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Systematische Untersuchungen zur Rückgewinnung von Phosphor aus Klärschlammaschen unter besonderer Berücksichtigung von Feuerungsparametern

Am IVD wurden bereits umfangreiche Versuche zur thermischen Behandlung von Klärschlämmen mit unterschiedlichen Verfahren durchgeführt. In einer Vielzahl von Forschungsprojekten wurde darüber hinaus das Verhalten anorganischer und mineralischer Brennstoffinhaltsstoffe in Verbrennungsprozessen untersucht. Dabei konzentrierten sich die bisherigen Arbeiten auf fossile Brennstoffe (Stein- bzw. Braunkohlen) und Biomassen. Das Verhalten anorganischer Brennstoffinhaltsstoffe und die Vorgänge bei der Aschebildung von Klärschlamm während der Verbrennung sind deshalb so gut wie unbekannt. Insbesondere Umwandlungsvorgänge des im Klärschlamm enthaltenen Phosphors bei der thermischen Behandlung sind hinsichtlich einer eventuellen Phosphorrückgewinnung nicht untersucht. Deshalb sollen im Rahmen dieses Forschungsprojekts erstmalig die Aschebildungsvorgänge bei der thermischen Behandlung unterschiedlicher Klärschlämme (v. a. im Hinblick auf Phosphor) untersucht werden. Es werden Klärschlämme aus unterschiedlichen Kläranlagen eingesetzt, da die eingesetzten Verfahren zur Phosphorelimination in den Kläranlagen entscheidenden Einfluss auf die Bindungsform und den Gehalt des Phosphors im Schlamm ausüben. Ebenfalls variiert werden die Verfahren der thermischen Behandlung, v.a. im Hinblick auf Temperatur und Gasatmosphäre (oxidierend/reduzierend). Somit werden systematisch die Hauptparameter für die Aschebildung bei der thermischen Behandlung von Klärschlamm untersucht. Die Forschungsergebnisse ermöglichen eine Bewertung der Klärschlammaschen bezüglich ihrer Eigenschaften als Sekundärrohstoff. Die Ergebnisse dieses Forschungsprojekts sind darüber hinaus allgemein für alle ascherelevanten Vorgänge sowohl bei der Mono- als auch bei der Mitverbrennung von Klärschlamm von Interesse, da phosphorhaltige Brennstoffinhaltsstoffe sowohl im Feuerraum (z.B. Verschmutzung auf Wärmetauscherflächen) als auch im Rauchgaszug (z.B. Katalysatordeaktivierung) den Betrieb einer Feuerungsanlage negativ beeinflussen können.

In-Situ Sanierungstechnologien, Machbarkeitsstudie zum Einsatz von chemischer Oxidation zur Sanierung von CKW-Kontaminationen (Quellensanierung)

