1. Aufgabenstellung. 2. Ausgangssituation 3. Verfahrenskonzept 4. Verfahrensentwicklung 5. Ergebnisse 6. Zusammenfassung

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1 Themenfeld 3 Nachhaltige dezentrale Abwasserbehandlung durch Phosphatadsorption an gekörnten Eisenhydroxiden und anschließendem P-Recycling Ralph Schöpke (BTU Cottbus, LS Wassertechnik & Siedlungswasserbau) Sina Balke (HeGo Biotec GmbH) 1. Aufgabenstellung 2. Ausgangssituation 3. Verfahrenskonzept 4. Verfahrensentwicklung 5. Ergebnisse 6. Zusammenfassung

2 1. Aufgabenstellung Phosphor in organischen Verbindungen zählt für Menschen, Tiere und Pflanzen zu den essenziellen Rohstoffen. Der Bedarf an Phosphor ist besonders in der Landwirtschaft stark angestiegen. In Deutschland werden pro Jahr Tonnen Phosphatdünger auf die landwirtschaftlich genutzten Flächen ausgebracht. Bei diesem Verbrauch wird die Endlichkeit der Ressourcen derzeit mit 40 bis 100 Jahren prognostiziert. Über die Nachbehandlung geklärter Abwässer aus Kleinkläranlagen durch Adsorption an Eisenhydroxid ist der Eintrag von Phosphor in die Umwelt zu minimieren und Phosphor zur Wiederverwendung als Düngemittel zurückzugewinnen.

3 2. Ausgangssituation P-Dünger Kleinkläranlage Filter P = mg/l P << 2 mg/l Deutsches Institut für Bautechnik (DIBt) % 4 h 6 h 3 h Stunden [h]

4 3. Verfahrenskonzept P-armes Ablaufwasser Filter Eluat Adsorption Desorption Fällung Eluent Behandeltes Abwasser im Zulauf Fällprodukt P-Dünger

5 3. Verfahrenskonzept - Adsorptionsmaterial FerroSorp AW-Körnung 0,5/2 mm dw= 1 mm BET-Oberfläche = 312 g/m2 2H + + PO -34 H 2 PO4 H + + PO -34 HPO -24

6 3. Verfahrenskonzept - Modellierung n cell

7 3. Verfahrenskonzept - Modellierung Hfe_wOH PO 4 + H Hfe_wPO4 + H2O Hfe_wOH PO4 + 2H Hfe_wHPO4 + H2O -3 + Hfe_wOH + PO + 3H Hfe_wH2PO4 4 + H2O Hfe_wOH Na Hfe_wONa + H Hfe_wOH + Cl - + H + Hfe_wCl + H2O n cell Hfe_sOH H Hfe_sOH2 mixed cell-modell in PhreeqC Hfe_sOH Hfe_sO - + H +

8 4. Verfahrensentwicklung Labor:Isothermen, Differenzialreaktoren Technikum Praxistest

9 4. Verfahrensentwicklung Bemessung über Versuche und Szenarienmodellierung Ablaufphosphatkonzentration in Abhängigkeit von den durchgesetzten Bettvolumen 0,6 0,5 15 0,4 13 0,3 11 c PO4 (BV)/c PO4 (Zulauf) 0,18 0,16 0,14 0,12 Berücksichtigung des diskontinuierlichen Abwasseranfalls durch Betriebspausen 9 0,2 7 0, Poren-BV BV 0,1 0,08 0,06 0,04 0,02 0 Die langsame Korndiffusion verschmiert das ideale Durchbruchsverhalten

10 5. Ergebnisse - Verfahren Häusliches Abwasser Vorklärung biologische Nachklärung Reinigungsstufe Adsorbereinheit

11 5. Ergebnisse - Verfahren Ca(OH) 2 Regenerierprozess mit Regeneriermittelrück- und Wertstoffgewinnung P-Dünger NaOH Häusliches Abwasser Vorklärung biologische Nachklärung Reinigungsstufe Adsorbereinheit

