Klärschlamm: Phosphorressource der Zukunft?

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1 Klärschlamm: Phosphorressource der Zukunft? Untertitel, Vortrag, Themen, Personen, Termine und sonstige Informationen, BWK-Bundeskongress 2012, die wichtig sind September 2012, Wiesbaden Christian Schaum Peter Cornel

2 Gliederung Bedeutung von Phosphor Phosphorkreislauf Herkunft und Vorräte Phosphor in der Abwasser-/Klärschlammbehandlung Phosphorbilanz einer Kläranlage Potential für eine Rückgewinnung aus Klärschlamm Verfahren zur Rückgewinnung von Phosphor aus Klärschlamm und Klärschlammasche Stand der Verfahrensentwicklung Ökonomische und ökologische Bewertung Zusammenfassung und Ausblick 21. September 2012 Fachbereich Bauingenieurwesen und Geodäsie Abwassertechnik Dr.-Ing. Christian Schaum 2

3 Bedeutung von Phosphor Phosphor ist für sämtliche Lebensabläufe unentbehrlich: Das ATP (Adenosin-Triphosphat) ist die universelle Energiewährung bei biochemischen Vorgängen. Phosphorsäure spielt eine Schlüsselrolle als Bauelement der RNA und DNA. Phosphor ist in der Zellmembran enthalten. Ein Mensch von 70 kg enthält ca. 840 g Phosphor, wovon ca. 600 g im Knochensystem fixiert sind. Die tägliche Phosphoraufnahme und Ausscheidung liegt zwischen 0,9 1,9 g Phosphor pro Person. 21. September 2012 Fachbereich Bauingenieurwesen und Geodäsie Abwassertechnik Dr.-Ing. Christian Schaum 3

4 Anwendungsgebiete von Phosphor Wasch- und Reinigungsmittel 7 % Industrielle Anwendungen 3 % Futtermittelzusatzstoff 11% Herstellung von Düngemittel 79 % Daten: CEEP (1997) 21. September 2012 Fachbereich Bauingenieurwesen und Geodäsie Abwassertechnik Dr.-Ing. Christian Schaum 4

5 Natürlicher Phosphorkreislauf Zyklusdauer: wenige Monate / Jahre Quelle: CEEP (1998) 21. September 2012 Fachbereich Bauingenieurwesen und Geodäsie Abwassertechnik Dr.-Ing. Christian Schaum 5

6 Unterbrochener Phosphorkreislauf Kläranlage Mineraldünger Entsorgung Quelle: CEEP (1998), modifiziert 21. September 2012 Fachbereich Bauingenieurwesen und Geodäsie Abwassertechnik Dr.-Ing. Christian Schaum 6

7 Tage bis Monate Die Phosphorkreisläufe Wasch-/ Spülmittel Mensch Tiere Kanalisation Industrie Pflanzen org. Abfälle Kläranlage Abbau Düngung Verwitterung Kultur- Boden Erosion Erdkruste/ P-Lager Millionen Jahre Flüsse, Meere Tage bis Monate Tektonische Hebung/ Aufschmelzung Sediment Sedimentation Quelle: Pinnekamp (2002), modifiziert

8 Herkunft und Vorräte Der Abbau von Phosphaterz erfolgt meist im Tagebau. Bei der Gewinnung und Aufbereitung fällt etwa die 70 bis 80-fache Menge an Gestein und Rückständen an. 21. September 2012 Fachbereich Bauingenieurwesen und Geodäsie Abwassertechnik Dr.-Ing. Christian Schaum 8

9 Herkunft und Vorräte 83 % der P-Reserven sind in nur zwei Ländern konzentriert: Marokko und West Sahara (77 %), China (5,7 %) Die weltweiten Rohphosphatreserven betragen ~ 65 Mrd. Mg [U.S. Geological Survey] Im Jahr 2010 betrug der Abbau 176 Millionen Tonnen [U.S. Geological Survey] Pessimistischen Schätzungen zufolge könnte bereits 2035 der weltweite Verbrauch die Produktion übersteigen Peak Phosphorus, andere Studien sagen eine Reichweite von 400 Jahren voraus [Cordell et al 2009] Qualität des Rohphosphats nimmt ab (z.b. Cadmium, Uran) Zukünftig steigende Preise (?), ungleiche Verteilung zwischen arm und reich (?), Konfliktpotential (?) 21. September 2012 Fachbereich Bauingenieurwesen und Geodäsie Abwassertechnik Dr.-Ing. Christian Schaum 9

