4 Material und Umwelt
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Organisationseinheit der BAM
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Vor nun 30 Jahren, im Jahre 1989, wurde die erste Zulassung für eine Kunststoffdichtungsbahn (KDB) von der BAM auf der Grundlage des Niedersächsischen Dichtungserlasses“ erteilt. Vor ungefähr 10 Jahren wurde die BAM mit dem Erscheinen der Deponieverordnung (DepV) mit der Zulassung von Geokunststoffen, Polymeren und Dichtungskontrollsystemen beauftragt. Wir möchten dies zum Anlass nehmen, an dieser Stelle den viele ehrenamtlichen Experten des Fachbeirats und seiner Arbeitsgruppen für ihren Einsatz und die Unterstützung zu danken.
Darüber hinaus soll über aktuelle Arbeitsthemen und Entwicklungen im Fachbeirat berichtet werden. So wurde in einer Sondersitzung des Fachbeirats über die Entlassung aus der Nachsorgephase beim Einsatz von Geokunststoffprodukten in Böschungen diskutiert. Die Unterarbeitsgruppe Fremdüberwachung in der Produktion hat getagt. Darüber hinaus werden Änderungen in den Zulassungsrichtlinien für Kunststoffdichtungsbahnen, Kunststoff-Dränelemente und Geogitter kurz vorgestellt.
Vor nun 30 Jahren, im Jahre 1989, wurde die erste Zulassung für eine Kunststoffdichtungsbahn (KDB) von der BAM auf der Grundlage des „Niedersächsischen Dichtungserlasses“ erteilt. Vor ungefähr 10 Jahren wurde die BAM mit dem Erscheinen der Deponieverordnung (DepV) mit der Zulassung von Geokunststoffen, Polymeren und Dichtungskontrollsystemen beauftragt. Wir möchten dies zum Anlass nehmen, an dieser Stelle den viele ehrenamtlichen Experten des Fachbeirats und seiner Arbeitsgruppen für ihren Einsatz und die Unterstützung zu danken.
Darüber hinaus soll über aktuelle Arbeitsthemen und Entwicklungen im Fachbeirat berichtet werden. So wurde in einer Sondersitzung des Fachbeirats über die Entlassung aus der Nachsorgephase beim Einsatz von Geokunststoffprodukten in Böschungen diskutiert. Die Unterarbeitsgruppe Fremdüberwachung in der Produktion hat getagt. Darüber hinaus werden Änderungen in den Zulassungsrichtlinien für Kunststoffdichtungsbahnen, Kunststoff-Dränelemente und Geogitter kurz vorgestellt.
Dem Fachbeirat Bodenuntersuchungen des BMBF/UBA wurden Ergebnisse aus BISp-Forschungsvorhaben zur Untersuchung der Stofffreisetzung aus Sportböden auf Kunststoffbasis sowie zur Modellierung des Schadstofftransfers auf dem Pfad Boden-Grundwasser vorgestellt. Dabei wurde auch auf die derzeitigen gesetzlichen Regelungen auf EU Ebene und die vorhandenen Anforderungen in der Normung eingegangen. Der verbliebene Forschungsbedarf wurde aufgezeigt und dabei auch die Problematik der Bildung von Mikroplastik im Zusammenhang mit Sportböden thematisiert.
Paragraphs 6 to 8 of the proposed amendment to the German Federal Soil Protection and Contaminated Sites Ordinance contain new requirements regarding the application of soil-like material outside of a rootable soil layer. For example, it is intended to enable reusing of soil-like materials containing regulated substances in concentrations between the single and double precautionary values (PV), provided that the limit values for the eluate are complied with. The aim of a running project (funding code UFOPLAN 3716 74 203 0, German Federal Environmental Agency) is to fill data deficits for soil-like materials which meet the above-mentioned criteria to promote circular economy and conservation of natural resources. Different soil-like materials of various origin (for example dredged material, banquet peeling material, urban and meadow soils) are considered with a special focus on PAHs. A major challenge in sample acquisition is the relatively narrow target range of the PAH content between 3 and 6 mg/kg dm considering a high measurement uncertainty at this concentration level.
The contents of PAHs, heavy metals and other inorganic elements in solid matter are determined following established standards. In addition, the soil-like materials are characterized concerning particle size, pH, conductivity, SOM, TOC and carbonate content. To determine the eluate concentration, column tests according to DIN 19528 and batch tests according to DIN 19529 at a liquid/solid ratio (L/S) of 2 l/kg and 10 l/kg are performed comparatively.
The results show that the new requirements of the planned amendment to the Federal Soil Protection and Contaminated Sites Ordinance certainly opens additional possibilities for reuse of soil-like materials. Even most soil-like materials within 2-3 x PV comply with the eluate value for PAH (0.2 μg/l) both in the batch test and in the column test at L/S 2 l/kg. Selected inorganic substances lead to similar evaluations. Therefore, the application of such soil-like materials outside of rootable soil layers would be possible. Previously, those materials were often used for landfill construction. In the future, a utilization in the adjacent environment by backfilling, recultivation, renaturation, composting or landscaping would be conceivable.
Boden und Steine sind mit jährlich etwa 140 Mio t der mengenmäßig größte Abfallstrom in Deutschland. Bodenmaterial kann in Abhängigkeit seiner vorherigen Nutzung oder Herkunft mit Schadstoffen belastet sein. Seine weitere Verwertungsmöglichkeit hängt nicht nur vom Schadstoffgehalt im Feststoff, sondern auch von der Mobilisierbarkeit dieser Stoffe ab.
