P-bac-Technologie: Dünger aus Klärschlamm
Ab 2023 müssen Betreiber großer Kläranlagen ein Konzept vorlegen, wie Phosphor rückzugewinnen ist.
Zwar kann Klärschlammasche direkt auf die Felder ausgebracht werden, doch verwerten Pflanzen den enthaltenen Phosphor nicht vollständig. Außerdem enthält Asche Schadstoffe, darunter Schwermetalle, die nicht auf den Acker gelangen sollten. Andererseits benötigten erste Ansätze, Phosphor über nasschemische Verfahren aus der Klärschlammasche rückzugewinnen, große Mengen an Chemikalien. Die P-bac-Technologie, mit der Phosphor aus Klärschlamm rückgewonnen werden kann, verfolgt einen alternativen Ansatz.
Bakterien machen es möglich
Das Verfahren hat die Firma Fritzmeier Umwelttechnik GmbH & Co. KG entwickelt, und das Projekt „Phosphorrecycling – vom Rezyklat zum intelligenten langzeitverfügbaren Düngemittel“ (kurz: PRil) führte es weiter. Der Clou: Statt Chemikalien wie Schwefelsäure zur Klärschlammasche zu geben, überlassen die Experten Bakterien das Feld. Diese nehmen Kohlenstoffdioxid aus der Luft auf und stellen unter Zugabe von elementarem Schwefel selbst Schwefelsäure her, mit dem sie den Phosphor aus der Asche lösen. Andere Bakterien nehmen den Phosphor unter speziellen Lebensbedingungen auf, reichern ihn an und geben ihn unter anderen Bedingungen wieder ab: Dabei fällt festes Eisenphosphat aus, das von der Laugungslösung abgetrennt werden kann.
50 Prozent Pflanzenverfügbarkeit
„Der Phosphor, den wir über das neuartige Verfahren aus der Asche rückgewinnen, hat eine Pflanzenverfügbarkeit von 50 Prozent, bezogen auf einen wasserlöslichen Phosphatdünger. Zum Vergleich: Das Phosphat in der reinen Klärschlammasche ist nahezu gar nicht pflanzenverfügbar“, verdeutlicht Dr. Lars Zeggel, Projektleiter am Fraunhofer IWKS. Zudem ist das enthaltene Substrat weitgehend schadstofffrei, indem die relevanten Schadstoffe um mehr als 90 Prozent reduziert werden können.
Auch bei den Kosten punktet das Düngemittel aus recyceltem Klärschlamm. Wie eine Wirtschaftlichkeitsbetrachtung des Fraunhofer IWKS ergab, kostet das so hergestellte Phosphat etwa zwei Euro pro Kilogramm. Bei der Herstellung per nasschemischen Verfahren liegt der Preis hingegen bei mindestens vier bis sechs Euro pro Kilogramm. Zwar ist Phosphor aus recycelten Quellen bislang noch teurer als der primäre Phosphor aus Marokko, der bei 70 Cent pro Kilogramm Phosphorpentoxid (P2O5) liegt. Doch enthält dieser Rohphosphor im Gegensatz zum recycelten zunehmend Schadstoffe wie Cadmium und Uran.
Prozesswasser im Kreis führen
Die Forscher des Fraunhofer IWKS widmeten sich auch dem Prozesswasser. Denn „um einen Liter Klärschlammasche zu rezyklieren, sind etwa zehn Liter Prozesswasser nötig“, erläutert Lars Zeggel. Beim neuen Verfahren lässt sich das Abwasser nach Abtrennung des Phosphats direkt für die erneute Vermehrung der Bakterien verwenden und muss erst nach einigen Zyklen entsalzt werden.
„Wir haben die Membranfiltration soweit anpassen können, dass wir 98 Prozent des eingesetzten Sulfats – also den Schwefel – aus dem Wasser entfernen und letztendlich 75 Prozent des Prozesswassers im Kreis führen können“, bilanziert Zeggel. Damit reduziert sich die Menge des zu entsorgenden Prozesswassers erheblich und spart Energie, die zum Verdampfen des Wassers aufgewendet werden müsste und einer der größten Kostentreiber ist. Mit der Membranfiltration konnte das Forscherteam daher die Betriebskosten erheblich senken. Das neue Verfahren ist somit sowohl umweltschonend wie kostengünstiger.
Das PRil-Projekt übertrug die P-bac-Technologie gemeinsam mit der Fraunhofer-Einrichtung für Wertstoffkreisläufe und Ressourcenstrategie IWKS in Alzenau und der ICL Fertilizers Deutschland GmbH vom Labormaßstab in den Technikumsmaßstab. Das Gesamtverfahren ist inzwischen im Hundert-Liter-Maßstab einsatzbereit.
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Die Lieferkette von Phosphor enthält einen Unsicherheitsfaktor:
75 Prozent der Phosphatlagerstätten liegen in Marokko und der westlichen Sahara. Wie kritisch das werden kann, zeigte sich in den Jahren 2008 und 2009: Durch Lieferengpässe und Spekulationen an den Rohstoffmärkten stieg der Phosphorpreis um 800 Prozent. Die Europäische Kommission nahm Phosphor daher in die Liste der 20 kritischen Rohstoffe auf.
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(EU-Recycling 02/2020, Seite 31)