Die Qual der Wahl: TetraPhos, Mephrec oder EcoPhos

Die Rückgewinnung von Phosphaten aus Klärschlamm soll gestärkt werden. Eine Reihe verschiedener Verfahren ist in der Diskussion und wird teilweise auf dem Markt angeboten. Die Wahl zwischen diesen Verfahren ist nicht nur aus technologischen und finanziellen Gründen schwierig: Die Debatten um Klärschlamm- und Mantelverordnung erleichtert die Entscheidung keineswegs.

Einer aktuellen Statistik des U.S. Geological Survey zufolge befinden sich 86 Prozent der global nachgewiesenen Reserven an Rohphosphat-Erz in Marokko, Algerien, Syrien, China, im Irak und in der Westsahara; allein in Marokko und der Westsahara sollen rund 70 Prozent der weltweit bekannten Reserven liegen. Angesichts geopolitischer Unsicherheiten in diesen Regionen, sinkender Rohphosphat-Qualität aufgrund von Schadstoffbelastungen sowie weltweit steigendem Bedarf ist die Rückgewinnung und/oder Wiederverwendung von Phosphaten in Klärschlämmen unabdingbar. Diese Einsicht fand sogar Niederschlag im Koalitionsvertrag der jetzigen deutschen Bundesregierung vom November 2013, in dem es heißt: „Wir werden die Klärschlammausbringung zu Düngezwecken beenden und Phosphor und andere Nährstoffe zurückgewinnen.“ Die Frage ist nur: Wie?

Grundsätzlich sind mehrere Vorgehensweisen zur Rückgewinnung von Phosphat tauglich. Neben der Struvitfällung – der Kristallisation eines Magnesium-Ammonium-Phosphat-Gemischs – sind die Aufschluss- oder Leaching-Methode, die metallurgische Schlammbehandlung namens Metrec, die sowohl die stofflichen wie energetischen Potenziale des Abfalls erschließt, und die Rückgewinnung aus Verbrennungsasche in Gebrauch. Allein an thermischen Verfahren stehen Pyrolyseverfahren,  Rostfeuerung in Monoverbrennungsanlagen, Wirbelschichtfeuerung, Klärschlammvergasung, Schmelzvergasung, Thomasverfahren, das Bitterfelder Elektro-Lichtbogenverfahren und die magnetisch induktive Phosphat-Vergasung zur Verfügung.

27 plus x Verfahren

Die Zahl der einzelnen Verfahren ist weitaus höher: Fabian Kraus und Christian Kabbe vom KompetenzZentrum Wasser in Berlin listeten vor kurzem allein zwölf Verfahren auf, die Struvit aus Nassschlamm ausfällen, sowie vier Verfahren mit „forcierter Phosphat-Rückgewinnung“. Hinzu kommen sechs Systeme, die mit Leaching aus Verbrennungsasche arbeiten, sowie fünf Methoden, die diese Materialien thermisch behandeln. Das sechste, sogenannte Thermphos-Verfahren zur Herstellung von Phosphor und anorganischen Phosphorverbindungen ging laut Wikipedia 2012 in Insolvenz.

Welches System das praktikabelste ist, untersuchten Fabian Kraus und Christian Kabbe ebenfalls. Sie kommen zu dem Schluss, dass EcoPhos hinsichtlich der meisten betrachteten Impactkategorien das umweltfreundlichste Ascheverfahren und mit 0,80 Euro pro Kilogramm Phosphat auch das kosteneffektivste darstellt. Sie müssen jedoch auch einräumen, dass ein kurzfristiger oder auch umfassender Ausstieg aus der Klärschlamm-Düngung nachteilige Auswirkungen hätte, da die Kalkulation von bestehenden Monoverbrennungsanlagen ausgeht.

Nur wenige im industriellen Maßstab

Verfahren, die Klär- oder Faulschlämme als Ausgangsmaterial zur Phosphor-Rückgewinnung einsetzen, haben sich bislang nur wenig im industriellen Maßstab etabliert. So soll das Aqua-Reci-Verfahren laut einer Modellrechnung für die Stockholmer Klärwerke aus dem Jahr 2002 Kosten von 164 Euro pro Tonne Trockenmasse für die Nassoxidation ohne Phospat-Recycling generieren, wobei in erster Linie die Minimierung der organischen Schlammreststoffe im Zentrum steht. Die Phosphat-Rückgewinnung gilt allenfalls als Option und erfordert einen zusätzlichen Verfahrensschritt. Aktuellere Zahlen beziffern bereits die Kosten für 70-prozentiges Calciumphosphat, das zur Phosphatabspaltung weiter behandelt werden muss, auf 248 Euro pro Tonne Trockenmasse.

