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Phosphorrückgewinnung aus Kompost, Gülle & Co.

Phosphor ist für unser Leben auf der Erde unentbehrlich, da alle Lebewesen dieses Element zum Wachsen brauchen. Von daher wird Phosphor überwiegend als Düngemittel eingesetzt. Da er aber aus keinem anderen Element synthetisiert oder gar ersetzt werden kann, wird Phosphor derzeit noch aus Rohphosphat gewonnen. Die weltweiten Vorkommen an Rohphosphaten sind endlich. Deshalb ist die Suche nach alternativen Verfahren angebracht, um die Produktion von Nahrungsmitteln auch für die Zukunft zu sichern. Am Stuttgarter Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB wird jetzt ein Verfahren zur Rückgewinnung von Phosphor aus Gärresten und Gülle entwickelt, das es ermöglichen soll, bis zu 90 Prozent des organisch gebundenen Phosphors aus solchen landwirtschaftlichen Abfällen zu recyceln.

Das Ausbringen von Gülle als Düngemittel ist nicht optimal für Pflanzen und Böden, denn dabei kommt es meist zur Überdosierung einer oder mehrerer Nährstoffarten wie Phosphor oder Kalium und damit zu Umweltschäden. © Thomas Max Müller/pixelio.de

Die Weltbevölkerung wächst stetig und will ernährt werden. Daher steigt auch die Nachfrage nach Nahrungsmitteln, Bioenergie oder biobasierten Materialien ständig weiter. Die Folgen sind wiederum ein höherer Verbrauch an Düngemitteln und damit auch steigende Düngemittelpreise. Und daraus ergeben sich wiederum höhere Preise für alle landwirtschaftlichen Produkte – ein Teufelskreis, aus dem dringend ein Ausweg gesucht werden muss, um auch für nachfolgende Generationen die Versorgung zu sichern.

In allen Düngemitteln spielt das Element Phosphor eine herausragende Rolle, denn Phosphor ist ein elementarer Pflanzennährstoff, den Lebewesen zum Wachsen brauchen. Wenn die Pflanze dann als Nahrungs- oder Futtermittel, Industrierohstoff oder zur Gewinnung von Bioenergie genutzt wird, geht der Phosphor allerdings wie alle anderen in der Pflanze enthaltenen Nährstoffe in den Abfallentsorgungssystemen verloren. Nur ein kleiner Teil wird als Mist oder Kompost zurückgeführt. Zum Ausgleich müssen deshalb mineralische Düngemittel industriell hergestellt und dem Boden zugeführt werden. Der Jahresbedarf an Phosphor für solche synthetisch hergestellten Phosphatdünger betrug 2008 in der EU rund 1,4 Millionen Tonnen. Diese immense Menge wird bisher aus Rohphosphaten gewonnen, deren Vorkommen endlich und nur auf wenige Länder begrenzt sind. Dies macht die meisten Länder abhängig von Importen. Außerdem ist diese klassische Phosphatgewinnung sehr belastend für die Umwelt.

Alternativen zu herkömmlichen Verfahren der Phosphorgewinnung

Aus Abwasser rückgewonnenes Phosphat. Technologien für diese Art der Phosphorrückgewinnung existieren bereits, die daraus recycelten Mengen reichen aber nicht alleine, den Bedarf zu decken. © Fraunhofer IGB

Technologien, um gelöstes anorganisches Phosphat - zum Beispiel aus kommunalem Abwasser - zurückzugewinnen, gibt es bereits. Diese Mengen reichen aber bei Weitem nicht aus, um den enormen Bedarf zu decken. Deshalb wird nach Alternativen gesucht, um auch organisch gebundenen Phosphor aus landwirtschaftlichen Reststoffen als Quelle für Phosphatdünger zu nutzen. Während in der wässrigen Phase solcher Reststoffe Phosphor - wie im Abwasser – als Phosphat gelöst ist und relativ einfach recycelt werden kann, ist Phosphor im Feststoffanteil der Reststoffe in biochemischen Molekülen wie Phospholipiden, Nukleotiden und Nukleinsäuren gebunden. Bisher existierte noch kein Verfahren, um das Element aus diesen Feststoffanteilen abzuspalten.

Landwirtschaftlicher Abfall als enormes Phosphor-Vorkommen

Im von der EU geförderten Projekt PhosFarm entwickeln Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB in Stuttgart nun ein Verfahren, mit dem organisch gebundener Phosphor aus bisher weitgehend ungenutzten Phosphatquellen wie Gülle aus der Tierhaltung oder Gärreste aus Biogasanlagen für die Landwirtschaft rückgewonnen werden kann. Da solche Abfallstoffe in großen Mengen anfallen, würde sich ein enormes Reservoir für die Phosphorrückgewinnung erschließen. Dieses Verfahren soll in Form eines integrierten Anlagenkonzepts realisiert werden, in dem mit Hilfe von Enzymen bis zu 90 Prozent des Gesamtphosphors zurückgewonnen werden könnten.

Unter der Koordination des Fraunhofer IGB arbeitet ein Projektkonsortium aus neun Instituten und Industriepartnern an einem solchen Verfahren. Für diesen neuen Ansatz sollen Phosphat abspaltende Enzyme an geeigneten Trägern immobilisiert werden, um dann anorganisches Phosphat aus den Feststoffanteilen von Gülle, Gärresten und anderen landwirtschaftlichen Reststoffen zu gewinnen. In vorausgehenden Versuchen am Fraunhofer IGB konnte mit Hilfe von Modellverbindungen bereits gezeigt werden, dass solche Enzyme dazu in der Lage sind.

Dünger und Bodenverbesserer individuell dosieren

Im EU-Projekt PhosFarm sollen am Stuttgarter Fraunhofer IGB wertvolle Düngemittel und Bodenverbesserer aus landwirtschaftlichen Reststoffen gewonnen werden. © Fraunhofer IGB

Von den immobilisierten Enzymen wird das Phosphat hydrolysiert. Die Produkte der Enzymreaktion sind eine feste Phase und eine flüssige Fraktion, die das gelöste Phosphat enthält. Nach Abtrennung der festen Phase kann das Phosphat dann aus der flüssigen Fraktion als Magnesiumammoniumphosphat oder Calciumphosphat gefällt werden. Diese Salze können von Pflanzen gut verwertet und deshalb direkt als Dünger eingesetzt werden. Damit würden natürlich einerseits synthetische Phosphatdünger eingespart, aber auch andererseits die Überdüngung durch das direkte Ausbringen von Gülle verhindert. Direkte Düngung durch Gülle oder Gärreste ist nicht optimal für den Boden, weil die Nährstoffzusammensetzung nur in den seltensten Fällen dem jeweiligen Bedarf der Pflanzen entspricht.

Und nebenbei gibt es auch noch einen positiven Nebeneffekt: Die übrige entwässerte, feste Phase kann mit speziellen Verfahren getrocknet und das organische Substrat direkt als Bodenverbesserer eingesetzt werden. Je nach Bedarf können Landwirte dann abgestimmt auf Pflanzenart und Bodenbeschaffenheit ihren „individuellen Dünger“ zusammenstellen, indem Bodenverbesserer und Düngesalze zum optimalen Substrat gemischt werden.

Seiten-Adresse: https://www.biooekonomie-bw.de/fachbeitrag/aktuell/phosphorrueckgewinnung-aus-kompost-guelle-co