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Phosphorrückgewinnung aus Klärschlamm

Bakterien helfen beim Phosphorrecycling

Biotechnologie für die Bioökonomie: Im P-bac-Verfahren gewinnen Schwefelbakterien Phosphor aus Klärschlammasche. Phosphor ist einer der zentralen Bausteine des Lebens und essenzieller Nährstoff für das Pflanzenwachstum. Dort, wo im Boden nicht genügend Phosphor vorhanden ist, bringen die Bauern ihn über organischen oder mineralischen Dünger ein.

Eine Klärwerk-Anlage mit verschiedenen Abwasserbecken von oben betrachtet.
Klärschlamm wird oft als Dünger wieder auf landwirtschaftlichen Feldern ausgebracht. Neben wertvollen Phosphor und anderen Mineralien enthält die Asche aber auch Schadstoffe wie Schwermetalle, Arzneimittel und potenziell krankheitserregende Mikroorganismen sowie Stickstoff, der auf den Feldern zu einer Überdüngung führen kann. © Ivan Bandura / Unsplash

Der in den Düngemitteln enthaltene Phosphor gelangt über Ackerpflanzen, Nahrung und Verdauung ins Abwasser. In den Kläranlagen wird er ausgefällt und sammelt sich schließlich im Klärschlamm. Lange Zeit hat man den Klärschlamm als Dünger wieder auf dem Acker ausgebracht. Allerdings befinden sich darin neben wertvollen Mineralstoffen wie Phosphor auch Schadstoffe wie Schwermetalle, Arzneimittel und potenziell krankheitserregende Mikroorganismen sowie Stickstoff, der auch nicht auf den Äckern landen soll, um eine Überdüngung zu vermeiden. Was also tun mit dem Klärschlamm? Nach einer Trocknung kann der Klärschlamm verbrannt und der wertvolle Phosphor aus der Asche zurückgewonnen werden. Mit dem P-bac-Verfahren steht dafür nun eine neue, effektive Methode zur Verfügung, die sich die Fähigkeiten säureresistenter Bakterien zunutze macht. Entwickelt von der mittelständischen Firma Fritzmeier Umwelttechnik GmbH aus dem bayerischen Helfendorf, wurde das Verfahren nun im Rahmen des vom Bundeslandwirtschaftsministerium geförderten Projektes „PRiL - Phosphorrückgewinnung und Entwicklung intelligenter Langzeitdünger“ in Zusammenarbeit mit der Fraunhofer-Einrichtung für Wertstoffkreisläufe und Ressourcenstrategie IWKS in Alzenau/Hanau und weiteren Projektpartnern optimiert.

Klärschlammverordnung

Im Sinne einer Kreislaufwirtschaft und zur Verringerung der Abhängigkeit von Phosphorimporten strebt Deutschland eine hohe Phosphorrecycling-Quote an, was sich in der Novelle der Klärschlammverordnung vom 3. Oktober 2017 ausdrückt. Demnach müssen Kläranlagenbetreiber ab 2023 Konzepte für das Phosphorrecycling vorlegen, und größere Anlagen müssen spätestens ab 2032 den im kommunalen Abwasser bzw. Klärschlamm enthaltenen Phosphor zurückgewinnen. Das Ausbringen von Klärschlamm auf Ackerflächen, über das Schadstoffe aus dem Klärschlamm in die Umwelt gelangen können, wird dann für diese größeren Anlagen verboten sein.

Monoverbrennungsanlagen

Klärschlamm kann getrocknet und dann verbrannt werden. Voraussetzung für das Phosphorrecycling aus der Asche sind Monoverbrennungsanlagen (also spezialisierte Anlagen zur Verbrennung von Klärschlamm im Gegensatz zur Mitverbrennung in Müllverbrennungsanlagen, Kohlekraft- oder Zementwerken). Monoverbrennungsanlagen gibt es bereits vielerorts. Die Kapazitäten müssen aber noch ausgebaut werden. Immer mehr Kommunen streben diesen Entsorgungsweg an. 

Phosphorreserven weltweit

Die weltweiten Phosphorreserven sind endlich, denn sie stammen zum Großteil aus phosphathaltigem Gestein, das über Jahrmillionen durch marine Ablagerungen organischen Materials wie Phytoplankton, Tierexkremente oder Knochen entstanden ist. Diese fossilen Phosphorit-Minerale können nur an wenigen Orten der Erde wirtschaftlich rentabel abgebaut werden (etwa in der zu Marokko gehörenden Westsahara). Der dort abgebaute Phosphor ist allerdings auch in zunehmendem Maße mit Schwermetallen wie Cadmium und Uran belastet. Das recycelte Phosphat dagegen ist im Vergleich zum Primärrohstoff deutlich weniger mit Schadstoffen angereichert – ein weiterer Grund, das Phosphorrecycling zu forcieren.

Wie das P-bac-Verfahren funktioniert

Bakterien der Gattung Acidithiobacillus kommen von Natur aus in erzreichen Gesteinsschichten vor. Ihr Stoffwechsel verlangt nach Schwefel, und aus ihm produzieren sie über Oxidationsprozesse und unter Fixierung von CO2 Schwefelsäure. In der resultierenden ätzendsauren Suppe mit einem pH-Wert von unter eins fühlen sich die Mikroben erst so richtig wohl. Die Schwefelbakterien werden bereits seit längerem in einem Bioleaching (= biologische Auslaugung) genannten Verfahren im Bergbau eingesetzt; etwa, um Eisen-Schwefel-Minerale wie Pyrit aufzulösen. 

