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Technologie

2.1.05 Phosphorrecycling – Abwasser und Klärschlamm als Quelle eines wertvollen Stoffs

Phosphor ist für alle Lebewesen essentiell. Mit hohem Energieaufwand wird aus abgebautem Phosphaterz mineralischer Phosphordünger hergestellt. Doch die Erze sind endlich: Die bekannten, wirtschaftlich abbaubaren Reserven sind nach jetzigem Kenntnisstand in etwa 100 Jahren erschöpft. Deshalb arbeiten Wissenschaftler seit Jahren an Verfahren, mit denen sich Phosphor aus dem Abwasser beziehungsweise Klärschlamm effizient zurückgewinnen lässt.

Eines dieser Forschungsvorhaben ist das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderte Projekt „Phosphorrecycling – Ökologische und wirtschaftliche Bewertung verschiedener Verfahren und Entwicklung eines strategischen Verwertungskonzepts für Deutschland“ (PhoBe); an ihm sind fünf Institute unterschiedlicher Fachrichtungen beteiligt, geleitet vom Institut für Siedlungswasserwirtschaft (ISA) der RWTH Aachen. Beim Projekt PhoBe (Laufzeit bis Ende 2011) handelt es sich um ein übergreifendes Vorhaben, das die Ergebnisse der geförderten Projekte der BMBF-Förderinitiative „Kreislaufwirtschaft für Pflanzennährstoffe – insbesondere Phosphor“ resümiert und übergreifend bewertet. Die Förderinitiative wurde im Jahr 2004 zusammen mit dem Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU) gestartet.

Da die Preise von mineralischem Roh-Phosphat als entscheidende Referenzgröße für die Bewertung der Wirtschaftlichkeit von Recyclingverfahren dienen, erfolgt innerhalb eines der acht Arbeitspakete eine mittel- bis langfristige (2030) Abschätzung der globalen Preisentwicklung. Ferner werden die relevanten phosphatreichen Stoffströme in Deutschland identifiziert und qualitativ erfasst. Die bei den in der Förderinitiative entwickelten Rückgewinnungsverfahren gewonnenen Phosphatprodukte werden auf Verunreinigungen analysiert und anhand ihrer Düngewirkung im Vergleich zu herkömmlichen Phosphatdüngern (z. B. Tripelsuperphosphat) bewertet.

In einem weiteren Schritt werden die spezifischen Produktionskosten der entwickelten Verfahren anhand einer Kostenabschätzung ermittelt und die Verfahren unter ökologischen Aspekten bilanziert. Auf Grundlage der bisherigen Ergebnisse wird ein Rückgewinnungskonzept für Deutschland entwickelt, das aufzeigt, welcher Stoffstrom sich sinnvoll für das Recycling eignet. Ein weiterer Arbeitsschwerpunkt ist die Technologievorausschau anhand einer Expertenbefragung sowie die Identifizierung von Zukunftschancen für das Phosphorrecycling in Deutschland.

Preisentwicklung von Phosphorsäure

Preisentwicklung von Phosphorsäure
Preisentwicklung von Phosphorsäure
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Preisentwicklung prognostiziert

Für die mittel- und langfristige Preisentwicklung von Phosphat dient als methodische Vorgehensweise der Ansatz, die Ermittlung der Fundamentaldaten – somit die Entwicklung von Angebot und Nachfrage – zunächst getrennt zu analysieren und dann zur späteren Preisentwicklung wieder zusammenzuführen. Dabei wurden zwei Szenarien untersucht, in denen von einem Anstieg des Phosphatverbrauchs ausgegangen wurde (ein bzw. zwei Prozent p. a.). Der langsame Anstieg spiegelt die Entwicklung in der näheren Vergangenheit (Business as Usual, BAU); der schnellere (Biofuels) käme beim vermehrten Anbau von Pflanzen für die Biotreibstoffproduktion zum Tragen.

Da Phosphorsäure als Ausgangssubstanz für die Produktion phosphathaltiger Düngemittel dient, wurde zusätzlich zu der Preisentwicklung des Rohphosphats auch die Preisentwicklung der Phosphorsäure geschätzt: Im ersten Szenario steigt der Phosphorsäurepreis bis zum Jahr 2030 auf 660 US-Dollar, im zweiten auf 760 US-Dollar je Tonne (siehe Grafik Preisentwicklung von Phosphorsäure).