10 Preise für Rohphosphat Quelle: Index Mundi September 2012 Fachbereich Bauingenieurwesen und Geodäsie Abwassertechnik Dr.-Ing. Christian Schaum 10

11 Gliederung Bedeutung von Phosphor Phosphorkreislauf Herkunft und Vorräte Phosphor in der Abwasser-/Klärschlammbehandlung Phosphorbilanz einer Kläranlage Potential für eine Rückgewinnung aus Klärschlamm Verfahren zur Rückgewinnung von Phosphor aus Klärschlamm und Klärschlammasche Stand der Verfahrensentwicklung Ökonomische und ökologische Bewertung Zusammenfassung und Ausblick 21. September 2012 Fachbereich Bauingenieurwesen und Geodäsie Abwassertechnik Dr.-Ing. Christian Schaum 11

12 Phosphorbilanz einer Kläranlage Klärschlammverbrennung 21. September 2012 Fachbereich Bauingenieurwesen und Geodäsie Abwassertechnik Dr.-Ing. Christian Schaum 12

13 Klärschlamm: Phosphorressource der Zukunft? Klärschlammanfall: rd. 2,0 Mio. Mg TR/a Klärschlammverbleib rd. 5 % P 2 O 5 100% Zwischenlagerung 90% Thermische Behandlung 80% 70% Deponie 60% 50% 40% Landschaftsbau 30% 20% 10% Landschaftsbau und Landwirtschaft Landwirtschaft 0% September 2012 Fachbereich Bauingenieurwesen und Geodäsie Abwassertechnik Dr.-Ing. Christian Schaum 13

14 Potential einer Phosphorrückgewinnung Einsatz von Düngemitteln in der Landwirtschaft (Phosphor) rd Mg P 2 O 5 /a als Mineraldünger. In 2001 wurden zusätzlich rd Mg P 2 O 5 /a aus Klärschlamm, rd Mg P 2 O 5 /a aus Wirtschaftsdüngern und rd Mg P 2 O 5 /a aus Kompost aufgebracht. Daten: UBA (2001) Theoretisches Potential einer P-Rückgewinnung aus Klärschlamm/Klärschlammasche Jährlicher Klärschlammanfall: rd. 2,0 Millionen Mg TR, mit ca. 5 % P 2 O 5, folgt ein Potential von ca Mg P 2 O 5 /a 21. September 2012 Fachbereich Bauingenieurwesen und Geodäsie Abwassertechnik Dr.-Ing. Christian Schaum 14

15 Einsatzorte P-Rückgewinnung Klärschlamm (1) aus Prozesswasser der Schlammbehandlung (Entwässerung von Faulschlamm) (2) aus Faulschlamm direkt im Faulturm, durch Aufschluss (3) aus Klärschlammasche nach einer thermischen Monoklärschlammverwertung (keine Mitverbrennung) 21. September 2012 Fachbereich Bauingenieurwesen und Geodäsie Abwassertechnik Dr.-Ing. Christian Schaum 15

16 Vergleich der Stoffströme P-Rückgewinnung Klärschlamm Faulschlamm Asche Feststoffkonzentration (TR) Glührückstand (GR) < 1 % rd. 3 % 100 % % 100 % Phosphor mg/l 2 5 % bez. auf TR 5-10 % bez. auf TR Prozesswasser aus der Schlammbehandlung Rückgewinnungspotential* rd. 10 % (bis 30 % Bio-P) rd. 90 % rd. 90 % * bezogen auf Zulauffracht zur Kläranlage

