Technologien zur Rückgewinnung von Phosphor: Eine aktuelle Bestandsaufnahme

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1 Technologien zur Rückgewinnung von Phosphor: Eine aktuelle Bestandsaufnahme Christian Schaum 3. P-Rück-Kongress - Ein kritischer Rohstoff mit Zukunft Stuttgart

2 Gliederung Einleitung Warum Phosphorrückgewinnung? Technologien zur Phosphorrückgewinnung Klärschlamm und Klärschlammasche Phosphorrückgewinnung: Nur eine technische Fragestellung? Zusammenfassung und Ausblick Professur für Siedlungswasserwirtschaft und Abfalltechnik Univ.-Prof. Dr.-Ing. Christian Schaum

3 Warum Phosphorrückgewinnung? Massenbilanz gilt auch für Kläranlagen, d.h. alle eingetragenen Stoffe verbleiben im Kläranlagenablauf, in der Abluft (N 2, CO 2 ), im Klärschlamm Klärschlamm ambivalent Ressource (Nährstoffe, Energie ) aber auch Schadstoffsenke Phosphor Nicht substituierbar: Phosphor ist für sämtliche Lebensabläufe unentbehrlich/nicht substituierbar. Verfügbarkeit: Einsatz von mineralischen Phosphaten aus endlichen Lagerstätten aus wenigen (teilweise kritischen) Ländern Critical Raw Material Ökologie: Abbau mit großen Umweltauswirkungen verbunden Abwasser/Klärschlamm: Phosphatsenke Klärschlammverordnung schafft Rahmen für P-Rückgewinnung Professur für Siedlungswasserwirtschaft und Abfalltechnik Univ.-Prof. Dr.-Ing. Christian Schaum

4 Bilanz einer kommunalen Kläranlage Klärschlammverbrennung Professur für Siedlungswasserwirtschaft und Abfalltechnik Univ.-Prof. Dr.-Ing. Christian Schaum

5 Einsatzorte einer P-Rückgewinnung aus Klärschlamm (1) aus Prozesswasser der Schlammbehandlung (Entwässerung von Faulschlamm) (2) aus Faulschlamm direkt im Faulturm durch Aufschluss (3) aus Klärschlammasche nach einer thermischen Monoklärschlammverwertung Professur für Siedlungswasserwirtschaft und Abfalltechnik Univ.-Prof. Dr.-Ing. Christian Schaum

6 Vergleich der Stoffströme: P-Rückgewinnung aus Klärschlamm Prozesswasser Faulschlamm Asche Volumen-/ Massenstrom 1-10 L/(E d) 0,2-0,8 L/(E d) rd. 0,03 kg/(e d) Feststoffkonzentration (TR) < 1 % rd. 3 % 100 % Glührückstand (GR) % 100 % Phosphor (P ges ) mg/l 2-5 % bez. auf TR 5-10 % bez. auf TR Rückgewinnungspotential rd % rd. 90 % rd. 90 % Professur für Siedlungswasserwirtschaft und Abfalltechnik Univ.-Prof. Dr.-Ing. Christian Schaum

7 Verfahren zur P-Rückgewinnung Abwasser- und Prozesswasser Klärschlamm Klärschlammasche Kristallisations- und Fällungsverfahren Kristallisationsverfahren Nasschemischer Aufschluss Phostrip DHV Crystalactor Ostara Pearl Unitika Phosnix Nishihara NuReBas NuReSys Kurita Festbettreaktor Ebara MAP Kristallisation Treviso CSIR Wirbelschichtreaktor REPHOS P-RoC Sydney Waterboard Reaktor PHOSPAQ Ionentauschverfahren REM NUT PHOSIEDI Kombinations- und Sonderverfahren RECYPHOS Magnetseparator AirPrex NuReSys PECO PRISA Adsorptionsverfahren FIXPhos Säureaufschluss Stuttgarter-Verfahren Seaborne Gifhorner-Verfahren Hydrothermaler Aufschluss/Oxidation Cambi-Prozess Kemira KREPRO Aqua-Reci Phoxan Loprox Thermochemischer Aufschluss Mephrec ATZ-Eisenbadreaktor RecoPhos RÜPA-/PASCH (erweitertes) SEPHOS SESAL-PHOS BioCon LEACHPHOS Eberhard-Verfahren EcoPhos RecoPhos Thermochemischer Aufschluss AshDec/Susan Mephrec ATZ-Eisenbadreaktor RecoPhos Elektrokinese EPHOS Bioleaching Inocre P-bac [Remy, 2013, Fraunhofer Umsicht, 2012] Professur für Siedlungswasserwirtschaft und Abfalltechnik Univ.-Prof. Dr.-Ing. Christian Schaum

