Sanitär- und Kommunaltechnik; Umwelttechnik
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A wide range of analytical methods are used to estimate the plant-availability of soil phosphorus (P). Previous investigations showed that analytical methods based on the Diffusive Gradients in Thin films (DGT) technique provide a very good correlations to the amount of bioavailable nutrients and pollutants in environmental samples (Davison 2016, Vogel et al. 2017). However, the DGT results do not identify which P compound of the soil has the high bioavailability. But there are various spectroscopic techniques (infrared, Raman, P K-edge and L-edge XANES and P NMR spectroscopy) available to characterize P species in soils. Therefore, spectroscopic investigation of DGT binding layers after deployment allow us to determine the specific compounds. Nutrients such as phosphorus and nitrogen are often, together with other elements, present as molecules in the environment. These ions are detectable and distinguishable by infrared, P K- and L-edge X-ray absorption near-edge structure (XANES) and NMR spectroscopy, respectively. Additionally, microspectroscopic techniques make it also possible to analyze P compounds on the DGT binding layer with a lateral resolution down to 1 μm2. Therefore, species of elements and compounds of e.g. a spatial soil segment (e.g. rhizosphere) can be mapped and analyzed, providing valuable insight to understand the dynamics of nutrients in the environment.
Die Untersuchung altlastverdächtiger Flächen umfasst viele einzelne Schritte von der Probenahme über die Probenvorbehandlung bis hin zur eigentlichen Analyse, die zur Ergebnisunsicherheit beitragen. Beim Vergleich der Ergebnisse mit Bewertungsmaßstäben, um Entscheidungen zur Bewertung von Altlasten zu treffen, sind diese Faktoren zu berücksichtigen. Die Rolle von verschiedenen Unsicherheitskomponenten wird mit Blick auf Elutionsverfahren diskutiert.
Due to its large mineral fraction, incineration bottom ash (IBA) from municipal solid waste incineration is an interesting raw material that can be used for road construction or to produce secondary building materials. However, leaching chloride, sulfate, and potentially harmful heavy metals may cause problems in using IBA in civil engineering. Investigating leaching behavior is crucial for the assessment of the environmental compatibility of IBA applications. Various test procedures are available for that purpose. In the present study, a long-term leaching test of a wet-mechanically treated IBA was performed in a lysimeter for almost six years.
While concentrations of chloride, sulfate and the majority of the heavy metals started to decrease rapidly with progressive liquid-to-solid ratio (L/S), antimony (Sb) and vanadium (V) behaved differently. At the beginning of the lysimeter test, the Sb and V concentrations were low, but after approximately one year of operation at an L/S ratio of around 0.8 L/kg, a steady increase was observed. It was shown that this increase is the result of low Ca concentrations due to the formation of CaCO3.
With the data, the solubility products from Ca-antimonate and Ca-vanadate were calculated. The unusual leaching behavior of Sb and V should be kept in mind when considering field scenarios and evaluating the impact on the environment.
Several thousand PFAS are in circulation and the current challenge lies in detection of these compounds. Wheter environmental contamination occurs via industrial emission or direct PFAS exposure, as through the use of AFFF fire fighting foams. Wheter PFAS need to be detected in consumer products or agricultral soil, or wheter human and wildlife exposure to PFSA needs to be evaluated, suitable analytical methods are required to identifiy the target class within a hugh variety of matrices. At the same time it is critical to detect trace amounts of compounds within various matrices, we want to make sure that we consider very volatile and mobile species, simultaneously want to assure that we do not overlook less and insoluble compounds. We require methods that allow both single and multi target analysis and want to have an ideal overview with the help of sum parameters.
