Verwertung von Gießerei-Restsand als Recycling-Produkt

Durch Produktionsvorgänge in der Gießereiindustrie fallen belastete Gießerei-Restsande (GRS) an. Die Kosten für deren Entsorgung sind in den vergangenen Jahren stark gestiegen, so dass die Wiederverwertung in den Fokus rückt. Während die physikalischen und mechanischen Eigenschaften des GRS im Hinblick auf die Verwendung als Baustoff gut sind, steht die Umsetzung aufgrund einer möglichen Gefährdung des Bodens und des Grundwassers durch gelöste Schadstoffe vor Herausforderungen.


Für deponierten Gießerei-Restsand kann es in Zukunft Recyclinglösungen in der Baustoffherstellung geben.

Für deponierten Gießerei-Restsand kann es in Zukunft Recyclinglösungen in der Baustoffherstellung geben.

Um das Lösungsverhalten des Materials zu untersuchen, wurde in der Studie „Untersuchung von Gießereialtsanden zur Wiederverwendung im Straßenbau“ ein Trogversuch mit gebundenem GRS durchgeführt.
In Deutschland fallen in der Gießereiindustrie etwa 460 000 t Gießerei-Restsand pro Jahr an, der in der Regel bentonitgebunden und durch den Produktionsprozess mit Schwermetallen, Säuren und Glanzkohlenstoffbildnern belastet ist [1]. Laut §3 Abs. 23 der Ersatzbaustoffverordnung handelt es sich um einen rieselfähigen Sand [2], der nach der Abfallverzeichnis-Verordnung [3] als Abfall eingestuft wird und entsprechend entsorgt werden muss. Die Entsorgung dieses auch als Waste Foundry Sand [4] bezeichneten Abfalls stellt die Gießereien vor entsprechende Herausforderungen, da die Ausschussmengen stetig zunehmen. Gleichzeitig reduziert sich die Zahl der Deponieplätze, und die Kosten für die Entsorgung in Deutschland steigen überproportional an. Im Zeitraum von 2011 bis 2013 ist eine Preissteigerung von 20 bis 100 % zu verzeichnen [5]. Alternative Entsorgungswege, die vor allem die Wiederverwertung des Sandes als Recycling-Produkt betreffen, sind daher notwendig.
§3 der Ersatzbaustoffverordnung erlaubt, dass der GRS unter der Erfüllung bestimmter Auflagen wiederverwendet werden darf. So könnte dieser zum Beispiel im Straßenbau eingesetzt werden, da er durch die Zugabe von Zement als Bindemittel sehr kompakt wird und bei Frost-Tau-Wechselversuchen sogar bessere Ergebnisse hinsichtlich der Widerstandsfähigkeit erzielt hat als reiner Quarzsand [6 bis 8]. Dies bestätigen Untersuchungen [9], bei denen die Druck-, Zug-, und Biegefestigkeit mit steigendem Anteil an Recyclingmaterial und der Testdauer zunehmen. Bei der Herstellung von Fertigbeton mit Einsatz der Gießereirückstände konnten keine Beeinträchtigung der mechanischen sowie mikrostrukturellen Bedingungen festgestellt werden [10]. Weitere Möglichkeiten würden sich im Rahmen von Maßnahmen zur Bodenverbesserung, bei Flüssigverfüllungen sowie dem Bau von Dämmen, Wällen oder Bewehrungen ergeben. Eine derartige Wiederverwertung ist vielversprechend, so dass den GRS in Zukunft eine bedeutende Rolle als Zusatzstoff in baulichen Produkten zugesprochen wird [7; 8].
Während die physikalischen und mechanischen Eigenschaften des Materials im Hinblick auf die Verwendung als Baustoff eher positiv zu bewerten sind [11], ist die Belastung mit Schadstoffen, deren Anteil je nach vorheriger Verwendung in den verschiedenen Gießereien sehr unterschiedlich sein kann [9; 11; 12], als problematisch einzustufen. Hauptsächlich werden zwei Typen von GRS mit unterschiedlichen chemischen Eigenschaften unterschieden: Beim Typ I, der vorrangig in der Stahlindustrie eingesetzt wird, handelt es sich um einen durch kohlenstoffhaltige Beimengungen dunklen, tongebundenen Stoff, der einen Quarzsand- von 85 bis 95 % sowie einen Bentonit-Ton-Anteil von 4 bis 10 % aufweist. Der Typ II ist ein heller, chemisch gebundener Sand, der aus 93 bis 99 % Quarzsand und 1 bis 3 % unterschiedlichen chemischen Bindemitteln besteht. Meistens handelt es sich dabei um phenolische Urethangruppen, Epoxidharze oder Natriumsilikat [11]. Oftmals werden auch Mischsysteme aus beiden Typen verwendet [12].