8 Anforderungen an die P-Rückgewinnung nach der Klärschlammverordnung Klärschlamm: P-Abreicherung min. 50 % oder < 20 g P/kg TR Faulschlamm rd. 30 g P/kg TR d.h. entweder Abreicherung auf min. 15 g P/kg TR (Wirkungsgrad 50 %) oder < 20 g P/kg TR (Wirkungsgrad min. 33 %) Klärschlammasche: P-Abreicherung min. 80 % Faulschlamm: P 30 g P/kg TR [Jardin, 2002] [DWA, 2005] Professur für Siedlungswasserwirtschaft und Abfalltechnik Univ.-Prof. Dr.-Ing. Christian Schaum

9 Zulauf 100 % P Abwasserbehandlungsanlage 10 % P Ablauf 90 % P aus Klärschlamm Mitverbrennung Monoverbrennung* Faulung Klärschlammentwässerung P-recovery Landwirtschaft P-recovery P-recovery P-recovery Adsorption/ Fällung nasschemische Verfahren Fällung Kristallisation P-recovery Metallurgie Schlammwasser Asche Klärschlamm Faulschlamm Professur für Siedlungswasserwirtschaft und Abfalltechnik Univ.-Prof. Dr.-Ing. Christian Schaum *bzw. Vergasung, Pyrolyse etc. 9

10 P-Rückgewinnung aus Faulschlamm: Nasschemische Verfahren A Rücklösung von Phosphor/Metallen MgO Zitronensäure NaOH H 2 SO 4 Rücklösung von Phosphor ph-wert Fest-Flüssig- Trennung Separation von Phosphor B Separation von Phosphor Faulschlamm MAP Filtrat Klärschlamm Meyer, 2017 Aktueller Stand der Entwicklung: Mainz-Mombach (ExtraPhos), Halbtechnik Offenburg (Stuttgarter Verfahren) Gifhorner Verfahren, Großtechnik Professur für Siedlungswasserwirtschaft und Abfalltechnik Univ.-Prof. Dr.-Ing. Christian Schaum

11 Klärschlammschmelzvergasung Basis: Thomasphosphat (Ende 19 Jh.) P und Energie werden durch eine Sauerstoff-Schmelzvergasung gleichzeitig aus Klärschlamm zurück gewonnen Klärschlamm wird brikettiert und in einem Schachtofen (Kupolofen) bei ~2.000 C geschmolzen Zugabe von Koks, Kalk oder Dolomit P-haltige Schlacke wird separat von den geschmolzenen Metallen abgestochen Scheidig et al., 2009 Schwermetalle: Evaporation (Hg, Cd, Pb, Zn) oder Einbindung in die Metallschmelze (Fe, Cu, Cr, Ni) Aktueller Stand der Entwicklung: Großtechnik in Japan (Fa. Kubota) Pilotmaßstab Nürnberg (KRN-Mephrec) Adam, 2009 Professur für Siedlungswasserwirtschaft und Abfalltechnik Univ.-Prof. Dr.-Ing. Christian Schaum

12 Zulauf 100 % P Abwasserbehandlungsanlage 10 % P Ablauf 90 % P aus Asche Mitverbrennung Deponie Monodeponie P-recovery Monoverbrennung* Landwirtschaft Faulung Klärschlammentwässerung P-recovery P-recovery Landwirtschaft Teilaufschluss der Aschen P-recovery P-recovery P-recovery nasschemische Verfahren P-recovery Adsorption/ Fällung Fällung Kristallisation P-recovery Metallurgie nasschemische/ thermochemische Aufbereitung Schlammwasser Asche Klärschlamm Faulschlamm Professur für Siedlungswasserwirtschaft und Abfalltechnik Univ.-Prof. Dr.-Ing. Christian Schaum *bzw. Vergasung, Pyrolyse etc. 12

13 P-Rückgewinnung aus Klärschlammasche (Monodeponierung) Aufhebung der Frist für eine Langzeitlagerung bis 2023 längerfristige Deponierung möglich Professur für Siedlungswasserwirtschaft und Abfalltechnik Univ.-Prof. Dr.-Ing. Christian Schaum

14 P-Rückgewinnung aus Klärschlammasche (Monodeponierung) Direkte Verwertung von KS-Aschen als Dünger Möglich nach DüMV, wenn die Schadstoffgehalte unterschritten sind Teilaufschluss der Aschen (Optimierung für direkte Verwertung) Professur für Siedlungswasserwirtschaft und Abfalltechnik Univ.-Prof. Dr.-Ing. Christian Schaum

