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Lebensspender Phosphor aus Klärschlamm gewinnen

Das chemische Element Phosphor, das vor allem in der Landwirtschaft als Düngemittel eingesetzt wird, ist ein essenzieller Baustein allen Lebens. Der Stoff kann weder substituiert noch synthetisch hergestellt werden. Zudem ist sein Vorkommen auf wenige Länder der Erde beschränkt. Ein europaweites Forschungsprojekt zum Recycling von Phosphor stellt deshalb jetzt Möglichkeiten vor, wie der kostbare Rohstoff aus Klärschlamm und Abwasser gewonnen werden kann.

Phosphor ist ein für Menschen, Tiere und Pflanzen gleichermaßen lebenswichtiges Element, das beispielsweise für den Knochenbau, aber auch für die Bildung von DNA-Strängen in der Zelle wichtig ist. In der Landwirtschaft wird Phosphor für die Düngung nahezu aller Pflanzen eingesetzt, denn er sorgt für einen hohen Ernteertrag und eine gute Qualität der angebauten Nutzpflanzen. Umso bemerkenswerter ist es, dass es sich bei Phosphor um ein limitiertes Element handelt, welches nur in bestimmten Gesteinen in wenigen Regionen der Welt wie zum Beispiel in Afrika oder China vorkommt. Deshalb werden vermehrt Projekte ins Leben gerufen, die sich mit der Möglichkeit des Recyclings dieses kostbaren Rohstoffs befassen.

Schadstoffreduktion für Rohstoffgewinnung

Als Ausgangsmaterial tritt vor allem Klärschlamm in den Fokus, denn hier lagert sich Phosphor besonders gut ab. „Klärschlamm ist im Wesentlichen die Biomasse der gewachsenen Mikroorganismen in der Kläranlage, speziell in der biologischen Reinigungsstufe", erklärt Dr. Almut Gerhardt, Geschäftsführerin der LimCo International GmbH, die an einem europaweiten Projekt zur Rückgewinnung von Phosphor aus Klärschlamm mitarbeitet. Innerhalb der biologischen Reinigungsstufe säubern Mikroorganismen das Abwasser und produzieren dabei Biomasse. Diese ist reich an Phosphor, da das Element in jedem Organismus zum Beispiel in der Erbsubstanz oder in der Energiespeichersubstanz Adenosintriphoshat (ATP) enthalten ist. „Der hohe Phosphatgehalt im Abwasser, der vorwiegend durch die anthropogene Düngung durch beispielsweise Mist und Gülle erzeugt wird, wird also eliminiert und in die Mikroorganismenbiomasse eingelagert", erläutert Gerhardt.

Aus diesem Grund wird Klärschlamm schon seit langer Zeit als landwirtschaftlicher Dünger eingesetzt. Jedoch wurde in den vergangenen Jahren immer mehr auf die hohe Schwermetallbelastung des Bodens durch diese Art der Bodenanreicherung aufmerksam gemacht. Gleichzeitig wird aufgrund der hohen Konzentration organischer Spurenschadstoffe vermehrt dafür plädiert, Klärschlamm generell nicht mehr als Dünger zu verwenden. „Um dieser Belastung des Bodens durch Klärschlamm entgegenzuwirken und dennoch den hohen Phosphorgehalt dieses Abfallprodukts weiter zu nutzen, wurde das europäische FP 7 P-REX Projekt ins Leben gerufen, das sich zum Ziel gesetzt hat, das wertvolle Element aus Klärschlamm zu recyceln", so Almut Gerhardt.

Glossar

  • Desoxyribonukleinsäure (DNS / DNA) trägt die genetische Information. In den Chromosomen liegt sie als hochkondensiertes, fadenförmiges Molekül vor.
  • Mit Kompetenz im biologischen Sinn ist die Eigenschaft eines Bakteriums gemeint, DNA von außen aufnehmen zu können.
  • Für den Begriff Organismus gibt es zwei Definitionen: a) Jede biologische Einheit, die fähig ist, sich zu vermehren und selbstständig, d. h. ohne fremde Hilfe, zu existieren (Mikroorganismen, Pilze, Pflanzen, Tiere einschließlich Mensch). b) Legaldefinition aus dem Gentechnikgesetz: „Jede biologische Einheit, die fähig ist, sich zu vermehren oder genetisches Material zu übertragen.“ Diese Definition erfasst auch Viren und Viroide. Folglich fallen gentechnische Arbeiten mit diesen Partikeln unter die Bestimmungen des Gentechnikgesetzes.
  • Toxizität ist ein anderes Wort für Giftigkeit.
  • Fossile sind aus der erdgeschichtlichen Vergangenheit stammende Überreste von Tieren oder Pflanzen.
  • Als Biomasse wird die gesamte Masse an organischem Material in einem definierten Ökosystem bezeichnet, das biochemisch – durch Wachstum und Stoffwechsel von Tieren, Pflanzen oder Mikroorganismen – synthetisiert wurde. Damit umfasst sie die Masse aller Lebewesen, der abgestorbenen Organismen und die organischen Stoffwechselprodukte.
Dr. Almut Gerhardt (r.) und ihre wissenschaftliche Mitarbeiterin Nadja Rastetter (l.) gemeinsam mit dem Projektleiter Dr. Christian Krabbe (Mitte). © LimCo International GmbH

