen mit vorwiegend niedriger Wertstoffkonzentration.
Zur näheren Erforschung der im vorliegenden Stoffsystem ablaufenden Reduktionsprozesse wurden in einem Elektrolichtbogenofen Schmelzversuche im Pilotmaßstab durchgeführt. Als Reduktionsmittel diente Koks, welcher mithilfe einer Argon-gespülten Eisenlanze in die flüssige mineralische Schmelze eingebracht wurde. Während der Reduktionsbehandlung werden Refraktärmetalle wie Tantal und Niob in ihre Carbide überführt und anschließend in der erschmolzenen eisenbasierten Metallphase am Boden des Reaktors angereichert. Neben Tantal und Niob gelangt auch ein Teil des im Einsatzmaterial enthaltenen Titans als unerwünschtes Begleitelement in die Metallphase.
Sein Großteil verbleibt jedoch als Oxid in der Schlacke und wird dort hauptsächlich im Mineral Perowskit (CaTiO3) gebunden. Die erstarrten Schlackeproben wurden mit verschiedenen Methoden wie Röntgenfluoreszensanalyse, Röntgenbeugung und Rasterelektronenmikroskopie mit gekoppelter energiedispersiver Röntgenanalyse untersucht, um die Bildung tantalhaltiger Mineralphasen zu verschiedenen Stadien des Reduktionsprozesses zu verfolgen.
Die hier gewonnenen Erkenntnisse zeigen, dass weniger die durch das Einblasen von Koks verursachte Reduktionsreaktion, sondern das Absinken der tantalreichen Eisentröpfchen in der flüssigen mineralischen Schmelze, gefolgt von ihrer Anreicherung in die Metallphase, für die Kinetik ausschlaggebend ist.
Weltweit werden etwa 80–85 % aller abgebauten Rohphosphate für die Produktion von Düngemitteln verwendet. Bei noch steigendem Bedarf an Phosphor (P) geht man derzeit davon aus, dass die weltweiten P-Reserven noch über 200 Jahre ausreichen. Um den P-Vorrat langfristig abzusichern, sollte der in Reststoffen enthaltene Phosphor möglichst umfänglich genutzt werden. Dieser Forderung trägt das von der Bundesregierung 2012 erstmals beschlossene Deutsche Ressourceneffizienzprogramm ProgRess Rechnung. Rohphosphat wird auch seitens der Europäischen Kommission aufgrundseiner ökonomischen Bedeutung und des unsicheren Angebots als „kritischer Rohstoff“ eingestuft. Vor diesem Hintergrund hat die Bundesregierung in der Verordnung zur Neuordnung der Klärschlammverwertung vom 27. September 2017 in Deutschland eine verpflichtende technische Rückgewinnung von Phosphor für Abwasserbehandlungsanlagen ab einer Ausbaugröße von 100.000 Einwohnerwerten (12 Jahre nach Inkrafttreten der Verordnung) bzw. ab einer Ausbaugröße von über 50.000 Einwohnerwerten (15 Jahre nach Inkrafttreten der Verordnung) vorgeschrieben. Die Verordnung enthält keine Vorgaben hinsichtlich der anzuwendenden Technologie bei der Phosphorrückgewinnung. Ausgenommen von der Rückgewinnungspflicht sind Klärschlämme mit niedrigen Phosphorgehalten (weniger als 20 Gramm Phosphor je Kilogramm Klärschlamm-Trockenmasse). Auch die im Jahre 2017 verabschiedeten neuen Rechtsvorschriften für die Düngung verlangen zukünftig einen nachhaltigen und ressourceneffizienten Umgang mit Nährstoffen bei der landwirtschaftlichen Erzeugung und schränken die P-Zufuhr insbesondere auf hoch versorgten Böden ein (Düngeverordnung vom 26. Mai 2017). Dies wird zu einem mehr am Pflanzenbedarf orientierten und ggf. vermehrt überbetrieblichen Einsatz von wirtschaftseigenen Düngern führen. Um den politischen und gesetzlichen Anforderungen gerecht zu werden, müssen einerseits wirksame und kosteneffiziente technische Verfahren zum P-Recycling (weiter)entwickelt werden. Andererseits müssen die Recyclingprodukte die Anforderungen für eine direkte Verwendung in der Landwirtschaft oder als Rohstoff für die Herstellung von Düngemitteln erfüllen. In dem vorliegenden Standpunkt wird zunächst der potenzielle Beitrag von Reststoffen zur Deckung des P-Bedarfs in der deutschen Pflanzenproduktion geschätzt. Für die wichtigsten Reststoffe werden technische Verfahren zur P-Rückgewinnung bzw. Aufarbeitung skizziert. Auf Basis der Anforderungen der Landwirtschaft bzw. der Düngemittelindustrie
an die P-Recyclingprodukte werden deren Herstellungsverfahren bewertet. Schließlich wird der Regelungs- und Forschungsbedarf formuliert.
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.