16. Mai 2023
Henriette zu Doha
biochar | Pflanzenkohle | biosolids | PFAS | PFAS | phosphorus fertilizer | Klärschlamm | Unkategorisiert

Karbo­ni­sie­rung von Klär­schlamm entfernt Schad­stoffe für Umwelt und mensch­liche Gesundheit

Das Recy­cling von Klär­schlamm durch Pyro­lyse schafft hoch­wer­tige Pflan­zen­kohle, die wert­vollen Phos­phor enthält, einen wesent­li­chen Nähr­stoff für das Pflan­zen­wachstum. Darüber hinaus bietet die Karbo­ni­sie­rung Kommunen eine sichere und rentable Kreis­lauf­wirt­schafts-Lösung, da sie erneu­er­bare Energie erzeugt, während die Biochar sowohl land­wirt­schaft­liche Vorteile bietet als auch Kohlen­stoff bindet.
Die gesteu­erte Karbo­ni­sie­rung hat aber einen weiteren wesent­li­chen Vorteil: Sie hygie­ni­siert die toxi­schen und verun­rei­nigten Klär­schlämme und schützt dadurch Mensch und Natur.

Compu­ter­ge­steu­erter Prozess

Kern­stück der PYREG-Tech­no­logie ist der paten­tierte Reaktor in Kombi­na­tion mit der nach­ge­schal­teten FLOX-Brenn­kammer („FLOX“ steht für flam­men­lose Oxida­tion). Im Reaktor wird das Rohma­te­rial unter weit­ge­hender Abwe­sen­heit von Luft bei hohen Tempe­ra­turen von etwa 500 bis 700 °C für mehrere Minuten erhitzt. Die compu­ter­ge­steu­erten Prozess­pa­ra­meter – wie Förder­ge­schwin­dig­keit des Einsatz­ma­te­rials, Tempe­ratur und Luft­zu­fuhr – sind der Schlüssel zum Recy­cling­er­folg. Dabei bleibt der Phos­phor für die Pflanzen voll­ständig verfügbar. Und mehr noch: Diese Klär­schlamm­be­hand­lung bietet ein großes Poten­zial zur Entfer­nung vieler Schad­stoffe mit hoher ökolo­gi­scher und gesund­heit­li­cher Bedeutung.

Karbo­ni­sie­rung vernichtet Krankheitserreger

Klär­schlamm entsteht haupt­säch­lich aus mensch­li­chen Ausschei­dungen. Natür­lich enthält der Schlamm Sporen, Krank­heits­er­reger und Pyro­gene, die für die öffent­liche Gesund­heit bedenk­lich sind.[1] Die Stan­dard­hy­gie­ni­sie­rung von Klär­schlamm (z. B. Erhitzen des Schlamms auf 70 °C) besei­tigt nicht alle diese Schadstoffe.

Die Prozess­be­din­gungen der Pyro­lyse (> 350 °C für mehrere Minuten) sind sogar wesent­lich härter als die zuge­las­senen Steri­li­sa­ti­ons­be­din­gungen. Dementspre­chend elimi­niert die Pyro­lyse alle im Klär­schlamm enthal­tenen Krankheitserreger[2] und Pyro­gene – einschließ­lich Bakte­rien, Pilze, Viren, Sporen, Para­siten, Anti­bio­ti­ka­re­sis­tenz­gene usw. Das Endpro­dukt, d. h. die Biochar (Pflan­zen­kohle), ist frei von Gefahren für die öffent­liche Gesundheit.

Pyro­lyse besei­tigt Mikro­ver­un­rei­ni­gungen aus Klärschlamm

Aufgrund der Mikro­ver­un­rei­ni­gungen in Klär­schlämmen werden zuneh­mend Bedenken hinsicht­lich der Ausbrin­gung von Klär­schlämmen auf land­wirt­schaft­li­chen Flächen geäu­ßert. Jüngste wissen­schaft­liche Unter­su­chungen haben gezeigt, dass die Pyro­lyse mehrere Arten von Mikro­ver­un­rei­ni­gungen zerstört oder entfernt:

Orga­ni­sche Schad­stoffe (z. B. Phar­ma­zeu­tika, hormon­stö­rende Moleküle):

Wissen­schaft­liche Erkennt­nisse zeigen, dass bei ausrei­chend hohen Pyro­ly­se­tem­pe­ra­turen (> 500 °C) und langer Dauer (> 3 min) alle orga­ni­schen Refe­renz­schad­stoffe und Mikro­ver­un­rei­ni­gungen voll­ständig oder nahezu voll­ständig abge­baut oder aus dem Fest­stoff ausge­trieben wurden. In einer 2019 veröf­fent­lichten Studie des Bundesumweltamtes[3] wurden die Rück­stände verschie­dener phar­ma­zeu­ti­scher Klär­schlämme nach einer pyro­ly­ti­schen Behand­lung bei über 500 °C analy­siert. Alle unter­suchten Phar­ma­zeu­tika lagen nach dem Prozess unter der Nach­weis­grenze. Die Autoren schluss­fol­gern: „Mit thermo-chemi­schen Behand­lungen (d.h. Pyro­lyse) wird eine voll­stän­dige Zerstö­rung der phar­ma­zeu­ti­schen Rück­stände erreicht. Es sind keine weiteren tech­ni­schen Behand­lungs­maß­nahmen erforderlich.“

