Circular Economy
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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.
Antimon (Sb) wird industriell vorwiegend als Flammschutzmittel in Kunststoffen verwendet. Am Ende des Lebenszyklus landet etwa die Hälfte des produzierten Sb, vorwiegend über entsprechend dotierte Kunststoffe, in Haus- und vor allem Industrieabfällen und in der Folge auch in relevanten Mengen in Rostaschen aus der Verbrennung dieser Abfälle.
Zwar werden in den Produkten Sb-Verbindungen in der Oxidationsstufe 3 eingesetzt, in den Aschen liegt Sb jedoch wegen der leichten Oxidierbarkeit überwiegend in der Oxidationsstufe 5 als Oxyanion vor (Sb(OH)6- oder Sb2O74-). Die Freisetzung beim Kontakt mit Wasser ist zunächst gering, weil die Antimonate schwerlösliche Verbindungen mit Ca2+ bilden. Durch die Carbonatisierung der Aschen während der vorgeschalteten Lagerung sinkt der pH-Wert im Eluat. Die Konzentration von Ca im Eluat nimmt mit fortschreitender Elutionsdauer ab, wodurch sich das Lösungsgleichgewicht verschiebt und Antimonate gelöst werden können. Dieses Verhalten wird durch einen Langzeitversuch mit Lysimetern bestätigt. Experimentelle Daten aus unterschiedlichen Elutionstests wurden mit dem Solver-Modul in MS Excel gefittet. Daraus ergibt sich Ca(Sb(OH)6)2xCa0.78(OH)1.56 als mögliche Verbindung für in Rostaschen enthaltenes Ca-Antimonat.
Laut Entwurf der MantelVO ist für Sb in Rostaschen eine Regulierung vorgesehen. Die darin vorgesehenen Grenzwerte könnten ein Problem für Rostaschen darstellen und gefährden die Verwertung der mineralischen Fraktion. In den meisten Bundesländern geschieht der Vollzug derzeit nach dem LAGA Merkblatt M20. Die darin festgelegten Parameter zur Bewertung berücksichtigen im Prinzip nur eine Richtung, bei der sich die Materialeigenschaften im Zuge der Alterung von Rostaschen verbessern. Dieser Zusammenhang ist bei Sb nicht gegeben, was bei der Beurteilung des Gefahrenpotentials aber Berücksichtigung finden sollte. Das entgegengesetzte Verhalten von Sb stellt Aufbereiter und Verwerter möglicherweise vor Probleme. Die Einführung einer Ersatzbaustoffverordnung im Rahmen der MantelVO soll bundeseinheitliche Rechtssicherheit bei der Verwertung von mineralischen Recyclingmaterialien schaffen. Damit würde dann auch eine Grundlage für Investitionen in verbesserte Aufbereitungsverfahren geschaffen werden. Da im Hinblick auf Sb aus dargestellten Zusammenhängen jedoch eher das Gegenteil zu befürchten ist, besteht Forschungsbedarf, um dieses Problem zu lösen.
Die landwirtschaftliche Klärschlammverwertung ist in der Bundesrepublik Deutschland seit Jahren rückläufig, hatte im Jahr 2017 jedoch noch einen Anteil von rund 18 % [20]. Diese Art der Verwertung wird kontrovers diskutiert, da der Klärschlamm im Rahmen der Abwasserreinigung eine Schadstoffsenke darstellt. In vergangenen Jahrzehnten wurden insbesondere die hohen Gehalte an Schwermetallen im Klärschlamm als kritisch für eine landwirtschaftliche Verwertung eingestuft. Diese Belastung konnte allerdings durch Absenkung der Einträge von Schmermetallen in das Abwasser signifikant gesenkt werden. Neben Schwermetallen kamen jedoch auch organische Schadstoffe wie Pharmazeutika, Kosmetika und Haushaltschemikalien in den Fokus der Diskussion über den Einsatz von Klärschlamm auf Agrarflächen. Heute geraten zunehmend weitere Inhaltsstoffe in den Fokus, deren Auswirkungen noch nicht abschließend geklärt sind, weshalb eine einheitliche Bewertung über Grenzwerte nicht darstellbar ist. Beispiele für diese neuen Stoffgruppen sind Mikroplastik, Nanopartikel, Antibiotikaresistenzen und persistente organische Spurenstoffe. Neben den angesprochenen Risiken gibt es in Deutschland Regionen mit einem stark erhöhten Nährstoffüberschuss. In der Kritik steht vor allem eine nicht ordnungsgemäße Düngung mit Stickstoff, welche mit Nitratauswaschungen in das Grundwasser einhergeht. Um diese