Nutzung von Klärschlamm als Rohstoffquelle

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1 Nutzung von Klärschlamm als Rohstoffquelle Aktueller Stand in Deutschland und in der Europäischen Union sowie Perspektiven für die Zukunft eingereicht am von Simone Brandt Berlin Matrikel-Nr.: Gutachter: Zweitgutachter: Dr. Christian Kabbe Prof. Dr. Michael Nelles Umweltbundesamt Universität Rostock Schichauweg 58 Justus-von-Liebig-Weg Berlin Rostock Masterarbeit ZQS Studiengang Umweltschutz

2 Inhaltsverzeichnis 2 Inhaltsverzeichnis Abbildungsverzeichnis... 5 Tabellenverzeichnis... 6 Abkürzungsverzeichnis Einleitung Problemstellung Zielsetzung Charakterisierung von Klärschlamm Schlammarten Schlammkennwerte Zusammensetzung von Klärschlamm Organische Substanz Pflanzennährstoffe Schwermetalle Pathogene Organismen Beschreibung einer umfassenden Schlammbehandlung Eindickung Hygienisierung Biologische Schlammstabilisierung Stapelung Entwässerung Trocknung Möglichkeiten der Entsorgung von Klärschlamm Stoffliche Verwertung in Landwirtschaft und Landschaftsbau Direkte landwirtschaftliche Nutzung Klärschlammkompostierung Klärschlammvererdung Organische Schadstoffe in Klärschlämmen und deren Verhalten im Boden Thermische Entsorgung Zusammensetzung von Klärschlammaschen Monoverbrennung von Klärschlamm Mitverbrennung in Müllverbrennungsanlagen Mitverbrennung in Kohlekraftwerken Mitverbrennung in Zementwerken... 37

3 Inhaltsverzeichnis Deponierung Zusammenfassende Betrachtung Klärschlammentsorgung in Deutschland Mengenentwicklung und Entsorgungswege Stoffliche Verwertung in Landwirtschaft und Landschaftsbau Thermische Entsorgung Kosten der Klärschlammentsorgung Entsorgung von Klärschlamm in den einzelnen Bundesländern Stand der Rückgewinnung von Nährstoffen Rechtslage Klärschlammverordnung Düngemittelrecht Bundes-Immissionsschutzverordnung Deponieregelungen Zusammenfassende Betrachtung Klärschlammentsorgung in der EU Schlammanfall und Entsorgungswege Stand der Rückgewinnung von Nährstoffen Rechtslage Klärschlammrichtlinie Europäische Verbrennungsrichtlinie Deponierecht Zusammenfassende Betrachtung Potenzial von Inhaltsstoffen im Klärschlamm als Rohstoff Aluminium Kalzium Eisen Kalium Magnesium Natrium Phosphor Schwefel Schwermetalle Silizium Stickstoff Zusammenfassende Betrachtung... 72

4 Inhaltsverzeichnis 4 8 Rückgewinnung von Rohstoffen aus Klärschlamm Verfahren zur Rückgewinnung von Phosphor Rückgewinnung aus der flüssigen Phase Rückgewinnung im nass-chemischen Verfahren Rückgewinnung in thermisch-metallurgischen Verfahren Vergleich der Verfahren Rückgewinnung von Aluminium und Eisen Verfahren zur Rückgewinnung von Aluminium Verfahren zur Rückgewinnung von Eisen Zusammenfassende Betrachtung Perspektiven für eine zukunftsfähige Klärschlammverwertung Stoffliche Verwertung in Landwirtschaft und Landschaftsbau Zukunft der stofflichen Verwertung in Landwirtschaft und Landschaftsbau Bedingungen zur Beendigung der stofflichen Verwertung Anpassungen der rechtlichen Anforderungen Der Einfluss der Kosten auf die Wahl des Entsorgungsweges Thermische Ensorgung von Klärschlämmen Zukunft der thermischen Entsorgung Risiken der Verbrennung Monoverbrennung vor Mitverbrennung Bedingungen bei einer Mitverbrennung Energieausbeute bei der Verbrennung Deponierung Rückgewinnung von Rohstoffen Rückgewinnung von Phosphor Substitution von Aluminium und Eisen Rückgewinnung von Stickstoff und Kalium aus dem Abwasserstrom Grenzen der Betrachtungen des Recyclingpotenzials von Rohstoffen Zusammenfassung Danksagung Literaturverzeichnis Erklärung

5 Abbildungsverzeichnis 5 Abbildungsverzeichnis Abbildung 1: Entwicklung der Gehalte an Pb, Cr, Cu und Zn (oben) sowie Cd, Ni und Zn (unten) in landwirtschaftlich verwerteten Klärschlämmen in Deutschland [BMU 2010a] Abbildung 2: Überblick über die Verfahrensstufen einer umfassenden Schlammbehandlung, wobei die Kreise den Ein- und Austrag von Stoffen aus dem System zeigen [nach Gujer 2007] Abbildung 3: Ausgewählte Klärschlammhygienisierungsverfahren (Klages et al. 2009) Abbildung 4: Heizwerterhöhung durch Entwässerung und Trocknung [Lehrmann 2010] Abbildung 5: Entsorgung der in Deutschland anfallenden Klärschlammaschen im Jahr 2008 (Erfassung von 17 Monoverbrennungsanlagen mit einer Aschemenge von t pro Jahr) [nach Adam 2010] Abbildung 6: Klärschlammentsorgung in Deutschland aus der biologischen Abwasserbehandlung [nach Destatis 2003, 2006, 2007, 2008, 2009, 2010] Abbildung 7: Stoffliche Verwertung von Klärschlamm in Deutschland aus der biologischen Abwasserbehandlung [nach Destatis 2003, 2006, 2007, 2008, 2009, 2010] Abbildung 8: Prozentuale Anteile der thermischen Entsorgungswege von Klärschlamm in Deutschland [nach Lehrmann 2010] Abbildung 9: Kapazitäten der Klärschlammverbrennung in Deutschland [Lehrmann 2010] Abbildung 10: Kosten der Klärschlammentsorgung einschließlich der Kosten für Entwässerung und Transport [DWA 2010] Abbildung 11: Klärschlammentsorgung aus der biologischen Abwasserbehandlung im Jahr 2009 in den deutschen Bundesländern [nach Destatis 2010] Abbildung 12: Anfall an Klärschlammtrockenmasse in der EU-27 pro Jahr in 1000 t sowie prozentualer Anteil an der Gesamtmenge von t [nach Eurostat 2011a; Daten der jeweils aktuellsten Jahrgänge ] Abbildung 13: Klärschlammanfall und -Entsorgung in verschiedenen Mitgliedstaaten der EU [nach Obermeier/Lehmann 2009, Korving 2010 und Eurostat 2011a; Daten der jeweils aktuellsten Jahrgänge ] Abbildung 14: Klärschlammanfall und Entsorgungswege in der EU [EGLV 2006] Abbildung 15: Phosphatströme in der Kläranlage [Horn et al. 2010]... 73

6 Tabellenverzeichnis 6 Tabellenverzeichnis Tabelle 1: Anfall der Rohschlämme in Kläranlagen: Arten, Prozessstufe und Eigenschaften [nach ATV 1996 und Felber/Fischer 2010] Tabelle 2: Schlammkennwerte [nach Felber/Fischer 2010 und Bischofsberger 2005] Tabelle 3: Zusammensetzung von kommunalem Klärschlamm in Österreich [nach Oliva et al. 2009] Tabelle 4: Organische Schadstoffe in Klärschlämmen der EU: Konzentrationsbereiche, und mögliche Quellen [Oliva et al. 2009] Tabelle 5: Zusammensetzung von Klärschlammaschen aus 11 großen deutschen Monoverbrennungsanlagen [Adam 2010; geändert: Zeile Summe hinzugefügt] Tabelle 6: Maximal zulässige Schadstoffgehalte nach AbfKlärV für Boden und Klärschlamm und nach dem Entwurf der AbfKlärV 2010 [nach AbfKlärV 1992, BMU 2010b und BBodSchV 1999] Tabelle 7: Klärschlammanfall in der EU-27 pro Jahr und pro Kopf der Bevölkerung und Bevölkerungsanteil mit Anschluss an kommunale Kläranlagen [nach Eurostat 2011a und 2011b; Daten der jeweils aktuellsten Jahrgänge] Tabelle 8: Potenziell zur Verfügung stehende Inhaltsstoffe in Klärschlammaschen und im Klärschlamm sowie Bewertung des Rohstoffpotenzials Tabelle 9: Vergleich der prinzipiellen Verfahren flüssige Phase, nass-chemisch und thermisch-metallurgisch zur Rückgewinnung von Phosphor aus dem Abwasser, dem Klärschlamm und der Klärschlammasche [nach Horn et al. 2010]... 77

7 Abkürzungsverzeichnis 7 Abkürzungsverzeichnis AbfKlärV Al AOX As B(a)P BBSchV BImSchG BImSchV BMBF BMU Klärschlammverordnung Aluminium Adsorbierbare organische Halogenverbindungen Arsen Benzo(a)pyren Bundes-Bodenschutz- und Altlastenverordnung Bundes-Immissionsschutzgesetz Bundes-Immissionsschutzverordnung Bundesministerium für Bildung und Forschung Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit BUND Ca Cd Cr Cu DEHP DüMV DüngMG DüV DWA Bund für Umwelt und Naturschutz Deutschland Kalzium Cadmium Chrom Kupfer Di(2-Ethyl-Hexyl)Phthalat Düngemittelverordnung Düngemittelgesetz Düngeverordnung Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e. V. EU Fe gfp Europäische Union Eisen Gute fachliche Praxis GR Glührückstand [%] GV Glühverlust [%] Hg Quecksilber H u unterer Heizwert [kj/kg, MJ/kg]

8 Abkürzungsverzeichnis 8 K KrW-/AbfG LAS MAP Mg Mn Mo MVA Na Ni P PAK Pb PBDE PCB Kalium Kreislaufwirtschafts- und Abfallgesetz Lineare Alkylbenzo-Sulfonate Magnesium-Ammonium-Phosphat Magnesium Mangan Molybdän Müllverbrennungsanlage Natrium Nickel Phosphor Polyzyklische Aromatische Kohlenwasserstoffe Blei Bromierte Diphenylether Polychlorierte Biphenyle PCDD/PCDF Polychlorierte Dibenzodioxine/Furane PFT P-Recycling P 2 O 5 S Sn TASi Perfluorierte Tenside Phosphorrecycling Phosphorpentoxid Schwefel Zinn Technischen Anleitung zur Verwertung, Behandlung und sonstigen Entsorgung von Siedlungsabfällen Tl Thallium TR Trockenrückstand [%] TM Trockenmasse [g, kg, t] TM R Trockenmassegehalt [kg/m³, g/l] UBA Umweltbundesamt WG Wassergehalt [%] Zn Zink

9 1 Einleitung 9 1 Einleitung 1.1 Problemstellung Klärschlamm entsteht bei der Behandlung von Abwasser in Kläranlagen. Er ist die gewollte Senke für die im Abwasser enthaltenen Inhaltsstoffe [Bischofsberger 2005]. Die Entsorgung von Klärschlämmen kann grundsätzlich über eine stoffliche Verwertung in der Landwirtschaft und im Landschaftsbau, durch Verbrennung unter Nutzung des energetischen Potenzials oder durch Ablagerung auf Deponien erfolgen. Klärschlämme enthalten Stoffe, die zu den endlichen Ressourcen zählen. Dabei stellt Phosphor den wesentlichen Bestandteil für eine weitere Verwertung dar. Vor dem Hintergrund zunehmender Knappheit von Ressourcen, kommt der Nutzung von Klärschlamm als Rohstoffquelle eine wachsende Bedeutung zu. Am Beispiel Phosphor zeigt sich die wachsende Bedeutung einer notwendigen Rohstoffrückgewinnung aus Klärschlamm besonders deutlich. Einige Geologen prognostizieren eine begrenzte Reichweite der verfügbaren, natürlichen Phosphatreserven. Für den Menschen, die Tiere und Pflanzen ist Phosphor allerdings ein lebensnotwendiger Nährstoff. Jährlich werden weltweit etwa 100 Millionen Tonnen (Mio. t) Rohphosphat in kontinentalen Lagerstätten abgebaut und zu 90 % zur Produktion von Dünger verwendet. Abbau und Aufbereitung von Phosphaterzen sowie die Herstellung von Phosphatdünger gehen mit erheblichen Umweltbelastungen einher. Hinzu kommt, dass Phosphor aus sedimentären Lagerstätten (87 % der Weltreserven) hohe Konzentrationen an radioaktivem Uran und giftigem Cadmium enthält. Diese Schadstoffe werden in den Dünger transferiert und gelangen so auf die landwirtschaftlich genutzten Flächen [Hermann 2009]. Die direkte Verwertung von Rohstoffen und insbesondere von Phosphor aus Klärschlamm wird bisher mit der Verwendung von Klärschlamm als Düngemittel in der Landwirtschaft praktiziert. In Fachkreisen besteht allerdings Uneinigkeit über den Nutzen und die Risiken dieser Verwertungsart. Es ist umstritten, ob diese Art der Entsorgung eine sinnvolle Verwertung darstellt oder eher eine kostengünstige Beseitigung von Abfall ermöglicht. Die Gegner fordern das gänzliche Verbot der landwirtschaftlichen Verwertung und führen als Hauptgrund an, dass Klärschlamm ein Konzentrat aus einer Vielzahl von sogar oftmals unbekannten Schadstoffen darstellt, deren Wirkungen auf die Umwelt, v. a. Boden und Grundwasser, nicht absehbar sind [Faulstich 2001; Hahn 2000]. Sie favorisieren die Verbrennung und Nutzung des energetischen Potenzials im Klärschlamm. Die Befürworter der landwirtschaftlichen Verwertung hingegen argumentieren, dass bei der thermischen Entsorgung wertvolle Inhaltsstoffe des Klärschlammes, wie das organische Material zur Humusbildung und Phosphate, verloren gehen [BUND 2005].