Bevor GRS im Straßenbau verwendet werden kann, muss geklärt werden, ob die enthaltenen Stoffe etwa durch Niederschlagswasser mobilisiert werden und somit möglicherweise in die Umwelt gelangen können. Es gibt zwar Informationen zu den chemischen Bestandteilen verschiedener GRS-Typen [6; 11; 13; 14], aber abgesicherte Informationen über das Lösungsverhalten beim Straßenbau sind kaum vorhanden [12]. Zwar liegen sowohl Lysimeter- als auch Feldversuche zur Auswaschungsneigung des lockeren, ungebundenen Materials unterschiedlicher Herkunft vor [15], doch entscheidend ist, wie sich die Auswaschungsneigung verhält, nachdem der lockere GRS für den Einsatz im Straßenbau mit beispielsweise Zement verfestigt wurde.
Ziel dieser Studie ist daher zum einen den lockeren GRS aus den drei Gießereien, der Fritz Winter Eisengießerei GmbH & Co. KG, Stadtallendorf, der Buderus Guss GmbH, Breidenbach, und der Weso-Aurorahütte GmbH, Gladenbach, hinsichtlich der gesetzlich definierten chemischen Belastungswerte nach der Mitteilung der Länder-Arbeitsgemeinschaft Abfall (Laga) 20 zu untersuchen und zum anderen das mit Zement verfestigte Material der Weso-Aurorahütte, so wie er im Straßenbau eingesetzt werden könnte, auf dessen Auswaschungsverhalten zu testen. In einem ersten Schritt wird die grundsätzliche Eignung des lockeren GRS für die spätere Verwendung im Straßenbau nach den Anforderungen an die stoffliche Verwertung von mineralischen Reststoffen und Abfällen nach der Laga-Mitteilung überprüft. Im Hinblick auf die spätere Nutzung als alternativen Straßenbaustoff wird der Bodenschutz überprüft [16]. Daher werden im zweiten Schritt der nachfolgenden Überprüfung des mit Zement gebundenen GRS die Prüfwerte der Bundesbodenschutzverordnung Anhang 2 herangezogen. Dabei stellt die Einbauklasse Z2 die Obergrenze der zulässigen Belastung dar.

Methoden

Herstellung des Probekörpers

Bild 1: Untersuchte Probenkörper unterschiedlicher Zusammensetzung. Probekörper mit 1, mit 3 und mit 5 % Zementanteil (v.l.n.r.).

Bild 1: Untersuchte Probenkörper unterschiedlicher Zusammensetzung. Probekörper mit 1, mit 3 und mit 5 % Zementanteil (v.l.n.r.).

Die physikalischen Eigenschaften des lockeren Sandes werden zum einen mit einer Korngrößenanalyse nach DIN 18123 und zum anderen mit einem Proctorversuch nach DIN 18127 untersucht, um ideale Bedingungen für die nachfolgende Herstellung des Probekörpers gewährleisten zu können. Beides erfolgte im Labor der Leonhard Weiss GmbH & Co. KG., Satteldorf. Anschließend werden drei Probekörper aus jeweils einem Drittel einer identischen GRS-Probe der Weso-Aurorahütte unter Zugabe des Bindemittels HeidelbergCement CEM III/A 42,5N hergestellt. Der Bindemittelanteil beträgt im ersten, zweiten und dritten Probekörper 1, 3 und 5 % (Bild 1).

Chemische Laboranalytik des GRS

Tabelle 1: Auswertung nach Laga M20.

Tabelle 1: Auswertung nach Laga M20.

Für die Beurteilung der chemischen Eigenschaften des von den Gießereien ausgesonderten lockeren Sandes werden Analyseergebnisse aus betriebseigenen Untersuchungen zur Verfügung gestellt (Tabelle 1).  Diese basieren auf einer unterschiedlichen Anzahl von Proben aus verschiedenen Produktionsphasen und können hinsichtlich der rechtlichen Vorgaben der Laga EW 98 bewertet werden. In Tabelle 1 sind aufgrund gesetzlicher Vorgaben nicht alle Parameter nach der Richtlinie seitens der Gießereien analysiert worden. Entscheidend für den Einsatz im Straßenbau und möglicher Auswirkungen auf die Natur ist die Frage, welche der enthaltenen Stoffe aus Tabelle 1 in einem Wirkungspfad Boden-Grundwasser gelöst werden können.