17 Verfahren P-Rückgewinnung Klärschlamm Klärschlamm Prozesswasser aus der Schlammbehandlung, Kristallisation/Fällung von Magnesiumammonium phosphat (MAP) - PEARL (Fa. Ostara) - PRISA - CRYSTALACTOR - P-ROC, Direkt im Faulschlamm Dosierung von CSH zur Bildung von Ca- Phosphat - FIXPHOS, Dosierung von Mg und CO 2 -Strippung zur Bildung von MAP - AIRPREX (Berliner Verfahren) - Nasschemische Aufbereitung, Aufschluss mit Säure/Lauge, Trennung Phosphor von Schwermetallen - SEABORNE - STUTTGARTER VERFAHREN - Thermochemische Aufbereitung, in Kombination mit einer Thermodruckhydrolyse - KREPRO - CAMBI, In Kombination mit einer Nassoxidation - PHOXAN (LOPROX) - AQUA RECI, In Kombination mit therm. KS-Verwertung - MEPHREC, 21. September 2012 Fachbereich Bauingenieurwesen und Geodäsie Abwassertechnik Dr.-Ing. Christian Schaum 17

18 Effekte auf Abwasser- und Klärschlammbehandlung Verfahren zur P-Rückgewinnung aus Klärschlamm: Einfluss auf gesamte Abwasser- und Klärschlammbehandlung positiv und ggf. auch negativ möglich ggf. werden weitere Ziele verfolgt bis hin zur Klärschlammverwertung (Desintegration (Thermodruckhydrolyse), Nassoxidationsverfahren, thermische Verfahren wie z.b. MEPHREC) Mögliche Einflussparameter: Verminderung von MAP-Ausfällungen / Kristallisationen Veränderung der Klärschlammentwässerung Behandlung von Restwässern Abluftbehandlung 18

19 Verfahren P-Rückgewinnung Asche Klärschlammasche Landwirtschaftliche Verwertung, ggf. Aufschluss mit Säure und Abtrennung Schwermetalle Phosphatindustrie, Einsatz als Substitut für Rohphosphat, niedrige Metallkonzentration notwendig Konzentration von Al bzw. Fe im Fokus Nasschemische Aufbereitung, Aufschluss der Aschen mit Säure/Lauge, Trennung Phosphor von Schwermetallen (Fällung, Ionenaustausch, Solventextraktion, etc.) Thermochemische Aufbereitung, Thermische Behandlung der Aschen, Metallurgie, chloridische Entfernung von Schwermetallen - P-Industrie - THERMPHOS - P-Industrie - - SEPHOS - SESAL-PHOS - PASCH - BIOCON - BIOLEACHING, - MEPHREC; ATZ-Ver. (Metallurgie) - ASHDEC, SUSAN September 2012 Fachbereich Bauingenieurwesen und Geodäsie Abwassertechnik Dr.-Ing. Christian Schaum 19

20 Stand der Entwicklung (1) Prozesswasser Schlammbehandlung großtechnische Umsetzungen, z.b.: PEARL (Canada) (2) Faulschlamm großtechnische Versuche/Umsetzungen, z.b.: AirPrex (Berlin), FixPhos (Hildesheim), Seaborne (Gifhorn), Stuttgarter Verfahren (Offenbach) (3) Klärschlammasche großtechnische Versuche/Umsetzungen, z.b.: Thermphos nasschemische Verfahren: Labormaßstab thermochemische Verfahren: Halbtechnik 21. September 2012 Fachbereich Bauingenieurwesen und Geodäsie Abwassertechnik Dr.-Ing. Christian Schaum 20

21 Produkte der Verfahren zur P-Rückgewinnung Calciumphosphate aus Fällung/Kristallisation (CRYSTALLACTOR, P-Roc, SESAL-PHOS) oder thermo-chemisch (ASHDEC, auch Magnesiumphosphate) Nutzbar als Langzeitdünger (etwas geringere Düngewirkung als Triple-Superphosphat) Magnesium-Ammonium-Phosphat (MAP) aus Fällung/Kristallisation (PEARL, PRISA, ) Düngewirkung vergleichbar mit Triple-Superphosphat Aluminium- und Eisenphosphate aus Fällung (SEPHOS, KREPRO, ) Einsatz als Düngemittel limitiert Daten: Abschlussbericht PhoBe, BMBF, 2011