Die Paragraphen 6 bis 8 der vorgesehenen Novelle der BBodSchV enthalten neue Vorgaben hinsichtlich des Auf- und Einbringens von Bodenmaterial unterhalb oder außerhalb einer durchwurzelbaren Bodenschicht (4. Referentenentwurf Mantelverordnung, Stand: 06.02.2017). Es soll die Möglichkeit eingeräumt werden, Bodenmaterialien mit Feststoffgehalten von regulierten Stoffen bei Überschreitung des Vorsorgewertes einer weiteren Verwertung zuzuführen unter der Voraussetzung, dass die Eluatwerte eingehalten werden. Für die Auswirkung dieser neuen Regelungen auf die Verwertung von Bodenmaterialien bestehen bisher noch Datendefizite besonders für organische Stoffe.
Durch die Umstellung des Elutionsverfahrens von einem W/F von 10 l/kg (bisherige Regelung in der LAGA M 20) auf ein W/F von 2 l/kg bestehen zusätzliche Unsicherheiten im Hinblick auf die Einstufung von Bodenmaterialien zu Verwertungszwecken.
Im Rahmen eines UFOPLAN-Projektes (FKZ 3716 74 203 0) wurden unterschiedliche Bodenmaterialien verschiedenen Ursprungs (z.B. Baggergut, Bankettschälgut, Stadt- und Auenböden, Bergematerial) mit besonderem Fokus auf PAK untersucht. Von den unter die Kriterien fallenden, ausgewählten Bodenmaterialien wurden Feststoffgehalte, TOC-Gehalte sowie die Eluatwerte aus Säulenversuchen nach DIN 19528 und Schüttelversuchen nach DIN 19529 bei einem Wasser-/Feststoffverhältnis (W/F) von 2 l/kg und 10 l/kg ermittelt und gegenübergestellt.
Mit den neuen und auch mit Auswertung vorhandener Daten kann hinsichtlich PAK gezeigt werden, dass mit Verabschiedung der neuen Regelungen sich zusätzliche Verwertungsmöglichkeiten von Bodenmaterialien außerhalb der durchwurzelbaren Bodenschicht eröffnen und deren Deponierung vermieden werden kann. Analysen zu anorganischen Schadstoffen wurden parallel miterfasst und ausgewertet.
Verwertung von Bodenmaterialien - Ergebnisse aus dem UFOPLAN-Vorhaben und Transfer der Ergebnisse
(2019)
Dem Fachbeirat Bodenuntersuchungen des BMBF/UBA wurden Ergebnisse zum UFOPLAN-Forschungsvorhaben „Monitoring zur Verwertung von Bodenmaterial“ vorgestellt. Die potentielle Auswirkung der neuen Regularien in der geplanten Novelle der BBodSchV (4. Referentenentwurf der Mantelverordnung) auf die Erweiterung der Verwertungsmöglichkeiten von Bodenmaterialien wird aufgezeigt. Probleme des Umgangs mit der analytischen Messunsicherheit im Grenzwertbereich und mit der Vergleichbarkeit der zugelassenen Elutionsverfahren werden diskutiert.
Der Aufbau der Werkstoffe wird durch Merkmale wie Bindungsart, atomare Strukturen, Kristallstrukturen einschließlich ihrer Gitterbaufehler, Körner und Phasen bestimmt. Die Mikrostruktur (Gefüge) stellt den Verbund der Kristalle, Phasen und Gitterbaufehler auf mikroskopischer und nanoskopischer Skala dar. Die Grundlagen der Phasenumwandlungen werden behandelt und die Bedeutung von Diffusionsprozessen erläutert. Werkstoffe sind bedeutend für Kultur, Wirtschaft, Technik und Umwelt. Ihre Herstellung benötigt Ressourcen und Energie. Recycling ist eine Möglichkeit zur Erhöhung der Ressourcenproduktivität.
Since it was realized that sites contaminated with metals and radionuclides needed treatment, various remediation methods have been and are being developed. Depending on the size of the contaminated site and urgency of intervention, conventional or recently introduced techniques have been used. Conventional techniques include excavation and removal for treatment of soil and contaminants, or the so-called “pump-and-treat” method, in which contaminated groundwater is removed from the ground by pumping and treated in a treatment plant on the surface. It has the advantage of using proven techniques and is easy to control, and the treated groundwater can be reinjected into the ground or discharged in rivers or lakes. Novel methods include permeable reactive barriers, biomineralization, and electrokinetic remediation.
An approach to achieve 'zero leakage' is discussed with respect to experience in Germany, where strict regulations for landfill lining and capping Systems have been developed and issued because of large environmental Problems related to landfills that accumulated in the 1970s and 1980s. Using a thick, high-quality high-density Polyethylene (HDPE) geomembrane (GM) that is installed free of residual waves and wrinkles in intimate contact with a compacted clay liner or geosynthetic clay liner of very low permeability, by a qualified, experienced, well-equipped and properly third-party-controlled installer, and which is protected by heavy protection layers designed with respect to the long-term performance of the GM may result in a liner or capping system of practically no leakage. This is demonstrated by analysing results of measurements obtained from permanently installed leak-detection Systems in combination with HDPE GMs. The survey was based on 32 German landfills with 1.276.500 m² of installed GMs.
Aktuell werden in Deutschland in rund 100 thermischen Abfallbehandlungsanlagen (davon 66 Hausmüllverbrennungsanlagen) rund 20 Millionen Tonnen brennbare Abfälle verbrannt. Mit rund 5 Millionen Tonnen pro Jahr bildet die Rostasche die mengenmäßig größte Rückstandsfraktion. Nach einer Lagerung von einigen Wochen erfüllt die Rostasche im Regelfall die Anforderungen für die Deponieklasse 1.
