Dünger aus Klärschlamm
Phosphor ist lebenswichtig für Mensch, Tier und Pflanze. Der Abbau von Rohphosphat verursacht jedoch große Umweltbelastungen und ein Überangebot von Phosphat im Boden kann letztendlich zum Entstehen lebensfeindlicher anoxischer Zonen in Gewässern führen. Ein Förderprojekt der Deutschen Bundesstiftung Umwelt (DBU) demonstriert, wie sich Phosphor aus Klärschlammasche zurückgewinnen und in ein pflanzenverfügbares Düngemittel überführen lässt.
Ein phosphathaltiges Düngergranulat – das Produkt aus der Klärschlammasche. Bild: Glatt Ingenieurtechnik
Für das Schließen des Phosphorkreislaufes ist es erforderlich, phosphorhaltige Substrate wie Klärschlamm oder Klärschlammasche in vermarktungsfähige Düngeprodukte zu überführen. Ein Kooperationsprojekt der Glatt Ingenieurtechnik GmbH, Weimar, der Seraplant GmbH, Haldensleben, sowie der Materialforschungs- und -prüfanstalt an der Bauhaus-Universität Weimar bietet dazu einen zielführenden Ansatz. Dabei entsteht in einem zweistufigen Verfahren aus Klärschlammasche aus Monoverbrennungsanlagen ein pflanzenverfügbares Düngergranulat.
Potenzial von 19.000 Tonnen jährlich
Zurzeit werden in Deutschland fast 800.000 Tonnen Klärschlamm pro Jahr in Monoverbrennungsanlagen entsorgt. Dabei entstehen etwa 300.000 Tonnen Klärschlammasche. Aus dieser Asche ergibt sich für Phosphor ein jährliches Rückgewinnungspotential von knapp 19.000 Tonnen. Da der Phosphor jedoch als Phosphat in einer wasserunlöslichen Form vorliegt und damit nicht pflanzenverfügbar ist, lässt sich Klärschlammasche nicht direkt als Dünger einsetzen.
Das oben genannte, von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt (DBU) geförderte und kürzlich beendete Kooperationsprojekt zielte daher darauf, die ökologischen Vorteile des Phosphorrecyclings durch ein technisch robustes und wirtschaftlich darstellbares Verfahren zu realisieren. Dabei standen drei Arbeitsschwerpunkte im Fokus: Es sollte möglich sein, Aschen aus verschiedenen Monoklärschlammverbrennungsanlagen zu verwenden und gleichzeitig sollten die Energie- sowie die Anlageneffizienz im Vergleich zu Vorläuferprozessen gesteigert werden.
Phosphorrückgewinnung schont natürliche Reserven
Einer der relevanten Abfallströme für die Phosphorrückgewinnung sind kommunale Abwässer. Mit ihnen gelangen Phosphate aus Fäkalien sowie Wasch- und Reinigungsmitteln in die Kläranlagen. Abwasser, Klärschlamm und Klärschlammasche stellen Quellen für ein Phosphorrecycling dar: In Deutschland fielen im Jahr 2015 ca. 1,8 Mio. Tonnen Klärschlamm an, von denen etwa 2/3 thermisch verwertet wurden (Abb.). Zu den relevanten Stoffströmen in Deutschland zählen aber auch Gülle sowie Tier- und Knochenmehl. Würde es gelingen, das im Abwasser und in tierischen Nebenprodukten enthaltene Phosphat zurückzugewinnen, könnten theoretisch ca. 60 % des Mineraldüngers in Deutschland substituiert werden. Die Phosphorrückgewinnung schont die Phosphatreserven und trägt dazu bei, den Phosphorkreislauf zu schließen. Zudem besteht die Möglichkeit, ein qualitativ hochwertiges Düngemittel ohne Schadstoffe wie Cadmium und Uran zu produzieren.
Für das Rückgewinnen von Phosphor aus Klärschlamm macht der Gesetzgeber mit der Novellierung der Klärschlammverordnung (AbfKlärV) klare Vorgabe: Ab dem Jahr 2029 müssen Kläranlagen mit einer Ausbaugröße von mehr als 100.000 Einwohnerwerten Phosphat aus Klärschlamm bzw. Klärschlammasche zurückgewinnen. Diesen Kläranlagen ist dann auch untersagt, Klärschlamm in der Landwirtschaft oder im Landschaftsbau zu verwerten. Bereits 2023 müssen alle Kläranlagen unabhängig von ihrer Größe Konzepte dazu vorlegen, wie sie zukünftig im Sinne des Kreislaufwirtschaftsgesetzes mit ihrem Klärschlamm umgehen werden.
