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Die Bundesanstalt für Materialforschung und –prüfung (BAM) mit ihrem Fachbereich 4.3 Schadstofftransfer und Umwelttechnologien hat für das Verbundvorhaben „ATR - Aufschluss, Trennung und Rückgewinnung von ressourcenrelevanten Metallen aus Rückständen thermischer Prozesse mit innovativen Verfahren“ die Gesamtkoordination übernommen. Bei insgesamt neun Projektpartnern fiel folgerichtig ein nicht unwesentlicher Aufwand für Verwaltungsaufgaben an.
Insbesondere die Verzögerungen bei dem Bau der großtechnischen Anlagen im Teilprojekt B (ausführlich erläutert im Bericht für das Gesamtvorhaben) resultierten in einer Vielzahl von Folgeaufgaben.
Wissenschaftlich verfahrenstechnisches Ziel des Teilprojektes A bei der BAM war die Rückgewinnung von Metallen und metallischer Verbindungen aus speziellen, bereits teilaufbereiteten Fraktionen von Aschen aus der Hausmüllverbrennung (HMVA). Ausgangsmaterial sollten Fraktionen sein, die im Rahmen des Projektes vom Projektpartner TARTECH eco industries AG bereitgestellt werden sollten. Eigens und im Rahmen des Projektes entwickelte Hochgeschwindigkeits-Rotations-
Beschleuniger sollten die mineralischen Oberflächenverkrustungen abschlagen, die einzelnen Bestandteile trennen und so eine effizientere Sortierung mit Anschlussverfahren ermöglichen. Die Verfahren, die bei der BAM dafür zum Einsatz kamen, waren im Wesentlichen Flotation und Dichtesortierung mittels eines Zentrifugalsortierers. Der Fokus der Untersuchungen lag dabei auf der Rückgewinnung bzw. Anreicherung von Kupfer und Kupferverbindungen.
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.
Im Rahmen des Projekts OPTIMIN wurde eine Fraktionierung von Rostasche in verschiedene Korngrößenverteilungen mit integriertem Waschschritt durchgeführt. Aufgrund der weiteren Behandlung und Analyse der resultierenden drei Fraktionen 0–0,2 mm, 0,2–2 mm und 2–25 mm wurde die mögliche Verwertung in Asphalt, Beton oder Zement untersucht.
Eine Option könnte die Verwendung von frischer Rostasche sein, die vor dem Einsetzen von Alterungsprozessen behandelt wird. Die vorläufigen Ergebnisse zeigen die Verlagerung von Schadstoffen in die Feinfraktion, aber auch von Anteilen, die für die Alterungsprozesse verantwortlich sind. Teile der Feinfraktion halten die Grenzwerte für das Zementwerk des Projektpartners ein. Andererseits übersteigen die Gehalte an Kupfer und Zink die Vorgabewerte für den Prozess. Die gröberen Fraktionen sind frei von mineralischen Anhaftungen und agglomerieren bei der Verwendung von frischer Rostasche nicht. Die nachfolgende Abtrennung von Glas war erfolgreich. Aus bauphysikalischer Sicht erscheint eine Anwendung in Asphalt oder Beton für die gröberen Fraktionen möglich. In Auslaugtests konnte jedoch eine hohe Freisetzung verschiedener Metalle, insbesondere Kupfer, nachgewiesen werden. Dies ist wahrscheinlich auf den schlecht konzipierten Waschprozess zurückzuführen, muss jedoch weiter untersucht werden.
Small grain size fractions of municipal solid waste incineration (MSWI) bottom ash (BA) contain elemental and chemically bonded metals in appreciable amounts, especially copper. Investigations with a centrifugal concentrator were carried out using samples, which had been treated with different impact devices. Partly the impacts of single devices were visible in outlines, but mostly the surfaces of the metals were still covered with mineral residues. To generate copper rich fractions, parameters of the separation process should ensure mass yields <2%, best between 0.5 and 1%. The density of the concentrates is then generally >3.2 g/cm3. Best results were achieved with material from a special treatment train which is adapted to grain sizes <2 mm. Reliable copper contents between 20 and 40% (single runs >50%) could be realised.
However, considering the required mass yields, referred to this subset only 150–170 g copper would be recovered from 1 Mg MSWI BA. Furthermore, this copper is only in parts present in elemental form. A
dependable added value of such treatment step seems to be given only, if that enables a recycling of the mineral aggregates (tailings) in parallel to avoid landfill costs.
Die Rückgewinnung gediegener Massenmetalle wie Aluminium und vor allem Kupfer auch aus der Feinfraktion (< 2 mm)von Hausmüllverbrennungsaschen (HMVA) wird in einigen Aufbereitungsanlagen heutzutage bereits wirtschaftlich betrieben. Nach entsprechender Aufreinigung des Nichteisenmetallgemisches spielt dabei die Vergütung von Edelmetallen wie Gold und Silber zunehmend eine zentrale Rolle. Analog zur mechanischen Aufbereitung der Grobfraktionen von HMVA existieren auch für diesen Feinkornbereich verschiedene Verfahrensansätze. Daraus resultieren entsprechend spezielle mineralische Restfraktionen, die heutzutage deponiert werden. Bereits in frischer HMVA beträgt der Anteil an Korngrößen < 2 mm aber 25 M%. Durch die vorgeschalteten Aufbereitungsschritte erhöht sich dieser Anteil zum Teil noch einmal erheblich. Im Sinne einer weitestgehenden Verwertung von HMVA darf dieser Massenstrom nicht außer Acht gelassen werden.