Per- and polyfluoralkyl surfactants (PFAS) are industrially produced surface chemicals used in daily applications that have gained public and political attention due their unnaturally high appearance in drinking water, nourishments and soils.[1] Their chemical structures exhibit both lipophilic and hydrophilic properties, leading to a highly inert and persistent character.[2] Various PFAS have shown to be bioaccumulative in plants and animals, and some have been characterized as highly toxic when ingested.[3] When exposed to the environment, PFAS slowly get mobilized by natural water resources, leading to contamination of large areas of soil and natural water sources.[4] While PFAS contamination of drinking water has been investigated intensively, perfluoralkyl contamination of soils has been rarely examined as of yet. At the same time, an increasing amount of PFAS contamination sites are being discovered worldwide, calling for a sophisticated strategy towards analytical characterization.[5] Since the number of known PFAS already exceeds 4700, the established sum parameters like extractable organic fluorine (EOF) and adsorbable organic fluorine (AOF) are key elements to fully survey the impact of exposure.[6] Simultaneously, innovative soil remediation strategies are required to contain environmental destruction and to minimize further spreading of contaminants.[7] Addressing these challenges requires suitable analytical devices that are capable of mobilizing PFAS in the solid as well as in the liquid phase. The use of combustion ion chromatography (CIC) enables analysis of both immobile and volatile PFAS and allows the detection of both total fluorine (TF) and EOF or AOF of a given soil or aqueous sample. Based on preliminary results, the clean-up of a PFAS contaminated matrix is monitored via EOF detection over time. Additionally, we tested the effectiveness of urea (CH₄N₂O) as fluoride scavenger with the aim to improve the separation of inorganic and organic fluorine and therefore, to improve AOF accuracy. The presented findings can be contributive with regard to future AOF/EOF sum parameter development and application.
In Europe, nearly 19 Mt/y of bottom ash (BA) are produced. Of this quota, only 46 %wt. was treated, often in poorly performing plants, leaving behind 10 Mt of untreated and unrecovered BA, destined to landfill. The resulting 2.14 Mt loss of valuable materials included 1 Mt mineral fraction and 0.97 Mt ferrous metals, mostly from untreated BA, and 0.18 Mt non-ferrous metals, mostly from unrecovered BA. For the coarser fractions, the main obstacle to BA being used as recycling aggregate is the content of salts and potential toxic elements (PTEs), concentrated in a layer that coats BA particles. For the fine BA fractions, usually underexploited and landfilled, it is estimated that up to 0.95 Mt/y of ferrous and non-ferrous metals are not recovered in Europe.
During the workshop, the key results of BASH Treat project will be presented: the results of 2 industrial tests performed in BA treatment plants in Germany and Sweden; a novel dry treatment for the removal of salts and PTEs from BA coarse particles; a wet process for the recovery of heavy metal compounds from the fine fraction; a technical-economic assessment of the EU potential for the optimization of BA management.
Per- and polyfluoroalkyl substances (PFAS) have been used extensively in the past because of their inert chemical character and resistance to degradation by environmental influences. Since the beginning of their commercial use, PFAS have been widely exposed to the environment by application of PFAS in consumer products or as foaming agent in firefighting foams, thus several cases of contaminated soils sites have been reported. Since the number of known PFAS already exceeds 4700, their characterization and direct analysis is challenging given the current available techniques. Here, we introduce the novel fluorine (F) K-edge X-ray absorption near-edge structure (XANES) spectroscopy as a tool to analyze PFAS and inorganic fluorine compounds in contaminated soils and sewage sludges. While F K-edge bulk-XANES spectroscopy provide us information on the overall fluorine bonding in a sample micro X-ray fluorescence (XRF) in combination with F K-edge micro-XANES spectroscopy can also detect minor fluorine compounds and PFAS hotspots in investigated soils and sludges. Additionally, we used the combustion ion chromatography (CIC) to analyze the total amount of all PFAS as a sum parameter (extractable organic fluoride: EOF) in soils and sewage sludges. During combustion in the CIC, the PFAS in the sample get destroyed at temperatures of approx. 1000 °C and converted in inorganic fluorides that subsequently gets quantified by ion chromatography. Thus, for the first time we successfully combined F K-edge XANES spectroscopy and CIC as analytical tools to detect and quantify PFAS contaminants in soils and sewage sludges.