PFAS:

Per- und Poly­flu­or­al­kyl­sub­stanzen (PFAS) werden durch den Prozess der Pyro­lyse besei­tigt. Kundu et al. (2021)[4] fanden heraus, dass mehr als 90 % der PFOS und PFOA in Klär­schlamm durch ein inte­griertes Verfahren aus Pyro­lyse und Verbren­nung zerstört wurden. Eine Unter­su­chung des US EPA Office of Rese­arch and Deve­lo­p­ment (2021)[5] an der kommer­ziell instal­lierten PYREG-Anlage des US-Unter­neh­mens Biof­orce­tech zeigt, dass die Pyro­lyse bei 600 °C für 10 Minuten und die Verbren­nung der Pyro­ly­se­gase bei 850 °C PFAS aus Klär­schlamm besei­tigen. Biof­orce­tech (2021)[6] hat über 38 PFAS-Verbin­dungen berichtet, die alle in der Biokohle in ihrem Pyro­lyse- und Pyro­ly­se­gas­ver­bren­nungs­pro­zess unter der Nach­weis­grenze gehalten oder entfernt wurden.

PAK:

Die Ausbrin­gung von Klär­schlamm auf land­wirt­schaft­lich genutzten Flächen ist in Europa weit verbreitet, obwohl die Schlämme poten­ziell einen hohen Gehalt an toxi­schen poly­zy­kli­schen aroma­ti­schen Kohlen­was­ser­stoffen (PAK) aufweisen. Richtig konzi­pierte Pyro­ly­se­ver­fahren können diese chemi­schen Verbin­dungen besei­tigen, so dass Biokohle mit einem PAK-Gehalt unter­halb der Grenz­werte oder sogar der Nach­weis­grenze entsteht: Moško et al. (2021)[7] wiesen nach, dass die lang­same Pyro­lyse bei > 400 °C mehr als 99,8 % der unter­suchten PCB, PAK, endo­krin wirk­samen Chemi­ka­lien und hormo­nellen Verbin­dungen entfernt. Die Autoren stellen fest: „Durch lang­same Pyro­lyse bei hohen Tempe­ra­turen (> 600 °C) können orga­ni­sche Schad­stoffe zufrie­den­stel­lend aus dem entste­henden Schlamm­teig entfernt werden, der sicher als Boden­ver­bes­se­rungs­mittel einge­setzt werden könnte“.

Pyro­lyse besei­tigt Mikro­plastik aus Klärschlamm

Unter­su­chungen zeigen, dass Klär­schlamm eine Senke für Mikro­plastik ist. Daher ist eine wirk­same Zerklei­ne­rung der Kunst­stoff­frag­mente von entschei­dender Bedeu­tung für eine mögliche Ausbreitung.[8] Ni et al. (2020)[9] stellten fest, dass „Poly­ethylen und Poly­pro­pylen, die beiden häufigsten Mikro­plas­tikarten im Klär­schlamm, bei einer Pyro­ly­se­tem­pe­ratur von 450 °C voll­ständig abge­baut wurden.“ Die Gesamt­kon­zen­tra­tion von Mikro­plastik wurde bei Pyro­ly­se­tem­pe­ra­turen von 500 °C von 550,8 – 960,9 auf 1,4 – 2,3 Partikel/g redu­ziert. Es blieb kein Mikro­plastik mit einer Parti­kel­größe von 10-50 μm übrig.

Zur Veran­schau­li­chung des Verhal­tens von Kunst­stoffen bei der Hoch­tem­pe­ra­tur­be­hand­lung (z. B. bei der Pyro­lyse) sind in Abbil­dung 1 die Kurven der ther­mi­schen Zerset­zung von PE und PP darge­stellt. Die ther­mi­sche Zerset­zung von PE und PP zeigt einen drama­ti­schen Massen­ver­lust zwischen 400 °C und 500 °C, während sich das Mate­rial ober­halb von 500 °C „voll­ständig zersetzt, ohne nennens­werte Rück­stände zu hinterlassen“[10] PET, ein für Klär­schlamm sehr rele­vanter Kunst­stoff, beginnt sich bei einer Tempe­ratur von über 450 °C zu zersetzen und geht in die Gasphase über. Die Zerset­zung von PET ist bei Tempe­ra­turen über 500 °C in weniger als einer Minute (α = 1) beendet[11]. Die gecrackten Gase haben einen hohen Heiz­wert und können zur Ener­gie­er­zeu­gung genutzt werden. Somit ist die Pyro­lyse von Klär­schlamm eine gute Methode, um Mikro­plastik in der Umwelt dras­tisch zu reduzieren.

Abbil­dung 1: TG-Scans von PE und PP, gemessen bei konstanter Heiz­rate in zwei verschie­denen Test­um­ge­bungen: inerte Atmo­sphäre und Luft[12].