Tabelle 2:  Auswertung nach der Bundes-Bodenschutz- und Altlastenverordnung.

Tabelle 2:
Auswertung nach der Bundes-Bodenschutz- und Altlastenverordnung.

Hierfür werden die drei Probekörper im Labor des Fachbereiches Geographie der Philipps-Universität Marburg mittels Trogversuch auf die zulässigen Höchstwerte der Bundes-Bodenschutz- und Altlastenverordnung (BBodSchV) §8 Absatz 1 Satz 2 Nr. 1 [16] geprüft. Der Versuch kann den eluierbaren Anteil der anorganischen und organischen Stoffe nach Zugabe von Bindemittel feststellen, dabei muss der Prüfwert nach BBodSchV eingehalten werden (Tabelle 2).

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Bild 2: Versuchsaufbau für den
Elutionstest der Probekörper.

Die drei Probekörper werden entsprechend Laga EW 98 jeweils einzeln in einem Glasgefäß im Wasser/Feststoff-Massenverhältnis 10:1 für eine Elutionszeit von 24 h mit deionisiertem Wasser bei einer Drehgeschwindigkeit von etwa 500 U/min umspült (Bild 2). Der dritte Arbeitsentwurf zur Verordnung vom 23. Juli 2015 [2] sieht nur noch ein Verhältnis von 2:1 vor, dies wurde aber erst nach Durführung des Versuches veröffentlicht. Grundsätzlich ist aber davon auszugehen, dass durch ein höheres Verhältnis mehr Stoffe gelöst werden als durch ein geringes. Um eine Beschädigung oder Abnutzung des Probekörpers zu vermeiden, wird das Material auf einem Siebeinsatz mit einem Abstand von 5 cm zum Boden des Elutionsbeckens platziert. Nach 24 Stunden wird 1 l des Eluats in einen Standzylinder überführt. Es folgt eine Ruhezeit von 15 min zur Sedimentation eventuell vorhandener gröberer Partikel. Die überstehende Flüssigkeit wird dekantiert und für 30 min mit 2 000 ∙ g zentrifugiert. Anschließend wird die Flüssigkeit erneut mit einem Membranfilter mit einer Porenweite von 0,45 µm filtriert. Die chemischen Eigenschaften des Eluats der verschiedenen Probekörper werden im Auftrag der Leonhard Weiss GmbH & Co. KG im CLG Chemischen Labor Dr. Graser KG, Schonungen, analysiert und stehen für eine Bewertung zur Verfügung.

Ergebnisse

Überprüfungen der lockeren, ungebundenen Gießerei-Restsande

Entsprechend der Obergrenze der zulässigen Belastung von GRS nach der Einbauklasse Z2 wird basierend auf den chemischen Analysen der Gießereien die Einhaltung der Zuordnungswerte nach Laga M20 geprüft und die Belastung des jeweiligen Sandes im Ausgangszustand bewertet (Tabelle 1). Bei Analytik I liegen alle beprobten Werte innerhalb der jeweiligen Werte. Bei Analytik II und III ist lediglich der Fluoridwert leicht überschritten. Der Grenzwert wurde bei Analytik II jedoch nur bei einer von sechs Proben überschritten. In den Übrigen aus anderen Quartalen ist keine Überschreitung zu verzeichnen. Bei Analytik III liegen nur zwei aus jeweils einem Jahr vor, daher kann der GRS nach der Analyse weiterer Proben eventuell trotzdem verwendet werden. Die Werte schwanken bei allen Gießereien innerhalb der Messreihen und sind insgesamt sehr variabel. Dabei ist zu berücksichtigen, dass laut § 13 „Bewertung der Messergebnisse der Güteüberwachung“ der Verordnung zur Festlegung von Anforderungen für das Einbringen oder das Einleiten von Stoffen in das Grundwasser, an den Einbau von Ersatzbaustoffen und zur Neufassung der Bundes-Bodenschutz- und Altlastenverordnung [5] erst eine systematische, also fortlaufende Überschreitung der Grenzwerte zum Ausschluss führt.