Allerdings wird der Großteil der Rostasche nicht deponiert, sondern aufbereitet und verwertet. Zur Aufbereitung kommen verschieden Verfahren zum Einsatz. Für die Abtrennung der Eisen- und NE-Metalle werden magnetische Verfahren und die Wirbelstromtechnik eingesetzt. Für die mineralischen Fraktion gibt es eine Vielzahl von Sortier- und Klassierungsverfahren, Waschverfahren und weitergehende thermische Verfahren.
Angesichts stetig steigender Rohstoffnachfrage und sich verknappenden Ressourcen rücken Sekundärrohstoffe zur Deckung des Bedarfes immer stärker in den Fokus.
Besonders Hausmüllverbrennungsaschen (HMVA) verfügen über hohe Anteile an Metallen wie Aluminium, Kupfer, oder Eisen, aber auch Spuren von Silber und Gold.
Aus diesem Grund wurde bereits in einer Vielzahl von Arbeiten und Projekte die Behandlung von Rostaschen diskutiert. Hauptaugenmerk der Betrachtungen ist die Rückgewinnung von Wertstoffen, insbesondere der Metallfraktion, sowie die Aufbereitung der Rostasche als Ersatzbaustoff. Die bisherigen Betrachtungen konzentrierten sich auf die Fraktionen der Partikel größer 2 mm. Die Feinfraktion kleiner 2 mm wurde bislang meist deponiert. Da die Feinfraktion etwa 25 M% der
HMVA ausmacht, wurde für weitere Untersuchungen zum Zweck einer besseren Verwertung das Projekt „BASH-TREAT“ im Programm ERA-MIN 2 initiiert.
Vor 30 Jahren wurde die erste BAM-Zulassung für ein Geokunststoffprodukt in der Deponietechnik ausgestellt. Seither wurden immer wieder eigene wissenschaftliche Untersuchungen durchgeführt, neue Forschungsergebnisse herangezogen und die Prüftechnik weiterentwickelt, um die Eignung und Funktionsdauer von Kunststoffdichtungsbahnen, Schutzschichten, Kunststoff-Dränelementen, geotextilen Filtern oder Bewehrungsgittern beurteilen zu können. Einige dieser Entwicklungen werden hier diskutiert.
Waste, Evaluation Methods
(2019)
It is difficult to decide which waste management system fulfills best predefined sustainability goals such as maximum materials and energy recovery, least environmental impact, and lowest societal cost. Such decisions are based on many parameters. However, several evaluation methods exist with different scope and output, and the application of one or more evaluation methods provides an objective comparison of alternatives.
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.
Column leaching tests are frequently used and accepted for investigation of release of hazardous substances from solid materials. Independent of differences due to the field of application or national regulations, column tests assume that local equilibrium is established in the experiment which facilitates transfer of results to field conditions. In the process of harmonization and standardization within Europe the question on the influence of flow rate and grain size distribution on the local equilibrium was raised. Thus, a set of experiments using two different masonry materials with varying grain size distribution and flow rate were conducted including stop/flow experiments. Results are compared to a numerical model which takes intraparticle pore diffusion-controlled release of Mo and V into the percolating water into account. Due to the relatively high intraparticle porosity of the materials (24–29%) data and model indicate that initially equilibrium-state conditions prevail followed by rapidly decreasing concentrations. The model fits data for Mo and V reasonably well; however, after the initial decline of concentrations (at L/S > 2) extended tailing is observed especially of elements occurring as oxides, which is not captured by the model.
Biocides are commonly applied to construction materials such as facade renders and paints in order to protect them from microbial spoilage. These renders and paints are exposed to weathering conditions, e.g., sunlight and rain. Pigments are interacting intensively with the spectrum of the incoming light; thus, an effect of paint pigments on phototransformation rates and reaction pathways of the biocides is hypothesized.
In this study, the phototransformation of four commonly used biocides (carbendazim, diuron, octylisothiazolinone (OIT) and terbutryn) in four different paint formulations differing solely in pigments (red and black iron oxides, white titanium dioxide, and one pigment-free formulation) were investigated. Paints surfaces were irradiated under controlled conditions. The results show that biocides degrade most rapidly in the pigment-free formulation. The degradation in the pigment-free formulation followed a first-order kinetic model with the respective photolysis rate constants: kp,Diuron=0.0090 h−1, kp,OIT=0.1205 h−1, kp,Terbutryn=0.0079 h−1.
Carbendazim concentrations did not change significantly. The degradation was considerably lower in the pigment-containing paints. The determination of several phototransformation products of terbutryn and octylisothiazolinone showed different transformation product ratios dependent on the pigment. Consequently, pigments not only reflect the incoming light, but also interact with the biocide photodegradation.
The environmental compatibility of reactive fire-retardant coatings (intumescent paints) was investigated by a combination of leaching and ecotoxicological tests. Three representative fire-retardant coating systems were tested using two leaching procedures: “Horizontal Dynamic Surface Leaching Test” (DSLT) and the “Intermittent Immersion Test” (IIT). All eluate fractions (8 for DSLT and 9 for IIT) were analyzed for pH, conductivity, concentration of total organic carbon and selected anions und cations. Additionally, a GC-MS screening of selected fractions was conducted for identification of organic compounds. Eluate fractions 1 + 2 and fraction 7 of the DSLT were analyzed in four ecotoxicological tests (algae, daphnia, fish egg, luminescent bacteria) and in one genotoxicity test (umu). Concentration of most analytes was rather low or below limit of detection for many eluates. Analytes detected in eluates of all three products are Zn, Ba, SO4(2−) and PO4(3−). Release patterns do not indicate a general trend: some compounds show maximum release in the first fractions while for others the maximum was observed in later test stages. Ecotoxic effects in eluates were found, which were higher in the eluate fraction 7 (maximum lowest ineffective dilution for luminescent bacteria (LIDL) 256) than in the eluate fraction 1 + 2 (maximum LIDL = 24). The sensitivity of the test systems was very different with highest effects for luminescent bacteria, followed by algae and daphnia and without effects in the fish egg test and umu test. A biotest battery for the comprehensive assessment is therefore advisable.