Europaweites Projekt liefert Daten zur Sekundärstoffgewinnung

In dem Projekt geht es darum, eine Kostenevaluation sowie eine Marktanalyse und einen Leitfaden für die Aufarbeitung von Phosphor aus Klärschlamm und Abwasser zu erstellen. Dabei wurde deutlich, dass der Bedarf an Phosphor durch die weiter wachsende Erdbevölkerung und den damit einhergehenden Mehrverbrauch an Dünger für pflanzliche Nahrungsmittel in den kommenden Jahren weiter steigen wird.

„Die technischen Grundlagen für die breite Anwendung des Phosphor-Recyclings sind heute gegeben. Allerdings ist für das Verfahren mitunter der Einsatz vieler kostenintensiver Chemikalien nötig, wodurch der Preis des recycelten Phosphor im Moment noch nicht konkurrenzfähig ist", erläutert Dr. Christian Krabbe vom Projektpartner Kompetenzzentrum Wasser in Berlin die bisherige Entwicklung. Als Leiter des EU-Projekts FP 7 P-REX spricht er deshalb die Empfehlung aus, eine Teilsubstitution fossiler Phosphate durch wiederaufbereiteten, sekundären Phosphor zu etablieren. In der Düngemittelproduktion könne so relativ kurzfristig und ohne hohe Investitionen ein substanzieller Teil des im Klärschlamm enthaltenen Phosphors in bereits vorhandene Wertschöpfungsketten recycelt werden, so Krabbe.

Das Toximeter der LimCo International GmbH wurde eigens für das Projekt an neue Anwendungen adaptiert. © LimCo International GmbH

Spezialisten für Gewässerschutz garantieren Bodenverträglichkeit

An dem Projekt beteiligt sind Institutionen und Unternehmen aus Deutschland, Österreich und der Schweiz. Ein Projektpartner ist die Konstanzer LimCo International GmbH, die auf die Prüfung und Überwachung der Wasserqualität von Trinkwasser, Abwasser, Prozesswasser sowie von Flüssen und Seen spezialisiert ist. Sie gewährleistet mit Hilfe von toxikologischen Tests die unbedenkliche Einsatzfähigkeit des recycelten Phosphor. „Wir verfügen über ein einzigartiges Echtzeit-basiertes Toximeter, mit dem wir verschiedene Klärschlämme und Phosphor-Recyclate auf ihr toxisches Restpotenzial hin getestet haben", erklärt Gerhardt.

Gemeinsam mit ihrer wissenschaftlichen Mitarbeiterin Nadja Rastetter hat sie für das EU FP 7 P-REX Projekt den von LimCo konzipierten Toximeter erstmals so adaptiert, dass dieser auch für Klärschlamm und Bodenmessungen verwendet werden konnte. Um die Ungefährlichkeit des Phosphors aus den Klärschlämmen zu verifizieren, wurden von der LimCo International GmbH drei verschiedene Indikatorarten eingesetzt: Bachflohkrebse als wichtige Wasserorganismen, Wasserlinsen als Vertreter von Wasserpflanzen und Kompostwürmer für Bodentests. „Alle Tests wurden nach internationalen Standards durchgeführt. Darüber hinaus wurden zusätzliche sensitive Parameter in Echtzeit kontinuierlich mit unserem Toximeter gemessen", erläutert Almut Gerhardt den Umfang der von ihr durchgeführten toxikologischen Messungen.

Noch im Sommer 2015 soll das Projekt offiziell abgeschlossen werden. Die Ergebnisse zeigen, dass sich die Rückgewinnung von Phosphor aus Klärschlamm in den kommenden Jahren immer mehr lohnen wird. Der Fokus sollte aber in erster Linie nicht darauf gelegt werden, sekundären Phosphor als Alternative zum fossilen Element anzubieten, sondern dieses teilweise durch das recycelte Produkt zu ersetzen. „Bevor in eine neue Infrastruktur investiert wird, sollte zunächst das Beste aus der bestehenden herausgeholt werden. Deshalb ist die Integration sekundärer Teilströme in existierende Primärströme umzusetzen", sagt Krabbe abschließend.

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