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1
Zweckverband Frohnbach ∙
www.zvfrohnbach.de
www.beuth-hochschule.de
Die Klärschlammpyrolyse als Schritt zum Phosphatrecycling
1.) Problem
2.) Lösungsvorschlag
3.) Anlagenkonzept
4.) Versuchsergebnisse
5.) Zusammenfassung und Ausblick
6.) Quellen und Hinweise
Prof. Dr.-Ing. Karin Heinrich // Dr.-Ing. Steffen Heinrich
„Phosphorrückführung aus Abfällen,
insbesondere kommunalen Klärschlämmen“
Leipziger Messe (Terratec), 7. April 2017
s
i
mul
+
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Zweckverband Frohnbach ∙
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Die Klärschlammpyrolyse als Schritt zum Phosphatrecycling
1.) Problem
2.) Lösungsvorschlag
3.) Anlagenkonzept
4.) Versuchsergebnisse
5.) Zusammenfassung und Ausblick
6.) Quellen und Hinweise
Prof. Dr.-Ing. Karin Heinrich // Dr.-Ing. Steffen Heinrich
„Phosphorrückführung aus Abfällen,
insbesondere kommunalen Klärschlämmen“
Leipziger Messe (Terratec), 7. April 2017
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Klärgas
1. Reinigungsstufe
(Mechanische Behandlung)
2. und 3. Reinigungsstufe
(Biologische und chemische Behandlung)
Vorklärung
Belebung,
Fällung
Überschußschlamm
(Zuwachs an Organismen
und Fällungsprodukt)
Schwimmschlamm
(Fette, Öle)
Vorklärschlamm
(absetzbare org. Stoffe,
wie Fäkalien, Papier, …)
Faulung
Zulauf
Ablauf
Faulschlamm
(Gär-Rest)
Fäkal- und
Klärschlamm
(Inhalte aus Gruben
und Kleinklär-
anlagen)
Inhalte aus Fettabscheidern
Grünschnitt
in Planung zur
Co-Fermentation
Prinzipieller Verlauf der Stoffströme auf der ZKA Niederfrohna
07.04.2017
Phosphorrückführung aus Abfällen, insbesondere kommunalen Klärschlämmen
3

Vorklärung
Belebung,
Fällung
Überschuß
-schlamm
Vorklär-
schlamm
Faulung
Phosphorbilanz auf der ZKA Niederfrohna
Fäll-
schlamm
100%
11%
ca.
90%
28%
11%
50%
ca. 1,8 Gramm
Phosphor
je Einwohner
und Tag
P
P
P
im Faul-
schlamm
ca. 1,6 Gramm
Phosphor
je Einwohner
und Tag
im Zulauf
im Ablauf
07.04.2017
Phosphorrückführung aus Abfällen, insbesondere kommunalen Klärschlämmen
4

1,53
2,12
2,15
2,64
2,37
2,18
2,1
2,29
0,6
1
0,45
0,97
0,77
0,76
0,61
0,54
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
Konzentration [mg/kg TS]
Zeit
neuer, ab 2015 geltender Grenzwert für Kadmium laut DüMV 2012
neuer, ab 2015 geltender Grenzwert für Quecksilber laut DüMV 2012
Kadmium
Quecksilber
→ Der Grenzwert für Kadmium wird fast durchweg erheblich überschritten!
→ Der Parameter Quecksilber ist als kritisch anzusehen, denn der Grenz-
wert wird hin und wieder erreicht bzw. überschritten.
1,53
2,12
2,15
2,64
2,37
2,18
2,1
2,29
1,63
2
1,48
1,83
1,83
1,49
0,6
1
0,45
0,97
0,77
0,76
0,61
0,54
0,57
0,69
0,75
2,5
0,44
0,98
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
Konzentration [mg/kg TS]
Zeit
neuer, ab 2015 geltender Grenzwert für Kadmium laut DüMV 2012
neuer, ab 2015 geltender Grenzwert für Quecksilber laut DüMV 2012
Kadmium
Quecksilber
Entwicklung der für die Nutzung der Klärschlamme aus der ZKA Niederfrohna
in der Landwirtschaft oder im Landbau problematischen Schadstoffgehalte
07.04.2017
5