Vor nun 30 Jahren im Jahre 1989 wurde die erste Zulassung für eine Kunststoffdichtungsbahn von der BAM auf der Grundlage des „Niedersächsischen Dichtungserlasses“ erteilt. Vor ungefähr 10 Jahren wurde die BAM mit dem Erscheinen der Deponieverordnung (DepV) mit der Zulassung von Geokunststoffen, Polymeren und Dichtungskontrollsystemen beauftragt. Wir möchten dies zum Anlass nehmen, an dieser Stelle den viele ehrenamtlichen Experten des Fachbeirats und seiner Arbeitsgruppen für ihren Einsatz und die Unterstützung zu danken.
Darüber hinaus soll über aktuelle Arbeitsthemen und Entwicklungen im Fachbeirat berichtet werden. So soll in einer Sondersitzung des Fachbeirats über die Entlassung aus der Nachsorgephase beim Einsatz von Geokunststoffprodukten in Böschungen diskutiert werden. Es ist geplant, in einer Unterarbeitsgruppe eine Sitzung über die Fremdüber¬wachung in der Produktion abzuhalten. Darüber hinaus werden Änderungen in den Zulassungsrichtlinien für Kunststoff Dichtungsbahnen und Kunststoff Dränelemente kurz vorgestellt. In der Zwischenzeit wurde auch die abschließende Zulassungsrichtlinie für Geogitter verabschiedet. Neue Fragestellungen sind hier entstanden. Unter welchen Voraussetzungen können Geogitter in Zwischenabdichtungen eingesetzt werden. Bisher können diese Produkte formal nur in Oberflächenabdichtungen eingesetzt werden. Auch auf diese beiden Themen soll im Folgenden in Kürze eingegangen werden.
Vor nun 30 Jahren im Jahre 1989 wurde die erste Zulassung für eine Kunststoffdichtungsbahn von der BAM auf der Grundlage des „Niedersächsischen Dichtungserlasses“ erteilt. Vor ungefähr 10 Jahren wurde die BAM mit dem Erscheinen der Deponieverordnung (DepV) mit der Zulassung von Geokunststoffen, Polymeren und Dichtungskontrollsystemen beauftragt. Wir möchten dies zum Anlass nehmen, an dieser Stelle den viele ehrenamtlichen Experten des Fachbeirats und seiner Arbeitsgruppen für ihren Einsatz und die Unterstützung zu danken.
Darüber hinaus soll über aktuelle Arbeitsthemen und Entwicklungen im Fachbeirat berichtet werden. So soll in einer Sondersitzung des Fachbeirats über die Entlassung aus der Nachsorgephase beim Einsatz von Geokunststoffprodukten in Böschungen diskutiert werden. Es ist geplant, in einer Unterarbeitsgruppe eine Sitzung über die Fremdüber¬wachung in der Produktion abzuhalten. Darüber hinaus werden Änderungen in den Zulassungsrichtlinien für Kunststoff Dichtungsbahnen und Kunststoff Dränelemente kurz vorgestellt. In der Zwischenzeit wurde auch die abschließende Zulassungsrichtlinie für Geogitter verabschiedet. Neue Fragestellungen sind hier entstanden. Unter welchen Voraussetzungen können Geogitter in Zwischenabdichtungen eingesetzt werden. Bisher können diese Produkte formal nur in Oberflächenabdichtungen eingesetzt werden. Auch auf diese beiden Themen soll im Folgenden in Kürze eingegangen werden.
Leaching processes are responsible for the release of biocides from treated materials into the environment.
Adequate modeling of emission processes is required in order to predict emission values in the framework of the risk assessment of biocidal products intended for long-term service life. Regression approaches have been applied to data obtained from the long-term monitoring of biocide emissions in experiments involving semi-field conditions. Due to the complex interaction of different underlying mechanisms such as water and biocide diffusion and desorption, however, these attempts have proven to be of limited usefulness e at least, for the available biocide emission data. It seems that the behavior of the biocide emission curve depends to a considerable extent on whichever underlying mechanism is slowest at a given point in time, thus limiting the amount of biocide available for release. Building on results obtained in the past few years, the authors propose a criterion for determining which mechanism controls the leaching process at a given point in time based on the slope of the log-log emission curve. In addition, a first-order approximation of this slope value is presented which displays advantages both in terms of computability and interpretability. Finally, an algorithm for the determination of breakpoints in the slope of the log-log emission curve is presented for the demarcation of phases within which one mechanism acts as a limiting factor.
The potential release of hazardous substances from polymer-based products is currently in the focus of environmental policy. Environmental simulations are applied to expose such products to selected aging conditions and to investigate release processes. Commonly applied aging exposure types such as solar and UV radiation in combination with water contact, corrosive gases, and soil contact as well as expected general effects on polymers and additional ingredients of polymer-based products are described. The release of substances is based on mass-transfer processes to the material surfaces. Experimental approaches to investigate transport processes that are caused by water contact are presented. For tailoring the tests, relevant aging exposure types and release quantification methods must be combined appropriately. Several studies on the release of hazardous substances such as metals, polyaromatic hydrocarbons, flame retardants, antioxidants, and carbon nanotubes from polymers are summarized exemplarily. Differences between natural and artificial exposure tests are discussed and demonstrated for the release of flame retardants from several polymers and for biocides from paints. Requirements and limitations to apply results from short-term artificial environmental exposure tests to predict long-term environmental behavior of polymers are presented.