15 P-Rückgewinnung aus Klärschlammasche (Monodeponierung) Direkte Verwertung von KS-Aschen als Dünger Möglich nach DüMV, wenn die Schadstoffgehalte unterschritten sind Teilaufschluss der Aschen (Optimierung für direkte Verwertung) Nasschemische Aufbereitung der Klärschlammaschen Rücklösung mittels Säure und anschl. Trennung von Phosphor und den (Schwer-)Metallen Thermochemische Aufbereitung der Klärschlammaschen Behandlung der Aschen unter Zugabe von Zuschlagsstoffen bei hohen Temperaturen, Abtrennung der Schwermetalle über die Gasphase Metallurgische Verfahren (Analogie zum Klärschlamm) Elektrothermische Verfahren Professur für Siedlungswasserwirtschaft und Abfalltechnik Univ.-Prof. Dr.-Ing. Christian Schaum

16 P-Rückgewinnung aus KS-Asche Nasschemische Verfahrenstechniken B Separation von Phosphor A Rücklösung von Phosphor/Metallen Professur für Siedlungswasserwirtschaft und Abfalltechnik Univ.-Prof. Dr.-Ing. Christian Schaum

17 P-Rückgewinnung aus KS-Asche Nasschemische Verfahrenstechniken Aktueller Stand der Entwicklung: Diverse Verfahrensentwicklungen im Labormaßstab SEPHOS, PASCH, SESAL-PHOS TetraPhos (Fa. Remondis) Halbtechnik, Hamburg (Großtechnik in Planung); Produkt Phosphorsäure EcoPhos Halbtechnik, Varna (Bulgarien) (Großtechnik in Planung/Bau, Dünkirchen/Frankreich) LeachPhos, großtechnisch in Bern erprobt Parforce, Halbtechnik, Freiberg Professur für Siedlungswasserwirtschaft und Abfalltechnik Univ.-Prof. Dr.-Ing. Christian Schaum

18 Thermochemische Verfahren - AshDec Basis: Rhenania-Verfahren (Ende 19 Jh.) Zusatzstoffe Kalium, Stickstoff, Phosphor Rauchgasreinigung Schwermetalle Na 2 SO 4 Asche Drehrohrofen Temperatur: ca. 950 C phosphathaltiges Düngemittel A Energie (Erdgas) Überführung P in pflanzenverfügbare Form Düngemittelkonfektion B Abtrennung Schwermetalle über Rauchgas Aktueller Stand der Entwicklung: Versuchsanlage Leoben Professur für Siedlungswasserwirtschaft und Abfalltechnik Univ.-Prof. Dr.-Ing. Christian Schaum

19 Elektrothermische Aufbereitung Basis: Wöhler-Verfahren (Ende 19 Jh.) Herstellung von weißem Phosphor (P 4 ) mittels Lichtbogenofen Temperaturbereich C Zugabe von Koks und Sand Anforderung an KS-Asche: Niedrige Fe-Gehalte Aktueller Stand der Entwicklung: Phosphatindustrie (Thermphos, Vlissingen); bis 2012 Einsatz von Klärschlammasche als Substitut für Rohphosphat Forschung: Entwicklung eines Reaktors zur gezielten P-Rückgewinnung (RecoPhos, Fa. ICL) Schönberg et al., 2012 Professur für Siedlungswasserwirtschaft und Abfalltechnik Univ.-Prof. Dr.-Ing. Christian Schaum

20 Übersicht Verfahren zur P-Rückgewinnung (Auswahl) Kristallisation Nasschemisch Thermochemisch AirPrex EcoPhos AshDec DHV-Crystalactor ExtraPhos EuPhoRe FIX-Phos Gifhorn KRN-Mephrec NuReSys LEACHPHOS Kubota OSTARA PEARL PARFORCE PYREG PHOSPAQ Stuttgarter Verfahren RecoPhos P-RoC TetraPhos Ausgangsstoff Umsetzung PHOSNIX Prozess- und Abwasser Großtechnische Umsetzung REPHOS STRUVIA Klärschlamm Klärschlammasche Demonstrations-/ Pilotanlage Professur für Siedlungswasserwirtschaft und Abfalltechnik Univ.-Prof. Dr.-Ing. Christian Schaum

