Themenschwerpunkt Phosphor
Vorgaben zur Phosphorrückgewinnung
Phosphor ist ein unverzichtbarer Rohstoff für die landwirtschaftliche Lebensmittelproduktion und viele industrielle Anwendungen. Da Deutschland und Europa keine eigenen Phosphatlagerstätten besitzen, sind sie auf Importe aus politisch und wirtschaftlich unsicheren Regionen angewiesen. Gleichzeitig enthält Klärschlamm große Mengen dieses wertvollen Nährstoffs. Weil eine landwirtschaftliche Verwertung von Klärschlamm aufgrund von Schadstoffen zunehmend eingeschränkt wird, gewinnt die Phosphorrückgewinnung an Bedeutung: Sie ermöglicht die Rückführung von Phosphor in den Wirtschaftskreislauf, schont natürliche Ressourcen und stärkt die Versorgungssicherheit mit diesem kritischen Rohstoff.
Vor diesem Hintergrund wurde 2017 die Klärschlammverordnung (AbfKlärV) geändert. Ab dem 01.01.2029 müssen alle kommunalen Klärschlämme mit einem Phosphorgehalt ab 20 g Phosphor pro Kilogramm Klärschlammtrockenmasse (20 g P/kg TM) so verwertet werden, dass der darin enthaltene Phosphor stofflich genutzt werden kann. Dies gilt für alle Kläranlagen unabhängig von der Ausbaugröße.
Insgesamt unterliegen über 90 % der in Bayern anfallenden Klärschlammmenge der Phosphorrecyclingpflicht (Auswertung der Abfrage nach §3a AbfKlärV 2023 durch das Bayerische Landesamtes für Umwelt).
Bereits jetzt ist eine möglichst hochwertige Klärschlammverwertung, nach Möglichkeit unter Nutzung einer Phosphorrückgewinnung anzustreben. Ab 2029 wird die gesetzliche Verpflichtung eingeführt.
Klärschlämme von Anlagen ≤ 100.000 EW (ab 2032: ≤ 50.000 EW) dürfen dann zur Erfüllung der Phosphorrückgewinnungspflicht bodenbezogen verwertet werden, sofern die entsprechenden Vorgaben der Klärschlammverordnung und Düngemittelverordnung (DüMV) eingehalten werden. Bei dieser Verwertungsart wird der wertvolle Phosphor – jedoch auch die Schadstoffe im Klärschlamm – dem Stoffkreislauf direkt wieder zugeführt.
Können die Klärschlämme nicht bodenbezogen verwertet werden, muss eine technische Phosphorrückgewinnung erfolgen. Ziel der technischen Phosphorrückgewinnung ist den wertvollen Phosphor von den verunreinigenden Schadstoffen abzutrennen und in ausreichend reiner Form in den Wirtschaftskreislauf zurückzuführen.
Dazu sind gemäß Klärschlammverordnung folgende Wege möglich:
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Phosphorrückgewinnung auf der Kläranlage mit einer Rückgewinnungsquote von mindestens 50 % oder eine Reduktion des Phosphorgehalts auf unter 20 g P/kg TM.
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Eine thermische Klärschlammbehandlung mit anschließender Phosphorrückgewinnung aus der Klärschlammasche mit einer Rückgewinnungsquote von mind. 80 %.
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Eine thermische Klärschlammbehandlung mit anschließender bodenbezogener Verwertung der aufbereiteten Klärschlammasche – sofern die Klärschlämme bzw. Klärschlammaschen die Vorgaben der AbfKlärV und DüMV erfüllen.
Werden die in der AbfKlärV gesteckten Ziele der Phosphorrückgewinnungsquoten erreicht, kann das in Bayern für Mineraldünger genutzte fossile Phosphat zu rund 43 % ersetzt werden und die Abhängigkeit von Importen deutlich reduziert werden.
Beratungsstelle Phosphorrückgewinnung des Bayerischen Landesamts für Umwelt
Am Bayerischen Landesamt für Umwelt wurde zur Unterstützung bei der Umsetzung der zukünftigen Pflicht zur Phosphorrückgewinnung eine Beratungsstelle eingerichtet.
→ Hier erhalten Sie weitere Informationen zur Beratungsstelle.
Deutsche Phosphor-Plattform (DPP)
Die Deutsche Phosphor-Plattform DPP e.V. ist ein weiteres Netzwerk zur Förderung der Rückgewinnung von Phosphor und zum nachhaltigen Einsatz der rückgewonnenen Produkte.
Auf der Homepage der DPP finden Sie weitere Informationen zum Thema Phosphorrückgewinnung.
→ Hier erhalten Sie weitere Informationen zur DPP.
