Die Klärschlammverordnung schreibt für Kläranlagen ab 2029 eine Phosphor-Rückgewinnung vor. Harald Hanßen beschreibt, wie das Hamburger Pilotprojekt "Phosphor aus Klärschlammasche" funktioniert.
Springer Professional: Wieviel Prozent der Kläranlagen sind bundesweit von der Rückgewinnungspflicht erfasst?
Harald Hanßen: Im Jahr 2029 müssen zunächst die deutschen Großkläranlagen mit mehr als 100.000 angeschlossenen Einwohnerwerten Phosphor recyceln. Das sind zwar "nur" 256 Kläranlagenstandorte, allerdings werden in diesen Werken mehr als 50 Prozent der in Deutschland anfallenden Abwässer behandelt. Als zweite Stufe wurde in der Klärschlammverordnung eine neue Kategorie, nämlich Anlagen mit mehr als 50.000 Einwohnerwerten definiert. Die Gruppe der betroffenen Werke erweitert sich dann bis in das Jahr 2032 zusammen auf 571 Standorte, zwei Drittel der anfallenden Abwassermengen sind betroffen.
Welches Potenzial steckt im aus Abwasser bzw. Klärschlamm gewonnenen Phosphor? Welche Import-Mengen können damit künftig in Deutschland substituiert werden?
Die allen deutschen Kläranlagen über das Abwasser zulaufende Menge an Phosphor beträgt rund 67.000 Tonnen pro Jahr. Die zurückzugewinnende Menge liegt natürlich deutlich darunter.
Hierbei ist wichtig zu wissen, dass es verschiedene verpflichtende Recyclingquoten in der Klärschlammverordnung gibt. Wenn ein Anlagenbetreiber die anfallenden Klärschlämme verbrennt und den Phosphor damit in der Verbrennungsasche konzentriert, ist eine P-Rückgewinnungsquote von mindestens 80 Prozent vorgeschrieben. Diese Vorgabe kann mit einem nassen Aufschlussverfahren auch erreicht werden. Es gibt aber auch die Möglichkeit, die Asche direkt als Dünger einzusetzen. Dann ist die Quote 100 Prozent, wobei die Frage noch aufzuklären ist, welche Düngewirkung die Asche bei einer direkten Anwendung tatsächlich hat.
Möchte ein Anlagenbetreiber dem gegenüber im Abwasser oder im Klärschlamm Phosphor herauslösen, dann ist die vorgeschriebene Recyclingquote lediglich 50 Prozent.
Es wird aller Voraussicht nach eine größere Anzahl von Technologien in Deutschland geben, je nachdem, welche Voraussetzungen und Randbedingungen am jeweiligen Standort herrschen.
Eine Überschlagsrechnung ergibt eine substituierbare Menge von rund 33.000 Tonnen pro Jahr an Phosphor unter dem Umstand, dass die Kläranlagen künftig im Bundesschnitt 91,5 Prozent der zulaufenden Phosphorfrachten zurückhalten, die betroffenen Klärwerke den Schlamm thermisch verwerten und anschließend die Asche als Rohstoff für ein Recyclingverfahren einsetzen. Bezogen auf die Phosphormenge der eingesetzten mineralischen Düngemittel in Deutschland importierten Ursprungs von knapp 150.000 Tonnen Phosphor pro Jahr, ist dies ein theoretischer Anteil von rund 22 Prozent. Die angegebenen Werte basieren auf DWA-Erhebungen und einer Studie des Umweltbundesamtes.
Das BMUB fördert jetzt erstmals im Rahmen des Umweltinnovationsprogramms ein Pilotprojekt zur Rückgewinnung von Phosphor aus der Klärschlammverbrennung. Bei der Hamburger Vera Klärschlammverbrennung sollen so jährlich 1.600 Tonnen Phosphor zurückgewonnen werden. Wie kann das gelingen?
Das dafür vorgesehene Rückgewinnungsverfahren für Phosphor aus Klärschlammasche ist von der Firma Remondis Aqua entwickelt worden und gemeinsam mit Hamburg Wasser in 2016 und 2017 in einer Pilotanlage am Standort des Klärwerkes Hamburg erfolgreich getestet worden.
Die Rückgewinnung von Phosphor in Form von Phosphorsäure erfolgt in vier Schritten. In einem ersten Schritt wird der in der Asche gebundene Phosphor mit Phosphorsäure herausgelöst, eluiert. Durch Waschen und Filtern wird das gewonnene Eluat vom abgereicherten Filterkuchen getrennt.