aber
Cadmium-
Konzentration
> 1,5
mg
je kg TS !
Cd ?
Cd ?
Niederschläge
Landwirtschaft
Klärwerk
Gewässer
Phosphor-Mineraldünger
Aufbringung von
Klärschlamm
zumeist
mit sehr hohen Cd-
Anteilen von bis zu
90
mg je kg P !
mit Cd-
Gehalten
< 30
mg
je kg P !!
äußerst
gering-
fügige
Cd-
Fracht
vernachlässigbar
geringe Cd-Einträge
kaum
Cd-
Einträge
Cd ?
Cd ?
phosphorreicher
wegen
DüMV
6
[1-3]
[4,5]
[6]
Woher kommt
das Cadmium?!

weitere rechtliche Hinderungsgründe für die Verwertung wie früher:
2. Bei der Schlammentwässerung dürfen nur Flockungshilfsmittel (FHM)
eingesetzt worden sein, die sich im Boden gut zersetzen.
1. Der Klärschlamm muß keimfrei sein!
→ z.B. durch thermische Desinfektion wie etwa von Bioabfällen tierischer
Herkunft zur Futtermittelherstellung. Vollständige Hygienisierung ist
aber extrem aufwendig.
→ einzige natürliche Alternative (Chitosan) wäre aus China zu beziehen,
ist nicht in aureichendem Maße verfügbar und kostet ein Vielfaches
der üblichen synthetischen Polymere
→ es gibt nach wie vor kein einheitliches Analyseverfahren zur Bestim-
mung von FHM in Böden. Dadurch sind auch keine Aussagen zu deren
Beständigkeit in Böden möglich.
außerdem: generell entgegenstehendes Interesse der Bundesregierung.
Zitat aus dem Koalitionsvertrag der „großen Koalition”:
„Wir werden die Klärschlammausbringung zu Düngezwecken beenden.”
07.04.2017
Phosphorrückführung aus Abfällen, insbesondere kommunalen Klärschlämmen
7

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Die Klärschlammpyrolyse als Schritt zum Phosphatrecycling
1.) Problem
2.)
Lösungsvorschlag
3.) Anlagenkonzept
4.) Versuchsergebnisse
5.) Zusammenfassung und Ausblick
6.) Quellen und Hinweise
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„Phosphorrückführung aus Abfällen,
insbesondere kommunalen Klärschlämmen“
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Koks
Faul-
schlamm
ent-
wässert
Trocknung
trocken
Karboni-
sierung
5% TS
Entwässe-
rung
25% TS
90% TS
l a n d w i r t s c h a f t l i c h e
o d e r
l a n d b a u l i c h e
V e r w e r t u n g
externe Mitverbrennung
in Kohlekraftwerk, Müll-
verbrennungsanlage
oder Zementfabrik
externe Verbrennung
in Mono-Klärschlamm-
verbrennungsanlage
bis 31. Dezember 2014
(laut DüMV 2012)
bis 31. Dezember 2014
(laut DüMV 2012)
bis 31. Dezember 2014
(laut DüMV 2012)
für Kläranl. > 50.000 EW
nur noch übergangsweise
(laut AbfKlärV 2017)
externe Trocknung
z.B. in landwirtschaftlicher
Biogasanlage
Phosphorverwertung
Abfall
(Mülldeponie)
früher
Asche
Misch-Asche
(Landwirtschaft, Landbau, Industrie oder Einlagerung auf Rohstoffdeponie)
dezentral und
bedarfsgerecht,
aber technisches
„Neuland“
Koks als Dünger
gut geeignet
zentral
große Engpässe
Asche als Dünger
schlecht geeignet
zentral
Engpässe
Nährstoffe sind verloren
07.04.2017
9

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10
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Die Klärschlammpyrolyse als Schritt zum Phosphatrecycling
1.) Problem
2.) Lösungsvorschlag
3.)
Anlagenkonzept
4.) Versuchsergebnisse
5.) Zusammenfassung und Ausblick
6.) Quellen und Hinweise
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Abgas
Abluft
Abgas
Gas
Faul-
schlamm
ent-
wässert
trocken
Kon-
vektions-
trocknung
Faulschlammverwertung
(energetisch / stofflich)
vor-
gewärmt
5% TS
maschinelle
Entwässe-
rung
Ver-
bren-
nung
30% TS
90% TS
Zuluft
abgekühlt
Zentrifugat
Kondensat
zur
biologischen
Behandlung
Faulschlammbehandlung
(mechanisch / thermisch)
Prozeßwärme (Heißwasser)
Zusatz-
heizung
Überschußwärme vom Klärgas-BHKW (Warmwasser)
Elektroenergie
Warmwasser mit ≈ 50°C von Abwasser-Wärmepumpe
für elektrische Antriebe u.a.
Verbrennungsluft
zur Verwertung
als Phosphordünger
Koks
Überschußwärme vom Klärgas-BHKW (Abgas)
heißes
Abgas
warm
kühl
Warmwasser vom Heißgas- BHKW
heißes Abgas
therm.
Zersetzung
Stirling-
BHKW
(heiß)
11
99% TS
07.04.2017
Phosphorrückführung aus Abfällen, insbesondere kommunalen Klärschlämmen
Technologisches Schema

Kon-
vektions-
trocknung
therm.
Zersetzung
Faul-
schlamm
maschinelle
Entwässe-
rung
BHKW
entwässert
Trocken-
produkt
Prozeßwärme
Elektroenergie für Antriebe
zur Abwasser-Wärmepumpe
oder mittels Wärmepumpe
transformierte Abwasser-Wärme
zur Zentrifuge
Koks
Überschußwärme vom Klärgas-BHKW
aus der späteren Co-Fermentation
(übergangsweise mit Erdgas ergänzt)
Überschußwärme vom Klärgas-BHKW
aus der Klärschlammstabilisierung
Wärmeenergie für den Trocknungsprozeß
zu den Ventilatoren
ca. 17%
ca. 54%
ca. 29%
07.04.2017
Phosphorrückführung aus Abfällen, insbesondere kommunalen Klärschlämmen
12
Energiefluß-Diagramm

image
image
Übersichtslageplan
07.04.2017
Phosphorrückführung aus Abfällen, insbesondere kommunalen Klärschlämmen
13
ZKA Niederfrohna
räumliche
Einordnung einer
Industriehalle
(10 m x 20 m)
mit thermischer
Klärschlamm-
behandlungs-
anlage

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Aufstellungsplan
07.04.2017
Phosphorrückführung aus Abfällen, insbesondere kommunalen Klärschlämmen
14
1.) Vorlage für
entwässerten
Klärschlamm
2.) Klärschlamm-
Zuführung
3.) Bandtrockner
4.) Pufferspeicher
für Trockengut
5.) Pyrolyse-
Einheit
7.) Abhol-Lager
für Dünger
(Karbonisat)
6.) Pelletier-
maschine
8.) Abwasser-
Wärmepumpe
9.) Gasturbine
für Klärgas
10.) Abgas-
zuführung zum
Trockner
11.) Trocknungsluft-
Abgas-Mischer
12.) Wärmespeicher
und -verteiler

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15
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Die Klärschlammpyrolyse als Schritt zum Phosphatrecycling
1.) Problem
2.) Lösungsvorschlag
3.) Anlagenkonzept
4.) Versuchsergebnisse
5.) Zusammenfassung und Ausblick
6.) Quellen und Hinweise
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insbesondere kommunalen Klärschlämmen“
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-13
-70
17
30
100
-80
-70
-60
-50
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
ohne Trocknung
nach Trocknung
nach Verwertung
Massenverhältnis [%]
Prozeßkette
Faulschlamm
Trockengut
Bio-Kohle
Wasser in der Abluft
Abgas
→ Die Menge verringert sich um mehr als 80 Prozent.
→ Durch die thermische Zersetzung (Karbonisierung) wird der Hauptteil
der im ausgefaulten Schlamm noch enthaltenen Energie verwertet.
Massenreduktion bei der thermischen Klärschlammbehandlung
auf der ZKA Niederfrohna (Vorversuche im großtechnischen Maßstab)
07.04.2017
16