In this study, nanoscopic particles of magnesium Fluoride (MgF2) and calcium fluoride (CaF2) also known as nano metal fluorides (NMFs), were evaluated for their potential to improve wood durability. Even though these fluorides are sparingly soluble, their synthesis in the form of nano-sized particles turns them into promising candidates for wood preservation. Their distinct property of low-water solubility is proposed to maintain long-lasting protection of treated wood by reducing the leaching of fluoride. Analytical methods were used to characterize the synthesized NMFs and their distribution in treated wood specimens. Transmission electron microscopy images showed that these fluoride particles are smaller than 10 nm. In nano metal fluoride (NMF) treated specimens, aggregates of these particles are uniformly distributed in the wood matrix as confirmed with scanning electron microscopy images and their corresponding energy-dispersive X-ray spectroscopy maps. The fluoride aggregates form a protective layer around the tracheid walls and block the bordered pits, thus reducing the possible flow path for water absorption into wood. This is reflected in the reduced swelling and increased hydrophobicity of wood treated with NMFs. The biocidal efficacy of NMFs was tested against brown-rot fungi (Coniophora puteanaand Rhodonia placenta), white-rot fungus (Trametes versicolor), and termites (Coptotermes formosanus). The fungal and termite tests were performed in accordance with the EN 113 (1996) and EN 117 (2012) standards, respectively. Prior to fungal tests, the NMF treated wood specimens were leached according to the EN 84 (1997)standard. Compared to untreated specimens, the NMF treated wood specimens have a higher resistance to decay caused by brown-rot fungi, white-rot fungus, and termites. Although all NMF treatments in wood reduce the mass loss caused by fungal decay, only the combined treatment of MgF2 and CaF2 has efficacy against both brown-rot fungi and white-rot fungus. Similarly, wood treated with the combined NMF formulation is the least susceptible to attack by C. formosanus.It is proposed that combining MgF2 and CaF2changes their overall solubility to promote the release of fluoride ions at the optimal concentration needed for biocidal efficacy against fungi and termites. In this thesis, it was proven that even after leaching, sufficient fluoride was present to protect NMF treated wood from fungal decay. This shows that NMFs are robust enough for above ground contact outdoor applications of wood, where permanent wetness cannot be avoided according to Use Class 3.2, as per the EN 335 (2013) standard. Also, they pose a low risk to human health and the environment because they are sparingly soluble. Since NMFs significantly reduce the decay of wood, the CO2 fixed in it will be retained for longer than in unpreserved wood. Overall, the novel results of this study show the potential of NMFs to increase the service life of building materials made from non-durable wood.
Antimon (Sb) wird in Industrieprodukten hauptsächlich als Flammschutzmittel in Kunststoff verwendet. Aufgrund solcher Zusätze in Kunststoffen landet etwa die Hälfte von Sb am Ende der Lebensdauer in der Verbrennung fester Siedlungsabfälle und folglich in relevanten Mengen in der erzeugten Bodenasche. Bei Kontakt mit Wasser ist die anfängliche Auslaugbarkeit gering, da Antimonat mit Ca2+ schwerlösliche Verbindungen bilden. Nach der Carnonatisierung der Verbrennungsasche (IBA) während der fortschreitenden Alterung nimmt der pH-Wert in den Sickerwasser ab. Mit abnehmender Ca-Konzentration im Eluat ändert sich das Lösungsgleichgewicht und Antimonate lösen sich auf.
In Deutschland ist beabsichtigt, Sb in IBA mit der geplanten Umsetzung der sogenannten Mantelverordnung (MantelVO, die Bestimmungen zur Verwertung von Mineralabfällen enthält) in naher Zukunft zu regulieren. Die im Entwurf festgelegten Grenzwerte können für IBA kritisch sein und stellen daher ein Risiko für die Verwendung der Mineralfraktion von IBA in den gut etablierten Recyclingwegen dar.
Die Thermische Abfallbehandlung in Abfallverbrennungsanlagen sorgt für eine Inertisierung des Restmülls bei gleichzeitiger Minimierung von abgas- und abwasserseitigen Emissionen. Da der Großteil der Rückstände in verwertbare Sekundärprodukte überführt wird, fördert die thermische Abfallbehandlung die Verwirklichung einer Circular Economy in Europa.
Das Jahr 2020 war vor allen Dingen von der Pandemie geprägt, die alle Bereiche des Lebens und Arbeitens beeinflusst hat und immer noch beeinflusst. Dies hat sich auch auf verschiedene Maßnahmen im Zusammenhang mit zugelassenen Produkten ausgewirkt. In diesem Zusammenhang sollen die Punkte kurz aufgeführt werden. Des Weiteren soll aufgezeigt werden, wie bei der Bearbeitung der Richtlinien, der Zulassungstätigkeit und Beurteilung der Produkte an der BAM und im Fachbeirat vorgegangen wird. Darüber hinaus soll noch einmal kurz auf die Entlassung aus der Nachsorgephase eingegangen werden. Am Ende sollen verschiedene aktuelle Fragestellungen des Fachbeirat aufgezeigt werden.