Grundsätzliches zu Phosphor im Klärschlamm
Je nach Vorhandensein und Art einer Phosphorelimination auf Kläranlagen (Bio-P oder Fällung mit Al, Fe) liegt Phosphor in unterschiedlichen Bindungsformen vor. Grundsätzlich kann zwischen chemisch gebundenem Phosphor (also z. B. durch eine Ausfällung mit Eisen-/Aluminiumsalzen), biologisch gebundenem Phosphor (also z. B. in den Bakterien einer Bio-P) und gelöstem Phosphor (ortho-Phosphat) unterschieden werden. Die grundsätzliche Art der Phosphorelimination kann beeinflussen, ob und mit welchem Aufwand Phosphor aus dem Klärschlamm zurückgewonnen werden kann. Im anaeroben Milieu wird z. B. biologisch gebundener Phosphor wieder in lösliche Form überführt, wohingegen chemisch gebundener Phosphor in der Regel nur durch Zugabe von Säuren wieder in Lösung gebracht werden kann. In Klärschlammaschen liegt Phosphor vorwiegend in einer schwer löslichen Form vor, weshalb auch hier häufig Säuren (Phosphorsäure, Salzsäure, Schwefelsäure) zur pH-Wert-Absenkung zum Einsatz kommen, um diesen wieder in Lösung zu bringen und in nun besser pflanzenverfügbarer Form nach Trocknung der Asche einer weiteren Verwendung zuzuführen oder ggf. weiter aufzureinigen (z. B. um Phosphor-Rezyklate höherer Qualität zu erreichen).
Verfahren der Phosphorrückgewinnung
Im Folgenden haben wir Ihnen in Kürze einige Phosphorrückgewinnungsverfahren und weiterführende Links zusammengestellt.
Rückgewinnung aus Klärschlamm
Das AirPrex®-Verfahren ist ein Verfahren, das in Verbindung mit einer biologischen Phosphotelimination eingesetzt wird.
Nach der Faulung wird der Klärschlamm einer Luftstrippung unterzogen. Durch Luftzuführung wird hierbei CO2 ausgegast und der pH-Wert auf ca. 8 (+/- 0,2) angehoben.
Durch Zugabe von Magnesiumchlorid (MgCl2) bilden sich Magnesium-Ammonium-Phosphat-Kristalle (MAP, Struvit), welche anschließend im Prozess abgetrennt und aufgereinigt werden.
Ein weiterer Vorteil des Verfahrens ist, dass sich im anaeroben Milieu des Faulturms eine Rücklösung des in der Biomasse gebundenen Phosphors in ortho-Phosphat einstellen kann, die einerseits durch eine unkontrollierte MAP-Ausfällung zu unerwünschten Ablagerungen in Rohren, Pumpen etc. führen kann und andererseits zu einer Verschlechterung der Entwässerung sowie ggf. durch eine höhere Rückbelastung der Kläranlage durch im Filtratwasser enthaltenes ortho-Phosphat. Durch die gezielte Ausfällung von MAP im AirPrex-Verfahren und Abtrennung von MAP im Prozess vor der Entwässerung kann der Anlagenverschleiß reduziert, die Entwässerung verbessert und die Rückbelastung reduziert werden.
Am Standort KA Waßmanndorf der Berliner Wasserbetriebe (BWB) wurde das Verfahren eingesetzt und das erzeugte Produkt als "Berliner Pflanze" vermarktet. Allerdings konnten hiermit die zukünftig erforderlichen Quoten der AbfKlärV nicht erreicht werden. Zukünftig ist daher geplant, die anfallenden Klärschlämme einer thermischen Behandlung zuzuführen und eine Phosphorrückgewinnung aus der Asche vorzunehmen (weitere Informationen hierzu erhalten Sie hier).
Weitere Informationen zum Verfahren:
Beim Stuttgarter Verfahren wird ausgefaulter Klärschlamm mittels Schwefelsäure (Ziel-pH-Bereich ca. 4-5) aufgeschlossen. Je nach Art des eingesetzten Verfahrens zur Phosphatelimination im Abwasserstrom (Bio-P, Al- oder Fe-Fällung) ist ein variierender Mengeneinsatz an Säure erforderlich, um den Phosphor in Lösung zu bringen. Anschließend erfolgt eine Fest-Flüssig-Trennung, wobei ein phosphatarmer Filterkuchen und phosphatreiches Filtrat anfällt. Im phosphatreichen Filtrat sind jedoch auch die gelösten Metallionen enthalten, weshalb diesem Zitronensäure zugegeben wird, um diese zu komplexieren. Über eine Ultrafiltration werden Störstoffe abgetrennt und zurückgeführt. Das Permeat (also der filtrierte Anteil) wird dann mit Natronlauge und Magnesiumsalz versetzt, wodurch der pH-Wert abgesenkt und MAP (Magnesium-Ammonium-Phosphat, Struvit) ausgefällt wird. Nach einer Auskristallisation wird das erzeugte MAP abgetrennt.
Weitere Informationen zum Verfahren:
Rückgewinnung aus Klärschlammasche
Ash2®Phos ist ein nasschemisches Verfahren, bei dem Klärschlammasche zunächst durch Zugabe von Salzsäure aufgeschlossen wird. Rückgewinnbare Elemente wie Eisen, Aluminium und Phosphor werden abgetrennt und unter Kalkzugabe zu Eisenhydroxid/Aluminiumhydroxid und Calciumphosphat als Zwischenprodukte. Diese Zwischenprodukte können dann weiter aufbereitet werden, z. B. zu Aluminiumchlorid/Aluminiumsulfat, Eisenchlorid und für den Phosphatanteil zu MAP, Superphosphat oder Phosphorsäure.