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Bio-Kohle aus kommunalem Klärschlamm von der ZKA Niederfrohna (Karbonisat)
→ gut mischbar mit
anderen Düngern
→ gut lager- und handhabbar,
weil staubfrei
… als körniges Pulver
… oder pelletiert
(Ø ≈ 5 mm und Länge 10 bis 20 mm)
je nach Anwendung …
07.04.2017
Phosphorrückführung aus Abfällen, insbesondere kommunalen Klärschlämmen
17

Zusammensetzung von ausgefaultem Klärschlamm (Trockenprodukt-TP)
und dem daraus erzeugten Karbonisat (Pyrolysekoks-PK) im Vergleich [7]:
18
Allgemeine Parameter
TP
PK
Δ
Einheit
TS
91,5
99,8
9,1%
% in der OS
oTS (Glühverlust)
57,6
24,3
-57,8%
% in der TS
pH
7,0
10,0
42,9%
in der OS
Heizwert
11.030
8.702
-21,1%
kJ/kg OS
Nährstoffe
Gesamtstickstoff (N)
4,0
1,2
-70,0%
% in der OS
Ammoniumstickstoff (NH
4
-N)
0,41
< 0,050
> -87,8%
% in der OS
Phosphat ges. (als P
2
O
5
)
7,34
12,6
71,7%
% in der TS
davon leicht pflanzenverfügbar
88,6
76,3
-13,9%
% des P
2
O
5
Kalium ges. (als K
2
O)
0,254
0,538
111,8%
% in der TS
Magnesium ges. (als MgO)
0,774
1,38
78,3%
% in der TS
Calcium ges. (als CaO)
3,29
5,49
66,9%
% in der TS
Basisch wirksame Stoffe
2,45
2,81
14,7%
% in der TS
= Kohle
!!!
07.04.2017
Phosphorrückführung aus Abfällen, insbesondere kommunalen Klärschlämmen

19
Schwermetalle
TP
PK
Δ
Grenzwert
Einheit
Blei
48,9
64,3
31,5%
150
mg/kg TS
Cadmium
1,77
0,507
-71,4%
1,5
mg/kg TS
spezifisch (bezogen auf P
2
O
5
)
24,1
≤ 4,0
≥ -83,3%
50
mg/kg P
2
O
5
Chrom
91
110
20,9%
300
mg/kg TS
Kupfer
290
380
31,0%
800
mg/kg TS
Nickel
40
43
7,5%
80
mg/kg TS
Quecksilber
0,81
< 0,05
> -93%
1
mg/kg TS
Zink
1.350
2.090
54,8%
2.500
mg/kg TS
Organische Inhaltsstoffe
AOX
171
153
-10,5%
400
mg/kg TS
PCB (180)
0,003
< 0,001
> -66,7%
0,1
mg/kg TS
Polychlorierte Dibenzo-p-
dioxine und -furane
PCDD (2,3,7,8-Tetra CDD)
< 1,0
< 1,0
0,0%
ng/kg TS
TCDD-Toxizitätsäquivalente
5
0
-100%
100
TE
!
!!
< Nachweisgrenze
07.04.2017