Mit dem Seaborne-Verfahren, das in einer großtechnischen Anlage im niedersächsischen Gifhorn zur Anwendung kommt, sollten rund 80 Prozent des im Klärschlamm enthaltenen Phosphors zurückgewonnen und die abgetrennten Schwermetalle in industriellen Prozessen zu über 95 Prozent wieder eingesetzt werden können. Jedoch führte eine Kalkulation der Chemikalienkosten dazu, dass ein Teil der ursprünglich geplanten Technologie aufgegeben wurde, was zulasten der Phosphatgewinnung geht. Allerdings kommt die Anlage aufgrund höherer Gasausbeute, besserer Entwässerbarkeit und direktem Düngerverkauf zurzeit ohne Förderung aus.

Hohe Chemikalienkosten

Säureaufschlussverfahren für Klärschlamm wie das der Gifhorner Anlage punkten hinsichtlich einer hohen Effizienz in der Phosphat-Rückgewinnung, benötigen aber aufwändigere Verfahren und hohe Mengen an Chemikalien. Nur das Budenheim-Verfahren kommt mit wesentlich geringeren Chemikalienzusätzen und ohne zusätzlichen Energieeintrag aus, benötigt jedoch erhöhten Druck, um das im Feststoff gebundene Phosphat aufzuschließen. Die Technologie ist zudem mit einer Phosphat-Elimination mittels Eisensalzfällung kompatibel und wird zurzeit in einer halbtechnischen Anlage in Mainz getestet. Ein Gutachten der Schweizer „Organisation Kommunale Infrastruktur“ beurteilt nach ersten Kostenschätzungen die Aussichten für eine großtechnische Anlage mit Budenheim-Verfahren als sehr vielversprechend.

Als ebenso aussichtsreiches Verfahren zur Phosphat-Rückgewinnung aus Klär- oder Faulschlämmen per Säureaufschluss wird zurzeit das Stuttgarter Verfahren gehandelt. Seit 2011 ist das Verfahren im großtechnischen Maßstab auf der Offenburger Kläranlage als Pilotprojekt in Betrieb, finanziell unterstützt durch das Umweltministerium Baden-Württemberg, mitentwickelt vom Ingenieurbüro iat – Ingenieurberatung für Abwassertechnik, wissenschaftlich begleitet vom Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft der Universität Stuttgart und betrieben vom Abwasserzweckverband Raum Offenburg.

Das Verfahren lässt sich folgendermaßen skizzieren: Der Faulschlamm wird mittels Schwefelsäure mit einem pH-Wert von 4 gelöst, um die Lösung von Metallen und Schwermetallen möglichst zu vermeiden. Nach der Fest-/Flüssigtrennung des Schlamm-Säure-Gemischs geht der entwässerte Schlamm in die Verbrennung, während das phosphatreiche Filtrat in einen neuen Container verfüllt wird. Unter Zugabe von Zitronensäure komplexieren Metalle und Schwermetalle. Durch Natronlauge wird ein pH-Wert von 8 erreicht, der unter Zuführung von Magnesiumoxid zur Fällung von Magnesium-Ammonium-Phosphat-Rezyklats mit einem über 90-prozentigen PO4-Gehalt führt. Im Mittel konnten 93 Prozent des Phosphats in die Rezyklat-Phase überführt werden, resümiert das online-Magazin wwt.

Sehr chemikalienintensiv

Das Fachjournal verheimlicht (Stand März 2013) allerdings auch nicht den enormen Verbrauch an Betriebsmitteln pro rezykliertem Kilogramm Phosphat: Dazu werden unter anderem 8,4 Liter 78-prozentige Schwefelsäure, 175 Liter Stammlösung mit 0,4-prozentigem Polymeranteil, 27,9 Liter 50-prozentige Zitronensäure, 34,9 Liter 25-prozentige Natronlauge sowie 3,7 Kilogramm 92-prozentiges Magnesiumoxid benötigt. Auch das erwähnte Gutachten der Schweizer „Organisation Kommunale Infrastruktur“ weist (Stand März 2015) darauf hin, dass das Verfahren „sehr chemikalienintensiv“ sei und deshalb hohe Betriebskosten generiert, weswegen – da sich der Chemikalienverbrauch kaum reduzieren lässt – wenige Optimierungspotenziale zur Weiterentwicklung des Verfahrens bestehen.

