Problemkind Phosphor Zum Status quo der Phosphat-Rückgewinnung aus Klärschlamm

Autor / Redakteur: Dipl.-Ing. Hans-Jürgen Bittermann / Dr. Jörg Kempf

Auch wenn der für 2030 angekündigte „Peak Phosphorous“ (ab diesem Zeitpunkt soll die Förderung von natürlichem Phosphorit abnehmen) vielen Fachleuten zufolge einer sachlichen Grundlage entbehrt, ist die Rückgewinnung von Phosphor aus abwassertechnischen Anlagen sowohl aus strategischen Gründen als auch hinsichtlich der Qualität der Phosphate sinnvoll. Gegenwärtig existieren rund 70 Verfahren.

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Aus der Kläranlage auf den Acker: Die Verwendung von Klärschlamm als Basis für Düngemittel stellt einige Herausforderungen.
Aus der Kläranlage auf den Acker: Die Verwendung von Klärschlamm als Basis für Düngemittel stellt einige Herausforderungen.
(Bild: ©Singkham - stock.adobe.com)

Um einerseits die strategische Abhängigkeit zu reduzieren, andererseits der zunehmenden Schwermetallbelastung von Rohphosphaten zu begegnen, setzen Deutschland und die Schweiz vermehrt auf die Rückgewinnung von Phosphaten aus Klärschlamm. Welche Verfahren dafür zur Verfügung stehen beschreibt das Statuspapier „Phosphatrückgewinnung“, das die Processnet-Fachgruppe „Rohstoffe“ erarbeitet hat. Dabei geht es sowohl um die unterschiedlichen technologischen Methoden, von denen derzeit nur wenige im industriellen Maßstab verfügbar sind, wie auch um Fragen der Wirtschaftlichkeit und der gesetzlichen Voraussetzungen.

Klärschlamm als sekundäre Phosphat-Rohstoffquelle

Zunächst ein Blick auf die chemisch-physikalischen Gegebenheiten: Ein Großteil des in die Nahrungskette eingespeisten Phosphats liegt als Phytat (C6H18O24P6) vor, aus dem es in Ermangelung des Enzyms Phytase vom menschlichen Organismus nicht abgespalten werden kann. In der Konsequenz wird das Phytat unverändert wieder in das Abwasser ausgeschieden. In der Kläranlage trifft Phytat auf bakterielle Phytaseaktivität, durch die das Phosphat freigesetzt wird und einen ernstzunehmenden Faktor der Gewässer-Eutrophierung darstellt, wenn es nicht im Zuge der Abwasserbehandlung eliminiert wird. Dies erfolgt typischerweise im Anschluss an die biologische Stufe des Klärprozesses, indem das Phosphat in einer chemischen Stufe durch Zugabe von Phosphatbindern eliminiert wird.

Sofern keine biologische Phosphor-Eliminierung (Bio-P) zur Verfügung steht, werden Phosphate typischerweise durch Einsatz von Eisen- und Aluminiumsalzen gefällt, auch kommen Calciumsalze wie Kalk zum Einsatz. Die im Abwasser enthaltenen Phosphate fallen in Form von Eisen- (FePO4) oder Aluminiumphosphat (AlPO4) bzw. Calciumphosphat (Ca3(PO4)2) aus und gelangen in den Klärschlamm, während die Anionen des Fällungsmittels im Wasser verbleiben. Deshalb stellt Klärschlamm eine interessante sekundäre Phosphat-Rohstoffquelle dar. Allerdings: da Phosphat in Form der genannten Salze faktisch wasserunlöslich vorliegt, ist eine Bioverfügbarkeit für Düngezwecke nicht gegeben.

Die Herausforderungen bei der Phosphor-Rückgewinnung aus Klärschlamm und auch aus Klärschlammaschen liegen u.a. darin, dass der Klärschlamm die Schadstoffsenke des Klärprozesses darstellt, in der sämtliche ungewünschte Stoffe, z.B. Schwermetalle, verbleiben. Bei der chemischen P-Eliminierung kommt es weiterhin zur Einbindung des Phosphats in schwerlösliche Aluminium- und Eisenphosphate, die nicht direkt pflanzenverfügbar sind und daher aufwändig aufgeschlossen werden müssen. Dazu kommen saisonale Schwankungen im P-Gehalt sowie den Gehalten von Begleitstoffen.