10 1 Einleitung 10 Klärschlamm ist demnach einerseits eine der größten anthropogenen Schadstoffsenken, aber enthält andererseits wertvolle Rohstoffe, die genutzt werden könnten. Um diese außerhalb einer landwirtschaftlichen Verwertung der Klärschlämme zurück zu gewinnen, werden seit etwa zehn Jahren intensiv Verfahren zur Phosphorrückgewinnung aus Abwasser und Klärschlamm beforscht [Horn et al. 2010]. Erfolgt beispielsweise die thermische Entsorgung von Klärschlamm in sogenannten Monoverbrennungsanlagen, also Anlagen die ausschließlich Klärschlamm verbrennen, besteht die Möglichkeit, Phosphor als Sekundärrohstoff aus der Asche zurück zu gewinnen und zu schadstofffreiem Düngemittel zu verarbeiten [Scheidig et. al 2010]. Dieses Verfahren verspricht in seiner Kombination von stofflichem und thermischem Recycling eine umweltfreundliche und ressourcenschonende Verwertung sowie schadlose Beseitigung von Klärschlamm. Das Problem besteht allerdings darin, dass die Rückgewinnungs- und Aufbereitungstechniken für Phosphor noch nicht ausgereift sind. Die umstrittene landwirtschaftliche Verwertung gilt daher bislang in Deutschland und in der Europäischen Union (EU) als die wirtschaftlich einzig sinnvolle Möglichkeit für eine Rohstoffnutzung. 1.2 Zielsetzung Ziel dieser Masterarbeit ist es, die derzeitige Nutzung von Klärschlamm als Rohstoffquelle in Deutschland und der Europäischen Union darzustellen und Perspektiven einer nachhaltigen Nutzung für die Zukunft aufzuzeigen. Die Basis für die Betrachtungen und Schlussfolgerungen bilden umfangreiche Sachrecherchen nationaler und EU-weiter Literatur der letzten zehn Jahre. Hauptschwerpunkt wird dabei auf die letzten fünf Jahre und die Situation in Deutschland gelegt. In den Abschnitten 2 und 3 werden zunächst wichtige Grundlagen beschrieben. Die Charakterisierung von Klärschlamm gibt Aufschluss über seine Herkunft, Beschaffenheit und Zusammensetzung. Im weiteren Verlauf der Arbeit können daraus die Potenziale einer Rückgewinnung von Rohstoffen abgeleitet werden. Mit der Darstellung der Behandlungstechniken von Klärschlamm wird deutlich, dass die Wahl des letztlichen Entsorgungsweges durch den Kläranlagenbetreiber immer mit der Art der Behandlung zusammenhängt. Bereits in der Behandlung werden also auch die Weichen für die Rohstoffrückgewinnung gestellt. Die grundsätzlich zur Verfügung stehenden Entsorgungswege für Klärschlamm, also die landwirtschaftliche und landschaftsbauliche Verwendung, die Verbrennung und die Deponierung, werden in Abschnitt 4 vorgestellt. Die Wahl des Entsorgungsweges ist entscheidend für die daraus entstehenden Möglichkeiten einer Nutzung oder Rückgewinnung von Rohstoffen.

11 1 Einleitung 11 Die Abschnitte 5 und 6 bauen darauf auf. Es wird der aktuelle Stand der Klärschlammentsorgung sowie der Nutzung und Rückgewinnung von Rohstoffen in Deutschland und in der EU vorgestellt. Darüber hinaus wird die derzeitige und teilweise die zu erwartende Rechtslage zur Klärschlammentsorgung dargestellt, da diese einen Einfluss auf die Wahl des Entsorgungsweges hat. Möglichkeiten und Hindernisse für einen umweltfreundlichen Umgang mit Klärschlamm und eine Rohstoffrückgewinnung für Deutschland und Europa werden daraus in Abschnitt 9 abgeleitet werden. Auf der Basis der erarbeiteten Grundlagen über die Zusammensetzung von Klärschlamm stellt Abschnitt 7 dar, für welche Inhaltstoffe ein bedeutendes Potenzial für eine Rückgewinnung besteht. In Abschnitt 8 werden die zur Verfügung stehenden Verfahren für die Rückgewinnung von Phosphor vorgestellt. Dort erfolgt auch eine Prüfung, ob es Verfahren gibt, um weitere Rohstoffe, für welche in Abschnitt 7 ein Potenzial abgeleitet wurde, zurück zu gewinnen. In Abschnitt 9 werden die Perspektiven einer zukunftsfähigen Klärschlammverwertung und Rohstoffrückgewinnung dargestellt. Es werden Schlussfolgerungen gezogen, wie ein moderner und umweltfreundlicher Umgang mit Klärschlamm in der Zukunft aussehen könnte und welche Wege beschritten werden müssen, um dorthin zu gelangen.

12 2 Charakterisierung von Klärschlamm 12 2 Charakterisierung von Klärschlamm Zunächst gilt es Klärschlamm und seine Arten zu charakterisieren, um seine Bedeutung als Rohstoffquelle zu ermitteln und Nutzen und Risiken für eine landwirtschaftliche Verwendung bewerten zu können. Dabei werden die unterschiedlichen Schlammarten in Abhängigkeit vom Ort des Anfalls in der Abwasserreinigung definiert, wichtige Schlammkennwerte beschrieben und die Zusammensetzung von Klärschlämmen und Klärschlammaschen dargestellt. In Kläranlagen wird bei der Abwasserreinigung das Abwasser in gereinigtes Abwasser und in die eliminierten Reststoffe aufgetrennt. Als Reststoff entsteht vor allem unbehandelter Klärschlamm (Rohschlamm). Nicht zum Klärschlamm zählen die anfallenden Reststoffe Rechen- oder Siebgut, Sandfanggut sowie Fette und Öle. Diese Güter werden gesondert beseitigt [ATV 1996]. Der Klärschlamm ist damit die gewollte Senke für ein breites im Abwasser enthaltenes Stoffspektrum. Auch wenn die gewählten Randbedingungen der Abwasserreinigung identisch sind, z. B. die Verfahren der Abwasserreinigung, die Struktur des Entsorgungsgebietes und die Entwässerungsverfahren, gleicht kein Klärschlamm dem anderen. Seine Zusammensetzung ist als Produkt aus Abwasserbelastung und Abwasserreinigung immer verschieden [Bischofsberger 2005]. 2.1 Schlammarten Der Begriff Klärschlamm ist sehr allgemein. Er macht keine Aussage über Herkunft und Art des Schlammes sowie über den Grad der Entwässerung [Felber/Fischer 2010]. Rohschlämme sind alle auf der Kläranlage zur Behandlung anfallenden Schlämme unabhängig davon, ob das Schlammwasser bereits abgetrennt wurde [ATV 1996]. Es sind somit die Schlämme vor der Stabilisierung (s. Abschnitt 3.3). Wie Tabelle 1 zeigt, haben die Rohschlämme je nach ihrem Anfall in den verschiedenen Prozessstufen der Kläranlage andere Eigenschaften und werden dementsprechend unterschiedlich benannt.

13 2 Charakterisierung von Klärschlamm 13 Tabelle 1: Anfall der Rohschlämme in Kläranlagen: Arten, Prozessstufe und Eigenschaften [nach ATV 1996 und Felber/Fischer 2010] Rohschlammart Prozessstufe Eigenschaften Primärschlamm Sekundärschlamm (Überschussschlamm; Bakterienschlamm) Tertiärschlamm (chemischer Fällungsschlamm) mechanische Stufe (Vorklärung): physikalische Abtrennung absetzbarer Inhaltsstoffe biologische Stufe (Nachklärung): überwiegend Abbau gelöster organischer Substanz durch Mikroorganismen, die infolge ihres Baustoffwechsels neue Zellsubstanz bilden, die entnommen wird weitergehende Stufe: Entnahme unterschiedlicher Abwasserinhaltsstoffe durch chemische Fällungsreaktion; in der kommunalen Abwasserreinigung v. a. aus der Phosphatfällung mit Eisenoder Aluminiumsalzen oder manchmal mit Kalk (werden Fällungsprozesse gemeinsam mit Vor- oder Nachklärung durchgeführt, fällt Tertiärschlamm im Gemisch mit Primär- oder Sekundärschlamm an) - Art der mechanischen Reinigung und Verweilzeit bestimmen Beschaffenheit des Schlammes - enthält auch grobe Teilchen wie Kot, Obst und Papier - homogener als Primärschlamm - geht schneller als Primärschlamm in Fäulnis über - rein chemischer Schlamm mit deutlich anderen Eigenschaften als Primär- und Sekundärschlamm - Eigenschaften hängen mit jeweiliger chemischer Reaktion zusammen - fällt Schlamm getrennt an, ist er stabil und nicht geruchsbelästigend Als stabilisierte Schlämme werden solche Schlämme bezeichnet, die in der Schlammbehandlung in einem anaeroben oder aeroben Stabilisierungsverfahren (s. Abschnitt 3.3) behandelt wurden [ATV 1996]. Bei der Behandlung werden die organischen Inhaltsstoffe weitgehend verringert. Der Schlamm fault anschließend ohne Geruchsbildung weiter [Felber/Fischer 2010]. Der aus einem Stabilisierungsverfahren abgezogene Schlamm der noch nicht weiter behandelt wurde, wird auch als Nassschlamm bezeichnet [Felber/Fischer 2010]. Faulschlamm ist der ausgefaulte Schlamm aus der anaeroben Schlammstabilisierung [Felber/Fischer 2010].

14 2 Charakterisierung von Klärschlamm Schlammkennwerte Klärschlämme bestehen aus festen in Wasser suspendierten Anteilen. Mit Schlammkennwerten können Klärschlämme näher charakterisiert werden. Tabelle 2 zeigt die am häufigsten genutzten Schlammkennwerte. Tabelle 2: Schlammkennwerte [nach Felber/Fischer 2010 und Bischofsberger 2005] Kennwert Zeichen Einheit Erklärung Trockenmasse TM z. B.: Trockenmassegehalt (Konzentration der Trockenmasse) Trockenrückstand (Trockenmasseanteil) TM R g, kg, t z. B.: kg/m³, g/l Masse der Feststoffe nach dem Filtrieren Feststoffgehalt der abfiltrierten Probe (gelöste Stoffe, z. B. Salze, sind kein Bestandteil der Trockenmasse) Bestimmung im Zulauf, im Zentrat / Filtrat bei maschinellen Verfahren TR % Feststoffanteil der nicht abfiltrierten Schlammprobe nach Eindampfen bei 105 C (gelöste Stoffe sind Bestandteil des Trockenmasseanteils) Bestimmung im Zulauf und Austrag des Entwässerungsaggregates Wasseranteil WG % Wasseranteil der nicht abfiltrierten Schlammprobe nach Eindampfen bei 105 C Glührückstand GR % Anteil mineralischer Substanz in der gesamten Trockenmasse Bestimmung durch Verglühen der Trockenmasse Glühverlust GV % Anteil organischer Substanz in der gesamten Trockenmasse Bestimmung durch Verglühen der Trockenmasse Rohschlämme haben hohe Wasseranteile zwischen etwa 93 und 99,5 %. In den Prozessen der Schlammbehandlung (z. B. Eindickung, Faulung, Entwässerung, Trocknung; s. Abschnitt 3) erfolgt eine weitgehende Abtrennung des Schlammwassers und Senkung des Wassergehaltes [Bischofsberger 2005]. Damit vermindert sich das Volumen des Rohschlammes bei gleich bleibender Trockenmasse erheblich. Voll getrockneter Schlamm hat einen Trockenmassegehalt von 90 bis 95 % [ATV 1996].

15 2 Charakterisierung von Klärschlamm Zusammensetzung von Klärschlamm Klärschlämme enthalten organische Substanzen wie biologisch schwer abbaubare und hormonell wirksame Substanzen, Pflanzennährstoffe wie Stickstoff und Phosphor, Schwermetalle und pathogene Organismen Organische Substanz Der organische Anteil des Klärschlamms schwankt zwischen 45 und 95 % in der Trockenmasse und ist abhängig von der Herkunft des Abwassers und dem Faulungsgrad [Hartmann et al. 2004]. Er enthält etwa 55 % Kohlenstoff, 8 % Wasserstoff, 29 % Sauerstoff, 7 % Stickstoff (N) und 1 % Schwefel (S) [Lehrmann 2010]. Bei der Faulung von Klärschlamm wird ein Teil der organischen Substanz unter Bildung von Biogas mikrobiologisch abgebaut (s. Abschnitt 3.3). Um eine genaue Aussage darüber zu treffen, wie hoch die zu erwartende Gasausbeute bei der Faulung sein wird, bildet z. B. der Glühverlust einen Näherungswert. Um den Gehalt an abbaubarer Substanz genau zu ermitteln, werden praktische Faulversuche durchgeführt [ATV 1996]. In der organischen Substanz ist eine Vielzahl von organischen Verbindungen im Spurenbereich enthalten. Nach Oliva et al. [2009] konnten bisher über 300 Schadstoffe in der Regel aus anthropogenen Aktivitäten nachgewiesen werden. Dabei konnten nur wenige Einzelsubstanzen oder Substanzgruppen verlässlich quantitativ erfasst werden. Eine vollständige analytische Bestimmung aller im enthaltenen organischen Stoffe ist nicht möglich. Nach eigener Einschätzung liegt dies an einer unüberschaubaren Anzahl von Stoffen im Klärschlamm und an fehlenden Analyseverfahren. Die Belastungen von Klärschlämmen mit organischen Schadstoffen und deren Verhalten im Boden werden in Abschnitt dargestellt Pflanzennährstoffe Klärschlämme haben meist hohe Gehalte an den Pflanzennährstoffen Stickstoff und Phosphor und niedrige Gehalte an Kalium. Ferner enthalten sie Magnesium und Kalk sowie Spurennährstoffe. Der durchschnittliche Gehalt an Stickstoff ist im flüssigen Klärschlamm und im Tertiärschlamm am höchsten und sinkt bei der Entwässerung [ATV 1996]. Durch die Entwässerung wird ein Teil des Stickstoffes mit dem Filtrat oder Brüdenkondensat in die Kläranlage zurück geführt und ein weiterer Teil als Ammoniak bei der Kalkbehandlung und Trocknung ausgetrieben [Felber/Fischer 2010]. Die Stickstoffgesamtgehalte sagen jedoch nichts über die Wirksamkeit für die Pflanzenernährung aus. Der düngewirksame Teil berechnet sich für verschiedene Böden jeweils mit einer Formel, die in Untersuchungen durch Vergleich mit der Wirksamkeit von mineralischem Dünger (Ammoniumnitrat) abgeleitet wurde. Er wird jeweils anteilig aus der Summe des anorganischen Ammoniumstickstoffs und des organisch

16 2 Charakterisierung von Klärschlamm 16 gebundenen Stickstoffs ermittelt [ATV 1996]. Leicht verfügbar sind dabei die anorganischen und wasserlöslichen Stickstoffformen, vor allem Ammonium. Der größere Teil liegt in organisch gebundener Form vor und muss zunächst mineralisiert werden. Eine langjährige Anwendung von Klärschlamm als Dünger führt daher zur Anhebung des Anteils an organischem Bodenstickstoff [DWA 2004]. Auch der Wassergehalt spielt für die Stickstoffwirksamkeit eine wichtige Rolle. Bei der Entwässerung und Trocknung verringert sich der Ammoniumstickstoff im Klärschlamm auf bis zu 25 % und der Gesamtstickstoff auf die Hälfte, da ein Teil mit dem Wasser ausgetrieben wird [Felber/Fischer 2010]. Für Phosphor gilt, dass Schlamm aus der weitergehenden Reinigung (Phosphatfällung) den höchsten Phosphatgehalt hat. Nicht entwässerte und stark entwässerte Klärschlämme haben in etwa den gleichen Phosphatgehalt [ATV 1996]. Die Verfügbarkeit des Phosphors aus Klärschlamm hängt von mehreren Faktoren ab. Neben der Art der Schlammbehandlung (Stabilisierung, Hygienisierung und Konditionierung) spielt die Art der in der Kläranlage betriebenen P-Elimination eine große Rolle. Wird Phosphor biologisch gefällt, so liegt dieser in pflanzenverfügbarer Form vor. Bei einer chemischen Fällung mit Aluminium- und / oder Eisensalzen ist der Phosphor in einer Art gebunden, die nicht vollständig oder nur langfristig zur Ernährung der Pflanzen zur Verfügung steht. Die P-Konzentration im Klärschlamm und in der Bodenlösung kann sogar ungünstig beeinflusst werden [DWA 2004]. Aufgrund der guten Wasserlöslichkeit von Kalium, wird es mit dem gereinigten Abwasser ausgetragen, weshalb der Gehalt an Kalium im Klärschlamm im Vergleich zu Stickstoff und Phosphor niedriger ist [ATV 1996]. Klärschlämme haben hohe Kalziumgehalte durch die Zugabe von Kalk, einer Mischung verschiedener Verbindungen des Kalziums. Mit Kalk wird eine bessere Entwässerbarkeit des Klärschlammes erreicht [ATV 1996]. Der Gehalt an Magnesium ist abhängig von der eingesetzten Kalkform [DWA 2004]. Bor und die Schwermetalle Kupfer, Zink und Eisen sind Spurennährstoffe für Pflanzen und im Klärschlamm in geringen Mengen enthalten [ATV 1996]. Tabelle 3 zeigt die durchschnittlichen Gehalte von Pflanzennährstoffen und Schwermetallen in österreichischen Klärschlämmen, wie er im Report von Oliva et al. [2009] für 85 Betreiber von Kläranlagen veröffentlicht wurde.