Doch offenbar wurde das Verfahren mittlerweile modifiziert: Auf einem Kongress Ende Juni 2015 in Stuttgart meldete Ralph-Edgar Mohn vom Abwasserzweckverband Raum Offenburg einen anderen Chemikalieneinsatz: 35 Liter 78-prozentige Schwefelsäure, 40 Liter 50-prozentige Zitronensäure, 65 Liter 20-prozentige Natronlauge sowie zehn Kilogramm 95-prozentiges Magnesiumoxid. Und verwies darauf, das sich mit dem jetzigen Verfahren pro Charge Faulschlamm á zehn Kubikmeter eine Ausbeute von 35 Kilogramm Magnesium-Ammonium-Phosphat-Monohydrat – entsprechend rund fünf Kilogramm elementarem Phosphor – erzielen lassen sollen. Das erzeugte MAP-Produkt sei direkt als Mehrnährstoffdünger in der Landwirtschaft verwendbar. Die Produktqualität sei „sehr gut“ und weise einen geringen Schwermetallgehalt auf, dessen Anteile weit unter den Grenzwerten liegen würden. Die wenigen, schwer abbaubaren organischen Schadstoffe würden im Filterkuchen bleiben. Bei Investitionskosten allein für die Anlage von 650.000 Euro (ohne Ultrafiltration) rechnete Mohn mit Kosten pro Kilogramm Phosphatdünger von ein bis zwei Euro, der 2008 noch bei vier Euro gelegen haben soll.

Foto: DWA

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Noch für keine großtechnische Pilotierung reif

Trotz dieser positiven Einschätzung durch den Betreiber beurteilten die Verfasser des Gutachtens für die Schweizer „Organisation Kommunale Infrastruktur“ das Verfahren nicht ganz so optimistisch. Auf der Suche nach einem nass-chemischen Verfahren zur Rückgewinnung von Phosphor in Kläranlagen verglichen sie Stuttgarter-, Budenheim- sowie HTC-Verfahren von AVA-CO2 miteinander. Und obwohl das Stuttgarter Verfahren als „das deutlich am besten Erforschte“ eingestuft wurde und „gute Rückgewinnungsgrade“ versprechen würde, landete es wegen hohen Chemikalienverbrauchs, hoher Betriebskosten und fehlender Optimierungspotenziale – „entscheidender Defizite“ – nur auf Platz 2. Das Rennen machte das Budenheim-Verfahren: Es sei zwar „vom Entwicklungsstand her“ noch für keine großtechnische Pilotierung reif, erweise sich aber im Vergleich zu anderen Säureaufschluss-Verfahren als äußerst vielversprechend. Entsprechende Ergebnisse im halbtechnischen Laborversuchen vorausgesetzt, würde sich nach Ansicht der Gutachter eine Pilotierung „aufdrängen“, zumal das Budenheim-Verfahren als Betriebsmittel CO benötigt, das in der Biogasaufbereitung des zukünftigen Projektbetreibers am Schweizer Standort anfällt.

Unterschiedliche Konzepte

Diese Entscheidungsfindung lässt sich nicht 1:1 auf die Verfahrenswahl in Deutschland übertragen. Schon deshalb, weil die einzelnen Verfahren durch unterschiedliche lokale Ausgangsbedingungen, finanzielle Betriebsvorgaben, gesteckte Kostenrahmen, vorgegebene Rückgewinnungsziele und möglichst wirtschaftliche Erlöse charakterisiert sind.

So entschied sich beispielsweise Remondis Aqua vor kurzem für eine Pilotanlage mit dem seit 2013 erforschten TetraPhos-Verfahren in Hamburg. Den Zuschlag erhielt damit eine Technologie zur Gewinnung von Phosphorsäure aus Klärschlamm-Verbrennungsaschen, weil – aufgrund langjähriger guter Zusammenarbeit zwischen Hamburg Wasser und Remondis – die Pilotanlage in unmittelbarer Nähe der VERA Klärschlammverbrennung unter idealen Bedingungen bis zur Betriebsreife optimiert werden könne. Die VERA Klärschlammverbrennung GmbH gehört zu 60 Prozent der Hamburger Stadtentwässerung und zu 40 Prozent der Remondis Aqua.