Der Verwertung von Bodenmaterialien wird auf Grund des Volumens dieses Stoffstromes eine hohe umweltpolitische Bedeutung beigemessen. Dabei ist unter Gewährleistung des Vorsorge- und Nachhaltigkeitsprinzips eine möglichst hochwertige Verwertung anzustreben, um natürliche Ressourcen zu schonen und die Beseitigung von Abfällen weitestgehend zu vermeiden.
Die vorgesehene Novelle der BBodSchV enthält in den Paragraphen 6 bis 8 neue Vorgaben hinsichtlich des Auf- und Einbringens von Bodenmaterialien unterhalb oder außerhalb einer durchwurzelbaren Bodenschicht. So soll die Möglichkeit eingeräumt werden, Bodenmaterialien mit Feststoffgehalten von regulierten Stoffen zwischen dem einfachen und doppelten Vorsorgewert einer weiteren Verwertung zuzuführen unter der Voraussetzung, dass die Eluatwerte eingehalten werden.
Im Rahmen eines Forschungsvorhabens des Umweltbundesamtes (FKZ: 3716 74 203 0) wurden unterschiedliche Bodenmaterialien (Baggergut, Bankettschälgut, Stadt- und Auenböden, Bergematerial), die unter diese Kriterien fallen, mit besonderem Fokus auf PAK hinsichtlich ihres Verwertungspotentials untersucht.
Dabei wurden auch die Auswirkungen der Umstellung des Elutionsverfahrens von einem Wasser-Feststoffverhältnis (W/F) von 10 l/kg auf ein W/F von 2 l/kg auf die Einstufung von Bodenmaterialien betrachtet.
Insbesondere für die Stoffgruppe der PAK konnte gezeigt werden, dass sich mit Verabschiedung der neuen Regelungen zusätzliche Verwertungsmöglichkeiten von Bodenmaterialien außerhalb der durchwurzelbaren Bodenschicht eröffnen und deren Deponierung teilweise vermieden werden kann.
Dem Fachbeirat Bodenuntersuchungen des BMBF/UBA wurden die abschließenden Ergebnisse zum UFOPLAN-Forschungsvorhaben „Monitoring zur Verwertung von Bodenmaterial“ vorgestellt. Die potentielle Auswirkung der neuen Regularien in der geplanten Novelle der BBodSchV (4. Referentenentwurf der Mantelverordnung) auf die Erweiterung der Verwertungsmöglichkeiten von Bodenmaterialien wurden aufgezeigt.
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.
Weltweit werden etwa 80–85 % aller abgebauten Rohphosphate für die Produktion von Düngemitteln verwendet. Bei noch steigendem Bedarf an Phosphor (P) geht man derzeit davon aus, dass die weltweiten P-Reserven noch über 200 Jahre ausreichen. Um den P-Vorrat langfristig abzusichern, sollte der in Reststoffen enthaltene Phosphor möglichst umfänglich genutzt werden. Dieser Forderung trägt das von der Bundesregierung 2012 erstmals beschlossene Deutsche Ressourceneffizienzprogramm ProgRess Rechnung. Rohphosphat wird auch seitens der Europäischen Kommission aufgrundseiner ökonomischen Bedeutung und des unsicheren Angebots als „kritischer Rohstoff“ eingestuft. Vor diesem Hintergrund hat die Bundesregierung in der Verordnung zur Neuordnung der Klärschlammverwertung vom 27. September 2017 in Deutschland eine verpflichtende technische Rückgewinnung von Phosphor für Abwasserbehandlungsanlagen ab einer Ausbaugröße von 100.000 Einwohnerwerten (12 Jahre nach Inkrafttreten der Verordnung) bzw. ab einer Ausbaugröße von über 50.000 Einwohnerwerten (15 Jahre nach Inkrafttreten der Verordnung) vorgeschrieben. Die Verordnung enthält keine Vorgaben hinsichtlich der anzuwendenden Technologie bei der Phosphorrückgewinnung. Ausgenommen von der Rückgewinnungspflicht sind Klärschlämme mit niedrigen Phosphorgehalten (weniger als 20 Gramm Phosphor je Kilogramm Klärschlamm-Trockenmasse). Auch die im Jahre 2017 verabschiedeten neuen Rechtsvorschriften für die Düngung verlangen zukünftig einen nachhaltigen und ressourceneffizienten Umgang mit Nährstoffen bei der landwirtschaftlichen Erzeugung und schränken die P-Zufuhr insbesondere auf hoch versorgten Böden ein (Düngeverordnung vom 26. Mai 2017). Dies wird zu einem mehr am Pflanzenbedarf orientierten und ggf. vermehrt überbetrieblichen Einsatz von wirtschaftseigenen Düngern führen. Um den politischen und gesetzlichen Anforderungen gerecht zu werden, müssen einerseits wirksame und kosteneffiziente technische Verfahren zum P-Recycling (weiter)entwickelt werden. Andererseits müssen die Recyclingprodukte die Anforderungen für eine direkte Verwendung in der Landwirtschaft oder als Rohstoff für die Herstellung von Düngemitteln erfüllen. In dem vorliegenden Standpunkt wird zunächst der potenzielle Beitrag von Reststoffen zur Deckung des P-Bedarfs in der deutschen Pflanzenproduktion geschätzt. Für die wichtigsten Reststoffe werden technische Verfahren zur P-Rückgewinnung bzw. Aufarbeitung skizziert. Auf Basis der Anforderungen der Landwirtschaft bzw. der Düngemittelindustrie
an die P-Recyclingprodukte werden deren Herstellungsverfahren bewertet. Schließlich wird der Regelungs- und Forschungsbedarf formuliert.