Eine großtechnische Anlage der Phosphorgewinnung Schkopau GmbH (PGS) (durch EasyMining und Gelsenwasser gegründet) am Standort Schkopau befindet sich derzeit im Bau.
Weitere Informationen:
Beim AshDec®-Verfahren handelt es sich um ein thermochemisches Verfahren, bei dem Klärschlammasche und getrockneter Klärschlamm in einem Drehrohrofen (um ca. 900 °C) unter Zugabe von Alkaliverbindungen (Na-, K-) - in ersten Versionen des Verfahrens Magnesiumchlorid bzw. Calciumchlorid - thermisch aufgeschlossen werden. Die bei diesen Temperaturen flüchtigen Schwermetalle wie Cadmium oder Quecksilber können über die Gasphase abgetrennt werden.
Eine großtechnische Anlage die eine abgewandelten Form des AshDec®-Verfahrens nutzt, wurde im Rahmen des RePhor-Projekts R-Rhenania am Standort Altenstadt in Bayern errichtet (weitere Informationen erhalten Sie hier).
Weitere Informationen:
Das EuPhoRe®-Verfahren ist ein thermochemisches Verfahren in einem Drehrohrofen, das aber - z. B. abweichend vom AshDec-Verfahren, direkt am Einsatzstoff Klärschlamm (und nicht erst der Klärschlammasche) ansetzt. Es findet somit ein fließender Übergang der thermischen Klärschlammbehandlung mit Konditionierung der erzeugten Asche statt. Durch Alkali/Erdalkalisulfat- oder chloridzugabe wird der Klärschlamm konditioniert, wobei hierdurch ein Schwermetallaustrag angestoßen und die spätere Phosphorlöslichkeit in der Asche erhöht wird. Im Prozess erfolgt dann eine Reduktion der Metalle in einer Pyrolysestufe und die Überführung von Chloriden in die Gasphase. Beim Übergang in die Verbrennungsstufe werden organische Schadstoffe zerstört und es erfolgt eine "Umkristallisation" der Mineralik, wodurch eine erhöhte Phosphatlöslichkeit umgesetzt wird.
Besonderer Vorteil ist die Umsetzung der thermischen Behandlung und weiteren Aufbereitung in einem Verfahren.
Weitere Informationen:
Das ParForce-Verfahren ist ein nasschemisches Verfahren, mit dem durch Zugabe von Salz- oder Salpetersäure verschiedene Ausgangsstoffe (z. B. MAP, Klärschlammasche) aufgeschlossen werden. Anschließend erfolgt eine Filtration. Das phosphorreiche Filtrat wird mittels Elektrodialyse in Rohphoshorsäure und andere Bestandteile (Ca, Mg etc.) geteilt. Die Rohphoshorsäure wird konzentriert und kann anschließend noch weiter aufbereitet werden.
Weitere Informationen:
Durch Säurezugabe zu Klärschlammasche wird Phosphat gelöst und eine Suspension erzeugt, welche anschließend sprühgranuliert wird und als Dünger direkt eingesetzt werden soll. Das Verfahren ist patentiert. Eine industrielle Anlage wurde 2021 beim Entwicklungspartner SERAPLANT in Betrieb genommen (weitere Informationen finden Sie hier).
Weitere Informationen:
Beim nasschemischen TetraPhos®-Verfahren wird Klärschlammasche mit Phosphorsäure aufgeschlossen, wodurch Phosphat (und Schwermetalle) in Lösung gebracht wird. Durch Sulfidzugabe werden einige Schwermetalle gefällt und gehen in die feste Phase über. Nach einer Filtration wird das Filtrat, welches noch Eisen, Aluminium, Calcium und Phosphor enthält, unter Zugabe von Schwefelsäure behandelt und Gips ausgefällt, welcher abgetrennt wird. Eisen und Aluminium werden über Ionenaustauscher entfernt, sodass am Ende eine etwa 25%ige Phosphorsäure erzeugt wird, welche teilweise wieder im Prozess rückgeführt und zum Aufschluss der nächsten Asche eingesetzt werden kann. Der nicht rückgeführte Phosphorsäureanteil kann aufkonzentriert und weiter vermarktet werden. Eisen und Aluminium, welche im Kationenaustauscher gebunden wurden, können durch Zugabe von Salzsäure gelöst werden und nach eine Filtration als Eisen-/Aluminiumchloridlösung als Fällmittel zur P-Elimination wieder auf der Kläranlage eingesetzt werden.
Das Verfahren ist seit 2014 durch REMONDIS patentiert. Am Standort Hamburg befindet sich eine großtechnische Anlage seit 2021 in Inbetriebnahme.
Weitere Informationen:
