Projekt 08927/01

Förderschwerpunkt Bioabfallverwertung (3): Entwicklung eines Verfahrenskonzeptes zur Schwermetallabtrennung aus Klärschlamm für den Einsatz in der Biopolder-Technologie

Projektträger

Fraunhofer-Institut für Umweltchemie undÖkotoxikologie (IUCT)Außenstelle für Biochemische Ökotoxikologie
Arthur-Scheunert-Allee 114
14558 Bergholz-Rehbrücke

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Weiterentwicklung und verfahrenstechnische Optimierung der Biopolder-Technologie zur Abtrennung von Schwermetallen aus Klärschlämmen. Mittels Elution und anschließender Refixierung der Metalle aus dem Eluat an Eisenoxid (Hämatit) sollen die Schlämme soweit aufbereitet werden, dass diese im Sinne des Kreislaufwirtschafts- und Abfallgesetzes (KrW/AbfG) wiederverwertet werden können. Das verwendete Eisenoxiderz bleibt auch nach dem Einsatz verhüttungsfähig und kann von Stahlerzeugern eingesetzt werden (Rücknahmegarantien liegen vor).


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDie Biopolder-Technologie ist ein Abfallbehandlungsverfahren, mit dem schadstoffbelastete Klärschlämme so weit aufbereitet werden, dass diese nach der Behandlung im Sinne des Kreislaufwirtschafts- und Abfallgesetzes (KrW/AbfG) wiederverwertet werden können.
Prinzipiell sind Biopolder Erdbecken, in denen belastete Klärschlämme (z. B. Schwermetalle, Organika) gezielt durch folgende Verfahrensschritte, unter Nutzung natürlicher geo-/biochemischer Prozesse CO2-neutral und ohne Einsatz zusätzlicher Energiequellen aufbereitet werden. Folgende Verfahrensschritte sollten gleichzeitig erfolgen:
- Beschleunigter mikrobiologischer Abbau toxikologisch wirkender organischer Schlamminhaltsstoffe durch Einsatz von spezifisch adaptierten Mikroorganismen und Pflanzen.
- Abtrennung der Schwermetalle aus der Klärschlammschicht durch gezielte Mobilisierung und Elution. Die eluierten Schwermetalle sollen in einer Einsenerzschicht fixiert werden. Es war vorgesehen, die Eisenerzschüttung nach der Behandlung inklusive Schwermetallanreicherung zu verhütten.
Durch die Biopolderbewirtschaftung (Bepflanzung, Be- und Entwässerung, Belüftung) wird die Mineralisierung beschleunigt. Es kommt bei diesem Vererdungsprozess zur Strukturbildung im Klärschlamm und zu einer Veränderung der organischen Substanz in Richtung humusartiger Konsistenz.


Ergebnisse und Diskussion

Wesentliche Ergebnisse der Entwicklung eines Verfahrenskonzeptes zur Schwermetallabtrennung aus Klärschlämmen für den Einsatz der Biopolder-Technologie sind:
· Klärschlämme verhalten sich in Hinsicht auf eine Metallbindung sehr differenziert, daher gibt es kein allgemeingültiges Elutionsverfahren.
· Zur Elution eignen sich nur zum großen Teil vererdete Klärschlämme.
· Mit dem Elutionsmittel Wasser sind für die Schwermetallelution geogene Zeiträume anzusetzen.
· Relevante Elutionsraten der Schwermetallionfracht werden nur bei Überschreitung der Pufferkapazität der Schlämme erreicht, d. h. je niedriger der pH-Wert, desto größere Elutionsausbeuten sind zu erwarten.
· Die Elution wird nur unter Einsatz speziell ausgewählter Elutionsmittel, die dann die Rentabilität des Verfahrens wesentlich beeinflussen, möglich.
· Von den untersuchten Elutionsmittel ist Zitronensäure das effektivste Elutionsmittel. Etwa vergleichbare Resultate werden nur noch mit Salzsäure bzw. Salzsäure/Eisen(III)chlorid erzielt, deren Handhabung jedoch aus verfahrenstechnischer Sicht als schwieriger zu bewerten ist.
· Die Beurteilung der mikrobiellen Aktivität bezüglich des Abbaupotentials organischer Schadstoffe durch die Bestimmung der DH-Aktivität und der DMSO-Reduktionsrate neben der Gesamtkeimzahl ist möglich und notwendig.
· Die Verringerung des pH-Wertes auf für die Schwermetallelution interessante Werte vermindert bei allen untersuchten Elutionsmitteln die Gesamtkeimzahl erheblich.
· Organische Säuren haben aber nur eine schwach negative oder sogar positive Wirkung auf die DH-Aktivität und DMSO-Reduktionsrate.
· Mikrobielle Laugung (Leaching) der Klärschlämme führt zu einer mäßigen Erhöhung der Schwermetallelution. Besonders Pb und Dc werden eluiert. Die DH-Aktivität und die DMSO-Reduktionsrate sinken signifikant, deshalb ist unter ökonomischen und ökologischen Gründen ein großtechnischer Ein-satz fragwürdig.
· Die Metallionenabscheidung aus den Eluaten wurde an Hämatit (mauretanisches Tazadit) und einem speziellen Sortionsmittel auf Basis Eisenoxidhydrat (FerroSorp) untersucht.
· Beide Oxide sorbieren Schwermetalle in einem Arbeitsbereich = 5 gut, das Sorptionsverhalten folgt der Langmuir-Isotherme.
· Das FerroSorp mit der wesentlich größeren spezifischen Oberfläche bindet eine deutlich größere Metallionenfracht als das Hämatit.
· Für Hämatit ergibt sich geordnet nach fallender Bindungskapazität als Sorptionsabfolge:
Cu2+ > Pb2+ > Ni2+ > Zn2+ >> Cd2+.
· Die Klärschlammeluate konnten abgereichert werden, wenn der pH-Wert der Metallsalzlösungen =5, optimal im Neutralbereich liegt
· Aus Eluaten, die unter Verwendung von Komplexbildnern wie Zitronensäure hergestellt wurden, las-sen sich keine Metallionen auf dem Hämatit sorbieren.
· Unter Verwendung von Silowässern wurde keine akzeptable Metallionenelution erreicht. Die Metallionenabscheidung auf dem Erz war aus derartigen Wässern möglich.
· Aus Meerwasser als Eluent lassen sich die Metallionen schlechter als aus Elutionen mit 0,1 N HCI (neutralisiert auf Ph 5) aus dem Erz abscheiden.
· Einer Umsetzung der Versuchsergebnisse in ein großtechnisches Biopolderverfahren stehen bei derzeitigem Kenntnisstand entgegen:
- die mangelhafte Eluierbarkeit frischer Klärschlämme
- wirtschaftliche, ökologische u. sicherheitstechn. Aspekte (0,1 N HCI od. ähnlich saure Elutionsmittel)
- Behinderung der mikrobiellen Aktivität durch die Elutionsmittel und damit wahrscheinlich eine Verzögerung des Abbaus organischer Schadstoffe.
- Die Notwendigkeit der Teilneutralisation der Eluate für die Erzpassage und die mit diesem Verfahrensschritt verbundene Aufsalzung der im Kreislauf einzusetzenden Eluatwässer.


Fazit

Das Biopolder-Verfahren eignet sich nicht zur Entgiftung frischer Klärschlämme.