12 5. Ergebnisse - Filtration Bezeichnung 4 EW 100 EW Durchmesser ND d F m 0,25 0,6 Länge L m 0,6 1,0 Filtermaterial V S L Masse m Pr kg Durchsatz Qd L/d Filtereinheiten 4 4 max. Volumenstrom Filtergeschwindigkeit Q max v f L/h m/h 35 0, ,5 Bauformen Beladungsvolumen m bis zu 25 g P/kg Adsorbens fiktive Kontaktzeit ca. 30 Minuten Adsorbereinheit

13 5. Ergebnisse - Regeneration Ca(OH) 2 Regenerierprozess mit Regeneriermittelrück- und Wertstoffgewinnung P-Dünger NaOH Bezeichnung 4 EW 100 EW Standzeit d Eluatbedarf m 3 1,6 40 Volumenstrom max m 3 /h 0,1 2 Q max Adsorbereinheit

14 5. Ergebnisse - Produkt Ca(OH) 2 Fällprodukt Ca Verwertung: Zuschlag zum Rohphosphat Zuschlag zur Kompostierung Ca(OH) 2 P Si Na Mg Al 0,5 mm CaO Ca(OH) 2 Ca Hydroxyapatitkörner und Beläge P Na Si Al Fe, Mn Mg

15 5. Ergebnisse -Kosten Rohphosphatpreis: 0,89 /kg P (Sept. 2014) Recyclingprodukt: 4,50-5,00 /kg P - Optimierungspotenzial Ökologische Aspekte von konventionellen Mineraldüngern erfordern Umdenken P-Dünger CO 2 - Emissionen, Schwermetallbelastung, darunter Uran Überdüngung von Vorflutern und Weltmeeren 1,80 /kg NaOH Ausrüstung: ca Adsorbereinheit

16 6. Zusammenfassung Mit dem entwickelten Verfahren lässt sich die Phosphat-Fracht aus Kleinkläranlagen in sensiblen Einzugsgebieten (z. B. oligotrophe Seen) reduzierten, und dabei ein verwertbares Recycling-Produkt in Form von Phosphatdüngern wiedergewinnen. Die Forderungen des Umweltschutzes werden mit den Anforderungen einer ressourcenschonenden Kreislaufwirtschaft verbunden. Die zukünftige Bedeutung von Verfahren zur Rückgewinnung von Phosphat hängt von der Entwicklung des Marktpreises für Rohphosphat, den Kosten der Rückgewinnung und von den zukünftigen politischen Rahmenbedingungen ab. Verfahren und Produkt sind bereits im Angebot:

17 Danke für die Aufmerksamkeit Themenfeld 3 Nachhaltige dezentrale Abwasserbehandlung durch Phosphatadsorption an gekörnten Eisenhydroxiden und anschließendem P-Recycling Ralph Schöpke (BTU Cottbus, LS Wassertechnik & Siedlungswasserbau) Sina Balke (HeGo Biotec GmbH) Wir danken: Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen Otto von Guericke e.v. (AiF) -ZIM- KF UL8 / KF UL8

18 Danke für die Aufmerksamkeit Themenfeld 3 Nachhaltige dezentrale Abwasserbehandlung durch Phosphatadsorption an gekörnten Eisenhydroxiden und anschließendem P-Recycling Ralph Schöpke (BTU Cottbus, LS Wassertechnik & Siedlungswasserbau) Sina Balke (HeGo Biotec GmbH) Schöpke, R.; Balke, S.; Otto, A.; Thürmer, K. (2013): Entwicklung eines Verfahrens zur Adsorption von Phosphor an körnigem Eisenhydroxid und Regeneration des Adsorptionsmittels zur Phosphorrückgewinnung; Schriftenreihe Siedlungswasser-wirtschaft und Umwelt Bd.22; Online verfügbar unter HeGo Biotec GmbH (2013): Prospektblatt - FerroSorp AW zur Phosphatelimination; Online verfügbar unter