Das Jahr 2020 war vor allen Dingen von der Pandemie geprägt, die alle Bereiche des Lebens und Arbeitens beeinflusst hat und immer noch beeinflusst. Dies hat sich auch auf verschiedene Maßnahmen im Zusammenhang mit zugelassenen Produkten ausgewirkt. In diesem Zusammenhang sollen die Punkte kurz aufgeführt werden. Des Weiteren soll aufgezeigt werden, wie bei der Bearbeitung der Richtlinien, der Zulassungstätigkeit und Beurteilung der Produkte an der BAM und im Fachbeirat vorgegangen wird. Darüber hinaus soll noch einmal kurz auf die Entlassung aus der Nachsorgephase eingegangen werden. Am Ende sollen verschiedene aktuelle Fragestellungen des Fachbeirat aufgezeigt werden.
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.
Ziel des Vorhabens war die Steigerung der Rückgewinnung von Metallen aus Aschen und Schlacken durch Aufschluss aus den mineralischen Verbunden. Durch das innovative Prallzerkleinerungsverfahren (Hochgeschwindigkeits-Rotations-Beschleuniger) des Projektpartners TARTECH, sollten die Verunreinigungen an den metallischen Anteilen praktisch vollständig abgeschlagen werden. Diese Aufbereitungstechnik sollte im Rahmen des Projektes so verfeinert und angepasst werden, dass metallische Partikel von 0,5 bis 5 mm aufgeschlossen werden,
damit sie anschließend über Wirbelstromscheider in elementarer Form abgetrennt werden können.
Throughout their life cycle—from production, via usage, through to disposal—materials and products interact with the environment (water, soil, air). At the same time, they are exposed to environmental influences and, through their emissions, have an impact on the environment, people, and health. Accelerated experimental testing processes can be used to predict the long-term environmental consequences of innovative products before these actually enter the environment.
The aim of this Special Issue of the journal Materials is to publish original research and review articles as well as short communications tackling the problem of reliable environmental measurement methods and reporting exemplary case studies.
Mit der Novellierung der Bundes-Bodenschutz- und Altlastenverordnung (BBodSchV) (am 6.11.2020 im Bundesratsverfahren beschlossen) werden Regelungen zum Auf- und Einbringen von Bodenmaterial außerhalb der durchwurzelbaren Bodenschicht aufgenommen (sogenannte Verfüllungen). Ziel des Vorhabens war es, durch die Auswertung vorhandener und durchzuführender Untersuchungen eine Einstufung von Bodenmaterialien (jährlich fallen weit über 100 Mio. Tonnen davon an) für bestimmte Verwertungswege vornehmen zu können. Es sollte herausgefunden werden, ob Veränderungen hinsichtlich des Verwertungspotentials nachgewiesen werden können.
Basis für die Durchführung und Bewertung waren die neuen Regelungen (hier insbesondere die Untersuchung mit einem Wasser/Feststoffverhältnis von 2:1, neue nationale und europäische Elutions- und Untersuchungsverfahren) der novellierten BBodSchV. Der Fokus lag dabei auf den polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen (PAK) sowie ausgewählte anorganische Stoffe (Schwermetalle und Anionen) unter der Berücksichtigung unterschiedlicher Bodenmaterialien zur Verwertung.
Dabei handelte es sich um:
- Böden aus urban geprägten Gebieten,
- Oberböden aus dem Straßenrandbereich in Form von Bankettschälgut,
- Baggergut aus Gewässern mit Verdacht auf eine Kontamination,
- Bergematerial (Mischung von Abraum- und Bodenmaterial),
- Auenböden mit vermuteten Verunreinigungen aus Industrie und Gewerbe.
Anhand der vorgelegten Ergebnisse kann nun eine Versachlichung der Diskussion um Ressorcenschutz vs. Schadlosigkeit der Verwertung erfolgen. Sie zeigen für die untersuchten Stoffe, dass bei einer Einführung der §§ 6-8 Novelle BBodSchV mit einer Erhöhung der Verwertungsquote für Bodenmaterial gerechnet werden kann. Eine Erhöhung des Deponievolumens ist somit nicht zu befürchten. Neben den ermittelten Daten konnten Grundlagen für die Überarbeitung verschiedener DIN-Normen für Bodenuntersuchungen erarbeitet werden.