Halogenierte Kohlenwasserstoffe können aufgrund ihrer hohen Dichte als organische Phase in den Grundwasserkörper eindringen. Derartige Altlasten sind häufig nur mit größtem Aufwand zu sanieren. Eine Sanierungsmöglichkeit ist der Abbau solcher organischer Schadstoffe mit Hilfe eines chemischen Oxidationsmittels. Geeignete Oxidationsmittel sind z.B. Kalium- oder Natriumpermanganat. Diese können als wässrige Lösung in den gesättigten Bereich infiltriert werden. Im Rahmen einer Machbarkeitsstudie wurde die in der Literatur beschriebene grundsätzliche Anwendbarkeit der chemischen In-situ-Oxidation (in der englischsprachigen Literatur als In-Situ Chemical Oxidation (ISCO) bekannt) in klein- und mittelskaligen Versuchen in VEGAS unter realitätsnahen Bedingungen untersucht und die Übertragbarkeit auf den Feldmaßstab überprüft. Solche grundlegenden Untersuchungen fehlen bislang in der Literatur, sind aber eine wichtige Voraussetzung für die Anwendung insbesondere vor dem genehmigungsrechtlichen Hintergrund. Hauptziel der Machbarkeitsstudie ist es, in systematischen Untersuchungen die Randbedingungen zu finden, unter denen der Einsatz von chemischer Oxidation zur Quellensanierung von CKW Kontaminationen sinnvoll ist. Grundlagenuntersuchungen, primär aus den USA, belegen die generelle Eignung von chemischer Oxidation insbesondere unter Einsatz von Permanganat zur Mineralisierung von CKW (z.B. Trichlorethen und Tetrachlorethen). Es sind aber auch Anwendungsfälle beschrieben, die hierzu widersprüchliche Ergebnisse geliefert haben. Hauptziel der hier beschriebenen Untersuchungen ist es, systematisch die Randbedingungen zu finden, unter denen der Einsatz von chemischer Oxidation zur Quellensanierung von CKW Kontaminationen sinnvoll ist: 1.Existieren Unterschiede im Oxidationsverhalten von Natrium- und Kaliumpermanganat? 2.Wie hängt der Verbrauch an Oxidationsmittel mit dem Gehalt an organischen Kohlenstoff im Boden zusammen? 3.Wie verhält sich die Konkurrenz in Bezug auf Oxidationsmittelbedarf zwischen Schadstoff und Bodenmatrix? (Inwieweit wird der Verbrauch durch den natürlichen Kohlenstoffgehalt des Bodens dominiert?) 4.Wie hoch ist der Langzeitverbrauch der Bodenmatrix an Oxidationsmittel? 5.Wie groß ist der Einfluss der Braunsteinbildung auf die hydraulische Leitfähigkeit und die Oxidationsrate bei Verwendung von Permanganaten? 6.Wie stark ist der zu erwartende Rebound-Effekt nach Beendigung der Injektion des Oxidanten? Die Beantwortung dieser Fragen ist essentiell, um eine genauere Planung des Bedarfs an Oxidant sowie eine optimierte Einsatzweise zu ermöglichen. Dadurch kann die Anwendbarkeit von chemischer Oxidation an konkreten Standorten ermittelt werden.

Lärm in der schulischen Umwelt und kognitive Leistungen bei Grundschulkindern, Teil A: Umwelt- und bauakustische Untersuchungen

Ziele: In einem interdisziplinären Projekt wurden die Wirkungen der akustischen Bedingungen in Klassenräumen auf Sprachverstehen, kognitive Leistungen, Lärmbelastung und Schuleinstellungen der dort unterrichteten Grundschulkinder analysiert. Hierdurch konnten die Bedeutung der Klassenraumakustik für das schulische Lernen dokumentiert und begründete Empfehlungen für die akustische Gestaltung von Klassenräumen formuliert werden.; Vorgehensweisen: In Grundschulklassenräumen der Region Stuttgart wurden umfassende raum- und bauakustische Messungen durchgeführt. Aus dieser Datenbasis wurden 21 Klassenräume ausgewählt, die hinsichtlich der Lärmbelastung von außen (Verkehr, Schulhof etc.) vergleichbar waren, sich jedoch hinsichtlich der raumakustischen Qualität (Nachhallzeiten) deutlich unterschieden. Sprachverstehen, kognitive Leistungen, Lärmbelastung und Schuleinstellungen der in den Klassenräumen unterrichteten Kinder wurden anhand von Leistungstests und Fragebögen erfasst. Der Einfluss der Nachhallzeit im Klassenraum auf diese Variablen wurde mit varianzanalytischen Verfahren geprüft. ; Ergebnisse: Die Wirkungen der Nachhallzeiten im Klassenraum auf Sprachverstehen, kognitive Leistungen, Lärmbelastung und Schuleinstellungen bei Erst- und Zweitklässlern wurden analysiert. Es zeigten sich signifikante Effekte der Nachhallzeit auf Sprachverstehens- und Kurzzeitgedächtnisleistungen. Kinder, die in akustisch ungünstigen Klassenräumen unterrichtet wurden, zeigten schlechtere Leistungen bei Aufgaben zur Lautverarbeitung, berichteten eine höhere Belastung durch Innenlärm im Klassenraum und beurteilten die Beziehungen zu ihren Lehrkräften und Mitschülern weniger positiv als Kinder aus akustisch günstigen Räumen. Die Ergebnisse dokumentieren die Bedeutung optimaler Klassenraumakustik für das schulische Lernen

In-Situ Sanierungstechnologien: Machbarkeitsstudie zum Einsatz von Eisenkolloiden zur Sanierung von CKW-Kontaminationen (Fahnensanierung), Teil 2