Grundwasserbelastung zu verhindern wurde u.a. das Düngerecht erneut verschärft, was die Flächenkonkurrenz zwischen Klärschlamm und Wirtschaftsdünger weiter vergrößern wird. Auf Druck der EU-Kommission stehen zudem weitere Anpassungen im Düngerecht bevor, da die beschlossenen Änderungen aus Kommissionssicht nicht ausreichen, um die Nitratrichtlinie einzuhalten. Vor dem Hintergrund der angeführten Probleme wurde im Koalitionsvertrag der 18. Legislaturperiode (2013) festgeschrieben, „die Klärschlammausbringung zu Düngezwecken [zu] beenden und Phosphor und andere Nährstoffe zurück[zu]gewinnen“ [5]. Die novellierte AbfKlärV beinhaltet allerdings kein grundsätzliches Aufbringungsverbot und eine Rückgewinnungspflicht besteht lediglich für den Nährstoff Phosphor. Es ist davon auszugehen, dass sich die neuen Regelungen im Düngerecht und der Klärschlammverordnung massiv auf die landwirtschaftliche Verwertung von Klärschlamm und damit auf die Kreislaufwirtschaft verschiedener Nährstoffe auswirken werden. Zur Ermittlung dieser Auswirkungen wird seit Oktober 2018 im Auftrag des Umweltbundesamtes das REFOPLAN-Projekt „extraWERT“ (FKZ 3718 26 330 0) von der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) in Kooperation mit dem Institut für Siedlungswasserwirtschaft (ISA) der RWTH Aachen durchgeführt. In diesem Beitrag werden erste Ergebnisse dieses Projekts vorgestellt.
Die landwirtschaftliche Klärschlammverwertung ist in der Bundesrepublik Deutschland seit Jahren rückläufig. Neben den Risiken durch Schadstoffeinträge gibt es in Deutschland Regionen mit einem stark erhöhten Nährstoffüberschuss. Um die Grundwasserbelastung zu verhindern wurde u.a. das Düngerecht verschärft, was die Flächenkonkurrenz zwischen Klärschlamm und Wirtschaftsdünger vergrößern wird.
Es ist davon auszugehen, dass sich die neuen Regelungen im Düngerecht und der Klärschlammverordnung massiv auf die landwirtschaftliche Verwertung von Klärschlamm und damit auf die Kreislaufwirtschaft verschiedener Nährstoffe auswirken werden. In diesem Beitrag werden erste Ergebnisse des Projekts extraWERT vorgestellt.
Die P-Rückgewinnung aus Teilströmen mit erhöhten P-Gehalten kann direkt in den Kläranlagenbetrieb integriert werden und führt dort in vielen Fällen zu betrieblichen und ökonomischen Vorteilen. Sie ist in der Regel auf Bio-P-Kläranlagen beschränkt, da hier die anaerobe P-Rücklösung initiiert und genutzt werden kann. Durch die reine P-Rücklösung durch Schaffung anaerober Bedingungen ist allerdings das Potential der Rückgewinnung auf 5 bis 15 Prozent der Zulauffracht limitiert.
Die meisten Kläranlagen in Deutschland werden mit einer chemischen Phosphor-Fällung betrieben. Diese Anlagen können aus dem Klärschlamm Phosphat in ausreichend hoher Konzentration nur zurückgewinnen, indem zusätzlich anorganische Säuren wie Schwefelsäure zugeführt werden oder ein Aufschluss mit flüssigem Kohlendioxid stattfindet. Es wird angenommen, dass sich mit diesen Verfahren mehr als 50 Prozent der Zulauffracht einer Kläranlage zurückgewinnen lassen. Der Aufschluss von Klärschlamm mit Schwefelsäure geht aber mit vergleichsweise hohen Umweltwirkungen sowie mit höheren Kosten im Vergleich zu anderen Phosphor-Rückgewinnungsverfahren einher. Ein sehr hohes Potential der Rückgewinnung von Phosphor (P) ist bei allen Verfahren gegeben, die als Rohstoff die Asche aus der Monoverbrennung verwerten. Der Aufschluss mit anorganischen Säuren ermöglicht die sichere Phosphor-Rückgewinnung von mehr als 80% Prozent des Kläranlagenzulaufs. Die Verfahren sind zum Teil großtechnisch umgesetzt oder es befinden sich großtechnische Anlagen im Bau. Auch thermochemische Verfahren wurden entwickelt und deren Einsatzbereitschaft im großtechnischen Maßstab erfolgreich demonstriert. In dem nachfolgenden Beitrag werden unterschiedliche praxiserprobte Verfahren zur Phosphor-Rückgewinnung unter technischen und wirtschaftlichen Aspekten vorgestellt.