17 2 Charakterisierung von Klärschlamm 17 Tabelle 3: Zusammensetzung von kommunalem Klärschlamm in Österreich [nach Oliva et al. 2009] Parameter Median Anzahl untersuchte Schlämme in g/kg TM Stickstoff (N) 025,2 72 Kalzium (Ca) 071,0 70 Kalium (K) 002,6 73 Magnesium (Mg) 009,2 67 Phosphor (P) 031,0 73 in mg/kg TM Arsen (As) 006,1 16 Blei (Pb) 053,8 84 Cadmium (Cd) 001,2 83 Chrom (Cr) 043,4 84 Kobalt (Co) 006,5 41 Kupfer (Cu) 197,0 84 Mangan (Mn) 221,0 42 Molybdän (Mo) 003,9 26 Nickel (Ni) 027,7 84 Quecksilber (Hg) 001,0 83 Zink (Zn) 810, Schwermetalle Eine Haupteintragsquelle für Schwermetalle sind die künstlichen Oberflächen in Städten. Pb, Cd, Cu und Zn werden über Gebäudeoberflächen, Rohre und Stromleitungen der Eisenbahn sowie Bremsbeläge ins Abwasser eingetragen [Oliva et al. 2009]. In Deutschland regelt die Klärschlammverordnung den Gehalt der 7 Schwermetalle Pb, Cd, Cr, Cu, Ni, Hg und Zn. Eine Übersicht über die Entwicklung ihrer Gehalte in landwirtschaftlich verwendeten Klärschlämmen zeigt Abbildung 1 [BMU 2010a]. Daraus wird ersichtlich, dass die Gehalte an Pb, Cd, Cr, Hg und Zn seit 1977 kontinuierlich abnehmen. Die Belastung mit Kupfer stagniert seit etwa 20 Jahren nach zunächst leichter Abnahme. Der Gehalt an Nickel stagniert seit 1998 nach anfänglich starker Abnahme in den 70er Jahren.

18 2 Charakterisierung von Klärschlamm 18 Abbildung 1: Entwicklung der Gehalte an Pb, Cr, Cu und Zn (oben) sowie Cd, Ni und Zn (unten) in landwirtschaftlich verwerteten Klärschlämmen in Deutschland [BMU 2010a] Pathogene Organismen Klärschlamm enthält eine Fülle von Krankheitserregern und Schadorganismen, beispielsweise Viren, Bakterien, Pilze, Parasiten und Wurmeier. Sie gelangen über die Darmpassage und über die Abwasserinhaltsstoffe, z. B. durch die indirekt einleitende Lebensmittelindustrie, mit dem häuslichen Abwasser in kommunale Kläranlagen und in den Klärschlamm [Klages et al. 2009]. Wird Klärschlamm landwirtschaftlich verwertet, besteht die Gefahr, dass Krankheitserreger die Lebewesen gefährden. 1 Aus den Ausführungen des BMU geht nicht hervor, ob sich die Daten von vor 1990 auf Untersuchungen von Klärschlämmen in der alten Bundesrepublik oder auch auf Untersuchungen in der DDR stützen. Die Entwicklung der Gehalte wird in dieser Arbeit dargestellt, um das Rückgewinnungspotenzial für Metalle abzuleiten (Abschnitt 5). Die genaue Kenntnis über das erfasste Gebiet ist zu diesem Zweck nicht erforderlich und wurde deshalb nicht nachrecherchiert.

19 3 Beschreibung einer umfassenden Schlammbehandlung 19 3 Beschreibung einer umfassenden Schlammbehandlung Dieser Abschnitt beschreibt die umfassende Schlammbehandlung, da eine gesicherte umweltfreundliche Verwertung und Entsorgung von Klärschlamm nur erreicht werden kann, wenn bereits bei der Schlammbehandlung Beschaffenheit und Eigenschaften der Rohschlämme entsprechend verändert werden. Mit den Verfahren der Schlammbehandlung werden Eigenschaften des Klärschlammes wie Geruch, Volumen und Hygiene verändert. Eine Reduktion des Schadstoffgehaltes in den Schlämmen sehen die Verfahren nicht vor. Dies erfordert Maßnahmen beim Abwasserproduzenten, so dass bedenkliche Stoffe, wie Schwermetalle, gar nicht erst in die Abwasseraufbereitung gelangen [Gujer 2007]. Die Art der Verwertung und Entsorgung bestimmt die Anforderungen an das Produkt aus der Klärschlammbehandlung und damit den Verfahrensablauf. Einen Überblick über die Verfahrensstufen einer umfassenden Schlammbehandlung zeigt Abbildung 2. Allerdings gibt es kaum eine Abwasserreinigungsanlage, die alle Stufen aufweist [Gujer 2007]. Abwasserreinigung Nutzung der Energie Rückbelastung Schlammanfall: primär, sekundär, tertiär Eindickung Hygienisierung Stabilisierung Energie Biogas Eindickung, Stapelung Entwässerung Trocknung Verbrennung Landwirtschaft z. B. Deponie Atmosphäre Systemgrenze Abbildung 2: Überblick über die Verfahrensstufen einer umfassenden Schlammbehandlung, wobei die Kreise den Ein- und Austrag von Stoffen aus dem System zeigen [nach Gujer 2007]

20 3 Beschreibung einer umfassenden Schlammbehandlung 20 Die Abbildung 2 zeigt, dass der in der Abwasserreinigung anfallende Rohschlamm in der umfassenden Schlammbehandlung über die Stufen Eindickung, Hygienisierung, Stabilisierung, Stapelung, Entwässerung und Trocknung behandelt wird. Die einzelnen Stufen werden in den Abschnitten 3.1 bis 3.6 beschrieben. Bei der Verbrennung von Klärschlamm werden die organischen Stoffe weitgehend zu Kohlendioxid und Wasser umgesetzt und gelangen in die Atmosphäre, so dass mineralische Asche übrig bleibt, welche z. B. deponiert werden kann [Gujer 2007]. In vielen Verbrennungsanlagen wird Wärme und Strom produziert. Die Wärme kann als Fernwärme, als Dampf für Industriebetriebe, für eigene Einrichtungen im Betrieb oder zur Trocknung von Klärschlamm verwendet werden. Die Verbrennung, welche in der Abbildung 2 als letzter Schritt zur Behandlung von Klärschlamm dargestellt wird, ist auch eine Möglichkeit der Klärschlammentsorgung und wird in Abschnitt 4.2 beschrieben. In den Stufen der Schlammbehandlung in denen der Wassergehalt reduziert wird entsteht Schlammwasser, z. B. die Filtrate aus der maschinellen Entwässerung oder die Brüden aus der Trocknung [Gujer 2007]. Dieses muss in die Abwasserreinigung zurück geführt werden. Da es meist viel Ammonium enthält, wird damit eine zusätzliche Belastung der Kläranlage bewirkt, die beim Betrieb berücksichtigt werden muss [Felber/Fischer 2010]. 3.1 Eindickung Das Volumen des in der Abwasserreinigung anfallenden Schlammes wird zunächst im Eindicker verringert. Dies sind meist trichterförmige Absetzbecken, aus denen der durch Schwerkraft zum Boden sinkende und eingedickte Schlamm abgezogen wird. Bei größeren Anlagen wird ein langsam rotierendes Krälwerk eingebaut, um die Flockung zu unterstützen und das Schlammwasser nach oben abzuleiten und schließlich unterhalb der Oberfläche abzuziehen [Gujer 2010]. Überschussschlamm muss mit Flockungsmitteln konditioniert werden, um eine höhere Dichte zu erreichen und damit das Absetzen zu ermöglichen [Felber/Fischer 2010]. 3.2 Hygienisierung Die Hygienisierung ist erforderlich, um pathogene Organismen durch Abtötung zu reduzieren. Damit soll bei einer landwirtschaftlichen Ausbringung von Klärschlamm die Gesundheit von Menschen und Tieren nicht gefährdet sowie Schäden an Pflanzen und Böden vermieden werden. Für eine Hygienisierung stehen verschiedene Verfahren zur Verfügung. Im Anhang zum Entwurf der Klärschlammverordnung (AbfKlärV) von 2010 werden Verfahren benannt und beschrieben, die zu einer ausreichende Reduzierung von Schadorganismen im Klärschlamm führen sollen [BMU 2010b]. In Abbildung 3 sind einige ausgewählte Verfahren dargestellt.

21 3 Beschreibung einer umfassenden Schlammbehandlung 21 Oft wird der Klärschlamm erhitzt wobei teilweise gleichzeitig der ph-wert in den alkalischen Bereich angehoben wird. In jedem Fall ist die Einhaltung einer bestimmten Einwirkdauer maßgeblich für den Erfolgsgrad der Hygienisierung [ATV 1996]. Die Hygienisierung kann vor der Stabilisierung für flüssige (d. h. nur eingedickte) Klärschlämme erfolgen. Auch die Stabilisierung selbst hat eine Reduzierung der pathogenen Organismen zur Folge. Sie kann aber auch nach der Faulung und maschinellen Entwässerung sowie durch Trocknung erfolgen. Verfahren zur Hygienisierung können auch anderen Zielen der Schlammbehandlung dienen, z. B. einer Stabilisierung, Entwässerung oder Nachkonditionierung. Das heißt verschiedene Klärschlammbehandlungsverfahren haben gleichzeitig eine hygienisierende Wirkung [Klages et al. 2009]. Abbildung 3: Ausgewählte Klärschlammhygienisierungsverfahren (Klages et al. 2009) Die in Abbildung 3 dargestellten Klärschlammhygienisierungsverfahren, werden in der Studie von Klages et al. vorgestellt und hier zusammengefasst [Klages et al. 2009]. Eine Zugabe von Kalkhydrat in den Flüssigschlamm führt zu einem Anstieg des ph-wertes auf etwa 12,5. Der Schlamm wird danach etwa drei Monate gelagert. Bei kleineren Anlagen werden häufig Flüssigschlämme in Schlammteichen oder entwässerte Schlämme in Schlammlagern (zwischen-)gelagert. Die Dauer dieser Langzeitlagerung reicht von wenigen Monaten bis zu über einem Jahr. Bei der Vererdung von Klärschlamm wird ein mit Schilf und Binsen bewachsenes Beet beschickt, wobei gut vererdetes Material nach einem Jahr beschickungsfreier Zeit verwendet werden kann. Vor einer landwirtschaftlichen Verwertung wird es dann sechs Monate, z. B. in Mieten, gelagert werden.

22 3 Beschreibung einer umfassenden Schlammbehandlung 22 Bei der Pasteurisierung wird der Flüssigschlamm auf eine Temperatur zwischen 65 und < 100 C bei einer Einwirkzeit zwischen 10 und 30 Minuten erhitzt. Dies erfolgt vor der Schlammstabilisierung, um während der Faulung nicht die Vermehrung der unerwünschten pathogenen Keime zu begünstigen. Das Wachstum der für die Faulung unter mesophilen Bedingungen (etwa 37 C) benötigten Mikroorganismen wird somit gefördert. Schlämme können zur Verfestigung und Hygienisierung mit Branntkalk nachbehandelt werden, wobei sich das Gemisch auf Temperaturen zwischen 55 und 70 C erwärmt. Als seuchenhygienisch unbedenklich gilt der Schlamm, wenn ein ph-wert von etwa 12,5 bei einer Temperatur von 55 C für etwa zwei Stunden eingehalten wird und sich eine Nachlagerung von drei Monaten anschließt. Eine Kompostierung von Klärschlamm nach Faulung und Entwässerung kann bei kleineren und mittleren Anlagen in Mieten und bei größeren Kläranlagen in Reaktoren erfolgt. In Mieten wird Strukturmaterial wie Stroh zugegeben, um durch mikrobiologische aerobe Abbauprozesse Wärme zur Entseuchung des Mischgutes zu erzeugen. Eine gleichmäßige Temperatur von mindestens 55 C muss über drei Wochen eingehalten werden. In Reaktoren dagegen garantiert eine zehntägige Verweilzeit bei über 55 C und eine zweiwöchige Nachrotte seuchenhygienische Unbedenklichkeit. Bei der Trocknung werden die pathogenen Keime durch Temperatureinwirkung abgetötet. Bei einer Volltrocknung (90 95 % Trockenmasseanteil) wird bei dem verbleibenden geringen Wassergehalt eine erneute Verkeimung ausgeschlossen. Nach Klages et al. [2009] wird ein hohes Hygieneniveau nur durch Kompostierung und durch thermische Verfahren wie die Pasteurisierung und die thermische Klärschlammtrocknung erreicht. Diese Verfahren eignen sich aus verfahrenstechnischen Gründen und Kostenerwägungen nur für große Kläranlagen. In kleinen Kläranlagen muss der abgepresste Klärschlamm gemeinsam mit dem Klärschlamm anderer Kläranlagen kompostiert werden. 3.3 Biologische Schlammstabilisierung Die Schlammstabilisierung spielt bei der Schlammbehandlung eine zentrale Rolle. Ihr Ziel ist es, die organischen Substanzen durch Mineralisierung zu reduzieren, um somit die biologische Aktivität und damit die Gasbildung und Geruchsentwicklung zu reduzieren [Hermann/Goldau 2004]. Zudem wird die Entwässerbarkeit verbessert, und es werden Krankheitserreger reduziert [Bischofsberger 2005]. Im Hinblick auf eine anschließende Entsorgung durch Verbrennung ist von Vorteil, dass der Heizwert des Schlammes durch die Entwässerung gesteigert wird. Dieser wird allerdings durch den Abbau organischer Substanz reduziert [Hermann/Goldau 2004]. Praktisch werden bei der Schlammstabilisierung meist biologische Verfahren in anaerober (Faulung) oder aerober Arbeitsweise angewendet.

