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Phosphor-Recycling – Wertstoffe aus der Kläranlage

Die moderne Landwirtschaft ist auf Phosphor in Form von Mineraldünger als wichtigem Pflanzennährstoff angewiesen – doch große Mengen des wertvollen Rohstoffs landen in unseren Kläranlagen. Zwei neue Verfahren, um Phosphor aus dem Abwasser zurückzugewinnen, könnten schon bald zu einem nachhaltigeren Umgang mit dem Rohstoff beitragen.

Phosphor ist ein Grundbaustein des Lebens. Er bildet das Gerüst für die Erbsubstanz DNA, er steckt als Mineral in unseren Knochen und als Energieträger in den Zellen. Unzählige Phosphationen zirkulieren im natürlichen Kreislauf zwischen Lebewesen, Gewässern und Böden. Phosphorsäure peppt Cola auf und Phosphate machen Würstchen länger haltbar. Das Gros des im Tagebau gewonnenen Phosphorerzes wird aber für die Herstellung von Mineraldüngern für die Landwirtschaft verwendet. Deutschland hat keine eigenen Vorkommen, sodass der gesamte Bedarf von jährlich rund 100.000 Tonnen Rohphosphat importiert werden muss. Wichtige Exportländer wie Marokko und Jordanien liegen in politisch instabilen Regionen, was die EU-Kommission im Mai 2014 dazu bewog, Phosphat in die „Liste der 20 kritischen Rohstoffe“ aufzunehmen.

In Deutschland könnten die in kommunalen Abwässern enthaltenen Phosphate einen beträchtlichen Teil des Bedarfs der Landwirtschaft decken. Denn das von den Pflanzen aus dem Ackerboden aufgenommene Phosphat gelangt über die Nahrung in Tiere und Menschen, wird größtenteils wieder ausgeschieden und landet so schließlich in den Kläranlagen. Bereits bekannte Verfahren des Phosphorrecyclings konzentrieren sich bei der Rückgewinnung des Phosphats auf den Klärschlamm oder die Asche, die nach der Verbrennung des Klärschlamms übrig bleibt. Diese festen Phasen enthalten Phosphat in relativ hoher Konzentration; es lässt sich aber meist nur unter Chemikalieneinsatz und entsprechend teuer zurückgewinnen. Die direkte Ausbringung des Klärschlamms auf die Felder ist umstritten, denn sie birgt Gefahren durch im Schlamm enthaltene Schwermetalle, Krankheitserreger und Medikamentenrückstände. In der Schweiz ist diese Praxis daher seit 2006 verboten. Das deutsche Bundesumweltministerium arbeitet gerade an der Novelle der Klärschlammverordnung. Die Entwurfsfassung sieht ein Verbot der Feldausbringung ab 2025 vor und will die Kläranlagen außerdem zum Phosphor-Recycling verpflichten.

Neue Wege im Phosphor-Recycling

Wissenschaftler aus Stuttgart, Karlsruhe und Würzburg haben zwei neue Verfahren entwickelt, mit denen das Phosphatrecycling in die Abwasserbehandlung der Kläranlage integriert werden kann – das Phosphat also aus der flüssigen Phase gewonnen wird. Mit dem am Kompetenzzentrum für Materialfeuchte (CMM) am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) entwickelten P-RoC-Verfahren (Phoshorous Recovery from waste and process water by Crystallisation of Calcium Phosphate) lässt sich das Phosphat zum Beispiel aus dem bei der Klärschlammentwässerung entstehenden Schlammwasser zurückgewinnen.

Dabei wird ein Granulat aus Calcium-Silicat-Hydrat, einem mineralischen Material aus der Baustoffindustrie, zur Kristallisation des Phosphats eingesetzt. Nach Trocknung kann das Granulat ohne weitere Aufarbeitung direkt als Düngemittel verwendet werden. „Das Spannende ist, dass dieses Verfahren neben dem Kristallisationsmaterial ohne weitere Zusatzstoffe auskommt und mit relativ geringem technischen Aufwand betrieben werden kann“, sagt Rainer Schuhmann, Leiter des CMM. Hinsichtlich der Belastung mit Schwermetallen, organischen Schadstoffen und Krankheitserregern erwies sich das Düngegranulat als unbedenklich. Das Verfahren kann derzeit bis zu 60 Prozent des Phosphats aus dem Schlammwasser gewinnen und hat sich bereits in mehreren Kläranlagen im Pilotbetrieb bewährt.