Ziel des im Rahmen der Fördermaßnahme KMU innovativ vom BMBF geförderten Projektes OPTIMIN (Optimierung der stofflichen Verwertung mineralischer Rückstände aus der Abfallwirtschaft) ist es, die mineralische Fraktion von HMVA zu hochwertigen Zuschlagstoffen aufzubereiten. Während ein Großteil der Grobfraktionen voraussichtlich im Asphalt und Beton verwertet werden können, stellt die Feinfraktion < 2 mm eine besondere Herausforderung dar. Als ein möglicher Verwertungsweg wird in der Branche immer wieder die Verwendung als Zuschlagstoff in der Zementklinkerproduktion diskutiert. Seitens des Projektpartners HOLCIM AG wurden dafür Grenz- und Richtwerte vorgegeben. An der BAM werden unterschiedliche Aufbereitungsansätze getestet, um diese Werte zu erreichen und um anschließend die Möglichkeiten dieses Verwertungsweges besser abschätzen zu können.
Im Vortrag wird zunächst der aktuelle Stand der Technik zur Aufbereitung von HMVA dargestellt. Fokus liegt dabei auf dem Feinkornbereich < 2 mm und auf dem Einfluss der unterschiedlichen Verfahrensansätze auf eben diese Fraktion. Probleme und Möglichkeiten, die sich aus den vorgeschalteten Aufbereitungsschritten ergeben werden diskutiert und erste Ergebnisse der assoziierten Untersuchungen an der BAM vorgestellt.
The industrial sector of bottom ash (BA) treatment from municipal solid waste incineration (MSWI) in Germany is currently changing. In order to increase the recovery rates of metals or to achieve a higher quality of mineral aggregates derived from BA, new procedures have been either implemented to existing plants or completely new treatment plants have been built recently. Three treatment trains, which are designated as entire sequences of selected processing techniques of BA, are introduced and compared. One treatment train is mainly characterized by usage of a high speed rotation accelerator whereas another is operating completely without crushing. In the third treatment train the BA is processed wet directly after incineration. The consequences for recovered metal fractions and the constitution of remaining mineral aggregates are discussed in the context of legislative and economical frameworks. Today the recycling or disposal options of mineral residues still have a high influence on the configuration and the operation mode of the treatment trains of BA despite of the high value of recovered metals.
In Germany, the direct material input (DMI) was 1727 million tons in the year 2014. This figure would be even higher by more than 14 % if no secondary materials were already used in industrial production. For example, production of secondary Cu is advantageous due to lower energy consumption and conservation of scarce natural resources. The presentation will discuss pathways to increase the use of secondary raw materials to foster a circular economy with a focus on waste treatment processes.
The fine fraction of bottom ash from municipal solid waste incineration is characterized of both a high pollution and relevant resource potential. Methods for studying the environmental behaviour of solid residues are leaching tests. Various leaching test are adopted all over Europe with liquid to solid ratio of 2 or 10 l/kg. In Germany three different leaching Tests are valid with the commencement of the draft of the ordinance of reuse of mineral waste as alternative building ordinance. Comparing two batch tests, only the concentration for chloride is comparable. To evaluate the metal resource potential in the sand fraction wet chemical Methods have been applied. Methodical problems were caused mainly by the material heterogeneity and especially for precious metals due to their low concentration around 1 mg/kg. Other Methods have been available, but hardly applicable.
The industrial sector of incinerator bottom ash (IBA) treatment from municipal solid waste (MSW) is currently changing. Since established techniques are not yet suitable for fine grain sizes, pollutants are enriched and the effort for the treatment increases exponentially it is nowadays generally landfilled. Innovative treatment trains for the recovery of minerals and metals from the fine fraction will be presented and discussed. In fresh IBA this fraction < 2 mm amounts to around 25 % and contains different precious elemental and chemically bonded metals, especially copper. All copper species have higher densities compared to the bulk minerals. Investigations for the enrichment of copper carried out with a centrifugal classifier will be introduced.
Bottom ash from municipal solid waste incineration (MSWI) consists of elemental metals in considerable amounts. The exergy of bottom ash was calculated to be some 100 kJ/mol, mainly as a result of the presence of elemental Fe and Al. From this it can be shown that the recovery of elemental metals Cu, Al and Fe is beneficial. The fine fraction <4 mm additionally contains chemically bound metals (oxides, carbonates, silicates). Separation prospects with techniques as in ore processing (flotation, density separation, bioleaching, hydrothermal solution) are discussed. Although the concentration of Cu compounds in bottom ash is in the range of today’s exploited ores the economic viability of the recovery of metal compounds is uncertain. For sufficient enrichment different concerted treatment steps are required.