Überprüfung der Lösungseigenschaft der gebundenen Gießerei-Restsande

Die Auswertung des Trogversuches ergab, dass nur im Eluat des Probekörpers mit 1 % Bindemittelanteil ein Grenzwert überschritten wird. Während bei den anorganischen Stoffbestandteilen alle Grenzwerte eingehalten werden können, ist bei den organischen Stoffen der Wert der polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffe (PAK) mit 0,28 μg/l leicht über dem zulässigen Höchstwert von 0,2 μg/l. Dabei gilt zu beachten, dass die Bedeutung der bisher im lockeren GRS bewerteten PAK, die Gehalte bis 20 mg/kg aufweisen können, überschätzt worden ist [17]. Somit kann der Grenzwert des Eluats ebenfalls unter diesem Gesichtspunkt bewertet werden. Darüber hinaus zeigte dieser Probekörper aufgrund seiner geringen Kornbindung bereits beim Trogversuch leichte Auflösungstendenzen. Dies spiegelte sich in einer deutlichen Trübung des Eluats wider.
Die Probekörper mit Bindemittelgehalten von 2 und 5 % hingegen sind stabiler, und die Trübung nahm mit steigendem Zementanteil deutlich ab. Bei beiden ist die Ausschwemmung der Stoffe vermindert, und alle untersuchten organischen und anorganischen Parameter liegen im vorgeschriebenen Bereich. Eine Verunreinigung des Bodens ist nach Bundes-Bodenschutz- und Altlastenverordnung somit nicht gegeben, und das Material könnte als Recycling-Produkt im Straßenbau eingesetzt werden.

Schlussfolgerungen

Die gesetzlich vorgegebenen Prüfwerte werden in der Mehrzahl der untersuchten lockeren, unbehandelten GRS eingehalten. Lediglich bei den Proben Analytik II und III ist eine geringe Überschreitung des Grenzwertes für Fluorid festzustellen, so dass diese kaum belastet sind und grundsätzlich als Recycling-Produkte verwendet werden können.
Ein wichtiger Punkt dieser Studie war, die Mobilisierung von den im Sand vorhandenen Stoffen durch Wasser zu untersuchen, um eine mögliche Belastung des Bodens und des Grundwassers durch Austritt von Schadstoffen abschätzen zu können. Die mit einem Wasser/Feststoff-Massenverhältnis von 10:1 durchgeführten Trogversuche zeigen, dass kaum bis keine Stoffe aus den mit Zement stabilisierten Probekörpern herausgelöst wurden. Die gesetzlichen Vorgaben hinsichtlich der Löslichkeit anorganischer oder organischer Bestandteile werden bei der Untersuchung der Probekörpern mit 3 und 5 % Zementanteil eingehalten. Beim Probekörper 1 mit 1 % werden die gesetzlichen Vorgaben lediglich beim Parameter PAK leicht überschritten. Um allgemeingültige Aussagen für derartige mit Zement gebundene Probekörper zu erhalten, wäre die Untersuchung einer Vielzahl verschiedener GRS notwendig. Dies war im Rahmen dieser Studie nicht möglich. Doch schaffen die gewonnenen Ergebnisse eine erste Basis, dass Gießerei-Restsande als Recycling-Produkt im Straßenbau eingesetzt werden können, ohne dabei die Umwelt zu gefährden.

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Literatur
[1] Knappe, F.; Dehoust, G.: Petschow, I.; Jakubowski, G.: Steigerung von Akzeptanz und Einsatz mineralischer Sekundärrohstoffe unter Berücksichtigung schutzgutbezogener und anwendungsbezogener Anforderungen, des potenziellen, volkswirtschaftlichen Nutzens sowie branchenbezogener, ökonomischer Anreizinstrumente. Umweltforschungsplan des Bundesministeriums für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (2012) Texte Nr. 28/2012, S. 143.
[2] Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz, Bau und Reaktorsicherheit (BMUB): 3. Arbeitsentwurf einer Mantelverordnung – Verordnung zur Festlegung von Anforderungen für das Einbringen oder das Einleiten von Stoffen in das Grundwasser, an den Einbau von Ersatzbaustoffen und zur Neufassung der Bundes-Bodenschutz- und Altlastenverordnung vom 23.7.2015 (im Umlauf seit 17.1.2011), www.bmub.bund.de/fileadmin/Daten_BMU/Download_PDF/Bodenschutz/mantelv_entwurf_3_bf.pdf, abgerufen am 18.10.2016 
 [3] Bundesministerium der Justiz und für Verbraucherschutz (BMJV): Abfallverzeichnis-Verordnung (AVV 2001), www.gesetze-im-internet.de/avv/BJNR337910001.html, abgerufen am 18.10.2016
[4] Siddique, R.; Kaur, G; Rajor, A.: Waste foundry sand and its leachate characteristics. Resources, Conservation and Recycling (2010), no. 54, pp. 1027–1036.
[5] Schmidmeyer, S.: Markt für mineralische Recycling-Baustoffe – Erfahrungen aus der Praxis. In: Thomé-Kozmiensky, K.J. (Hrsg.): Mineralische Nebenprodukte und Abfälle. S. 105–116, Nietwerder, 2014.
[6] Guney, Y.; Aydilek, A. H.; Demirkan, M. M.: Geoenvironmental behavior of foundry sand amended mixtures for highway subbases. Waste Management (2006), no. 26/9, pp. 932–945.
[7] Bakis, R.: An investigation of waste foundry sand in asphalt concrete mixtures. Waste Management & Research (2006), no. 24/3, pp. 269–274.
[8] Yazoghli-Marzouk, O.; Vulcano-Greullet, N.; Cantegrit, L.; Friteyre, L.; Jullien, A.: Recycling foundry sand in road constructionfield assessment. Construction and Building Materials 61 (2014), pp. 69–78. England.
[9] Siddique, R.; Schutter, G. de; Noumowe, A.: Effect of used-foundry sand on the mechanical properties of concrete. Construction and Building Materials (2009), no. 23/2, pp. 976–980.
[10] Basar, H. M.; Aksoy, N. D.: The effect of waste foundry sand (WFS) as partial replacement of sand on the mechanical, leaching and micro-structural characteristics of ready-mixed concrete. Construction and Building Materials (2012), Nr. 35, S. 508–515.
[11] Siddique, R.; G. Singh (2011): Utilization of waste foundry sand (WFS) in concrete manufacturing. Ressources Conservation and Recycling (2011), no. 55/11, pp.885–892.
[12] Susset, B.: Weiterentwicklung von Kriterien zur Beurteilung des schadlosen und ordnungsgemäßen Einsatzes mineralischer Ersatzbaustoffe und Prüfung alternativer Wertevorschläge. Zwischenbericht zum BMU-/UBA-Vorhaben „Weiterentwicklung von Kriterien zur Beurteilung des schadlosen und ordnungsgemäßen Einsatzes mineralischer Sekundärrohstoffe und Prüfung alternativer Wertevorschläge“. www.umweltbundesamt.de/sites/default/files/medien/384/dokumente/susset_
bmu_zwischenbericht_ersatzbaustoffe_januar_2011.pdf, abgerufen am 18.10.2016.
[13]American Foundrymen‘s Society. Alternative Utilization of Foundry Waste Sand. Final Report (Phase I) prepared by American Foundrymen‘s Society Inc. for Illinois Department of Commerce and Community Affairs, Des Plaines, Illinois, July, 1991.
[14] Etxeberria, M.; Pacheco, C.; Meneses, J.M.; Berridi, I.: Properties of concrete using metallurgical industrial by-products as aggregates. Construction and Building Material (2010), no. 24, pp.1594–1600.
[15] Susset, B.; Leuchs, W.: Stofffreisetzung aus mineralischen Ersatzbaustoffen und Böden – Ermittlung der Quellstärke-Entwicklung und des Rückhalte- und/oder Abbaupotentials mittels Freilandlysimetern und Laborelutionsmethoden (Förderkennzeichen 02WP0286) 2008. (Contaminant release of mineral waste materials – Evaluation of release dynamics and the natural attenuation potential based on field lysimeters and laboratory leaching tests (Grant 02WP0286); in German) Final Report, North Rhine Westphalian State Office for Nature, Environment and Consumer Protection (LANUV NRW), Recklinghausen, Germany. http://edok01.tib.unihannover. de/edoks/e01fb09/58960421X.pdf, abgerufen am 18.10.2016.
[16] Bundesministerium der Justiz und für Verbraucherschutz (BMJV): Bundes-Bodenschutz- und Altlastenverordnung (BBodSchV), 1999, www.gesetze-im-internet.de/bundesrecht/bbodschv/gesamt.pdf, abgerufen am 18.10.2016.
[17] Susset, B.; Leuchs, W.: Ableitung von Materialwerten im Eluat und Einbaumöglichkeiten mineralischer Ersatzbaustoffe. Umsetzung der Ergebnisse des BMBF-Verbundes „Sickerwasserprognose“ in konkrete Vorschläge zur Harmonisierung von Methoden, 2011. www.umweltbundesamt.de/sites/default/files/ medien/461/publikationen/4066.pdf, abgerufen am 18.10.2016.