20
Perfluorierte Tenside (PFT)
TP
PK
Δ
Grenzwert
Einheit
PFT (gPFOS)
< 10
< 10
0,0%
100
μg/kg TS
Polyzyklische aromatische
Kohlenwasserstoffe (PAK)
PAK nach EPA
5,16
0,00
-100%
mg/kg TS
Benzo(a)pyren [B(a)P]
0,228
< 0,05
> -78,1%
1
mg/kg TS
!!!
07.04.2017
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Niederschläge
Landwirtschaft
Klärwerk
Gewässer
phosphorreicher
Phosphor-Mineraldünger
Substitution von
Klärschlamm
mit Cd-
Gehalten
< 10
mg
je kg P !!!
phosphorreiches
Karbonisat
mineralisiert
schadstoffarm
flockmittelfrei
völlig keimfrei
künftig
nahezu
cadmium-
frei?
Pyrolyse
klima-
schüt-
zend
wirkt im Boden
strukturgebend
speichernd
ähnlich
TerraPreta
keine Cd-
Anreicherung
mehr im Boden,
weil Cd-Gehalt
< 20 mg je kg P
22
[3]
frei von
Mikroplastik
und anderen
Xenobiotika
07.04.2017

Zusammenfassung und Ausblick:
1. Ist die naheliegende Anwendung von Klärschlammkarbonisat
als Substitut für herkömmlichen P-Mineraldünger als einfachste
Lösung für unmittelbares Phosphor-Recycling tatsächlich möglich?
binnen dreier Jahre wurden vier Großversuche mit unterschiedlichen
Pyrolyse-Apparaten unter umfangreicher analysentechnischer
Begleitung absolviert
Klärschlamm-Karbonisat erscheint hinsichtlich seiner Zusammen-
setzung als ein wertvoller, wirksamer, schadstoffarmer und
umweltfreundlicher P-Dünger
entspricht den neuesten gesetzlichen Anforderungen an Düngemittel
Interesse und Nachfrage seitens der Landwirtschaft sowie der
Düngemittelindustrie ist gegeben
Antrag auf Zulassung als Düngemittel wurde beim BMEL gestellt
23
→ näheres insbesondere zur positiven Wirkung der Bio-Kohle
wird sich aus wissenschaftlichen Pflanzenversuchen ergeben
(Beuth Hochschule für Technik Berlin)
→ Aufnahme in die Tabelle der DüMV ist bei nächster
Gelegenheit zu erwarten
07.04.2017
Phosphorrückführung aus Abfällen, insbesondere kommunalen Klärschlämmen

2. Läßt sich eine in bedarfsgerecht erweiterbarer Container-Modulbauweise
konzipierte dezentrale Karbonisierungsanlage für phosphorreichen
Klärschlamm platzsparend in eine übliche kommunale Kläranlage
einbinden, mit dem Klärwerkspersonal im Dauerbetrieb technisch
beherrschen sowie grundsätzlich energieauthark, umweltschonend und
wirtschaftlich betreiben?
Vorhaben des Zweckverbandes Frohnbach der Errichtung
und des Betriebes einer Versuchsanlage als Demonstrations-
und Modellvorhaben auf dem Standort seiner ZKA in Niederfrohna
verfahrenstechnische Berechnungen sind erledigt
Entwurfsplanung ist fertig
Genehmigungsplanung liegt vor
behördliches Genehmigungsverfahren läuft
Ausführungsplanung im Gange
24
→ Bewilligungsbescheid für staatliche Fördermittel aus dem
Klimaschutzprogramm des Freistaates Sachsen wird erwartet
→ geplanter Baubeginn für das genehmigte Vorhaben: Ende 2017
→ vorgesehene Aufnahme des Versuchsbetriebes: Ende 2018
07.04.2017
Phosphorrückführung aus Abfällen, insbesondere kommunalen Klärschlämmen