Anschließend erfolgt in einem zweiten Schritt durch Zugabe von Schwefelsäure die Fällung des mit aus der Asche gelösten Calciums in Form von Gips und die Darstellung der Phosphorsäure, die vorher nur als Phosphat vorlag. Der gewonnene Gips kann als Baumaterial eingesetzt werden.
In einem weiteren Schritt erfolgt die Reinigung der Säure mittels Ionentauscher. Abgetrennt werden Metallionen wie Aluminium, Eisen und Magnesium und Reste von Calcium. Die gewonnene Metallsalzlösung kann als Ersatz für Phosphor-Fällmittel in der Abwasserreinigung dienen.
Durch die Aufkonzentrierung der gewonnenen gereinigten Säure kann handelsübliche konzentrierte Phosphorsäure erzeugt werden. Davon wird ein Teil für den ersten Schritt der Elution abgezweigt, die Überschussmenge geht als Verkaufssäure auf den Markt. Die so gewonnene Säure ist nicht nur als Recyclingprodukt besonders attraktiv, sie ist auch noch deutlich reiner als herkömmliche mit Cadmium und Uran belastete, zur Düngemittelherstellung eingesetzte, Importsäure.
In Hamburg fallen rund 20.000 Tonnen Asche pro Jahr mit einem Phosphorgehalt von 10 Prozent an. Davon wird mit dem neuartigen Rückgewinnungsverfahren ein Anteil von 80 Prozent Phosphor aus der Asche zurückgewonnen. Dies entspricht dann einer Menge von 1.600 Tonnen Phosphor als Phosphorsäure pro Jahr.
Worin sehen Sie die Vorteile des TetraPhos-Verfahrens gegenüber anderen Verfahren zur Phosphorrückgewinnung?
Zunächst kann mit dem TetraPhos-Verfahren die gesetzlich definierten Ziele einer hohen Rückgewinnungsquote erreicht werden. Weil die für die Herauslösung der Phosphate aus der Asche notwendige Säure im dem Verfahren selber produziert wird, ist der Betriebsaufwand entsprechend gering. Die erzeugte Phosphorsäure wird innerhalb der Anlage durch Feinreinigung und Aufkonzentrierung zu einer marktfähigen Ware, die durch Verkauf gute Erträge bringt. Die Phosphorsäure bedarf im Vergleich zu Produkten anderer Technologien (zum Beispiel Schmelzgranulate) keiner düngerechtlichen Zulassungen. Damit ist man frei, ob man die Phosphorsäure als Rohstoff in die Düngemittelindustrie verkauft oder andere Vertriebswege zum Beispiel in der Chemischen Industrie nutzt.
Dadurch, dass man neben dem Phosphor auch andere werthaltige Inhaltsstoffe der Asche zurück gewinnt und marktfähige Produkte wie Gips oder Metallsalze erzeugt, schafft man sehr weitgehende Stoffkreisläufe. Die Feststoffmasse der Asche halbiert sich durch dieses Verfahren. Was übrig bleibt, ist ein siliziumreicher Filterkuchen, der einfach zu deponieren ist, aber auch grundsätzlich für die Baustoffindustrie (Beton-, Zement- oder Asphaltindustrie) interessant ist.
Die Verfahrenstechnik und deren Prozesse sind einfach und für Betreiber von Mono-Klärschlammverbrennungsanlagen gut beherrschbar.
Investitionen in Umwelt entlastende Verfahren sollen ökologisch und ökonomisch erfolgreich sein. Wie können sie dieses Ziel erreichen?
Die oben genannten Vorteile sind zugleich ökologische und ökonomische Vorteile. Obwohl es sich um ein vollständig neues Verfahren handelt, das so bisher noch nicht großtechnisch zum Einsatz gekommen ist, gehen wir davon aus, dass die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens durch Verkaufserlöse eines marktfähigen attraktiven Produktes und Einspareffekte erreicht werden kann und dies beispielhaft für andere Mono-Klärschlammverbrennungsanlagen sein kann. Allerdings muss diese erste Anwendung mit Sicherheiten projektiert und hergestellt werden, was durch die Förderung aus dem Umweltinnovationsprogramm aber auch ermöglicht wird.