Es soll ein neues in-situ-Sanierungsverfahren für CKW-kontaminierte Aquifere auf der Basis von nanoskaligen, oberflächenmodifizierten Fe(0)-Kolloiden und einer darauf abgestimmten lnjektionstechnik entwickelt werden. Im Vergleich zu herkömmlichen Pump&Treat-Maßnahmen oder Reaktiven Wänden ist bei einer Partikelinjektion ein erheblich geringerer finanzieller Aufwand zu erwarten. FZK-Arbeitsgebiet: Optimierung der Synthese der Eisenkolloide hinsichtlich der Suspensionsstabilität und der Oberflächenmodifizierung mit biologisch abbaubaren Tensiden. Charakterisierung der Kinetik und des Wirkungsgrades der CKW-Reduktion. Durchführung von Säulenversuchen zur Charakterisierung des Partikeltransports im Sediment, insbesondere hinsichtlich Partikeltransport und Depositionsrate. VEGAS-Arbeitsgebiet: Entwicklung eines Verfahrens zum gleichmäßigen Verteilung der Kolloide im Grundwasserleiter. Die optimierten Eisenkolloide in Kombination mit einem geeigneten lnjektionsverfahren sowie die Kenntnisse über die Deposition und Mobilisierung der Partikel im Aquifer sollen die definierte Basis zur Durchführung von Sanierungen im Pilotmaßstab an geeigneten Feldstandorten liefern.

Feststellung und Modellierung der kurzfristigen Jahresdynamik und kleinräumlichen Variabilität von endogäischen Insekten auf Bodendauerbeobachtungsflächen in Baden-Württemberg - Erhöhung der Aussagekraft des Monitoringprogramms in Rheinauen

Nach Paragraph16 BodSchG Ba-Wü finden auf Bodendauerbeobachtungsflächen (BDF) in Baden-Württemberg innerhalb des langfristigen Monitoringprogramms bodenbiologische Untersuchungen statt. Diese Untersuchungen konnten bisher langfristige Veränderungen aufweisen. Aufgrund fehlender Hintergrundinformationen bzgl. räumlicher Variation und kurzfristiger Jahresdynamik sind jedoch Aussagen zu kurzfristigen Auswirkungen natürlicher bzw. anthropogen-bedingter Ereignisse durch das bestehende Untersuchungsprogramm z.Zt. nur eingeschränkt möglich. Außerdem sind aufgrund unpräziser Untersuchungsrichtlinien Unterschiede in den Ergebnissen verschiedener Sachbearbeiter z.Zt. nicht ausgeschlossen. Das vorliegende Vorhaben wird auf BDF der Rheinauen, für die langfristige Daten vorliegen, an bisher bewährten Indikatororganismen (endogäische Insekten) die notwendigen Hintergrundinformationen zu kleinräumigen Variationen und kurzfristiger zeitlicher Dynamik feststellen und liefern. Aus den gewonnenen Daten werden Modelle der genauen jährlichen Entwicklungen aufgestellt, mit denen zukünftige Untersuchungen verglichen werden können. Weiterhin werden die Untersuchungsrichtlinien für den betroffenen BDF präzisiert und standardisiert. Hierdurch wird der Indikatorenwert der untersuchten Organismen und die Aussagekraft und Prognosefähigkeit zukünftiger Daten auf den BDF - auch bzgl. der Auswirkung kurzfristiger Ereignisse - erhöht.

Stoffstromanalysen für kleine und mittlere Flussgebiete als Grundlage für die Planung und Umsetzung von Gewässerschutzmaßnahmen II