23 3 Beschreibung einer umfassenden Schlammbehandlung 23 Beim anaeroben Abbau wird der eingedickte Klärschlamm in einem Wärmetauscher oder durch Hygienisierung auf die Temperatur des Faulreaktors von 33 bis 37 C vorerwärmt [Gujer 2007]. Die Faulung erfolgt unter leicht alkalischen Bedingungen in vier Stufen, in denen das organische Substrat zu Biogas (Methan und Kohlendioxid) umgesetzt wird. Das Biogas kann in größeren Anlagen zur Produktion elektrischer Energie genutzt werden, wobei die Abwärme der Gasmotoren zur Vorerwärmung des Klärschlammes genutzt werden kann. Während der Faulung wird Kalkmilch eingespritzt, um eine Versauerung zu vermeiden [Felber/Fischer 2010]. Das sich bildende überstehende Faulwasser wird in die Kläranlage zurück geleitet. Schlamm kann aerob abgebaut werden, indem durch Belüften seine Fähigkeit zur Faulung vermindert wird. Dieses Verfahren kommt in kleineren Anlagen zur Anwendung, bei denen ein Belebtschlammverfahren ohne Vorklärung mit Langzeitbelüftung betrieben wird. Reinigungsvorgang und Schlammstabilisierung finden gleichzeitig im Belebungsverfahren statt [Felber/Fischer 2010]. Die Abwärme der biologischen Prozesse kann nicht zur Erwärmung des Schlammes genutzt werden, da die eingetragene Luft an die Atmosphäre verloren geht [Gujer 2007]. In Deutschland wird der anfallende Klärschlamm in den meisten Kläranlagen biologisch stabilisiert, wobei in größeren Anlagen i. d. R. die Faulung angewandt wird [Hermann/Goldau 2004]. 3.4 Stapelung Zur weiteren Volumenreduktion wird der Schlamm wiederum eingedickt und in Schlammräumen gestapelt. Die Stapelung erlaubt zudem die Lagerung bis zur weiteren Nutzung oder Verarbeitung. Bei landwirtschaftlicher Nutzung ist eine Lagerung über die Wintermonate erforderlich. In Deutschland besteht ein Ausbringungsverbot von drei Monaten (1. November bis 31. Januar). 3.5 Entwässerung Bei der Entwässerung wird der Wassergehalt des Schlammes mit Maschinen oder in kleineren Anlagen in Schlammtrockenbeeten reduziert. Dies ist vor allem dann notwendig, wenn der Schlamm zur weiteren Behandlung oder Entsorgung transportiert werden soll. Durch die Entwässerung wird wiederum im Hinblick auf eine spätere Verbrennung der Heizwert erhöht [Hermann/Goldau 2004]. Übliche Apparate für die Entwässerung sind Filterpressen und Zentrifugen. Mit ihnen wird i. d. R. ein Trockenmasseanteil zwischen 25 und 30 % erreicht [Lehrmann 2010]. In der vorgeschalteten Schlammkonditionierung wird die Entwässerbarkeit des Schlammes verbessert. Hier erfolgt eine Zugabe anorganischer Flockungsmittel (z. B. Eisen- und Aluminiumsalze, Kalk) oder organischer Flockungshilfsmittel (organische Polymere). Eisen- und Aluminiumsalze, welche häufig schon in der weitergehenden Abwasserreinigungsstufe zur Phosphatfällung eingesetzt werden, erhöhen den

24 3 Beschreibung einer umfassenden Schlammbehandlung 24 unverbrennbaren Anteil (Ascheanteil) im entwässerten Schlamm erheblich (s. Abschnitt 4.2.1). Ist der Schlamm für eine Verbrennung vorgesehen, werden daher oft auch organische Konditionierungsmittel eingesetzt [Hermann/Goldau 2004]. Für eine Entsorgung durch Verbrennung reicht der erzielte Trockenmasseanteil durch die Entwässerung allerdings nicht aus und eine weitere Trocknung ist aus technischen Gründen nötig [Hermann/Goldau 2004]. 3.6 Trocknung In der Trocknung wird der Wassergehalt des entwässerten Schlammes durch Verdampfen noch weiter reduziert. Dies ist ein sehr energieaufwändiger Verfahrensschritt, da das im Klärschlamm verbliebene Wasser durch thermische Energie verdampft werden muss [Hermann/Goldau 2004]. Dennoch ist eine Trocknung aus verschiedenen Gründen sinnvoll. So ermöglicht die Trocknung im Hinblick auf Lager- und Transportkosten eine weitgehende Gewichts- und Volumenreduktion. Auch der Heizwert des Schlammes wird durch die Trocknung deutlich erhöht, was sich günstig auf die Verbrennung auswirkt [Hermann/Goldau 2004]. Abbildung 4 zeigt den Zusammenhang zwischen Wassergehalt und unterem Heizwert (H u ) des Klärschlammes. Durch Entwässerung und Trocknung kann der Heizwert auf kj/kg erhöht werden und Klärschlamm ist damit ein interessanter Ersatzbrennstoff (EBS) [Lehrmann 2010]. Eine selbstgängige Verbrennung ist ab einem Heizwert von etwa kj/kg möglich. In einigen Verbrennungsanlagen findet eine Vorerwärmung der Verbrennungsluft statt, für welche heiße Abluft aus dem Kessel genutzt wird. Dies ermöglicht eine selbstgängige Verbrennung bereits ab kj/kg. Abbildung 4: Heizwerterhöhung durch Entwässerung und Trocknung [Lehrmann 2010]

25 3 Beschreibung einer umfassenden Schlammbehandlung 25 Soll der Klärschlamm landwirtschaftlich verwertet werden, kann durch die Trocknung ein Schlamm mit für die Ausbringung günstigen Eigenschaften hergestellt werden. Die Schlämme sind durch die Trocknung homogen, mikrobiologisch stabil und hygienisch unbedenklich. In granulierter Form können sie sehr günstig ausgebracht werden [Klages et al. 2009]. Die Trocknung erfolgt grundsätzlich entweder direkt in Konvektionstrocknern oder indirekt in Kontakttrocknern. Darüber hinaus hat sich in den letzten Jahren die Trocknung von Klärschlamm in Solartrocknungsverfahren bewährt. Bei Konvektionstrocknern kommt der Klärschlamm mit dem Wärmeträger (Luft oder Rauchgase) in Berührung [Hermann/Goldau 2004]. Bei der Trocknung entstehen mit Wasserdampf beladene Gase, sogenannte Brüden. Die Brüden sind stark verunreinigt und können zu Geruchsbelästigungen führen, weshalb sie vor ihrer Abgabe an die Atmosphäre entstaubt und über Biofilter geleitet werden müssen [Felber/Fischer 2010]. Wie alle Schlammwässer enthalten auch die Kondensate der Brüden viel Ammonium und werden in die Kläranlage zur Reinigung zurück geführt. Beispiele für Konvektionstrockner sind Trommel-, Band- und Wirbelschichttrockner [Hermann/Goldau 2004]. Bei der Kontakttrocknung wird der Klärschlamm im Trockner über heiße Oberflächen geleitet, die mit Hilfe von Dampf oder Öl erhitzt wurden. Das Medium des Wärmeüberträgers und der Klärschlamm sind hier getrennt. Da demnach auch Wärmeüberträgermedium und Brüden nicht miteinander vermischt werden, können diese Stoffströme später leichter gereinigt werden. Der Wasserdampf kann fast vollständig aus den Brüden kondensiert werden und die verbleibenden Gase können in der Kesselfeuerung desodoriert werden. Mit der Kontakttrocknung kann eine Volltrocknung nicht erreicht werden, sondern i.d.r. ein Trockenmasseanteil von 65 bis 80 %. Beispiele für Kontakttrockner sind Schnecken-, Scheiben- und Dünnschichttrockner [Hermann/Goldau 2004]. Die Wärmeträgermedien in Konvektions- und Kontakttrocknern werden durch Erdgas, Faulgas, Heizöl oder durch die Nutzung von Abwärme aus dem Verbrennungsprozess erhitzt [Lehrmann 2010]. Die Solartrockenverfahren nutzen die Sonnenenergie für die Trocknung der Klärschlämme. Der Schlamm wird in einem verglasten Gebäude, ähnlich einem Gewächshaus, von der Sonne erwärmt und getrocknet, wobei Verdunstung und Trocknung durch eine gute Lüftung und ständiges Wenden gefördert werden [Felber/Fischer 2010]. Die Solartrocknung wird in unseren Breitengraden meist durch Abwärmenutzung unterstützt, wobei Fußbodenheizungen oder Radiatoren in die Trocknungshallen eingebaut werden [Lehrmann 2010]. Reine Solartrocknungsanlagen ohne Abwärmenutzung haben einen Durchsatz von etwa 100 t Trockenmasse pro Jahr und sind damit wesentlich kleiner als thermische Anlagen. In Deutschland sind die größten Trocknungsanlagen Scheibentrockner zur Teiltrocknung vor Monoverbrennungsanlagen, deren Durchsatz etwa t Trockenmasse pro Jahr beträgt [Lehrmann 2010].

26 4 Möglichkeiten der Entsorgung von Klärschlamm 26 4 Möglichkeiten der Entsorgung von Klärschlamm Nach dem Kreislaufwirtschafts- und Abfallgesetz (KrW-/AbfG) umfasst die Entsorgung von Abfällen deren Verwertung und Beseitigung. In den Mitgliedstaaten der EU erfolgt die Klärschlammentsorgung durch: - stoffliche Verwertung in der Landwirtschaft und im Landschaftsbau, - thermische Entsorgung v. a. in Mono- oder Mitverbrennungsanlagen, - Beseitigung auf Deponien. Die Verbrennung von Klärschlamm ist dann eine Verwertung, wenn der Heizwert des Schlammes zur Erzeugung von Energie, z. B. in Kraft-Wärme-Kopplung, genutzt wird. Die energetische Verwertung bei der Verbrennung von Abfällen ist in Deutschland und in der EU rechtlich vorgeschrieben (s. Abschnitte und 6.3.2). Das statistische Bundesamt verwendet im Zusammenhang mit der Entsorgung von Klärschlamm in der Landwirtschaft oder im Landschaftsbau den Begriff stoffliche Verwertung und im Zusammenhang mit der Verbrennung den Begriff thermische Entsorgung. Die Begriffe werden in dieser Arbeit aufgegriffen und verwendet. 4.1 Stoffliche Verwertung in Landwirtschaft und Landschaftsbau Bei der landwirtschaftlichen Verwertung wird der Klärschlamm als Düngemittel auf Ackerflächen ausgebracht. Er kann direkt oder nach vorheriger Behandlung, z. B. Kompostierung, aufgebracht werden. Die landschaftsbauliche Verwertung von Klärschlamm hat das Ziel, eine durchwurzelbare humusreiche Bodenschicht herzustellen. Nach Destatis [2010] z. B. zur Rekultivierung von Bergbauhalden und industriellen Altstandorten. Der Klärschlamm muss zuvor aufgearbeitet werden, z. B. durch Kompostierung oder Vererdung. Klärschlamm wird im Landschaftsbau u. a. zur Rekultivierung von Bergbauhalden und industriellen Altstandorten verwendet. Die direkte landwirtschaftliche Nutzung wird in Abschnitt beschrieben. Die Behandlung von Klärschlamm durch Kompostierung für die landwirtschaftliche oder landschaftsbauliche Verwertung sowie durch Vererdung für die landschaftsbauliche Verwertung werden in den Abschnitten und vorgestellt. Die Fortführung der stofflichen Verwertung wird in der Fachwelt schon seit etwa zehn Jahren kontrovers diskutiert. Das Hauptargument der Gegner dieser Verwertungsart ist, dass bei der Aufbringung des Klärschlamms neben den gewünschten Nährstoffen und der organischen Substanz auch die Schadstoffe auf die Böden aufgebracht werden. Hierbei rücken insbesondere die organischen Schadstoffe in den Vordergrund der

27 4 Möglichkeiten der Entsorgung von Klärschlamm 27 Diskussion, da deren Vorkommen unüberschaubar ist und eine Bewertung dadurch unmöglich wird. Die Befürworter hingegen sehen in der stofflichen Verwertung die einzige Möglichkeit wertvolle Stoffe aus dem Klärschlamm zurück zu gewinnen. In den Perspektiven einer zukunftsfähigen Klärschlammverwertung (Abschnitt 9.1) wird die Diskussion dargestellt und eine eigene Bewertung vorgenommen. Das Vorkommen von organischen Schadstoffen im Klärschlamm und deren Verhalten im Boden werden in Abschnitt betrachtet Direkte landwirtschaftliche Nutzung Der Einsatz des Klärschlamms in der Landwirtschaft erfolgt, um die Eigenschaften des Bodens zu verbessern und diesen zu düngen. Die im Schlamm enthaltenen Pflanzennährstoffe sind N, P, Ca, Mg und K, wobei insbesondere N und P das Pflanzenwachstum fördern. Wird Klärschlamm als Düngemitteil in der Landwirtschaft verwendet, so wird häufig der noch flüssige, hygienisierte und stabilisierte Schlamm aus dem Stapelbecken eingesetzt. Auch entwässerter und getrockneter Schlamm kann verwendet werden [Oliva et al. 2009]. Getrockneter Schlamm aus Zentrifugen und Filterpressen hat eine klebrige Konsistenz und ist schwer aufzubringen. Daher wird Kalk hinzugefügt, um eine krümelige Struktur zu erhalten [Felber/Fischer 2010]. Felber und Fischer [2010] empfehlen, bei der Verwendung von Nassschlamm auf eine Ausbringung in der näheren Umgebung der Kläranlage zu achten. Bei der Verwendung von entwässertem Schlamm kann das Einsatzgebiet wegen des geringeren Volumens und dem damit verbundenen kostengünstigerem Transport vergrößert werden Klärschlammkompostierung Bei der Kompostierung wird organische Substanz durch Mikroorganismen zu humusbildenden Substanzen aerob abgebaut. Dabei wird entwässerter Klärschlamm mit gehäckseltem Strauchschnitt, Mähgut und Zuschlagstoffen vermischt und der Kompostierung in Rottereaktoren oder Mieten zugeführt [Oliva et al. 2009]. Der in der Rotte entstandene Kompost kann im Landschaftsbau, Gartenbau sowie zur Begrünung von Straßenböschungen und Lärmschutzwällen verwendet werden. Auch eine Verwendung als Streudünger auf landwirtschaftlich oder gärtnerisch genutzten Flächen ist möglich [Felber/Fischer 2010; Oliva et al. 2009]. Das Verfahren der Kompostierung ist verhältnismäßig aufwendig und der Verkauf des Produktes nur während der Vegetationsperiode gesichert, weshalb in Deutschland nur wenige Kläranlagen in größeren Mengen Klärschlamm kompostieren [Felber/Fischer 2010].