Mikro-U-Boote durchsieben das Abwasser

Fließschema des P-Roc-Verfahrens zur Gewinnung von Phosphat aus Abwasser mittels Kristallisation. © KIT

Das im P-RoC-Verfahren verwendete Schlammwasser enthält allerdings nur etwa 30 Prozent des gesamten Phosphors im Abwasser. Deswegen setzt ein anderes, von Stuttgarter und Würzburger Forschern entwickeltes Verfahren bereits im Hauptstrom der Kläranlage an. Dabei werden spezielle Komposit-Partikel als Phosphorfänger eingesetzt. Wie winzige U-Boote schweben die Partikel durch das Abwasser und sammeln Phosphationen. Sie tun das so effektiv, dass schon nach 20 Minuten 99 Prozent des Phosphats auf ihrer Spezialoberfläche haften. Wenig später fischt sie ein Magnetfeld mitsamt ihrer wertvollen Rohstofffracht aus dem trüben Nass und sie landen in einer Wanne mit aggressiver Natronlauge. Bei pH 13 geben die Mikro-U-Boote das gesammelte Phosphat frei und sind bereit für einen neuen Sammelauftrag.

Karl Mandel und seine Kollegen vom Fraunhofer-Institut für Silicatforschung in Würzburg entwickelten das raffinierte Grundgerüst der „Mikro-U-Boote“. Bei der Herstellung der Komposit-Partikel werden Nanopartikel aus Magnetit in eine Matrix aus Siliziumdioxid eingebettet. Sie lassen sich durch ein von außen angelegtes Magnetfeld anziehen; wenn das Magnetfeld wieder abgestellt wird, bleiben sie aber nicht dauerhaft magnetisch, denn das ließe sie verklumpen. Die Gesamtgröße von 20 Mikrometern sorgt außerdem dafür, dass die Partikel nicht unkontrolliert in die Umwelt gelangen können.

Aufwendiges Screening für beste Bindungseigenschaften

Testanlage zur Partikelabscheidung in der Forschungskläranlage der Universität Stuttgart. © A. Drenkova-Tuhtan/ISWA

Nachdem das Grundgerüst stand, war es die Aufgabe des Stuttgarter Instituts für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft (ISWA), die optimale Beschichtung zur Bindung der Phosphationen zu finden. Asya Drenkova-Tuhtan ist Ingenieurin am ISWA und erläutert: „Allein im laufenden Projekt haben wir über 50 verschiedene Materialien untersucht und festgestellt, dass die sogenannten Layered Double Hydroxides (LDH), das sind Schichten aus Metallhydroxiden, am geeignetsten sind.“ Dabei kam es nicht nur auf die Eignung zur Phosphatbindung an, sondern auch auf eine gute Phosphat-Desorption, also das „Loslassen“ der Phosphationen in der Natronlauge.

Der Favorit der Forscher wurde ein LDH aus Zink-Eisen-Zirkon, das nun für die Weiterentwicklung des Verfahrens verwendet wird. „Der Clou ist, dass die Partikel relativ kostengünstig herzustellen und wiederverwendbar sind, also mindestens für 50 Durchläufe stabil bleiben“, sagt Heidrun Steinmetz, Professorin für Siedlungswasserwirtschaft und Wasserrecycling am ISWA. In der Versuchshalle der Lehr- und Forschungskläranlage der Universität Stuttgart soll das Verfahren nun auf die nächste Stufe gehoben werden: Ein Kilogramm der Mikropartikel soll dann in mehreren Zyklen über 6.000 Liter Abwasser nach Phosphat durchsieben. Durch die Kombination der verschiedenen Verfahren könnte in Zukunft ein großer Teil des Phosphors aus dem Abwasser zurückgewonnen werden.

Wertstoffhof Kläranlage

Jetzt sind die Forscher auf der Suche nach Industriepartnern zur großtechnischen Umsetzung der Verfahren. Das Potenzial ist groß. Die Mikropartikel können mit entsprechenden Beschichtungen auch andere Wertstoffe einsammeln – etwa Schwermetalle wie Quecksilber und Kupfer aus industriellen Abwässern. Und die P-RoC-Technik kann Phosphat nicht nur aus Klärwasser, sondern auch aus Milch verarbeitenden Betrieben, aus Gülle oder aus Grünabfall wiedergewinnen.

So könnte unser Abwasser in Zukunft zu einer wichtigen Rohstoffsammelstelle werden.

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