CFK-Abfälle werden trotz der bestehenden Verfahren zur Rückgewinnung der Carbonfasern zukünftig vermehrt anfallen. Für diese Abfälle wird nach technischen Lösungen der energetischen oder stofflichen Verwertung gesucht. Eine Möglichkeit ist die Nutzung der CFK-Abfälle als Primärkohleersatz im Lichtbogenofen bei der Stahlherstellung.
Die agronomische Effizienz von Düngemitteln wird üblicherweise in Vegetationsversuchen geprüft. Diese erlauben die es, unterschiedliche Kulturpflanzen und deren Strategien der Nährstoffmobilisierung und -aneignung zu betrachten und verschiedene Substrattypen und deren Eigenschaften im Hinblick auf Nährstofffixierung und -freisetzung zu berücksichtigen. Solche Versuche, selbst wenn sie nicht im Feld, sondern nur im Gefäß durchgeführt werden, sind jedoch sowohl zeit- als auch kostenintensiv. In erster Näherung wird die Pflanzenverfügbarkeit insbesondere von Phosphor (P)-Düngemitteln daher in der Regel mit Hilfe standardisierter chemischer Extraktionsmethoden abgeschätzt, deren Durchführung in der deutschen ebenso wie in der europäischen Düngemittelverordnung normiert ist. Diese Methoden werden auch bei der staatlichen Düngemittelverkehrskontrolle genutzt, um zu überprüfen, ob die düngemittelrechtlichen Vorgaben eingehalten werden. Wie jüngere Arbeiten gezeigt haben, ist es jedoch schwierig, herkömmliche Standardextraktionsmethoden auf neue Dünger aus Recyclingmaterialien wie Klärschlamm zu übertragen. Korrelationen zwischen P-Aufnahme im Vegetationsversuch und chemischer Löslichkeit im Standardextrakt sind oft nur mäßig bis schwach oder überhaupt nicht signifikant. Die vorliegende Literaturübersicht gibt einen Überblick zum aktuellen Stand des Wissens über die chemische Löslichkeit von klärschlammbasierten P-Recyclingdüngern, deren Effizienz im Vegetationsversuch und statistische Relationen zwischen beiden Parametern. Anschließend werden alternative Methoden zur Abschätzung der P-Verfügbarkeit von Recyclingdüngern vorgestellt, die derzeit Gegenstand der wissenschaftlichen Diskussion sind.
Jährlich fallen ca. 250 Mio. t mineralische Reststoffe in Deutschland an, die eine vielfältig einsetzbare, sekundäre Rohstoffquelle darstellen. Der Einsatz von Reststoffen führt zur Schonung natürlicher Rohstoffe, zur Reduktion von CO2-Emissionen und zur Einsparung von Deponieraum. Der Reststoff Mauerwerkbruch ist ein heterogenes, SiO2-reiches Gemisch aus Ziegeln, Beton und Leichtbeton, Kalksandstein, Porenbeton, Putz und Mörtel. Die uneinheitliche Zusammensetzung und bis zu 50 % Feinanteile nach der mechanischen Aufbereitung verhindern eine unmittelbare Wiederverwertung als RC-Gemisch. Eine Möglichkeit der Verwertung von Mauerwerkbruch stellt das rohstoffliche Recycling über einen hydrothermalen Stoffumwandlungsprozess dar, bei dem poröse Granulate erhalten werden.
Im Fokus des ZIM-Projekts HYTEGRA steht die Entwicklung eines solchen Herstellungsprozesses und die umfassende Charakterisierung der hergestellten Hydrothermalgranulate. Als Reststoffe soll neben Mauerwerkbruch (SiO2-reich) aus Bau- und Abbruchsabfällen auch Papierasche (CaO-reich) aus dem Altpapierrecycling eingesetzt werden. Nach einem mehrstufigen mechanischen Prozess erfolgt die Härtung der Grüngranulate hydrothermal unter erhöhtem Druck in gesättigter Wasserdampfatmosphäre bei Temperaturen von etwa 200 °C. Während des Härtungsprozesses bilden sich aus Quarz (SiO2), Kalk (CaO) und Wasser Calciumsilicathydrat-Phasen, die für die benötige Festigkeit und Porosität der Hydrothermalgranulate sorgen. Durch die Variation verschiedenster Syntheseparameter (Temperatur, Druck, Zeit, SiO2-CaO-Mischungsverhältnis) wird eine gezielte Einstellung der Eigenschaften der Hydrothermalgranulate ermöglicht. In Kooperation mit verschiedenen Industriepartnern sind Anwendungen als Filter- und Speichermaterial geplant, z.B. in Bodenfiltern zur Abwasserbehandlung sowie als temporärer Wasserspeicher zur inneren Nachbehandlung von Beton und in Pflanzsubstraten.