22 Ökonomische Aspekte einer P-Rückgewinnung Kostenvergleichsrechnung (LAWA), aus Klärschlamm: Kläranlage mit EW aus Asche: Anlage mit 3,0 Mio. EW: aus Prozesswasser (PRISA): 1,7 /(E a) bzw. 7,4 /(kg P) aus Faulschlamm (Fix-Phos): aus Faulschlamm (Seaborne, Stuttgarter Verfahren): aus Asche (Sesal-Phos, PASCH): Zum Vergleich: Gesamtkosten der Abwasserbehandlung: ca. 124 /(E a) Preis Phosphat (Düngemittel) rd. 1 /(kg P) 0,5-1,5 /(E a) bzw. 2,0 7,0 /(kg P) /(kg P) 2,5-3,0 /(E a) bzw. 4,5 7,5 /(kg P) Daten: Abschlussbericht PhoBe, BMBF, 2011; UBA, 2007; Weidelener (2009); Müller-Schaper (2012)

23 Ökologische Aspekte einer P-Rückgewinnung Verfahren der P-Rückgewinnung wurden in Bezug auf die Klärschlammverwertung positiv bewertet (Ökobilanzen für Nordrhein-Westfalen und Schleswig-Holstein; PhoBe-BMBF, 2011) Vergleich einer P-Rückgewinnung mit einer konventionellen Produktion von Phosphatdüngemitteln kann ebenfalls grundsätzlich positiv bewertet werden (Detailbetrachtung steht noch aus) 21. September 2012 Fachbereich Bauingenieurwesen und Geodäsie Abwassertechnik Dr.-Ing. Christian Schaum 23

24 Gliederung Bedeutung von Phosphor Phosphorkreislauf Herkunft und Vorräte Phosphor in der Abwasser-/Klärschlammbehandlung Phosphorbilanz einer Kläranlage Potential für eine Rückgewinnung aus Klärschlamm Verfahren zur Rückgewinnung von Phosphor aus Klärschlamm und Klärschlammasche Stand der Verfahrensentwicklung Ökonomische und ökologische Bewertung Zusammenfassung und Ausblick 21. September 2012 Fachbereich Bauingenieurwesen und Geodäsie Abwassertechnik Dr.-Ing. Christian Schaum 24

25 Zusammenfassung und Ausblick Verfahren zur Rückgewinnung von Phosphor müssen in der Lage sein Schad- und Wertstoffe zu trennen. Wesentlicher Wertstoff ist Phosphor. Eine Rückgewinnung von Phosphor aus Abwasser hat ein max. Rückgewinnungspotential von 50 %, wobei meist eine relativ einfache Verfahrenstechnik ausreicht (Fällung/Kristallisation). Klärschlamm enthält bis zu 95 % des Phosphors, der einer Kläranlage zugeführt wird. Für eine Rückgewinnung ist der Einsatz von nasschemischen oder thermischen Verfahrenstechniken notwendig. 21. September 2012 Fachbereich Bauingenieurwesen und Geodäsie Abwassertechnik Dr.-Ing. Christian Schaum 25

26 Zusammenfassung und Ausblick Organische Schadstoffe werden durch eine thermische Klärschlammbehandlung am konsequentesten der Umwelt entzogen. Phosphor verbleibt in der Asche und kann nahezu quantitativ zurückgewonnen werden (nass- und thermochemisch). Viele Verfahren, insbesondere bei einer Rückgewinnung von Phosphor aus Klärschlamm/Asche sind mit erheblichem Energie- und Chemikalieneinsatz verbunden. Ziel weiterer Entwicklungen: Großtechnische Umsetzung/Erprobung von Verfahren zur Rückgewinnung von Phosphor (insbesondere aus Klärschlammasche) 21. September 2012 Fachbereich Bauingenieurwesen und Geodäsie Abwassertechnik Dr.-Ing. Christian Schaum 26

27 Klärschlamm: Phosphorressource der Zukunft? Untertitel, Vortrag, Themen, Personen, Termine und sonstige Informationen, BWK-Bundeskongress 2012, die wichtig sind September 2012, Wiesbaden Dr.-Ing. Christian Schaum Prof. Dr.-Ing. Peter Cornel

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