21 Jahreskosten ohne Produkterlöse Schlamm/Wasser: EW, Asche Mg/a spez. Kosten [ /kg P] 28,0 24,0 20,0 16,0 12,0 8,0 4,0 0,0 Prozesswasser Bezug Einwohner: Prozesswasser Asche < Klärschlamm Bezug Produkt (Phosphor) Asche < Prozesswasser < Klärschlamm Asche spez. Kosten [ /(E a)] Klärschlamm P-Fracht [kg P/(E a)] 0,6 0,3 0,1 rd. 90 % rd. 45 % rd. 15 % [Egle, Rechberger, Zessner; 2014, modifiziert] bez. auf Zulauf KA Professur für Siedlungswasserwirtschaft und Abfalltechnik Univ.-Prof. Dr.-Ing. Christian Schaum

22 P-Rückgewinnung: Eine rein technische Fragestellung? Produktverwertung? Der Wert hängt ab von: Reinheit, Konzentration, Verwertbarkeit, Nachfrage Ressourcenrückgewinnung erfordert geändertes Selbstverständnis Vom Entsorger zum Produzenten Qualitätsstandards, Verfügbarkeit, Produktakzeptanz, Liefergarantien, Kundenorientierung etc. Wer betreibt die Technologie und vermarktet das Produkt? Umfrage im Rahmen eines Workshops zusammen mit der Deutschen Phosphorplattform im Sep in Berlin Professur für Siedlungswasserwirtschaft und Abfalltechnik Univ.-Prof. Dr.-Ing. Christian Schaum

23 P-Rückgewinnung: Eine rein technische Fragestellung? Welche Potentiale bestehen bei den verschiedenen Einsatzorten? Düngemittelindustrie/chem. Industrie > Landwirtschaft Professur für Siedlungswasserwirtschaft und Abfalltechnik Univ.-Prof. Dr.-Ing. Christian Schaum

24 Gliederung Einleitung Warum Phosphorrückgewinnung? Technologien zur Phosphorrückgewinnung Klärschlamm und Klärschlammasche Phosphorrückgewinnung: Nur eine technische Fragestellung? Zusammenfassung und Ausblick Professur für Siedlungswasserwirtschaft und Abfalltechnik Univ.-Prof. Dr.-Ing. Christian Schaum

25 Zusammenfassung und Ausblick P-Rückgewinnung aus Abwasser/Klärschlamm aus Sicht des Ressourcenschutzes notwendig und sinnvoll Substitutionspotential rd % (bezogen auf Mineraldüngerverbrauch in Deutschland) Novellierte Klärschlammverordnung fordert eine P-Rückgewinnung von Kläranlagen > EW mit entsprechenden Übergangsfristen (12-15 Jahre) Es stehen diverse Verfahren für eine Rückgewinnung aus Abwasser/Klärschlamm zur Verfügung Entwicklungsstand: Halb- bis Großtechnik Weitere Entwicklungen zu erwarten (laufende Forschung) Diverse offene Fragestellungen: Produktverwertung, Ökonomie, Verantwortlichkeiten etc. Wandel vom Entsorger zum Produzenten ( Push to Pull ) Qualitätsstandards, Verfügbarkeit, Produktakzeptanz, Liefergarantien, Kundenorientierung etc. Professur für Siedlungswasserwirtschaft und Abfalltechnik Univ.-Prof. Dr.-Ing. Christian Schaum

26 Entwicklung von Konzepten Entwicklung von nachhaltigen, zukunftsfähigen Klärschlammverwertungskonzepten Phosphor, aber auch Energie; Wahl der entsprechenden Verfahrenstechnik Berücksichtigung der Gesamtemissionen Dezentrale, semizentrale, zentrale Lösungen Förderung einer interkommunalen Zusammenarbeit Fortsetzung des Dialogprozesses durch die Zusammenarbeit aller Beteiligten: Betreiber, Forschung, Planer, Behörde etc. Professur für Siedlungswasserwirtschaft und Abfalltechnik Univ.-Prof. Dr.-Ing. Christian Schaum

27 Phosphorus: Polluter and Resource of the Future: Removal and Recovery from Wastewater Part I: Phosphorus a special element? P. Whithers, A. M. Farmer, K. Udert Part II: Elimination of Phosphorus from waste water S. Krause, J. Bratby, M. Barjenbruch, J. Kopp, M. Beier, P. Baumann, D. Batstone Part III: Phosphorus Recovery Technology C. Adam, O. van der Kolk, K. Rabaey, S. Jeyanayagam, M. Takaoka, L. Hermann Case Studies 15 different pilot/full scale technologies Assessment J. Krampe, C. Kappe, W. Schipper, T. Ansmann Part IV: Outlook C. Schaum Professur für Siedlungswasserwirtschaft und Abfalltechnik Univ.-Prof. Dr.-Ing. Christian Schaum

28 Technologien zur Rückgewinnung von Phosphor: Eine aktuelle Bestandsaufnahme Prof. Dr.-Ing. habil. Christian Schaum