Die EU-Wasserrahmenrichtlinie stellt der Wasserwirtschaft u.a. die Aufgabe, die Stoffeintrage in die Gewässer zu quantifizieren und in erforderlichem Umfang zu vermindern, um einen guten Zustand der Gewässer zu erreichen oder zu sichern. Vor diesem Hintergrund ist es erforderlich, auf einer maßnahmenrelevanten Maßstabsebene Instrumentarien zur Quantifizierung der Stoffeinträge zu entwickeln und für die Praxis bereitzustellen. Ein Beitrag zur Lösung dieser Aufgabe soll mit dem beantragten Vorhaben geleistet werden. Am Beispiel eines intensiv landwirtschaftlich genutzten Einzugsgebietes sollen auf Grundlage existierender und weiterentwickelter Modellansätze relevante Eintragspfade identifiziert und belastungsmindernde Maßnahmen abgeleitet werden. Zur Datenaufbereitung und Analyse sowie zur Visualisierung der Ergebnisse (Ist-Zustand, Szenarien) wird ein Geografisches Informationssystem eingesetzt. Die wissenschaftliche Innovation ist in der Tatsache zu sehen, dass der zu erreichende Maßnahmenbezug eine hohe Auflösung (Fläche/Pfad) der Einzelansatze erfordert und dennoch ein transparentes, in der Praxis anwendbares Gesamtmodell entstehen muss. Die bisher verfügbaren Ansätze zeichnen sich entweder durch hohe Detailliertheit und mangelnde Übertragbarkeit/Anwendbarkeit aus oder sie sind allgemein anwendbar, liefern jedoch nur Orientierungswerte. Das beantragte Vorhaben baut auf einem gleichnamigen Vorprojekt auf, in dem die erforderliche Datenbasis erarbeitet wurde und die bestehenden Defizite sowie mögliche Lösungsansätze quantitativ dargelegt werden konnten.

Elimination von Phosphor aus Produktionsabwässern der Oberflächentechnik

Nickel-Phosphor-Legierungsschichten finden Einsatz sowohl für den Korrosions- und Verschleißschutz als auch in den Bereichen Kunststoffmetallisierung / Shielding / Endoberflächen für die Elektronik. Der aktuelle Umsatz in Deutschland alleine an Chemie für diese Technologie wird auf jährlich 30-40 Mio. DM/a geschätzt, mit steigender Tendenz aufgrund zunehmender Einsatzbereiche für diese Schichten. Die Abscheidung von Nickel-Phosphor-Legierungen erfolgt in der Regel aus außenstromlosen Elektrolyten (Chemisch Nickel-Elektrolyten) durch Reduktion von Nickelionen mit Hilfe von Natriumhypophosphit (NaH2PO2). Dieses wird in dabei zu Natriumorthophoshit (NaH2PO3) umgesetzt, das sich über die gesamte Standzeit des Elektrolyten auf Größenordnungen von bis zu 100g Phosphor pro Liter anreichert. Weder bei der üblichen chemisch-physikalischen Behandlung der verbrauchten Elektrolytlösung, noch bei der anschließenden Weiterbehandlung der Abwässer in der kommunalen Kläranlage erfolgt mit den derzeit eingesetzten Verfahren eine Elimination des Orthophosphits. Dadurch erfolgt letztendlich ein Eintrag der gesamten Phosphorfracht in die öffentlichen Gewässer. Im Vorhaben soll deshalb ein Verfahren zur ökologisch und ökonomisch vertretbaren Entfernung von Orthophosphit aus verbrauchten außenstromlosen Nickelelektrolyten entwickelt werden. Die anlagentechnische Umsetzung dieses Verfahrens in Form eines Prototypen soll konzipiert und in einem zu definierenden Folgeprojekt realisiert werden. Das Vorhaben soll in enger Zusammenarbeit mit einer mittelständischen Lohngalvanik (Fa. Rieger Metallveredlung, Steinheim) durchgeführt werden, der sowohl als Anwender wie auch als Entsorger außenstromloser Nickelelektrolyte von dieser Problematik unmittelbar betroffen ist. Die DGO (Deutsche Gesellschaft für Galvano- und Oberflächentechnik) schätzte Mitte 1994 die Zahl der Lohngalvaniken in Deutschland auf ca. 850, die der Betriebsgalvaniken auf ca. 3000. Alleine Fa. Rieger behandelt jährlich ca. 400 m3 Chemisch Nickel-Elektrolyte. Bei einer Konzentration von 100 g/l resultiert daraus ein Phosphor-Eintrag in die Umwelt von ca. 40 t/a.