Phosphorus (P) fertilizers from secondary resources became increasingly important in the last years. However, these novel P-fertilizers can also contain toxic pollutants such as chromium in its hexavalent state (Cr(VI)). This hazardous form of chromium is therefore regulated with low limit values for agricultural products even though the correct determination of Cr(VI) in these fertilizers may be hampered by redox processes, leading to false results. Thus, we applied the novel diffusive gradients in thin-films (DGT) technique for Cr(VI) in fertilizers and compared the results with the standard wet chemical extraction method (German norm DIN EN 15192) and Cr K-edge X-ray Absorption near-edge structure (XANES) spectroscopy. We determined an overall good correlation between the wet chemical extraction and the DGT method. DGT was very sensitive and for most tested materials selective for the analysis of Cr(VI) in P-fertilizers. However, hardly soluble Cr(VI) compounds cannot be detected with the DGT method since only mobile Cr(VI) is analyzed. Furthermore, Cr K-edge XANES spectroscopy showed that the DGT binding layer also adsorbs small amounts of mobile Cr(III) so that Cr(VI) values are overestimated. Since certain types of the P fertilizers contain mobile Cr(III) or partly immobile Cr(VI), it is necessary to optimize the DGT binding layers to avoid aforementioned over- or underestimation. Furthermore, our investigations showed that the Cr K-edge XANES spectroscopy technique is unsuitable to determine small amounts of Cr(VI) in fertilizers (below approx. 1% of Cr(VI) in relation to total Cr).
Many organizations in Europe collect data and perform research on municipal solid waste and the secondary raw materials that can be produced from them through recycling, urban mining, or landfill mining.However, the information generated and presented thereby is often highly aggregated, while research activities are many a time isolated. Both reduce the usability of the data and information generated. In order to better structure the knowledge generation on secondary raw materials production from municipal solid waste, we suggest to learn from the traditional raw materials mining Industry how to perform an integrated assessment and reporting of anthropogenic resources. This is exemplarily shown for the case of the anthropogenic resource municipal solid waste incineration bottom ash and airpollution control residues. A network of expert institutions from countries throughout Europe was build up to compile the information on legal and technological aspects for the recovery of different secondary raw materials from these residues, including construction minerals, metals, and salts. We highlight in our article the strength of the combined knowledge of an expert network not only on legal and technological, but also local and site-specific aspects of the recovery of secondary raw materials. By doing so, we hope to kick-off a discussion for how to organize and implement a structure for a better management of knowledge on anthropogenic resources, in order to provide a sustainable supply of secondary raw materials for a greener and more circular economy.
EI‐GEO is a multinational research project (Germany, Latvia, Russia) funded under the ERA.Net RUS Plus Call 2017. Aim of the project is the investigation whether geosynthetics in hydraulic engineering applications could be a source of microplastics (MPs) and other contaminants to the aquatic environment causing negative effects to aquatic organisms.
Whereas the behavior of geosynthetics in landfill engineering is well studied and documented since decades, little is known on application in applications such as coastal protection or ballast layers for wind energy plants. However, due to the rapid expansion of offshore wind energy, rising water levels and more extreme weather conditions as a result of climate change more and more hydraulic engineering projects will be realized in the future.
Applied methods are artificial ageing of geosynthetics in environmental simulation chambers, storage of samples under environmental condition for comparison with laboratory simulation, sample characterization by microscopic methods and ecotoxicological testing of water in contact with geosynthetics.
In parallel a case study at the Baltic Sea shore at Kaliningrad Oblast (Russia) will be performed. The aim of study is to estimate the level of pollution of the beaches by geosynthetic debris and identify the possible sources.
Potential use of incineration bottom ash in construction – Evaluation of the environmental impact
(2020)
Knowledge of the long-term leaching behavior of potentially harmful substances is crucial for the assessment of the environmental compatibility of reusing municipal solid-waste incineration bottom ash (MSWI BA) in construction, i.e., as a road base layer.
BA fractions obtained from wet-processing aiming at the improvement of environmental quality were used to investigate the mobility of relevant substances. Eluates from laboratory-scaled leaching procedures (column percolation and lysimeters) were analyzed to learn about the long-term release of substances. Unsaturated conditions and artificial rainwater (AR) were used in the lysimeter tests to simulate field conditions. In addition, batch test eluates were generated at usual liquid-to-solid ratios (L/S) for compliance testing purposes. A variety of cations and anions was measured in the eluates.
The wet treatment reduces the leaching of chloride and particularly sulfate by more than 60%. The release of typical contaminants for the treated MSWI BA such as the heavy metals Cu and Cr was well below 1% in the conducted leaching tests.
An increase in the Sb concentration observed in the lysimeter experiments starting at L/S 0.75 L/kg and in the column experiment at L/S 4 L/kg is assumed to be related to decreasing concentrations of Ca and thus to the dissolution of sparingly soluble calcium antimonate. The same leaching mechanism applies with V, but the concentration levels observed are less critical regarding relevant limit values. However, on the long term the behavior of Sb could be problematic for the application of MSWI BA in construction.
Almost 500 municipal solid waste incineration plants in the EU, Norway and Switzerland generate about 17.6 Mt/a of incinerator bottom ash (IBA). IBA contains minerals and metals. Metals are mostly separated and sold to the scrap market and minerals are either disposed of in landfills or utilised in the construction sector. Since there is no uniform regulation for IBA utilisation at EU level, countries developed own rules with varying requirements for utilisation. As a result from a cooperation network between European experts an up-to-date overview of documents regulating IBA utilisation is presented. Furthermore, this work highlights the different requirements that have to be considered. Overall, 51 different parameters for the total content and 36 different parameters for the emission by leaching are defined. An analysis of the defined parameter reveals that leaching parameters are significantly more to be considered compared to total content parameters. In order to assess the leaching behaviour nine different leaching tests, including batch tests, up-flow percolation tests and one diffusion test (monolithic materials) are in place.