In Nürnberg entschied man sich hingegen für ein Konzept, das in die lokale Energie- und Entsorgungslandschaft passte und mehrere Vorzüge bot. So fiel die Wahl auf das metallurgische Phosphor-Recycling, kurz Mephrec. Bei diesem Verfahren wird Klärschlamm – neben seiner energetischen Nutzung – nahezu vollständig in ein phosphorhaltiges Düngemittel umgesetzt – in einer Anlage an einem Standort in einem Verfahrensschritt. Organische Schadstoffe werden eliminiert, Schwermetalle geschmolzen und verkauft, zusätzliche Abfalltransporte entfallen. Die Machbarkeitsstudie hob zusätzlich die gesicherte Wirtschaftlichkeit, die Senkung der spezifischen Klärschlamm-Entsorgungskosten von 60 auf 30 bis 50 Euro pro Tonne Klärschlamm (27 Prozent Trockensubstanz) in Abhängigkeit von den internationalen Düngemittelpreisen und die Nutzung des im Klärschlamm enthaltenen stofflichen Potenzials zur Erzeugung eines Phosphat-Düngers hervor.

Für andere Interessenten für Klärschlammentsorgung mit Phosphatgewinnung steht wie erwähnt eine Reihe von Technologien zur Auswahl, aus dem möglicherweise auch nur das kostengünstigste Modell EcoPhos – der Empfehlung von Fabian Kraus und Christian Kabbe folgend – favorisiert wird.

Weiterhin ohne verlässliche Mengenangaben

Die Verfahrenswahl sollte jedoch in jedem Fall einen zweiten wichtigen Punkt berücksichtigen: die Menge der zur Verfügung stehenden Klärschlämme. Zurzeit fallen in Deutschland jährlich zwei Millionen Tonnen Klärschlammtrockenmasse an, die etwa 60.000 Tonnen Phosphor enthalten. Ob zukünftig diese Menge – wie bislang – teilweise in der Landwirtschaft ausgebracht und teilweise durch Verfahren rückgewonnen oder – wie im Koalitionsvertrag vorgesehen – nach dem Ausstieg aus der landwirtschaftlichen Klärschlammausbringung vollständig stofflich und energetisch verwertet wird, ist noch nicht entschieden. Die Marschrichtung der Bundesregierung und des Bundesumweltministeriums ist jedenfalls in der Entsorgungswirtschaft auf breite Kritik gestoßen. Der BDE spricht sich dafür aus, unbedenkliche Klärschlämme weiterhin landwirtschaftlich und landbaulich zu verwerten. Schlämme, die für eine qualitativ hochwertige stoffliche Verwertung nicht in Frage kommen, sollten über alternative Verfahren zurückgewonnen werden. Gemeinsam mit elf weiteren Verbänden tritt der BDE „für fachlich differenzierte Regelungen in der Klärschlammverordnung“ ein.

Hingegen soll derzeitigen Plänen des Bundesumweltministeriums zufolge nach einer zehnjährigen Übergangsfrist, also ab 1. Januar 2025, die stoffliche Verwertung von Klärschlamm nur noch bei Kläranlagen der Größenklasse 1 und 2 – Kläranlagen mit bis zu 10.000 Einwohnerwerten – gestattet werden. Somit würden zukünftig alle Schlämme aus größeren Kläranlagen verbrannt. Zum Zeitpunkt des Ausstiegs aus der stofflichen Klärschlammverwertung soll eine Phosphor-Rückgewinnung für alle Schlämme, die einen Phosphorgehalt von mehr als 20 Gramm Trockenmasse je Kilogramm aufweisen, verpflichtend festgelegt werden.

Doch selbst bei Annahme dieser Novellierungspläne dürfte der Streit um die Behandlung von Klärschlämmen nicht endgültig beigelegt sein, solange die Mantelverordnung nicht unter Dach und Fach ist, die aus wasser- und abfallrechtlicher Perspektive in die Thematik hineinreicht. Aus diesem Grund dürfte es für Investoren oder öffentliche Entsorgungsunternehmen in nächster Zukunft schwierig bis unmöglich sein, mit verlässlichen Input-Zahlen zu kalkulieren. Und die wenigsten werden es wagen, Geld in Verfahren oder Anlagen zu stecken, die noch nicht großtechnisch getestet und für wirtschaftlich rentabel befunden wurden. Die Branche wird also zunächst mit angezogener Handbremse agieren müssen.

Foto: TerraNova Energy GmbH

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