Derzeit werden in Deutschland mehr als 30 Verfahren zur Phosphorrückgewinnung entwickelt und erprobt. Für die Phosphorrückgewinnung aus Klärschlamm zeichnet sich indes ein Trend zur Monoverbrennung ab. Das heißt, der Klärschlamm wird verbrannt und der Phosphor befindet sich dann in der Asche. Somit müssen Technologien entwickel werden, um die aus der Monoverbrennung stammende Asche zu einem pflanzenverfügbaren Düngemittel weiterzuverarbeiten.
Drei Zielprodukte identifiziert
Im ersten Schritt des neu entwickelten Verfahrens werden die unlöslichen Phosphate in der Asche mit Mineralsäure aufgeschlossen, um sie in eine pflanzenverfügbare Form zu überführen. Für diesen Zweck wurde nach umfangreichen Analysen eine Phosphorsäure identifiziert, die als Nebenprodukt bei der Pigmentherstellung anfällt. Mit einer Menge von 10.000 bis 20.000 Tonnen pro Jahr in Deutschland ist diese Phosphorsäure sowohl ausreichend verfügbar als auch preislich attraktiv. Der entstehenden Suspension können bei Bedarf weitere Nährstoffe in flüssiger sowie fester Form oder zusätzliche Phosphatquellen zugesetzt werden. Durch umfangreiche Laborversuche gelang es ausgehend von unterschiedlichen Klärschlammaschen, Suspensionsrezepturen für drei Zielprodukte, nämlich P46 Triple Superphosphat, P38 Doppel-Superphosphat und P30 Superphosphat zu entwickeln.
So unterschiedlich sind die prozentualen Phosphor-Anteile in verschiedenen Quellen. Bild: DBU
Im zweiten Verfahrensschritt galt es, das Stoffgemisch durch Wirbelschichtsprühgranulation zu einem transportfähigen Produkt zu verarbeiten. Für alle eingesetzten Klärschlammaschen ließen sich an einer Laborgranulationsanlage die Verfahrens- und Prozessparameter für die drei Zielprodukte ermitteln. Die hergestellten Granulate erfüllen die Anforderungen der Düngemittelverordnung und sind qualitativ mit herkömmlichen Mineraldüngern vergleichbar.
Effizienzvorteile des Verfahrens
Auch die Zielvorstellungen hinsichtlich der Effizienz konnten erfüllt werden: Über abgestimmte Dispergierprozesse und den Einsatz spezifischer Dispergiermittel ließ sich der Feststoffgehalt der Suspension im ersten Verfahrensschritt von 35 auf 60 Prozent erhöhen. Damit erniedrigt sich im zweiten Verfahrensschritt die für das Verdampfen des Wassers benötigte Energie und ermöglicht eine Energieeinsparung von etwa 35 Prozent in der Wirbelschicht. Gleichzeitig verdoppelt sich durch den höheren Feststoffgehalt die Produktionskapazität bei gleicher Anlagendimensionierung, was weitere Effizienzvorteile bietet. Darüber hinaus ermöglichen auf den Prozess abgestimmte Anlagenkonzepte wie beispielsweise eine Abluftteilrückführung weitere energetische Einspareffekte von bis zu 30 Prozent.
Inzwischen wurde der Prozess in den technischen Maßstab übertragen und die großtechnische Umsetzung hat bereits begonnen. Damit steht ein Verfahren für die Wiedergewinnung von Phosphor aus Klärschlammaschen zur Verfügung, das unterschiedliche boden- und pflanzenverfügbare Standard-Dünger liefert, die in Qualität den bisherigen Mineraldüngern gleichwertig sind und diese damit ersetzen können. Schwankungen in der Zusammensetzung der Klärschlammaschen lassen sich einfach ausgleichen, indem die Rezeptur angepasst wird. Der auf Wirbelschichttechnologie basierende Herstellungsprozess erfüllt die marktspezifischen Preisvorgaben, so dass auch die Wettbewerbsfähigkeit sichergestellt ist.
Literatur
Krüger, O., Adam, C. (2014): Monitoring von Klärschlammmonoverbrennungsaschen hinsichtlich ihrer Zusammensetzung zur Ermittlung ihrer Rohstoffrückgewinnungspotentiale und zur Erstellung von Referenzmaterial für die Überwachungsanalytik. TEXTE 49/2014, Umweltforschungsplan des Bundesministeriums für Umwelt, Naturschutz, Bau und Reaktorsicherheit, Forschungskennzahl 37 11 33 321 UBA-FB 001951
Leidolph, L., Könke, C. (2018): Effizientes und wirtschaftliches Verfahren zur Überführung von Klärschlammaschen in Hochleistungsdünger: Abschlussbericht über ein FuE-Projekt, gefördert von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt (DBU), AZ 33767, Osnabrück.
Dr. Maximilian Hempel, Deutsche Bundesstiftung Umwelt (DBU), Osnabrück, m.hempel@dbu.de, Dipl. Biol. Verena Menz, DBU Zentrum für Umweltkommunikation, Osnabrück, v.menz@dbu.de