28 4 Möglichkeiten der Entsorgung von Klärschlamm Klärschlammvererdung Bei der Herstellung von Erden aus Abfällen werden aus Klärschlamm im Gemisch mit anderen Stoffen bodenähnliche Substrate erzeugt. Die Erden sollen ähnliche Eigenschaften wie natürliche Böden haben und Bodenfunktionen wie Lebensraum-, Filterund Pufferfunktionen übernehmen. Neben Klärschlamm werden als Ausgangsmaterialien organische Abfälle wie Kompost sowie anorganische Abfälle wie Bodenmaterialien und Ziegelbruch verwendet. Die Ausgangsmaterialien werden gesiebt, nach einer bestimmten Rezeptur gemischt und einem biologischen Prozess in einer Miete oder in Freilandrotten zugeführt. Als Hilfsstoffe werden Strukturmaterialien, mineralische Stoffe und Zuschlagstoffe beigemengt. Das Rottegut durchläuft mehrere Phasen der Stabilisierung, Durchmischung und Lagerung. Die so hergestellten Erden werden als Boden oder Bodenersatz im Landschaftsbau, bei Rekultivierungen, im Schutzbau oder bei Untergrundverfüllungen verwendet. Sie enthalten mineralische Komponenten und dienen nur sehr untergeordnet als Nährstofflieferant, weshalb Klärschlamm prozentual nur zu sehr geringen Anteilen hinzugefügt wird [Oliva et al. 2009] Organische Schadstoffe in Klärschlämmen und deren Verhalten im Boden Die Belastung von Klärschlämmen mit organischen Schadstoffen und deren Verhalten im Boden wurde in einer Vielzahl von Untersuchungen erforscht und unterschiedlich bewertet. Im Folgenden werden drei Untersuchungen beispielhaft vorgestellt Untersuchungen von Klärschlämmen in der EU Auf der Grundlage einer Untersuchung von Fürhacker und Bursch [2007] an verschiedenen Klärschlämmen der EU hat Oliva et al. [2009] die Konzentrationsbereiche und mögliche Quellen einiger ausgewählter Schadstoffe zusammengefasst, die bisher nachgewiesen wurden (Tabelle 4). Nur wenige organische Schadstoffe können bisher quantitativ erfasst werden. Für viele Verbindungen bestehen keine gesicherten Risikoabschätzungen darüber, ab welchen Konzentrationen im Klärschlamm ein Risiko für Mensch und Umwelt bei landwirtschaftlicher Verwertung besteht. In jedem Fall sind sie kritisch zu sehen, da sie bereits in kleinsten Konzentrationen eine schädigende Wirkung hervor rufen können [Oliva et al. 2009]. Die organischen Schadstoffe entstammen zum großen Anteil diffusen Quellen der Haushalte. Es ist daher im Vergleich zu Schwermetallen, die meist aus bekannten Quellen stammen, besonders schwierig zu vermeiden, dass diese in den Klärschlamm gelangen [Oliva et al. 2009].

29 4 Möglichkeiten der Entsorgung von Klärschlamm 29 Tabelle 4: Organische Schadstoffe in Klärschlämmen der EU 2 : Konzentrationsbereiche, und mögliche Quellen [Oliva et al. 2009] Organischer Schadstoff Adsorbierbare organische Halogenverbindungen (AOX) Polychlorierte Biphenyle (PCB 6 ) Polychlorierte Dibenzodioxine/Fura ne (PCDD/PCDF) Lineare Alkylbenzo- Sulfonate (LAS) Konzentrationsbereich bezogen auf kg TM Beispiele möglicher Quellen mg Chlorhaltige Reinigungsmittel, chlorierte Lösungsmittel, Insektizide, natürliche Verbindungen 0,01-0,02 mg Kondensatoren, Weichmacher in Kunststoffen, Imprägnier- und Flammschutzmittel, Insektizide ng unvollständige Verbrennung von Kohlenstoffverbindungen und Chlor, Nebenprodukte bei der Synthese chlororganischer Verbindungen mg Tenside in Wasch- und Reinigungsmitteln Nonylphenol mg Phenolharze (z. B. in Klebstoffen und Lackzusätzen), Tenside, Emulgatoren, Dispergiermittel, Industriereiniger, Papierbeschichtungen, Teppichrücken, Bauchemie Polyzyklische Aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK) Di(2-Ethyl- Hexyl)Phthalat (DEHP) Bromierte Diphenylether (PBDE) 1-50 mg unvollständige Verbrennung (z. B. Hausbrand, Dieselmotoren) mg Weichmacher für PVC und Polystyrol, Bestandteil von Parfums und Deodorants µg Flammschutzmittel in Haushaltsgegenständen und Kunststoffen Untersuchung von Klärschlämmen in Nordrhein-Westfalen Nach Fragemann und Barkowski [2006] hat das Ministerium für Umwelt, Landwirtschaft und Verbraucherschutz Nordrhein-Westfalen die Belastung von Klärschlämmen mit organischen Schadstoffen in ihrem Bundesland untersuchen lassen. In einem umfangreichen Untersuchungsprogramm wurden 2001 und 2002 Klärschlämme aus 158 Kläranlagen auf 72 organische Schadstoffe und Summenparameter untersucht. Eine Vielzahl der analysierten Stoffe konnte in den Klärschlämmen nachgewiesen werden. Zur Ermittlung der besonders relevanten Klärschlamminhaltsstoffe wurden anschließend 36 Einzelstoffe und Stoffgruppen ausgewählt, die als persistent und / oder mobil einzustufen sind. Diese wurden bzgl. ihrer Relevanz für eine potenzielle 2 Der Bericht von Oliva et al. [2009] trifft keine Aussage darüber, wie viele Klärschlämme untersucht wurden und aus welchen Mitgliedstaaten sie stammten.

30 4 Möglichkeiten der Entsorgung von Klärschlamm 30 Gefährdung des Bodenlebens, der Nahrungs- und Futtermittel sowie des Grundwassers einer Risikobewertung unterzogen. Das der Untersuchung zugrunde gelegte Szenario, geht davon aus, dass die Schadstoffe über 10 Jahre hinweg mit dem Klärschlamm ausgebracht werden. Eine besonders hohe Persistenz im Boden wird für die Schadstoffe PAK, PCB, PCDD/F, Hexachlorbenzol, Moschus-Xylol, Triclosan und PBDE ermittelt. Bei längeren Aufbringungszeiträumen rechnen Fragemann und Barkowski [2006] mit einer Anreicherung dieser Schadstoffe im Boden. Die Untersuchung leitet mit Hilfe von Stoffbewertungen das Gefährdungspotenzial für Schutzgüter durch Klärschlammaufbringung ab. Folgende Schadstoffe haben für einzelne Schutzgüter eine besonders hohe Gefährdungsrelevanz: - Schutzgut Bodenlebewesen: Tributylzinn (TBT), PCDD/F, Chrysen, - Schutzgut Nahrungs-/Futtermittel (Getreide, Gras): PCDD/F, Monobutylzinn, Triclosan, - Schutzgut Nahrungsmittel (Feldgemüse, Fleisch, Milch): PCDD/F, Triclosan, Decabromdiphenylether, PCB 6, - Schutzgut Grundwasser: Dibutylzinn, Tributylzinn, LAS. Im Ergebnis bestehen wegen weit reichender Daten- und Kenntnislücken Unsicherheiten bei der Bewertung. Fragemann und Barkowski [2006] kommen zu dem Schluss, dass die landwirtschaftliche Klärschlammverwertung zu Anreicherungen organischer Schadstoffe in Böden und zu Beeinträchtigungen des Grundwassers führen kann Auswertung von verschiedenen Untersuchungen in einer Literaturarbeit Skark [2006] wertete verschiedene Untersuchungen über das Vorkommen organischer Schadstoffe in Klärschlämmen für die landwirtschaftliche Verwendung und anderen Sekundärrohstoffdüngern aus. Er vergleicht die Schadstoffgehalte in Klärschlämmen, Komposten, Gärrückständen und Gülle und stellt fest, dass diese bei der Düngung mengenmäßig zu ähnlichen Einträgen von Schadstoffen in den Boden führen. In Untersuchungen klärschlammgedüngter Böden werden organische Schadstoffe gefunden, die auch im Klärschlamm enthalten sind. Jedoch kann ihr Vorkommen nur in wenigen Fällen auf die Klärschlammdüngung zurückgeführt werden. Die Einträge z. B. durch andere Sekundärrohstoff- und Wirtschaftsdünger sowie aus der Atmosphäre müssen bei der Bewertung der Schadstoffgehalt im Boden berücksichtigt werden. Ein Verzicht auf die Anwendung von Klärschlamm, Sekundärrohstoff- und Wirtschaftsdüngern auf landwirtschaftlichen Flächen ist nach Ansicht von Skark [2006] nach derzeitigem Kenntnisstand nicht erforderlich. Eine Gefährdung der Schutzgüter Boden und Grundwasser sowie die Qualität der Lebensmittel ist durch die Anwendung derzeit nicht zu erwarten. Vorsorglich sollten die Stoffströme der organischen Spurenstoffe bei Düngemaßnahmen weiter erfasst und beobachtet werden.

31 4 Möglichkeiten der Entsorgung von Klärschlamm Thermische Entsorgung Es stehen verschiedene Verfahren für eine thermische Klärschlammentsorgung zur Verfügung. Nach Lehrmann [2010] werden die Verfahren wie folgt eingeteilt: - Monoverbrennung, - Mitverbrennung in Müllverbrennungsanlagen (MVA), Kohlekraftwerken und Zementwerken, - alternative Verfahren (Vergasung, Pyrolyse und Nassoxidation). Die alternativen Verfahren sind wenig verbreitet und werden daher in dieser Arbeit nicht weiter betrachtet. Ihre Entwicklung ist nach Hermann und Goldau [2004] nur dann zweckmäßig, wenn branchenspezifische Lösungen gefragt sind oder dezentrale Entsorgungswege beschritten werden sollen. Bei den nachfolgend beschriebenen thermischen Behandlungsverfahren in Mono- und Mitverbrennungsanlagen (Abschnitte bis 4.2.5) wird der Klärschlamm vollständig mineralisiert, wobei der Wasseranteil verdampft und der organische Anteil oxidiert wird. In Monoverbrennungsanlagen entsteht reine Klärschlammasche. Die Zusammensetzung dieser Asche wird in Abschnitt beschrieben. Die verschiedenen zur Verfügung stehenden Anlagentypen für die Verbrennung stellen unterschiedliche Mindestanforderungen an den Trockenmassegehalt des Klärschlamms, wobei alle Anlagen vollgetrockneten Klärschlamm verfeuern können Zusammensetzung von Klärschlammaschen Bei der Verbrennung von Klärschlämmen wird der organische Anteil zu Kohlendioxid, Wasser, Stickoxiden und Schwefeldioxid umgewandelt. Die Asche besteht vor allem aus Siliziumdioxid, Aluminiumoxid, Eisen(III)-oxid, Kalziumoxid und Phosphorpentoxid (P 2 O 5 ) [Lehrmann 2010]. Daneben enthält die Asche eine Reihe von Spurenelementen. In Tabelle 5 ist nach einer Studie von Adam [2010] die Zusammensetzung von Klärschlammaschen aus 11 großen Monoverbrennungsanlagen in Deutschland dargestellt. Die Tabelle enthält u. a. Angaben zum Verhältnis von Cadmium zu P 2 O 5, da dieser Wert die Belastung des Phosphors mit dem Schwermetall Cadmium widerspiegelt. In Deutschland dürfen gemäß Düngemittelverordnung [2008] nur Düngemittel in den Verkehr gebracht werden, deren Cadmiumgehalt nicht höher ist als 50 mg/kg P 2 O 5. Wird die Asche zu einem Düngemittel aufbereitet (s. Abschnitt 8.1), so muss dieser Grenzwert eingehalten werden. Der Gehalt an Silizium (Si) wurde in der Studie von Adam nicht ermittelt. Silizium macht in der Asche einen großen Anteil aus. In einer Veröffentlichung von Deike et al. wurde die Zusammensetzung von Asche aus fünf Monoverbrennungsanlagen untersucht. Für Silizium wurde ein Durchschnittswert von 15,8 % ermittelt, wobei die Einzelwerte zwischen 10 und 20 % lagen [Deike et al. 2001].

32 4 Möglichkeiten der Entsorgung von Klärschlamm 32 Insgesamt variiert die Aschezusammensetzung zwischen den in Tabelle 5 zusammengefassten Proben der unterschiedlichen Monoverbrennungsanlagen sehr stark. Die Unterschiede der Gehalte an Aluminium (Al), Kalzium (Ca) und Eisen (Fe) erklären sich aus den verschiedenen eingesetzten Konditionierungsmitteln zur Verbesserung der Entwässerbarkeit (s. Abschnitt 3.5). So haben beispielsweise die Aschen Nr. 2 bis 4, 6 und 11 hohe Eisengehalte, dafür aber niedrige Aluminiumgehalte, was darauf hinweisen könnte, dass Eisen für die Phosphatfällung und/oder zur Konditionierung eingesetzt wird. Beim Einsatz organischer Polymere wird der unverbrennbare Anteil gering gehalten (s. Abschnitt 3.5). Ihr Einsatz könnte bei den Aschen Nr. 1, 5 und 9 erfolgt sein. Bei der Summierung der Prozente der einzelnen Bestandteile (Tabelle 5), ergeben sich hier die niedrigsten Gehalte. Zudem haben sie durchschnittliche und gleichzeitig niedrige Gehalte an Eisen, Aluminium und Kalk. Die Betrachtung der Schwermetalle zeigt, dass Zink, Mangan und Kupfer in den höchsten Konzentrationen und Thallium (Tl), Quecksilber und Cadmium in den niedrigsten Konzentrationen in der Asche enthalten sind.

33 4 Möglichkeiten der Entsorgung von Klärschlamm 33 Tabelle 5: Zusammensetzung von Klärschlammaschen aus 11 großen deutschen Monoverbrennungsanlagen [Adam 2010; geändert: Zeile Summe hinzugefügt] in % Al 05,71 04,52 04,05 02,55 05,93 05,65 10,53 07,66 06,36 04,48 04,58 Ca 07,51 09,26 09,73 24,19 05,34 05,60 08,60 12,94 07,90 06,80 06,54 Fe 06,24 18,18 17,17 11,22 08,29 11,70 02,59 05,24 06,45 06,36 17,81 K 00,98 01,06 00,93 00,62 01,20 00,54 00,66 00,41 00,93 00,94 00,52 Mg 01,70 01,06 01,50 01,83 01,25 00,82 01,02 02,39 01,66 01,66 01,22 Na 00,22 00,17 00,19 00,35 00,17 00,13 00,17 00,12 00,15 00,14 00,12 P 06,32 07,40 10,09 03,69 03,75 08,09 07,84 09,75 07,51 05,46 09,61 S 00,58 00,78 00,46 02,20 00,38 00,21 00,21 00,72 00,77 00,73 00,47 Summe 29,26 42,43 44,12 46,65 26,31 32,74 31,62 39,23 31,73 26,57 40,87 in mg/kg As 12,30 12,40 9,99 09,00 24,10 13,50 15,30 14,30 14,50 18,50 03,12 Cd 00,88 01,93 1,52 00,72 04,67 02,80 02,47 02,23 01,66 01,84 01,51 Cd/P 2 O 5 06,07 11,38 6,57 08,51 54,38 15,11 13,74 09,99 09,64 14,70 06,86 Cr 83,30 95,10 96,00 96,30 173, ,10 88,80 108,0 112,0 108,0 Cu 636, ,00 436, ,00 740,00 645,00 491,00 413,00 Hg <0,07 <0,07 <0,07 <0,07 <0,07 <0,07 <0,07 <0,07 <0,07 <0,07 <0,07 Mn 749, ,0 340,0 599, ,0 Mo 13,70 81,40 14,80 21,40 17,30 25,60 12,80 14,80 16,80 14,50 06,12 Ni 64,80 41,50 47,40 51,70 132,0,0 134,00 57,50 49,10 67,80 51,00 48,10 Pb 79,80 156,0,0 142,0,0 42,50 236,0,0 237,00 130,00 103,00 90,50 116,00 143,00 Sn 55,90 61,00 52,10 44,90 36,70 75,9 55,80 68,30 51,80 54,20 55,10 Tl <0,60 <0,60 <0,60 <0,60 <0,60 0<0,60 <0,60 <0,60 <0,60 <0,60 <0,60 Zn 1497,0 1852,0 1458,0 811, ,0 2305,0 1763,0 2487,0 1847,0 1531,0 1472,0

