Erfolgreiche Aufskalierung 08.01.2020, 07:00 Uhr

Phosphate in großem Maßstab aus Klärschlamm isolieren

Ab 2032 müssen Kläranlagen Phosphate zurückgewinnen, doch viele Verfahren sind teuer oder wenig effizient. Fraunhofer-Forscher zeigen jetzt, dass sich bakterielle Fällungen auch für große Betriebe eignen.

Klärschlamm

Bereit für neue Einsatzmöglichkeiten: Phosphate, die mit Bakterien aus Klärschlamm abgetrennt worden sind.

Foto: Fraunhofer IWKS

Bereits am 27. September 2017 wurde eine novellierte Verordnung über die Verwertung von Klärschlamm, Klärschlammgemisch und Klärschlammkompost (Klärschlammverordnung, kurz AbfKlärV) verabschiedet – mit weitreichenden Konsequenzen: Betreiber von Großanlagen müssen Maßnahmen zur Rückgewinnung von Phosphor planen und in ihren Betrieb implementieren – spätestens bis 2023.

Derzeit sind verschiedene Verfahren im Einsatz, etwa die Fällung von Phosphat im Klärschlamm mit einer Effizienz von 5 bis 15 % oder die Fällung im Schlammwasser (5 bis 35 %). Beide Methoden erfüllen die Vorgaben der AbfKlärV aufgrund einer zu geringen Abtrennung von Phosphat nicht. Nur bei der Rückgewinnung aus Asche kommt man auf 80 % oder mehr im Sinnen der gesetzlichen Auflagen. Nasschemische Fällungen führen zu Struvit, einem Magnesiumammoniumphosphat, das abgetrennt und als Dünger verwendet wird. Alles in allem gelten bekannte Methoden als ineffizient, kostenintensiv und erfordern den Einsatz großer Mengen an Chemikalien.

Forscher der Fraunhofer-Einrichtung für Wertstoffkreisläufe und Ressourcenstrategien IWKS und der ICL Fertilizers Deutschland GmbH zeigen jetzt, wie sich Phosphate auch in technischem Maßstab effizient und kostengünstig mit Bakterien aus Klärschlamm entfernen lassen.

Phosphor fällen – mit Bakterien statt mit Chemikalien

Beim sogenannten Bioleaching kommt beispielsweise keine Schwefelsäure zum Einsatz, um gebundene Phosphate aus der Klärschlammasche aufzuschließen. Diese Aufgaben übernehmen Bakterien der Gattung Acidithiobacillus. Sie nutzen künstlich zugesetzten Schwefel zur Energiegewinnung. Dabei wird der elementare Schwefel zu Schwefelsäure oxidiert: ein bekanntes Prinzip aus der großtechnischen Gewinnung von Gold, Kupfer, Zink oder Uran aus rohstoffhaltigen Erzen.

Im nächsten Schritt eliminiert die bakteriell erzeugte Schwefelsäure chemisch gebundenes Phosphat aus der Asche. Dabei entsteht wasserlösliche Phosphorsäure. Sie ist ein Ausgangsprodukt für Dünger. Dabei kann der Einsatz von Chemikalien auf ein Minimum reduziert werden. Anschließend fällt man das Phosphat als schwerlösliches Eisenphosphat, trennt es ab und arbeitet es auf. Alle Schritte wurden zuvor im Labormaßstab untersucht und jetzt erfolgreich in den technischen Maßstab übertragen.

Das Prozesswasser reinigen, Energie sparen und Kosten verringern 

Die Forscher des Fraunhofer IWKS widmeten sich bei der Hochskalierung aller Schritte unter anderem dem Prozesswasser – einer offenkundigen Schwachstelle laut Studien im Labormaßstab. „Um 1 Liter Klärschlammasche zu rezyklieren, sind etwa 10 Liter Prozesswasser nötig“, berichtet Lars Zeggel vom Fraunhofer IWKS. Die Flüssigkeit lässt sich erneut zur Anzüchtung von Bakterien nutzen, muss aber nach etwa 10 Zyklen dann entsalzt werden.

„Wir haben die Membranfiltration soweit anpassen können, dass wir 98 % des eingesetzten Sulfats – also des Schwefels – aus dem Wasser entfernen und letztendlich 75 % des Prozesswassers im Kreis führen können“, erklärt Zeggel. So verringere sich die Menge des zu entsorgenden Prozesswassers erheblich, und Energie könne eingespart werden. Die Membranfiltration leistet einen erheblich Beitrag, um Betriebskosten zu verringern. Man muss nämlich kein Abwasser entsorgen respektive eindampfen, was viel Energie verbraucht.

„Wir haben die Aufskalierung des Verfahrens im Bereich der Prozesswasserrezyklierung sowie der Reststoffverwertung, Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen und Analytik begleitet“, fasst Zeggel alle wesentlichen Schritte zusammen.

Preisgünstige Abtrennung, wertvoller Dünger 

Zu den Vorteilen des bakteriellen Aufschlusses für Betreiber erklärt der Fraunhofer-Experte: „Der Phosphor, den wir über das neuartige Verfahren aus der Asche zurückgewinnen, hat eine Pflanzenverfügbarkeit von 50 %, bezogen auf einen wasserlöslichen Phosphatdünger. Zum Vergleich: Das Phosphat in der reinen Klärschlammasche ist nahezu gar nicht pflanzenverfügbar.“ Außerdem wird der Gehalt an relevanten Schadstoffen wie Cadmium um mehr als 90 % verringert. Das heißt: Der Dünger lässt sich gut einsetzen, und der Phosphatkreislauf wird geschlossen.

Auch die ökonomischen Zahlen lassen sich sehen: Rund 2 Euro pro Kilogramm kostet das über Bakterien hergestellte Phosphat. Nasschemische Verfahren schlagen mit mindestens 4 bis 6 Euro pro Kilogramm zu Buche. Abgebautes Phosphat aus Marokko ist mit 70 Cent pro Kilogramm zwar noch günstiger, enthält aber deutlich mehr Uran und Cadmium als die bakteriell hergestellte Variante. Das spricht klar für Dünger aus Klärschlamm.

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Von Michael van den Heuvel
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