A further discussion of leaching parameters showed that certain countries took over limit values initially defined for landfills for inert waste and adopted them for IBA utilisation. The overall utilisation rate of IBA in construction works is approximately 54 wt%. It is revealed that the rate of utilisation does not necessarily depend on how well regulated IBA utilisation is, but rather seems to be a result of political commitment for IBA recycling and economically interesting circumstances.
8. Netzwerktreffen PerFluSan
(2020)
Bottom ash (BA) from municipal solid waste incineration (MSWI) contains harmful substances such as heavy metals, chloride and sulfate which are mobilized in contact with water. Standardized leaching tests are used to measure the extent of mobilization. It is known that fresh bottom ash displays elevated concentrations of various heavy metals such as lead or zinc due to the formation of hydroxo complexes as a result of high pH values of 12 and above. Storage of BA is accompanied by ageing processes, mainly the reaction of CaO and Ca(OH)2 with CO2 leading to lower pH values in contact with water around 11. Usually heavy metals concentrations are minimum at these conditions. Knowledge of the long-term leaching behavior of potentially harmful substances is crucial for the assessment of the environmental compatibility of reusing municipal solid-waste incineration bottom ash (MSWI BA) in construction, i.e., as a road base layer. BA fractions obtained from wet-processing aiming at the improvement of environmental quality were used to investigate the mobility of relevant substances. Eluates from laboratory-scaled leaching procedures (column percolation and lysimeters) were analyzed to learn about the long-term release of substances. Unsaturated conditions and artificial rainwater were used in the lysimeter tests to simulate field conditions. In addition, batch test eluates were generated at usual liquid-to-solid ratios (L/S) for compliance testing purposes. A variety of cations and anions was measured in the eluates. The wet treatment reduces the leaching of chloride and particularly sulfate by more than 60%. The release of typical contaminants for the treated MSWI BA such as the heavy metals Cu and Cr was well below 1% in the conducted leaching tests. An increase in the Sb concentration was observed in the lysimeter experiments starting at L/S 0.75 L/kg and in the column experiment at L/S 4 L/kg is assumed to be related to decreasing concentrations of Ca and thus to the dissolution of sparingly soluble calcium antimonate. The same leaching mechanism applies with V, but the concentration levels observed are less critical regarding relevant limit values. However, on the long term the behavior of Sb could be problematic for the application of MSWI BA as secondary building material.
Municipal solid waste incineration (MSWI) is one of the leading technologies for municipal solid waste (MSW) treatment in Europe. Incineration bottom ash (IBA) is the main solid residue from MSWI, and its annual European production is about 20 million tons. The composition of IBA depends on the composition of the incinerated waste; therefore, it may contain significant amounts of ferrous and non-ferrous (NFe) metals as well as glass that can be recovered. Technologies for NFe metals recovery have emerged in IBA treatment since the 1990s and became common practice in many developed countries. Although the principles and used apparatus are nearly the same in all treatment trains, the differences in technological approaches to recovery of valuable components from IBA – with a special focus on NFe metals recovery – are summarized in this paper.
Phosphorus (P) resource availability is declining and the efficiency of applied nutrients in agricultural soils is becoming increasingly important. This is especially true for P fertilizers from recycled materials, which often have low plant availability. Specific co-fertilization with ammoniumcan enhance P plant availability in soils amended with these P fertilizers, and thus the yield of plants. To investigate this effect, we performed a pot experiment with maize in slightly acidic soil (pH 6.9) with one water-soluble (triple superphosphate [TSP]) and two water-insoluble (sewage sludge-based and hyperphosphate [Hyp]) P fertilizers and anammoniumsulfate nitrate with or without a nitrification inhibitor (NI). The dry matter yield of maize was significantly increased by the NI with the Hyp (from 14.7 to 21.5 g/pot) and TSP (from 40.0 to 45.4 g/pot) treatments. Furthermore, P uptake was slightly increased in all three P treatments with the NI, but not significantly. Olsen-P extraction and P K-edge micro-X-ray absorption near-edge structure (XANES) spectroscopy showed that apatite-P of the water insoluble P fertilizers mobilized during the plant growth period. In addition, novel nitrogen (N) K-edge micro-XANES spectroscopy and the Mogilevkina method showed that the application of an NI increased the fixation of ammonium in detectable hot spots in the soil. Thus, the delay in the nitrification process by the NI and the possible slow-release of temporarily fixed ammoniumin the soil resulted in a high amount of plant available Ammonium in the soil solution. This development probably decreases the rhizosphere pH due to release of H+ by plants during ammoniumuptake, whichmobilizes phosphorus in the amended soil and increases the dry matter yield of maize. This is especially important for water-insoluble apatite-based P fertilizers (conventional and recycled), which tend to have poor plant availability.
Es wird über aktuelle Arbeitsthemen und Entwicklungen im Fachbeirat berichtet. So wurde in einer Sondersitzung des Fachbeirats über die Entlassung aus der Nachsorgephase beim Einsatz von Geokunststoffprodukten in Böschungen diskutiert. Die Unterarbeitsgruppe Fremdüberwachung in der Produktion hat getagt. Darüber hinaus werden Änderungen in den Zulassungsrichtlinien für Kunststoffdichtungsbahnen, Kunststoff-Dränelemente und für die Fremdüberwachung kurz vorgestellt.