Quellen:

[1]  Huygens, D., Garcia-Gutierrez, P., Orveillon, G., Schil­laci, C., Delre, A., Orgi­azzi, A., Wojda, P., Tonini, D., Egle, L., Jones, A., Pistocchi, A. and Lugato, E., Scree­ning risk assess­ment of organic pollut­ants and envi­ron­mental impacts from sewage sludge manage­ment, EUR 31238 EN, Publi­ca­tions Office of the Euro­pean Union, Luxem­bourg, 2022, ISBN 978-92-76-57322-7 (online), doi:10.2760/541579 (online), JRC129690.

[2]  Paz-Ferreiro, Jorge, Aurora Nieto, Ana Méndez, Matthew Peter James Askeland, and Gabriel Gascó. 2018. „Biochar from Bioso­lids Pyro­lysis: A Review“ Inter­na­tional Journal of Envi­ron­mental Rese­arch and Public Health 15, no. 5: 956. https://doi.org/10.3390/ijerph15050956

[3]  Bundes­um­weltamt (2019) Arznei­mit­tel­rück­stände in Rezy­klaten der Phos­phor­rück­ge­win­nung aus Klär­schlämmen, Umwelt­for­schungs­plan des Bundes­mi­nis­te­riums für Umwelt, Natur­schutz und nukleare Sicher­heit, Forschungs­kenn­zahl 3715 33 401 0, UBA-FB 002724 (https://www.umweltbundesamt.de/sites/default/files/medien/1410/publikationen/2019-03-29_texte_31-2019_arzneimittelrueckstaende-klaerschlamm_v2.pdf)

[4]  Kundu, S., Patel, S., Halder, P., Patel, T., Mary­bali, M. H., Pramanik, B. K., Praz-Ferreiro, J., Figuei­redo, C. C., Berg­mann, D., Sura­pa­neni, A., Megharaj, M., Shah, K., Removal of PFASs from bioso­lids using a semi-pilot scale pyro­lysis reactor and the appli­ca­tion of bioso­lids derived biochar for the removal of PFASs from conta­mi­nated water, Environ. Sci.: Water Res. Technol., 2021, 7, 638–649

[5]  Gullet, B., EPA PFAS inno­va­tive treat­ment team (PITT) findings on PFAS destruc­tion tech­no­lo­gies, EPA Tools & Resources Webinar February 17, 2021

[6]  https://ccag.ca.gov/wp-content/uploads/2020/02/BFT_FEB_2020-1.pdf

[7]  Moško J, Pohořelý M, Cajt­haml T, Jere­miáš M, Robles-Aguilar AA, Skoblia S, Beňo Z, Inne­ma­nová P, Linhar­tová L, Mich­alí­ková K, Meers E. Effect of pyro­lysis tempe­ra­ture on removal of organic pollut­ants present in anae­ro­bically stabi­lized sewage sludge. Chemo­sphere. 2021 Feb;265:129082. doi: 10.1016/j.chemosphere.2020.129082. Epub 2020 Nov 23. PMID: 33309446

[8]  Charles Rolsky, Varun Kelkar, Erin Driver, Rolf U. Halden, Muni­cipal sewage sludge as a source of micro­pla­s­tics in the envi­ron­ment, Current Opinion in Envi­ron­mental Science & Health, Volume 14, 2020, Pages 16-22, ISSN 2468-5844, https://doi.org/10.1016/j.coesh.2019.12.001.

[9]  Ni, B., Zhu, Z., Li, W., Yan, X., Wei, W., Xu, Q., Xia, Z., Dai, X., & Sun, J. (2020). Micro­pla­s­tics Miti­ga­tion in Sewage Sludge through Pyro­lysis: The Role of Pyro­lysis Tempe­ra­ture. Envi­ron­mental Science and Tech­no­logy Letters, 7, 961-967.

[10]  Sudip Ray, Ralph P. Cooney, chapter 9 – Thermal degra­da­tion of polymer and polymer compo­sites, Myer Kutz, Hand­book of envi­ron­mental degra­da­tion of mate­rials (third edition), william Andrew publi­shing, 2018, pp. 185-206, https://doi.org/10.1016/B978-0-323-52472-8.00009-5

[11]  Osman, A.I., Farrell, C., Al-Muhtaseb, A.H. et al. Pyro­lysis kinetic model­ling of abun­dant plastic waste (PET) and in-situ emis­sion moni­to­ring. Environ Sci Eur 32, 112 (2020). https://doi.org/10.1186/s12302-020-00390-x https://www.researchgate.net/figure/Reaction-progress-a-versus-the-temperature-for-the-PET-pyrolysis-where-the-coloured-and_fig1_343994995.

[12]  Sudip Ray, Ralph P. Cooney, chapter 9 – Thermal degra­da­tion of polymer and polymer compo­sites, Myer Kutz, Hand­book of envi­ron­mental degra­da­tion of mate­rials (third edition), william Andrew publi­shing, 2018, pp. 185-206, https://doi.org/10.1016/B978-0-323-52472-8.00009-5

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