Im Vortrag sollen das Projekt HYTEGRA und erste Ergebnisse des hydrothermalen Verwertungsweg unter Verwendung von Mauerwerkbruch im Labormaßstab vorgestellt werden.
Mauerwerkbruch setzt sich aus unterschiedlichen Anteilen der üblichen Wandbaustoffe Ziegel, Beton- und Leichtbeton, Kalksandstein, Porenbeton sowie Mauer- und Putzmörtel zusammen. Bei seiner mechanischen Aufbereitung zum RC-Gemisch fallen häufig bis zu 50 % Feinanteile an. Die heterogene Zusammensetzung und der hohe Feinanteil verhindern eine Wiederverwertung nach einer einfachen mechanischen Aufbereitung. Eine Möglichkeit des Recyclings von Mauerwerkbruch ist aber ein hydrothermaler Stoffwandlungsprozess, durch den leichte poröser Granulate hergestellt werden.
Aus ziegelhaltigem Mauerwerkbruch werden unter Zusatz von Branntkalk nach dem Mahlen, Mischen und Granulieren des Rohmehls durch hydrothermale Verfestigung in einem Autoklav poröse Körnungen mit Rohdichten kleiner als 2000 kg/m³, die Hydrothermalgranulate, erhalten. Die Erhärtung erfolgt bei ca. 200 °C und 1,6 MPa Sattdampf ähnlich dem Prozess der Kalksandsteinherstellung. Festigkeit und Gefüge der Hydrothermalgranulate entwickeln sich durch die Ausbildung von Calciumsilicathydraten (CSH-Phasen), die durch die Reaktion zwischen Quarz, als Bestandteil von Mauerwerkbruch, und Kalk entstehen.
Über die Mischungszusammensetzung und die Reaktionsbedingungen können die Eigenschaften der Granulate gezielt gesteuert werden. Ihr Materialgefüge ist durch ein ungeordnetes System an Mesoporen und kleinen Makroporen mit Porenweiten kleiner 100 nm gekennzeichnet. Damit unterscheiden sich ihre Eigenschaften deutlich von denen der thermisch erhärteten Blähgranulate, da sich durch die CSH-Phasen eine ganz andere Gefüge- und Porenstruktur ausbildet. Aus den Granulateigenschaften ergeben sich Anwendungen als Filter- oder Speichermaterial, d.h. Applikationen, die über den Baustoffsektor hinausgehen.
In einem laufenden Forschungsprojekt wird mit 4 Industrie- und 2 Forschungspartnern aus den Bereichen Baustoffrecycling, Verfahrens- und Syntheseentwicklung, Partikelcharakterisierung so-wie Filter- und Betontechnologie ein Syntheseweg zur gezielten Herstellung hydrothermal erhärteter, körniger und poröser Produkte aus Mauerwerkbruch im Labor- und Pilotmaßstab entwickelt. Dazu gehört auch die Untersuchung aller Prozessschritte von der Aufbereitung der Ausgangsmaterialien über das Homogenisieren und Granulieren der Mehle bis zur hydrothermalen Behandlung der Granulate. Die Hydrothermalgranulate werden umfangreichen Eignungs- und Dauerhaftigkeitstests unterzogen.
Das aktuelle Forschungsvorhaben und insbesondere erste Ergebnisse zur hydrothermalen Synthese von Mauerwerkbruch-Kalk-Mischungen werden im Vortrag vorgestellt.
Die vom BMBF unterstütze Forschungsinitiative BonaRes entwickelt Strategien um Boden als nachhaltige Ressource für die Bioökonomie zu nutzen. Das Projekt Intelligence for Soil (I4S) ist ein Teil dieser Initiative und beschäftigt sich mit der Entwicklung eines integrierten Systems zur ortsspezifischen Düngung. Ein Ziel dieses Projektes ist die Etablierung einer mobilen Sensorplattform zur Bodenkartierung. Aufgabe der BAM ist dabei das Installieren und die Optimierung eines RFA Sensors für die online Messung direkt auf dem Feld. Die RFA ist eine zerstörungsfreie Technik, die kaum Probenvorbereitung benötigt und einen schnelle Multielement Analyse ermöglicht. Das schnelle Kartieren des Bodens ermöglicht später eine ortsspezifische Düngung mit Nährstoffen wie z.B. K, Ca und P.