Es wird über aktuelle Arbeitsthemen und Entwicklungen im Fachbeirat berichtet. So wurde in einer Sondersitzung des Fachbeirats über die Entlassung aus der Nachsorgephase beim Einsatz von Geokunststoffprodukten in Böschungen diskutiert. Die Unterarbeitsgruppe Fremdüberwachung in der Produktion hat getagt. Darüber hinaus werden Änderungen in den Zulassungsrichtlinien für Kunststoffdichtungsbahnen, Kunststoff-Dränelemente und für die Fremdüberwachung kurz vorgestellt.
The suitability of common analytical methods for the determination of active substances from wood preservatives in aged wood samples was investigated during an interlaboratory study. Permethrin, propiconazole and tebuconazole were quantified in 1.5 and 8 year-old wood samples by gas chromatography and liquid chromatography. Generally, the applied Methods yielded reliable results for these samples. However, wood components can coelute with propiconazole and tebuconazole during liquid chromatography. Optimization of separation might be required if UV detection is applied.
In this study, we compare combustion ion chromatography (CIC) and high resolution-continuum source-graphite furnace molecular absorption spectrometry (HR-CS-GFMAS) with respect to their applicability for determining organically Bound fluorine sum parameters. Extractable (EOF) and adsorbable (AOF) organically bound fluorine as well as total fluorine (TF) were measured in samples fromriver Spree in Berlin, Germany, to reveal the advantages and disadvantages of the two techniques used as well as the two established fluorine sum Parameters AOF and EOF. TF concentrations determined via HR-CS-GFMAS and CIC were comparable between 148 and 270 μg/L. On average, AOF concentrations were higher than EOF concentrations, with AOF making up 0.14–0.81% of TF (determined using CIC) and EOF 0.04–0.28% of TF (determined using HR-CSGFMAS).
The results obtained by the two independent methods were in good agreement. It turned out that HR-CS-GFMAS is a more sensitive and precise method for fluorine analysis compared to CIC. EOF and AOF are comparable tools in Risk evaluation for the emerging pollutants per- and polyfluorinated alkyl substances; however, EOF is much faster to conduct.
Over the past two decades, per- and polyfluoroalkyl substances (PFASs) have emerged as worldwide environmental contaminants, calling out for sophisticated treatment, decomposition and remediation strategies. In order to mineralize PFAS pollutants, the incineration of contaminated material is a state-of-the-art process, but more cost-effective and sustainable technologies are inevitable for the future. Within this review, various methods for the reductive defluorination of PFASs were inspected. In addition to this, the role of mechanochemistry is highlighted with regard to its major potential in reductive defluorination reactions and degradation of pollutants. In order to get a comprehensive understanding of the involved reactions, their mechanistic pathways are pointed out. Comparisons between existing PFAS decomposition reactions and reductive approaches are discussed in detail, regarding their applicability in possible remediation processes. This article provides a solid overview of the most recent research methods and offers guidelines for future research directions.
Designing the performance of geogrids in reinforce soil constructions usually does not consider long-term behavior and possible failure modes of junctions between longitudinal and transverse ribs. How could behavior of junctions be included? To which extend is it necessary? On the conference Geo-Chicago 2016, Swan and Yuan presented an ultimate limit state equation for the short-term material resistance of junctions. We discuss limitations and suggest improvements to include long-term behavior of junctions. Nevertheless, the approach applies only to a specific mode of shear-tensile failure of junctions and only to strictly rigid geogrids. A new design concept presented in the same year by Jacobs on the conference GeoAmerica for the special case of the anchorage of geogrids, which reinforce capping system on long and steep slopes of landfills, tried to overcome these drawbacks. We discuss the aspects of this concept related to the long-term behavior
of junctions and the interplay between the load applied to junctions and the flexibility of longitudinal ribs. This interplay and the long-term junction strength determine the long-term behavior of geogrids.
Designing the performance of geogrids in reinforce soil constructions usually does not consider long-term behavior and possible failure modes of junctions between longitudinal and transverse ribs. How could behavior of junctions be included? To which extend is it necessary? On the conference Geo-Chicago 2016, Swan and Yuan presented an ultimate limit state equation for the short-term material resistance of junctions. We discuss limitations and suggest improvements to include long-term behavior of junctions. Nevertheless, the approach applies only to a specific mode of shear-tensile failure of junctions and only to strictly rigid geogrids. A new design concept presented in the same year by Jacobs on the conference GeoAmerica for the special case of the anchorage of geogrids, which reinforce capping system on long and steep slopes of landfills, tried to overcome these drawbacks. We discuss the aspects of this concept related to the long-term behavior of junctions and the interplay between the load applied to junctions and the flexibility of longitudinal ribs. This interplay and the long-term junction strength determine the long-term behavior of geogrids.
Antimony in incineration bottom ash – Leaching behavior and conclusions for treatment processes
(2020)
Antimony (Sb) is used in industrial products mainly as flame retardant in plastic material. Due to such additives in plastics, about a half of Sb ends up in municipal solid waste incineration at the end-of-life and consequently in relevant amounts in the generated bottom ash. In contact with water, the initial leachability is low, as antimonates form sparingly soluble compounds with Ca2+. Following the carbonation of the incineration bottom ash (IBA) during the proceeding ageing the pH in the leachates decreases. With decreasing concentration of Ca in the eluate the solution equilibrium changes and antimonates dissolve. In Germany it is intended to regulate Sb in IBA with the planned implementation of the so called Mantelverordnung (MantelVO, containing provisions on the utilisation of mineral waste) in the near future. The limit values set in the draft might be critical for IBA and therefore pose a risk for the utilisation of the mineral fraction of IBA in the well-established recycling routes.