Bei der Verwendung von Klärschlamm als Basis für Düngemittel ist dessen potentielle Belastung mit persistenten Organika und Keimen zu klären und zu handhaben. Klärschlammaschen enthalten bis zu 25 Gewichtsprozent Al oder Fe sowie andere Spurenelemente wie Cu oder Zn. Während erstere zum großen Teil der chemischen Phosphatfällung entstammen, ist der Eintrag von Cu und Zn im Wesentlichen im Metallaustrag aus Regenrinnen und Dachabdeckungen begründet. Cu und Zn können nach Düngemittelverordnung sogar einen typbestimmenden Anteil darstellen. In dem Fall darf ihr Anteil 0,02 % Trockensubstanz nicht übersteigen.

Alle Rückgewinnungsverfahren produzieren ein phosphathaltiges Produkt, entweder ein Düngerderivat, Phosphorsäure oder andere P-haltige Produkte. Für jeden der Stoffe ist ein Absatzmarkt zwingend notwendig, um die Reintegration des Sekundärphosphats in den Wertstoffkreislauf sicherzustellen. Das sollte bei Düngemitteln und Phosphorsäure grundsätzlich kein Problem darstellen, jedoch bestehen etablierte Märkte mit existierenden Marktinteressen. Somit werden marktwirtschaftliche Mechanismen, wie Angebot und Nachfrage, den Absatzpreis der Produkte aus Sekundärphosphat nur zum Teil bestimmen. Und allein die Tatsache, dass phosphorhaltige Produkte aus Sekundärrohstoffen hergestellt werden, rechtfertigt keinen höheren Verkaufspreis.

Sicherlich wird es Märkte, z.B. den Ökolandbau geben, in denen Düngemittel auf Basis von recyceltem Phosphor zu einem höheren Preis als dem aktuellen Marktpreis abgesetzt werden können. Aber für den überwiegenden Teil der Recyclingprodukte trifft dies nicht zu. Hier wird für Technologien, die leicht vermarktungsfähige Produkte wie Phosphorsäure herstellen, langfristig ein Vorteil gesehen.

Gegenwärtig existieren etwa 70 Verfahren zum P-Recycling aus Schlammwasser, Klärschlamm und Klärschlammasche. Allen Verfahren ist gemein, dass sie noch mindestens ein Defizit aufweisen. In der weit überwiegenden Zahl liegt noch kein tragfähiger Gesamtprozess vor, und alle Konzepte werden sich infolge des vorgeschriebenen P-Recyclings daran orientieren bzw. messen lassen müssen, dass sie dem Primat der Wirtschaftlichkeit folgen.

3-Millionen-Förderung für Pilotprojekt

Eine im Statuspapier als besonders erfolgversprechend ausgewiesene Technologie ist Tetraphos. Mit dem Pilotprojekt der Hamburger Vera Klärschlammverbrennung (Gesellschafter sind die Hamburger Stadtentwässerung und Remondis Aqua) sollen jedes Jahr 1600 t Phosphor aus Klärschlammasche zurückgewonnen werden. Für die Umsetzung erhält das Unternehmen mehr als drei Millionen Euro aus dem Umweltinnovationsprogramm des Bundesumweltministeriums.

In der Verbrennungsanlage des Unternehmens werden etwa 125.000 t Klärschlamm pro Jahr verbrannt. Die dabei entstehende Klärschlammasche enthält Phosphor in relativ konzentrierter Form, der bisher mangels entsprechender Rückgewinnungstechnik ungenutzt auf Deponien landete.

Mithilfe des Tetraphos-Verfahrens wird der Phosphor bei Vera zukünftig in mehreren Prozessschritten durch Zugabe von Säure aus der Verbrennungsasche herausgelöst. Gleichzeitig werden die Störstoffe abgetrennt. Als Abnehmer des rückgewonnenen Phosphors kommen neben der Düngemittelindustrie auch Unternehmen der Automobil-, Galvanik- und Baustoffbranche in Betracht. Die im Volumen deutlich reduzierte Rest-Asche wird auf Deponien abgelagert.

Das Projekt ist insofern wegweisend, als die Phosphorrückgewinnung aus Klärschlämmen ab 2029 Pflicht für Kläranlagen mit einem Volumen ab 50.000 Einwohnern wird. Bei einem Erfolg des Projekts ist anzunehmen, dass das Verfahren in der gesamten Abwasserwirtschaft Nachahmer finden wird.

* Der Autor ist freier Mitarbeiter bei PROCESS.

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