Lösungsmittelrückgewinnung durch Absorption und Pervaporation

Aufbauend auf den Erkenntnissen dreier vom PEF gefoerderter Vorhaben soll ein neuartiges Verfahren zur Rueckgewinnung von wasserunloeslichen fluechtigen organischen Verbindungen aus Abluft untersucht werden. Das Verfahren besteht aus den Prozessschritten Absorption, Membranpervaporation und Kondensation. Als Absorptions- und Traegerfluessigkeit dient ein Adipinsaeureester. Zur Erprobung des Verfahrens steht eine betriebsbereite halbtechnische Versuchsanlage zur Verfuegung, die im Rahmen eines bereits abgeschlossenen PEF-Projektes errichtet wurde. Ziel des Vorhabens ist der Funktionsnachweis, die Ermittlung von Leistungsdaten und die Bereitstellung von Auslegungsdaten und -programmen fuer die technische Anwendung.

Nachwachsende Energieträger und Biodiversität: naturschutzbezogene und ökonomische Entwicklung und Bewertung von Anbauszenarien (NawEnNat), Teil 2

Übergeordnetes Ziel des Projekts 'NawEnNat' ist es Rahmenbedingungen aufzuzeigen, unter denen die Förderung des Anbaus landwirtschaftlicher Bioenergieträger die Selbstversorgungsquote an Nahrungsmitteln nicht wesentlich verändert und die Belange des Naturschutzes nicht nachhaltig beeinträchtigt. Über die Modellierung von Szenarien mit variablem Ausbau der Bioenergie und variabler Berücksichtigung des Naturschutzes in der Agrarlandschaft werden 'Trade-offs' aber auch Synergieeffekte von Zielen der Bioenergiegewinnung und des Naturschutzes analysiert. Die Analysen beziehen sich auf Acker- und Grünlandnutzung, die Nutzung des Waldes wird nicht berücksichtigt. Für jedes Szenario werden Kennwerte zur Ökonomie und zur Emission von Treibhausgasen ermittelt und eine naturschutzfachliche Bewertung bzgl. des Schutzguts 'Arten und Biotope' erstellt. Zudem werden landesweite Flächenkulissen mit Vorbehalt bzw. Eignung 'neuer' Energiekulturen wie Miscanthus, Kurzumtriebsplantagen (KUP) aus Sicht des Naturschutzes erarbeitet. Im Rahmen des BWPLUS-Projekts 'Abschätzung der Produktionspotenziale für den Anbau von Energiepflanzen zur Reduktion der CO2-Emissionen in Baden-Württemberg und deren ökologische und ökonomische Bewertung' wird eine Folgenabschätzung hinsichtlich abiotischer Schutzgüter durchgeführt.

Ableitung naturraumtypischer Anreicherungsfaktoren zur Bestimmung des Phosphor- und Schwermetalleintrages in Oberflächengewässer durch Erosion

Zur Beschreibung der jährlichen Stoffeinträge in Oberflächengewässer werden verschiedene Modellansätze genutzt. Unabhängig vom Modelltyp wird der Pfad Erosion sowohl für Phosphor als auch für Schwermetalle als bedeutend identifiziert (bis zu 50Prozent der Gesamtfracht können durch Erosion verursacht sein). Das Land Baden Württemberg nutzt zur Abschätzung der Nährstoffeinträge in die Gewässer eine adaptierte Version des Modellsystems MONERIS. Das ISWW hat im Auftrag der LfU eine Anwendung für Schwermetalle entwickelt. Beirr Transport von Erosionsgut findet eine Anreicherung der feinpartikulären Substanz und damit eine Erhöhung der Nährstoff- und Schadstoffgehalte statt. In den Modellen wird diesem Phänomen durch die Berücksichtigung vor Anreicherungsfaktoren (enrichment ratio - ER) Rechnung getragen. Der Berechnungsansatz für das ER basiert auf Vergleichen von Oberboden und Schwebstoffgehalten (geringere Sedimenteinträge sind mit hohen EF verbunden). Eigene Freilanduntersuchungen und Simulationsergebnisse im Kraichbachgebiet zeigen, dass die aus dem gegebenen Ansatz resultierenden Faktoren für Lösslandschaften um ein Vielfaches zu hoch angesetzt sind. Hieraus folgt eine eklatante Fehleinschätzung der über den Pfad Erosion eingetragenen Frachten (Faktor 58). Das beantragte Vorhaben setzt sich zum Ziel, für Baden-Württemberg durch Messungen validierte Anreicherungsfaktoren bereitzustellen. Hierbei wird im Gegensatz zum bisherigen Ansatz insbesondere auch der Einfluss der Bodeneigenschaften berücksichtigt.

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