Magnesiumammoniumphosphate (MAP) und Klärschlammasche (kleines Bild)

Magnesiumammoniumphosphate (MAP) und Klärschlammasche (kleines Bild)
Magnesiumammoniumphosphate (MAP) und Klärschlammasche (kleines Bild)
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Die Analyse der in der Förderinitiative gewonnenen Sekundärphosphate hat gezeigt, dass alle hergestellten Magnesiumammoniumphosphate (MAP) die Grenzwerte (bzw. fast alle Produkte die Kennzeichnungspflicht) der Düngemittelverordnung aus dem Jahr 2008 unterschreiten. Die Düngewirksamkeit wurde mit Maispflanzen auf Sand- und Lehmboden in Erst- und Zweitfrucht im Vergleich zu Tripelsuperphosphat und Rohphosphat sowie einer Null-Kontrolle untersucht. Bisherige Ergebnisse deuten darauf hin, dass die gewonnenen Sekundärphosphate keine signifikante Abweichung zum Tripelsuperphosphat aufweisen und somit von ihrer Düngewirksamkeit vergleichbar sind mit herkömmlichen Düngemitteln.

Sekundärphosphat noch nicht konkurrenzfähig

Die Kostenabschätzung der in der Förderinitiative entwickelten Verfahren ergab, dass die spezifischen Produktionskosten für ein Kilogramm Sekundärphosphat – abhängig vom technischen Aufwand und dem Rückgewinnungspotenzial des Verfahrens – zwischen zwei und dreizehn Euro je Kilogramm Phosphor liegen und somit noch nicht konkurrenzfähig zu den marktüblichen Phosphatdüngern (rund 1,50 €/kg) sind. Doch schon heute kann sich das Phosphatrecycling lohnen: In den Fällen, in denen es einen zusätzlichen Nutzen gibt – etwa vermiedene Rohrverblockungen durch Ablagerung von ausgefallenem MAP oder eine Verbesserung der Entwässerung des Klärschlamms.

Die für Deutschland erstellte Stoffstrombilanz gibt die theoretisch für das Phosphorrecycling zur Verfügung stehende Phosphormenge aus dem Abwasser beziehungsweise Klärschlamm mit rund 70.000 Tonnen im Jahr an. Besonders bedeutend ist hier der Klärschlamm, der gegenwärtig zu etwa einem Viertel in Monoklärschlammverbrennungsanlagen entsorgt wird. Die Verbrennung zerstört weitgehend Keime, geruchsverursachende Stoffe und organische Schadstoffe, der Phosphor bleibt jedoch vollständig als Rückstand in der Asche. Untersuchungen zeigten, dass der Phosphoranteil in den Klärschlammaschen bei etwa sechs Prozent liegt und somit im Vergleich zu den übrigen Quellen (Kläranlagenablauf, Schlammwasser, Klärschlamm) die höchste Phosphorkonzentration aufweist.

Potenzial von bis zu 45.000 Tonnen

Die Monoverbrennungskapazitäten betragen in Deutschland rund 520.000 Tonnen Klärschlamm im Jahr und sind momentan zu etwas mehr als 90 Prozent ausgelastet. Sollten alle Klärschlammaschen aus der Monoverbrennung einer Phosphorrückgewinnung zugeführt werden, ließen sich jährlich etwa 13.000 Tonnen Phosphor rückgewinnen. Durch den Einbezug von Klärschlämmen, die keiner Monoverbrennung oder landwirtschaftlichen Verwertung zugeführt werden, ließen sich in den großen Kläranlagen (>100.000 Einwohner) weitere 5.000 Tonnen gewinnen. Ausgehend davon, dass die landwirtschaftliche Klärschlammverwertung in Zukunft weiter eingeschränkt wird und somit die thermische Verwertung zunimmt, wurde ein Szenario berechnet, bei dem der gesamte Klärschlamm in Monoverbrennungsanlagen verbrannt und einer Rückgewinnung angedient wird: In diesem Fall ließen sich etwa 45.000 Tonnen Phosphor jährlich zurückgewinnen, was einer Substitution der Phosphordüngemittel von rund 60 Prozent entspräche.

Fachleute sind der Ansicht, das Phosphatrecycling könne bis 2030 in den Industrieländern umgesetzt und wirtschaftlich tragfähig sein – dies ist das Ergebnis einer durchgeführten Umfrage, die unter dem Titel „Dringlichkeit der Phosphorrückgewinnung, Erfolgspotenzial der Phosphorrückgewinnung aus Abwasserbehandlung und Klärschlamm, Potenziale der Rückgewinnung aus Klärschlammasche und Phosphatrückgewinnung im Kontext eines Systemwandels in der Wasser- und Abfallwirtschaft“ stand.

Projekt-Website www.phosphorrecycling.eu

RWTH Aachen
Institut für Siedlungswasserwirtschaft (ISA)

Univ.-Prof. Dr.-Ing. Johannes Pinnekamp
Mies-van-der-Rohe Straße 1
52074 Aachen
Tel.: 02 41/80-2 52 07
Fax: 02 41/80-2 22 85
E-Mail: isa@isa.rwth-aachen.de
Internet: www.isa.rwth-aachen.de
Förderkennzeichen: 02WA0805 – 02WA0808>
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Projekt-Website

www.phosphorrecycling.eu