34 4 Möglichkeiten der Entsorgung von Klärschlamm Monoverbrennung von Klärschlamm Technik Anlagen zur Monoverbrennung von Klärschlamm dienen ausschließlich der Entsorgung von Klärschlämmen. Sie befinden sich am gleichen Standort wie die Abwasserbehandlungsanlage [Hermann/Goldau 2004]. Für die Anlagen stehen hauptsächlich die vier verfahrenstechnisch unterschiedlichen Feuerungssysteme Wirbelschichtofen, Etagenofen, Etagenwirbler und Zykloidfeuerung zur Verfügung. In Deutschland hat sich in den letzten Jahren die stationäre Wirbelschichttechnik durchgesetzt [Hermann/Goldau 2004]. Diese Technik wird auch weltweit am häufigsten eingesetzt [Lehrmann 2010]. Der Klärschlamm wird in Trocknern vorgetrocknet. Wie Abbildung 4 (s. Abschnitt 3.6) zeigt, ist eine selbstgängige Verbrennung ohne Vorerwärmung der Verbrennungsluft ab kj/kg möglich, was einem Trockenmasseanteil von 40 bis 50 % entspricht. Nach Hermann und Goldau [2004] wird Klärschlamm in Monoverbrennungsanlagen bereits ab einem Trockenmasseanteil von 35 % verbrannt. Dabei muss die Verbrennungsluft nach Lehrmann [2010] mit Dampf oder heißem Rauchgas vorerwärmt oder eine Sauerstoffanreicherung vorgenommen werden. Die Abwärme der Verbrennung kann zur Trocknung der Wärmeträgermedien verwendet und der Dampf in einer Dampfturbine zur Stromerzeugung genutzt werden. Die Rauchgasreinigung besteht in modernen Anlagen aus bis zu fünf Stufen und umfasst Elektrofilter, Sprühadsorber, Gewebefilter und eine zweistufige Rauchgaswäsche. In Deutschland hat die stufenweise Verschärfung von Emissionsgrenzwerten dazu geführt, dass bestehende Anlagen Stufen der Rauchgasreinigung nachrüsten mussten. Maßgeblich für die Nachrüstung waren die Grenzwerte für Staub, Schwefel und Quecksilber [Lehrmann 2010]. Aufgrund jahrelanger Erfahrungen mit der Klärschlammverbrennung werden in Deutschland die Grenzwerte der 17. Bundes- Immissionsschutzverordnung (BImSchV; s. Abschnitt 5.3.3) sicher eingehalten. Nachteilig sind die hohen Investitionskosten für eine solche Anlage [Hermann/Goldau 2004] Verbleib der Klärschlammaschen Im Jahr 2006 fielen allein in Deutschland bei der Monoverbrennung etwa t Klärschlammaschen an [Destatis 2008a]. Adam [2010] hat auf der Grundlage einer telefonischen Umfrage bei 17 Anlagenbetreibern von Monoverbrennungsanlagen den Verbleib von etwa t erfasst (Abbildung 5). Der Großteil der Aschen wird auf Deponien abgelagert oder als Bergversatzmaterial unter Tage eingelagert. Etwa ein Drittel wird in Asphaltmischwerken für den Straßenbau oder nach Behandlung in der Kupferhütte als Schlackensteine für die Uferbefestigung verwandt. Die Aschen von Monoverbrennungsanlagen eignen sich für eine Rückgewinnung von Rohstoffen wie Phosphor (s. Abschnitt 8.1).

35 4 Möglichkeiten der Entsorgung von Klärschlamm 35 Abbildung 5: Entsorgung der in Deutschland anfallenden Klärschlammaschen im Jahr 2008 (Erfassung von 17 Monoverbrennungsanlagen mit einer Aschemenge von t pro Jahr) [nach Adam 2010] Mitverbrennung in Müllverbrennungsanlagen Entwässerter, teilgetrockneter oder vollgetrockneter Klärschlamm kann in Müllverbrennungsanlagen (MVA) mit dem Hausmüll verbrannt werden [Lehrmann 2010]. Bei der gemeinsamen Schlamm- und Abfallverbrennung in Hausmüllverbrennungsanlagen kommen drei unterschiedliche Verfahren zur Anwendung [Hermann/Goldau 2004]: - Getrockneter Klärschlamm wird als Staub in den Feuerungsraum geblasen. - Entwässerter Klärschlamm wird separat in den Brennraum geführt und auf den Rosten mit Hilfe von Aufstreumaschinen verteilt. Beim Umwälzen des Abfalls auf den Rosten wird der Schlamm in das Bettmaterial eingebunden. (Entwässerter Klärschlamm kann auch mit der Abwärme der Verbrennung getrocknet werden.) - Entwässerter oder getrockneter Klärschlamm wird vor der Verbrennung mit dem Abfall vermischt und gemeinsam der Verbrennung zugeführt. Der Anteil an Klärschlamm bei der Verbrennung darf 10 bis höchstens 20 % betragen, da dieser sonst beim Verbrennungsprozess wieder zusammenklumpt. Die Rauchgasreinigung muss für den erhöhten Staubanfall ausgelegt sein [Lehrmann 2010].

36 4 Möglichkeiten der Entsorgung von Klärschlamm Mitverbrennung in Kohlekraftwerken Klärschlamm kann neben anderen Abfällen auch in Braunkohle- und Steinkohlekraftwerken mitverbrannt werden. Der Schlamm kann in entwässerter, teil- oder vollgetrockneter Form verbrannt werden [Lehrmann 2010]. Im Allgemeinen wird gut ausgefaulter Schlamm verbrannt. Rohschlamm eignet sich weniger gut, denn er ist schwierig zu handhaben und zu lagern sowie schlechter zu entwässern, und es ist mit Gasbildung und Geruchsentwicklung zu rechnen [Hermann/Goldau 2004]. Nur durch die Klärschlammtrocknung in der Kohlemühle mit Abwärme aus dem Kraftwerk, die andernfalls über die Kühltürme abgegeben würde, kann eine energetische Verwertung realisiert werden und ein Teil des fossilen Energieträgers Kohle substituiert werden. Nach dieser Volltrocknung hat Klärschlamm einen Heizwert von 9 bis 12 MJ/kg und damit in etwa den gleichen Heizwert wie Braunkohle im Anlieferungszustand mit einem Wassergehalt von etwa 50 %. Steinkohle mit einem Wassergehalt von etwa 7 bis 11 % hat einen Heizwert von 27 bis 30 MJ/kg [Hermann/Goldau 2004]. Die Trockenkapazität der Kohlemühlen bildet insbesondere in Steinkohlekraftwerken den limitierenden Faktor für den Einsatz von entwässertem Klärschlamm und begrenzt den Klärschlammeinsatz auf wenige Prozent. Aufgrund des geringen Wassergehalts von Steinkohle, haben die Trockner eine niedrige Leistung [Hermann/Goldau 2004]. Der Klärschlammeinsatz in Kohlekraftwerken wird zudem durch den Schwermetallgehalt der Klärschlämme, insbesondere durch Quecksilber, begrenzt. Die Emissionen der Kraftwerke erhöhen sich durch den zusätzlichen Eintrag der Schwermetalle mit dem Klärschlamm, weshalb z. B. in Deutschland Anforderungen an die Schwermetallgehalte im Klärschlamm bestehen und eingehalten werden müssen. Sollen höhere Klärschlammmengen verbrannt werden, müssen Abgaseinrichtungen nachgerüstet werden. Zudem müssen die Betreiber darauf achten, dass die Flugasche, welche oft als Baustoff verwertet wird, die entsprechenden Baustoffnormen in Bezug auf den Gehalt an Schwermetallen einhält [Hermann/Goldau 2004]. Klärschlamm hat im Vergleich zu Kohle einen höheren Anteil an mineralischen Bestandteilen. Der Aschegehalt, der nach der Verbrennung entsorgt werden muss, ist damit höher [Hermann/Goldau 2004]. In den meisten Kraftwerken in denen Klärschlamm verbrannt wird, beträgt der Feststoffanteil des Klärschlammes bis zu 4 % bei Braunkohle und bis zu 1,5 % bei Steinkohle. Nach Lehrmann [2010] kann der Kraftwerksbetrieb nur mit diesem geringen Feststoffanteil problemlos bewältigt, die gesetzlich geforderten Rauchgaswerte eingehalten und die Kraftwerksrückstände (Schlacke, Asche, REA-Gips) verwertet werden. Die Verwendung von Klärschlamm als Ersatzbrennstoff und Biomasse trägt in den Kraftwerken zur Reduktion der Kohlendioxidemissionen bei, da fossile Brennstoffe substituiert werden. Damit wird nach Busch [2010] einerseits ein Beitrag zum Klimaschutz geleistet, und es werden Ressourcen durch die Einsparung des

37 4 Möglichkeiten der Entsorgung von Klärschlamm 37 Regelbrennstoffes geschont. Die Einsparung der Kohle stärkt zudem die Wettbewerbsfähigkeit des Kraftwerkes durch Verringerung der Brennstoffkosten, da die Kraftwerksbetreiber Erlöse aus der Entsorgung des Klärschlammes erzielen Mitverbrennung in Zementwerken Die Zementherstellung ist ein sehr energieintensiver Prozess, weshalb schon seit langem Ersatzbrennstoffe (EBS) aus Abfällen eingesetzt werden. Sie decken in deutschen Werken etwa 42 % des Brennstoffbedarfs ab [Fehrenbach et al. 2007]. Seit einigen Jahren wird auch Klärschlamm genutzt [Hermann/Goldau 2004]. Klärschlamm kann hier nur im vollgetrockneten Zustand energetisch verwertet werden, da Klärschlamm der bloß maschinell entwässert wurde den Brennprozess des Zementes beeinträchtigen kann. Zur Trocknung des Klärschlammes kann die Abwärme aus dem Produktionsprozess genutzt werden [Lehrmann 2010]. Verschiedene Quellen sind der Auffassung, dass die Mitverbrennung von Klärschlamm in der Zementindustrie durch verschiedene Faktoren limitiert ist. Nach Lehrmann [2010] beeinträchtigen zu hohe Phosphorgehalte die Qualität des Zementes, und zu hohe Hg- Gehalte sind problematisch, da die Rauchgasreinigung keine Abscheidetechnik für leichtflüchtige Schwermetalle enthält. Gujer [2010] weist darauf hin, dass der Chloridgehalt im Klärschlamm gering sein muss, da Chlorid im Zementklinker nicht erwünscht ist. Hinzu kommt, dass Klärschlamm nicht das ganze Jahr über angenommen werden kann, da Revisionen im Winter zu Stillstandzeiten von bis zu vier Monaten führen [Lehrmann 2010]. In einer Studie in einem deutschen Zementwerk im Jahr 2003, die bei Hermann und Goldau [2004] beschrieben wird, hat der Einsatz von Klärschlamm keine Auswirkungen auf den Prozess und die Qualität des Produktes. Dabei wurden pro Stunde bis zu 10 t Klärschlamm eingesetzt, was einer Feuerungswärmeleistung von 15 % entsprach. Einzig abgasseitig kam es zu einer Erhöhung der Hg-Emissionen im Bereich des Grenzwertes der 17. BImSchV. Aus dem Versuch wurde geschlossen, dass eine Mitverbrennung von Klärschlamm von bis zu 10 % Feuerungswärmeleistung möglich ist und Klärschlamm damit in Zementwerken stofflich und energetisch vollständig verwertet werden könnte. Klärschlamm kann in Zementwerken fossile Brennstoffe ersetzen. Zudem hat der Einsatz von Klärschlamm in Zementwerken den Vorteil, dass der mineralische Anteil im Klärschlamm mineralische Rohstoffe wie Sand oder Eisenerz ersetzen kann [Hermann/Goldau 2004]. Die Asche von Klärschlämmen besteht zu einem hohen Anteil aus den Klinkergrundstoffen Quarz, Kalk, Eisen- und Aluminiumoxiden [Fehrenbach et al. 2007]. Wie auch bei der Mitverbrennung von Klärschlamm in Kohlekraftwerken wird durch die Verbrennung von Klärschlamm ein Beitrag zum Klima- und Ressourcenschutz durch die Einsparung fossiler Brennstoffe geleistet [Busch 2010]. Dies wiederum reduziert die Betriebskosten für die Betreiber der Zementwerke [Wiechmann 2011].

38 4 Möglichkeiten der Entsorgung von Klärschlamm Deponierung Bei der Ablagerung von unbehandelten Klärschlämmen auf Deponien kommt es durch den biologischen Abbau der organischen Stoffe zur Mineralisierung und Gasbildung über Jahrzehnte hinweg. Dabei entstehen im Deponiekörper vermehrt Sickerwasserund Gasemissionen. Beim Durchlaufen saurer Phasen werden Schwermetalle vermehrt mobilisiert. Um Klärschlamm umweltfreundlich zu deponieren, muss dieser weitgehend frei von organischen Anteilen sein, weshalb möglichst nur die Asche von verbranntem Klärschlamm deponiert werden sollte [Gujer 2007]. In Deutschland ist eine Ablagerung von Abfällen auf Siedlungsabfalldeponien mit einem organischen Anteil von mehr als 5 % (bestimmt als Glühverlust) seit 2005 verboten (s. Abschnitt 5.3.4). 4.4 Zusammenfassende Betrachtung Die Entsorgung von Klärschlämmen erfolgt durch stoffliche Verwertung in der Landwirtschaft und im Landschaftsbau, thermische Entsorgung sowie Deponierung. Die Fortführung der stofflichen Verwertung in der Landwirtschaft als Düngemittel und im Landschaftsbau zum Aufbau einer humusreichen Schicht, wird in der Fachwelt kontrovers diskutiert. Vor allem deshalb, weil Klärschlamm eine unüberschaubare Anzahl an Schadstoffen enthält. Das Vorkommen der Schadstoffe im Klärschlamm und deren Verhalten im Boden wurden in zahlreichen Studien untersucht. Die Schadstoffe kommen in breiten Konzentrationsbereichen im Klärschlamm vor und stammen zu einem Großteil aus diffusen Quellen der Haushalte. Aufgrund von Datenlücken besteht eine große Unsicherheit über die Wirkungen der Schadstoffe auf die Schutzgüter Boden, Grundwasser und Nahrungsmittel. Einige Studien kommen zu dem Schluss, dass die stoffliche Verwertung zu Anreicherungen organischer Schadstoffe in Böden und zur Beeinträchtigung des Grundwassers kommen kann. Andere erwarten nach derzeitigem Kenntnisstand keine Gefährdung der Schutzgüter. Die thermische Entsorgung erfolgt im Wesentlichen in Mono- und Mitverbrennungsanlagen. Die bei der Monoverbrennung entstehenden Klärschlammaschen enthalten vor allem die Elemente Si, Al, Ca, Fe, K, Mg, Na, P und S sowie verschiedene Schwermetalle. Soll die Asche zu Düngemittel aufbereitet werden (s. Abschnitt 8.1), so dürfen die Gehalte der Schwermetalle nicht die Grenzwerte düngemittelrechtlicher Vorgaben überschreiten. Insgesamt variiert die Zusammensetzung der Asche sehr und hängt vor allem von den in der Schlammbehandlung eingesetzten Konditionierungsmitteln (Fe, Ca, Al oder organische Polymere) ab. Werden organische Polymere eingesetzt, so ist der unverbrennbare Anteil der Asche gering. Monoverbrennungsanlagen haben in den ersten Jahren hohe Emissionswerte für Staub, Schwefel und Quecksilber erzielt. In Deutschland enthalten moderne Anlagen mittlerweile eine umfangreiche Rauchgaswäsche, die dazu führte, dass die Grenzwerte der 17. BImSchV sicher eingehalten werden. Die im Verbrennungsprozess