Bioleaching trennt Phosphor von Schwermetallen

Das Bild zeigt ein graues Pulver, das recyclierte Phosphat aus der Klärschlammasche.
Recyceltes Phosphat aus Klärschlammasche, gewonnen mit dem P-bac-Verfahren. © Fraunhofer IWKS

Das Bioleaching ist ein bereits lange bekanntes Verfahren, bei dem mit Hilfe von Mikroorganismen wasserunlösliche Metalle wie Kupfer, Zink, Nickel oder Gold aus Erzen in wasserlösliche Salze umgewandelt werden. Im P-bac-Verfahren wird ein ähnliches Verfahren verwandt, um mit Hilfe einer speziellen Bakterienmischkultur den Phosphor aus der Klärschlammasche zu lösen. Erforderlich sind dafür lediglich elementarer Schwefel und Mineralien wie Eisen, die in der Asche enthalten sind. In einem Reaktorgefäß wird die Bioleaching-Flüssigkeit aus Bakterien und Schwefel angesetzt, man gibt die Klärschlammasche hinzu und homogenisiert das Ganze. Dabei geht der Phosphor innerhalb kurzer Zeit in Lösung, und die Asche setzt sich ab. In der Lösung oxidieren die Bakterien Eisen unter Bindung von Phosphor zu Eisenphosphat. Die Eisenphosphat-Ionen werden dabei in den Bakterienzellen eingelagert oder bleiben an deren Zellmembran haften. Im nächsten Schritt werden die Bakterien mitsamt ihrer Phosphatlast durch Absetzen und Filterung abgeschieden - ein Großteil der schädlichen Schwermetalle bleibt dabei in der Lösung, sodass man schließlich ein Phosphat-Rohprodukt erhält, das nahezu frei von Schwermetallen ist. Im Prozesskreislauf lässt sich durch die Rückführung von drei Vierteln des Prozesswassers viel Energie und Wasser sparen. Erst nach einigen Durchläufen filtert eine Membran während der mikrobiellen Umsetzung angereichertes Sulfat (die Bakterien oxidieren elementaren Schwefel zu Sulfat) aus dem Prozesswasser. „Das Verfahren ist robust, energiesparend und umweltschonend“, sagt Birgit Lewandowski, ehemalige Bereichsleiterin Biotechnologie bei Fritzmeier Umwelttechnik. Am Ende stehen die Restasche, die zum Beispiel als Grundstoff für Zement-Ersatz weiterverwendet werden kann und das Phosphat-Rohprodukt, ein weißes phosphathaltiges Pulver. Mit dem neuen Verfahren können zwischen 80 und 100 Prozent des in der Klärschlammasche enthaltenen Phosphors wiedergewonnen werden. 

Vom Rezyklat zum Dünger

Die Eignung des Phosphor-Rezyklats als Dünger hängt vor allem von der Pflanzenverfügbarkeit des Phosphors ab, das heißt wie leicht das Element von der Pflanze aufgenommen werden kann. Das hat Lars Zeggel, Projektleiter am Fraunhofer IWKS, untersucht. Sein Ergebnis: Während der Phosphor in der Klärschlammasche fast gar nicht von der Pflanze aufgenommen werden kann, erreicht die Pflanzenverfügbarkeit im Phosphat-Rohprodukt einen sehr guten Wert, der etwa bei 50 Prozent der Verfügbarkeit eines handelsüblichen Phosphatdüngers liegt. Da das Phosphatpulver auch alle Anforderungen der EU-Düngemittelverordnung erfüllt, könnte man es direkt auf den Acker ausbringen, so wie man es früher mit dem sogenannten Thomasmehl gemacht hat (einem phosphatreichen Düngemittel, das als Nebenprodukt bei der Eisen- und Stahlerzeugung anfiel). Die moderne Agrartechnik verlangt allerdings nach granuliertem Dünger, also kleinen Düngekügelchen, die sich einfacher handhaben und besser auf dem Acker verteilen lassen. Die Firma Fritzmeier ist nun auf der Suche nach Industriepartnern, die Interesse haben, ein entsprechendes Verfahren zu entwickeln und den rezyklierten Dünger zu vermarkten. 

Fossile Rohstoffe sind noch billiger

Das Fraunhofer IWKS hat auch die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens berechnet. Demnach kostet ein Kilo Phosphat, das mit Hilfe des neuen Verfahrens gewonnen wurde, etwa zwei Euro. Damit ist es um den Faktor zwei bis drei billiger als ähnliche, rein chemische Verfahren, allerdings immer noch um den Faktor drei teurer als der Rohstoff Phosphor momentan auf dem Weltmarkt kostet. Darin sieht die Biotechnologin Lewandowski ein grundsätzliches Problem: Es stelle sich die Frage, wie der wiedergewonnene Phosphor vermarktet werden soll, denn für die Düngemittelhersteller fehle der finanzielle Anreiz. „So wird es wohl darauf hinauslaufen, dass die Mehrkosten auf die Abwassergebühren umgelegt werden, ähnlich wie das in der Schweiz schon gemacht wurde“, meint Lewandowski.

Das Phosphor-Recycling-Projekt PRiL lief über 30 Monate von August 2016 bis Oktober 2019. Gefördert mit Mitteln des Bundesministeriums für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL) aufgrund eines Beschlusses des deutschen Bundestages. Die Projektträgerschaft hatte die Bundesanstalt für Landwirtschaft und Ernährung (BLE) im Rahmen des Programms zur Innovationsförderung inne.

Seiten-Adresse: https://www.biooekonomie-bw.de/fachbeitrag/bakterien-helfen-beim-phosphorrecycling