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25
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1.) Problem
2.) Lösungsvorschlag
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4.) Versuchsergebnisse
5.) Zusammenfassung und Ausblick
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insbesondere kommunalen Klärschlämmen“
Leipziger Messe (Terratec), 7. April 2017
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Quellen und Hinweise:
26
[1] Dittrich,B.; Klose, R. (2008): „Schwermetalle in Düngemitteln“,
Schriftenreihe der Sächsischen Landesanstalt für Landwirtschaft, Heft
3/2008, unter Verwendung der Ergebnisse der amtlichen
Düngemittelverkehrskontrolle des Freistaates Sachsen in den Jahren
2007 und 2008
[2] Zwar sind nach der (deutschen) DüMV hier nur Mineraldünger
zulässig, die einen Cadmiumgehalt von 50 mg je kg P
2
O
5
nicht
überschreiten. Gleichwohl kennt das höherstehende europäische
Düngemittelrecht für Mineraldünger überhaupt keine Grenzwerte.
Somit können ungeachtet der Bestimmungen der DüMV auch in
Deutschland sogenannte „EU-Dünger“ mit beliebig hohen
Schwermetallgehalten gehandelt und als Dünger verwendet werden,
denn es gilt das Gebot der grundsätzlich uneingeschränkten
Handelsfreiheit.
[3] Der wissenschaftliche Ausschuß für Toxikologie, Ökotoxikologie und
Umwelt der Europäischen Union (SCTEE) geht davon aus, daß geringe
Cadmiumgehalte in Düngemitteln von nicht mehr als 20 mg je kg P
2
O
5
tendenziell nur eine relativ langsame Anreicherung im Boden oder …
07.04.2017
Phosphorrückführung aus Abfällen, insbesondere kommunalen Klärschlämmen

27
… günstigstenfalls über einen Zeitraum von hundert Jahren gesehen
sogar eine Verringerung erwarten lassen. Demgegenüber ist bei hohen
Cadmiumgehalten ab 60 mg je kg P
2
O
5
über denselben Zeitraum mit
einer relativ hohen Anreicherung in Ackerböden zu rechnen.
Dittrich, B. (2009): „Cadmiumaustrag über Düngemittel“, BfR-
Statusseminar „Cadmium – Neue Herausforderungen für die
Lebensmittelsicherheit“, 7. Juli 2009, S. 7
[4] Laut Umweltbundesamt (UBA) werden in Deutschland mit minerali-
schen Phosphatdüngemitteln jedes Jahr rund 167 Tonnen Uran auf
landwirtschaftliche Flächen verbracht. Allein von 1951 bis 2009 sind so
bis zu 13.000 Tonnen Uran auf bundesdeutsche Felder verteilt worden.
www.foodwatch.org/de/informieren/uran-im-wasser/mehr-zum-
thema/fragen-antworten/
, aufgerufen am 15. März 2017, 16.04 Uhr
[5] Hijri, M. (2013): Lediglich rund 15% der Phosphorgaben werden von den
Pflanzen aufgenommen und etwa 80% einer jeden dem Boden zuge-
führten Phosphordosis bleiben nutzlos und gehen verloren, werden
ausgewaschen, belasten also das Grund- und Oberflächenwasser.
www.ted.com/talks/mohamed_hijri_a_simple_solution_to_the_coming
_phosphorus_crisis/transcript?language=de
,
aufgerufen am
15. März 2017, 15.53 Uhr
07.04.2017
Phosphorrückführung aus Abfällen, insbesondere kommunalen Klärschlämmen

28
[6] Seit Jahren mehren sich in Deutschland Fälle von Grenzwertüber-
schreitungen bezüglich der Konzentration von Uran im Grundwasser im
Zusammenhang mit der Gewinnung von Trinkwasser.
www.foodwatch.org/presse/pressemitteilungen/uran-im-trinkwasser-
bedenklich-hohe-belastung-in-13-bundesländern-bundesregierung-
nimmt-unnoetige-gesundheitsrisiken-fuer-kinder-in-kauf/
,
aufgerufen am 15. März 2017, 17.42 Uhr
[7] Auszug aus den Prüfberichten 1094032-409282/409283, 1094032-
409284 und 1804602-161064 des AGROLAB-Untersuchungslabors
AWV-Dr. Busse GmbH, Plauen, zum vierten kontinuierlichen groß-
technischen Pyrolyse-Versuch mit Klärschlamm von der zentralen
Kläranlage in Niederfrohna im Maßstab 1:1 am 17. August 2016
07.04.2017
Phosphorrückführung aus Abfällen, insbesondere kommunalen Klärschlämmen