39 4 Möglichkeiten der Entsorgung von Klärschlamm 39 entstehende Abwärme wird in Kraft-Wärme-Kopplung genutzt. Etwa zwei Drittel der in Deutschland entstehenden Aschen werden bisher unwiederbringlich abgelagert. Müllverbrennungsanlagen können einen Anteil von 10 bis 20 % entwässerten oder getrockneten Klärschlamm mitverbrennen. Die Rauchgasreinigung muss auf den erhöhten Staubanfall ausgelegt sein. Zur Verbrennung in Braun- und Steinkohlekraftwerken eignet sich am besten gut ausgefaulter Schlamm. Nach seiner Trocknung erreicht er in etwa den gleichen Heizwert wie Braunkohle und kann energetisch verwertet werden. Der Klärschlammeinsatz ist in Braunkohlekraftwerken auf 4 % und in Steinkohlekraftwerken auf 1,5 % begrenzt. Limitierende Faktoren für den Einsatz von Klärschlamm auf wenige Prozent sind in Steinkohlekraftwerken die Trockenkapazität der Kohlemühlen und in beiden Anlagentypen die Einhaltung gesetzlich geforderter Rauchgaswerte. Die hohen Schwermetallgehalte in Klärschlämmen erhöhen die rauchgasseitigen Emissionen, insbesondere für Quecksilber und erschweren die Verwertung der Kraftwerksrückstände wie Schlacke, Asche und REA-Gips. Der zu entsorgende Ascheanteil ist zudem höher, da die mineralischen Anteile im Klärschlamm größer sind als in der Kohle. In Zementwerken werden bereits seit langem EBS aus Abfällen eingesetzt und seit einigen Jahren auch vollgetrockneter Klärschlamm. Ob der Einsatz von Klärschlamm in den Anlagen Auswirkungen auf den Verbrennungsprozess hat und damit limitiert ist, ist umstritten. So sagen einige Quellen aus, dass zu hohe Phosphor- und Chloridgehalte die Qualität des Zementes und zu hohe Quecksilbergehalte die Effektivität der Rauchgasreinigung negativ beeinflussen könnten. Dahingegen konnte in einem großtechnischen Versuch gezeigt werden, dass die Mitverbrennung von bis zu 10 % Feuerungswärmeleistung ohne Auswirkungen auf den Prozess und die Qualität des Produktes möglich ist. Einzig die rauchgasseitigen Quecksilberemissionen erhöhten sich in den Bereich des Grenzwertes nach 17. BImSchV. In Kohlekraft- und Zementwerken werden durch den Einsatz von Klärschlamm als EBS fossile Brennstoffe ersetzt, wodurch Kohlendioxidemissionen reduziert werden. Dies ist ein Beitrag zum Klimaschutz, zur Ressourcenschonung und zur Reduktion der Betriebskosten für die Betreiber.

40 5 Klärschlammentsorgung in Deutschland 40 5 Klärschlammentsorgung in Deutschland Um die Perspektiven für eine umweltfreundliche Klärschlammentsorgung (Abschnitt 9) zu entwickeln, werden in diesem Abschnitt die Entwicklung der anfallenden Klärschlammmengen und Entsorgungswege in Deutschland dargestellt. Darüber hinaus werden die Rechtsbereiche vorgestellt, die Einfluss auf die Wahl des Entsorgungsweges und damit auch auf die Möglichkeiten eines Rohstoffrecyclings haben. 5.1 Mengenentwicklung und Entsorgungswege Das Statistische Bundesamt veröffentlicht regelmäßig die Daten über die Mengen und Entsorgungswege der in Deutschland anfallenden Klärschlämme. Abbildung 6 zeigt die gesamte entsorgte Klärschlammmenge aus der biologischen Abwasserreinigung der öffentlichen Abwasserentsorgung in den jeweiligen Erfassungsjahren. Bis 2004 erfolgte die Veröffentlichung der Mengen und des Verbleibes von Klärschlamm unregelmäßig. Seit 2006 erfolgt die Erfassung jährlich und es werden die Entsorgungswege für den gesamten in Deutschland produzierten Klärschlamm erfasst. Seither ist auch die Entsorgung zwischengelagerter Schlämme und solcher die an andere Abwasserbehandlungsanlagen abgegeben werden (z. B. in andere Bundesländer oder ins Ausland) bekannt. Abbildung 6: Klärschlammentsorgung in Deutschland aus der biologischen Abwasserbehandlung [nach Destatis 2003, 2006, 2007, 2008, 2009, 2010]

41 5 Klärschlammentsorgung in Deutschland 41 Die Menge an Klärschlammtrockenmasse ist seit 1991 von 3 Mio. auf etwas über 2 Mio. t im Jahr 2006 zurück gegangen. Der Rückgang könnte auf einen bewussteren Umgang der Verbraucher mit Wasser und eine Verbesserung der Schlammstabilisierung zurück zu führen sein. Seit 2006 ist die Menge an Klärschlammtrockenmasse in etwa konstant und im Jahr 2009 ist ein leichter Rückgang zu erkennen. In Deutschland wurden 1991 etwa 1,2 Mio. t Klärschlamm deponiert, was einem Anteil an der Gesamtmenge von über 40 % entsprach. Aufgrund des seit 1993 bestehenden Deponierungsverbotes für unbehandelte Siedlungsabfälle mit Übergangsfristen bis 2005 (s. Abschnitt 5.3.4), ging dieser Entsorgungsweg bis 2004 stark zurück. Seit 2006 spielt die Deponierung in Deutschland keine Rolle mehr. Die stoffliche Verwertung hat sich seit dem Erhebungsjahr 1991 bis 1998 von etwa auf 1,5 Mio. t stark erhöht. Danach ging sie jährlich zu Gunsten der thermischen Entsorgung zurück. Im Jahr 2008 und 2009 wurden erstmals mehr als die Hälfte des in kommunalen Abwasseranlagen anfallenden Klärschlammes thermisch entsorgt. Der Trend geht damit deutlich in Richtung Verbrennung von Klärschlamm. Die thermische Entsorgung erfuhr seit 1995 bis 2008 einen starken Auftrieb von 0,3 auf über 1 Mio. t. Ein besonders deutlicher Sprung ist zwischen 2004 und 2006 zu erkennen, was auf das Verbot der Deponierung zurück zu führen ist. Im Jahr 2009 kam es erstmals zu einer leichten Verringerung der verbrannten Menge, was sich auf einen Rückgang der insgesamt anfallenden Klärschlammmenge zurück führen lässt. Die DWA geht davon aus, dass von den etwa Kläranlagen in Deutschland etwa Anlagen ihre Schlämme in der Landwirtschaft oder im Landbau verwerten. Als Grund führt die DWA an, dass die thermischen Verfahren vor allem von großen Kläranlagen genutzt werden und diese sind nicht so verbreitet [DWA 2010]. In den folgenden Unterabschnitten wird die Entwicklung der Entsorgungswege der stofflichen Verwertung und thermischen Entsorgung detaillierter betrachtet Stoffliche Verwertung in Landwirtschaft und Landschaftsbau Wie in Abschnitt 4.1 beschrieben, erfolgt die direkte stoffliche Verwertung von Klärschlamm in der Landwirtschaft oder im Landschaftsbau. Abbildung 7 stellt die Verwertung von Klärschlamm in Deutschland nach diesen Möglichkeiten dar. Die Abbildung zeigt, dass die Klärschlammmenge die als Düngemittel in der Landwirtschaft verwertet wird seit 2004 in etwa konstant ist. Die Abnahme der stofflichen Verwertung ist seither im Rückgang der Verwendung im Landschaftsbau begründet. Das Jahr 1991 wird in Abbildung 7 nicht gezeigt, da Landwirtschaft und Landschaftsbau erst seit 1995 getrennt erfasst werden. Die Kategorie Sonstige gibt es erst seit 1998.

42 5 Klärschlammentsorgung in Deutschland 42 Abbildung 7: Stoffliche Verwertung von Klärschlamm in Deutschland aus der biologischen Abwasserbehandlung [nach Destatis 2003, 2006, 2007, 2008, 2009, 2010] Thermische Entsorgung Nach Lehrmann [2010] wird Klärschlamm hauptsächlich in Monoverbrennungsanlagen, MVA, Kohlekraftwerken und Zementwerken verbrannt. Aufgrund einer Auswertung von DWA Daten kommt er zur in Abbildung 8 dargestellten Verteilung der Klärschlammmengen auf diese Anlagentypen. Der größte und in etwa gleiche Anteil an Klärschlamm wird in Monoverbrennungsanlagen und Kohlekraftwerken verbrannt. In der Summe wird bei der Mitverbrennung in MVAs, Kohlekraftwerken und Zementwerken eine höhere Menge als bei der Monoverbrennung verbrannt. Wie sich die thermische Entsorgung in Deutschland entwickelt hat, zeigt Abbildung 9. Die Monoverbrennung war seit 1975 beinahe 20 Jahre lang die einzige Möglichkeit Klärschlamm zu verbrennen. Erst seit 1995 werden Klärschlämme mitverbrannt. Lehrmann begründet die knappe Vervierfachung der über die thermische Entsorgung beseitigten Mengen seit 1995 bis 2009 mit einer Erhöhung der Kapazitäten in Monoverbrennungskapazitäten um etwa t Trockenmasse, einem Aufbau von Mitverbrennungskapazitäten in Kraftwerken von etwa t Trockenmasse und in Zementwerken von etwa t Trockenmasse. Seit 2003 / 2004 sind die Kapazitäten der Mitverbrennung größer als die der Monoverbrennung [Lehrmann 2010].

43 5 Klärschlammentsorgung in Deutschland 43 Abbildung 8: Prozentuale Anteile der thermischen Entsorgungswege von Klärschlamm in Deutschland [nach Lehrmann 2010] Abbildung 9: Kapazitäten der Klärschlammverbrennung in Deutschland [Lehrmann 2010] Die Kapazitäten der Monoverbrennung sind in den Jahren 2002 bis 2008 in etwa gleich geblieben, wobei das Öffnen und Schließen einzelner Anlagen seit 2006 zu leichten Schwankungen führte. Die Mitverbrennung von Klärschlamm hat bis 2005 zugenommen. Dann kam es zur Stagnation und 2008 sogar zu einer Abnahme, da die Klärschlammverbrennung in einem Kraftwerk beendet wurde [Lehrmann 2010]. Insgesamt wurden die vorhandenen thermischen Entsorgungskapazitäten im Jahr 2008 noch nicht voll ausgelastet [Lehrmann 2010]. Nach Abbildung bestand 2008 eine Gesamtkapazität von etwa 1,2 Mio. t. Statistisch wurden jedoch nur knapp 1,1 Mio. t verbrannt (s. Abbildung 6; Abschnitt 5.1). Jacobs [2010] begründet dies mit höheren vorhandenen Kapazitäten in Zement- und Kohlekraftwerken [Jacobs 2010].

44 5 Klärschlammentsorgung in Deutschland Monoverbrennung In Deutschland gibt es insgesamt 25 Monoverbennungsanlagen [Adam 2010]. Da die spezifischen Kosten je Tonne Klärschlammtrockenmasse mit wachsender Anlagengröße sinken könnte nach Lehrmann [2010] erwartet werden, dass nur größere Anlagen ab t Trockenmasse pro Jahr gebaut werden. Tatsächlich werden jedoch vermehrt kleinere Anlagen mit weniger als t Trockenmasse pro Jahr für dezentrale Verbrennungslösungen gebaut. Lehrmann schreibt dies dem politischen Interesse einzelner Bundesländer zu, die die thermische Entsorgung fördern und Anlagen für dezentrale Verbrennungslösungen kurzfristig genehmigen. Der Vorteil im Bau kleinerer Anlagen besteht nach Lehrmann darin, dass dezentrale Lösungen für dünn besiedelte Gebiete geschaffen und große Transportentfernungen vermieden werden. Die Erhöhung der Monoverbrennungskapazität kann jedoch nur durch den Bau größerer Anlagen deutlich gefördert werden. Lehrmann ist der Überzeugung, dass nur diese wirtschaftliche Vorteile ohne hohes Risiko haben. Eine bewährte Verbrennungstechnik, kombiniert mit neuen Entwicklungen der Rauchgasreinigung und effizienter Energienutzung, kann aufgebaut sowie eine langfristige Entsorgungssicherheit gewährleistet werden Mitverbrennung Im Jahr 2004 wurde in 25 Kohlekraftwerken und 8 Müllverbrennungsanlagen Klärschlamm mitverbrannt [Hermann/Goldau 2004]. Aktuellere Zahlen und die Anzahl der mitverbrennenden Zementwerke liegen nicht vor. Würden alle deutschen Braunkohlekraftwerke 4 % und alle Steinkohlekraftwerke 1,5 % Klärschammtrockenmasse mitverbrennen (vgl. Abschnitt 4.2.4), könnten auf diesem Weg etwa 4,3 Mio. t Trockenmasse pro Jahr an Klärschlamm entsorgt werden [Lehrmann 2010]. Dies ist etwa die doppelte in Deutschland insgesamt anfallende Klärschlammmenge. In Zukunft sind in Deutschland Kraftwerke zur Steinkohleverstromung geplant, die Wirkungsgrade von über 42 % erreichen sollen und damit gegenüber älteren Anlagen weniger Kohlendioxidemissionen ausstoßen. Da die Auswirkungen von Klärschlamm auf die neue Technik der Anlagen nicht klar sind, wird in solchen Kraftwerken zumindest vorab keine Mitverbrennung geplant [Lehrmann 2010]. Die Kapazitäten der Mitverbrennung in Kohlekraftwerken könnten demnach künftig sinken. Die Mitverbrennung von Klärschlamm in Hausmüllverbrennungsanlagen hat an Bedeutung verloren. Nach einer Veröffentlichung von Hermann und Goldau könnte ein Grund dafür sein, dass die Kosten der Hausmüllverbrennung höher sind als die Kosten anderer Entsorgungswege für Klärschlamm [Hermann/Goldau 2004].

45 5 Klärschlammentsorgung in Deutschland Kosten der Klärschlammentsorgung Die Entsorgungskosten spielen mit Sicherheit eine große Rolle bei der Wahl des Entsorgungsweges durch Kläranlagenbetreiber. Abbildung 10 zeigt, dass die Kosten für die Verwertung von Klärschlamm in der Landwirtschaft im Durchschnitt am niedrigsten sind und die Kosten der Monoverbrennung am höchsten. Dies könnte auch erklären, warum die Mengen an Klärschlamm, die landwirtschaftlich verwertet und thermisch entsorgt worden sind, in den letzten fünf Jahren in etwa stabil geblieben sind. Abbildung 10: Kosten der Klärschlammentsorgung einschließlich der Kosten für Entwässerung und Transport [DWA 2010] Die Kosten steigen vor allem durch einen größeren Aufwand für die Vorbehandlung. So muss beispielsweise Klärschlamm für die Rekultivierung entwässert und kompostiert oder vererdet werden. Klärschlamm für die Verbrennung muss entwässert und getrocknet werden Entsorgung von Klärschlamm in den einzelnen Bundesländern In Abbildung 11 sind die Entsorgungswege der einzelnen Bundesländer im Jahr 2009 dargestellt. Da die Gesetzgebung der Bundesregierung keinen der Verwertungswege bevorzugt, gehen die Bundesländer jeweils eigene und sehr verschiedene Wege. Die Stadtstaaten Berlin und Hamburg verwerten den gesamten anfallenden Klärschlamm thermisch. Auch Baden-Württemberg und Nordrhein-Westfalen erreichen eine hohe energetische Verwertungsquote. Diese Länder und Bayern haben den Ausstieg aus der landwirtschaftlichen Verwertung beschlossen. In den Ländern Mecklenburg-Vorpommern und Thüringen hingegen, spielt die thermische Entsorgung fast keine Rolle. In Niedersachsen, Rheinland-Pfalz und Schleswig-Holstein werden über die Hälfte des anfallenden Klärschlammes landwirtschaftlich verwertet.

46 5 Klärschlammentsorgung in Deutschland 46 Abbildung 11: Klärschlammentsorgung aus der biologischen Abwasserbehandlung im Jahr 2009 in den deutschen Bundesländern [nach Destatis 2010] 5.2 Stand der Rückgewinnung von Nährstoffen Seit 2004 fördern das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) und das Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU) Forschungsund Entwicklungsprojekte, in denen bisher nicht angewandte Techniken und Verfahren zum Recycling von Phosphor und anderen Pflanzennährstoffen u. a. aus kommunalen Abwässern und Klärschlämmen erprobt werden. Projektvorschläge, die neben Phosphor auch auf das Recycling von Pflanzennährstoffen, wie Stickstoff, Kalium, Magnesium und Spurennährstoffe, abzielen, werden besonders begrüßt [BMBF 2004]. Damit soll ein Impuls zur Herstellung von Düngemitteln unter Verwendung von Recyclingprodukten gegeben werden. Die Initiative scheint ihr Ziel zu treffen. Im Hinblick auf die großtechnische Realisierung, sind jedoch Staaten wie Kanada, Japan und die USA weiter. Derzeit wird nur ein sehr geringer Anteil des Phosphors in Abwasser und Klärschlamm zurück gewonnen. Laut Kabbe [2009] gibt es derzeit fünf betriebene oder geplante großtechnische Anlagen in Deutschland. Bei drei Anlagen wird Phosphor als Magnesium-Ammonium-Phosphat (MAP) aus Prozesswasser oder aus dem Klärschlamm zurück gewonnen. Eine Anlage wendet den nass-chemischen Aufschluss von Klärschlamm im Seaborne-Verfahren an und eine weitere Demonstrationsanlage arbeitet nach dem thermochemischen Ashdec Verfahren (s. Abschnitt 8.1).

47 5 Klärschlammentsorgung in Deutschland Rechtslage Die rechtliche Grundlage über die Entsorgung von Abfällen und damit auch Klärschlämmen ist das Gesetz zur Förderung der Kreislaufwirtschaft und Sicherung der umweltverträglichen Beseitigung von Abfällen (Kreislaufwirtschafts- und Abfallgesetz (KrW-/AbfG). Zweck des Gesetzes ist die Förderung der Kreislaufwirtschaft zur Schonung der natürlichen Ressourcen und Sicherung einer umweltverträglichen Beseitigung von Abfällen [KrW-/AbfG 1994]. Damit ist das KrW-/AbfG die Grundlage aller Rechtsverordnungen, die sich auf die Verwertung und Beseitigung von Klärschlämmen beziehen. Wird Klärschlamm als Dünger für die Landwirtschaft verwendet, so legt das KrW-/AbfG fest, dass Rechtsverordnungen zur Sicherung der ordnungsgemäßen und schadlosen Verwertung festzulegen sind [KrW-/AbfG 1994]. Damit bildet das KrW-/AbfG die Ermächtigungsgrundlage für die AbfKlärV. Zudem unterliegt Klärschlamm zur Düngung auch dem Düngemittelrecht. Die Abschnitte und beleuchten die AbfKlärV und das Düngemittelrecht näher. Das KrW-/AbfG legt fest, dass es die Pflicht von Betreibern von Anlagen nach dem Bundes-Immissionsschutzgesetz ist, diese so zu betreiben, dass die Vorschriften des BImSchG eingehalten werden [KrW-/AbfG 1994]. Das BImSchG und seine Verordnungen regeln die Verbrennung von Abfällen und damit Klärschlämmen in Deutschland. In Abschnitt wird die 17. Bundes-Immissionsschutzverordnung (BImSchV) näher betrachtet, da dort Grenzwerte für zulässige Emissionen festlegt sind. In den Anforderungen des KrW-/AbfG an die Abfallbeseitigung wird festgelegt, dass die Bundesregierung allgemeine Verwaltungsvorschriften an die umweltverträgliche Beseitigung von Abfällen nach dem Stand der Technik erlassen kann [KrW-/AbfG 1994]. Eine Verwaltungsvorschrift ist die Technische Anleitung zur Verwertung, Behandlung und sonstigen Entsorgung von Siedlungsabfällen (TASi), welche Anforderungen an die Deponierung von Abfällen enthält. Die TASi wurde 2009 außer Kraft gesetzt und durch die neue Deponieverordnung ersetzt. In Abschnitt werden die Deponieregelungen beschrieben Klärschlammverordnung Die AbfKlärV von 1992 legt fest, welche Regelungen bei der Ausbringung von Klärschlamm auf landwirtschaftlich genutzten Böden bundesweit zu beachten sind. Sie gilt für die Betreiber der Abwasserbehandlungsanlagen, die Klärschlamm für eine solche Nutzung abgeben, und für diejenigen, die Klärschlamm auf die Böden aufbringen. Wird Klärschlamm für Maßnahmen im Landschaftsbau verwendet, können grundsätzlich die gleichen Probleme entstehen, wie bei einer Verwendung in der Landwirtschaft (z. B. Schadstoffanreicherung im Boden) [BUND 2005]. Die AbfKlärV erfasst diese Art der Verwertung jedoch nicht. Es sind lediglich die Anforderungen der BBodSchV, z. B. zur Vorsorge gegen die Anreicherung von Schadstoffen im Boden, zur berücksichtigen.

48 5 Klärschlammentsorgung in Deutschland 48 Ein Aufbringen von Klärschlämmen als Dünger auf die Böden ist nach AbfKlärV nur zulässig, wenn das Wohl der Allgemeinheit nicht beeinträchtigt wird und die Aufbringung auf den Nährstoffbedarf der Pflanzen angepasst ist. Bevor Klärschlamm erstmalig auf die Böden aufgebracht wird, ist u. a. eine Untersuchung der Böden auf die Gehalte bestimmter Schwermetalle erforderlich, wobei festgelegte Grenzwerte einzuhalten sind (s. Tabelle 6). Desweiteren wird der Gehalt an Pflanzennährstoffen untersucht (pflanzenverfügbares Phosphat, Kalium und Magnesium) [AbfKlärV 1992]. Anforderungen an die Nährstoffgehalte werden in der DüMV gestellt (s. Abschnitt 5.3.2). Die Verordnung legt auch Höchstwerte für den Gehalt von Schadstoffen im Klärschlamm fest (s. Tabelle 6). Sie begrenzt den Gehalt an Schwermetallen, bestimmten organisch persistenten Schadstoffen sowie den Gehalt der Summe der organischen Halogenverbindungen als adsorbierte organisch-gebundene Halogene (AOX). Darüber hinaus werden beispielsweise die organische Substanz (als Glühverlust) sowie die Nährstoffe Gesamt- und Ammoniumstickstoff, Phosphat, Kalium und Magnesium bestimmt [AbfKlärV 1992]. In Deutschland sind zwar die Konzentrationen der Stoffe und Stoffgruppen PCDD/F, PCB und AOX im Klärschlamm deutlich zurück gegangen. Dennoch werden die höchstzulässigen Gehalte in Einzelfällen überschritten. Diese Schlämme sind dann von einer landwirtschaftlichen Verwertung ausgeschlossen [Hartmann et al. 2004]. Der Betreiber der Abwasserkläranlage kommt für die Kosten der Boden- und Klärschlammuntersuchungen auf.

49 5 Klärschlammentsorgung in Deutschland 49 Tabelle 6: Maximal zulässige Schadstoffgehalte nach AbfKlärV für Boden und Klärschlamm und nach dem Entwurf der AbfKlärV 2010 [nach AbfKlärV 1992, BMU 2010b und BBodSchV 1999] AbfKlärV 1992 Entwurf AbfKlärV 2010 Schadstoff maximal zulässiger Gehalt in mg/kg TM Boden Klärschlamm Boden* 1 Klärschlamm Klärschlamm bei einem Anteil an P 2 O 5 von < 5 % > 5 % Schwermetalle Pb Cd 001, ,4 1,5 0002, Cr Cu Ni Hg , , Zn Organisch persistente Schadstoffe Organisch persis Organisch persisjklö ö ö jklö j PCB 0,2 je Kongener 000,1 je Kongener PCDD/PCDF 100 ng/kg TM 030 ng/kg TM B(a)P 001 PFT 000,2 (ab : 0,1) AOX * 1 Die höchstzulässigen Schwermetallgehalte dürfen die Vorsorgewerte gemäß Nummer 4.1 des Anhangs 2 der Bundes-Bodenschutz- und Altlastenverordnung (BBodSchV) nicht übersteigen. Die Gehalte gelten in Abhängigkeit von der Bodenart und sind für Sand am niedrigsten, für Lehm/Schluff mittel und für Ton am höchsten. Aus seuchenhygienischen Gründen dürfen Klärschlämme auf Gemüse- und Obstanbauflächen nicht ausgebracht werden [AbfKlärV 1992; BMU 2010b]. Die Anwendung auf aus Naturschutzgründen sensiblen Flächen, wie Dauergrünland, forstwirtschaftlich genutzte Böden, Natur- und Wasserschutzgebieten ist ebenfalls unzulässig [AbfKlärV 1992]. Um eine langfristige Schadstoffanreicherung auf den für die Düngung zugelassenen Ackerflächen zu vermeiden, ist die Aufbringungsmenge begrenzt. Innerhalb von drei Jahren dürfen nicht mehr als 5 t Klärschlammtrockenmasse oder innerhalb von sechs Jahren nicht mehr als 10 t Klärschlammkompost pro Hektar aufgebracht werden.

50 5 Klärschlammentsorgung in Deutschland 50 Die AbfKlärV gilt unverändert seit Die gestiegenen Anforderungen an Boden-, Gewässer- und Ressourcenschutz und die Sicherung der Erzeugung gesunder Nahrungsmittel machen eine Novellierung erforderlich [BMU 2010b]. Bereits 2002 forderten die Bundesländer die Bundesregierung auf, die Schadstoffgrenzwerte zu senken und Technologien zur Rückgewinnung schadstoffarmer Phosphate aus dem Abwasser und dem Klärschlamm zu fördern [BMU 2006]. Seit Oktober 2010 liegt ein zweiter Arbeitsentwurf der AbfKlärV des BMU vor. Die Verordnung soll nach der Novelle einen wichtigen Beitrag zur nachhaltigen Kreislaufwirtschaft und damit zum Schutz der natürlichen Phosphatressourcen beitragen [BMU 2010b]. Der Entwurf der AbfKlärV umfasst folgende wesentliche Neuerungen [BMU 2010b]: Der Geltungsbereich wird auf die Verwendung von Klärschlamm bei Maßnahmen des Landschaftsbaus (z. B. bei der Herstellung von Grünflächen und Parkanlagen) erweitert. Die Grenzwerte für die höchstzulässigen Gehalte an Schwermetallen im Klärschlamm werden deutlich abgesenkt. In Abhängigkeit vom Phosphor-Gehalt des Klärschlammes erfolgt dabei eine Differenzierung: Bei niedrigem Phosphatgehalt gelten niedrigere Grenzwerte für die Schwermetallgehalte, um eine erhöhte Schwermetallbelastung durch eine erforderliche stärkere Düngung zu vermeiden (s. Tabelle 6). Neu ist die Ermittlung des Eisengehaltes. Dieses gelangt durch den Einsatz als Fällungsmittel bei der Abwasserbehandlung in den Klärschlamm. Ein Grenzwert wird nicht vorgegeben, da Eisen in den zu erwartenden Konzentrationen im Boden kein Schadstoff ist. Die Kenntnis über den Gehalt soll dazu führen, dass die Düngeempfehlungen in Abhängigkeit vom festgestellten Eisengehalt angepasst werden können. Denn hohe Eisenkonzentrationen führen zu einer Herabsetzung der kurzfristigen Verfügbarkeit des Nährstoffes Phosphor. Die Grenzwerte für die höchstzulässigen Gehalte an organischen Schadstoffen im Klärschlamm werden deutlich abgesenkt. Darüber hinaus werden Grenzwerte für Benzo(a)pyren (B(a)P) als Leitsubstanz der Polyzyklischen Aromatischen Kohlenwasserstoffe (PAK) und Perfluorierte Tenside (PFT) festgelegt (s. Tabelle 6). Im Klärschlamm dürfen keine Salmonellen enthalten sein. Der Klärschlamm ist daher künftig einer weitergehenden seuchenhygienischen Behandlung zu unterziehen. Die als geeignet geltenden Behandlungsverfahren werden in einer Anlage zur Verordnung benannt (Abschnitt 3.2 stellt einige Verfahren vor). Darüber hinaus soll ein Gutachter in regelmäßigen Qualitätssicherungen bestätigen, dass keine seuchenhygienischen Risiken bestehen. In der Begründung des BMU zur Neufassung der AbfKlärV wird darauf hingewiesen, dass die Anforderungen an die Hygienisierung nur unter Vorsorgeaspekten erfolgen, da bisher kein Fall bekannt ist, dass die Aufbringung von Klärschlamm zur Erhöhung des Infektionsrisikos beigetragen hat.

51 5 Klärschlammentsorgung in Deutschland 51 Eine deutliche Verschärfung für die Aufbringung von Klärschlamm auf Böden sind die höchstzulässigen Schwermetallgehalte in Böden. Diese werden mit der Bundesbodenschutz- und Altlastenverordnung (BBodSchV) und der Bioabfallverordnung harmonisiert und beziehen sich auf die verschiedenen Bodenarten Ton, Lehm/Schluff und Sand. Neben Schwermetallen kann der Boden im konkreten Verdachtsfall auch hinsichtlich seiner Belastung mit organischen Schadstoffen untersucht werden und eine Anwendung vorsorglich beschränkt werden (s. Tabelle 6). Neu ist die Festlegung von Anforderungen an eine freiwillige Qualitätssicherung bei der Klärschlammnutzung auf Böden, wodurch sich die Klärschlammqualitäten verbessern sollen. Schwerpunkt bilden dabei Anforderungen an den gesamten Prozess der Klärschlammverwertung von der Entstehung des Klärschlammes, über umfassende Kontrollen des Klärschlammes bis zur Aufbringung auf die Flächen. Die Träger einer regelmäßigen Qualitätssicherung tragen u. a. dafür Sorge, dass alle Möglichkeiten zur Verminderung von Schadstoffeinträgen in das Abwasser und damit in den Klärschlamm genutzt werden Düngemittelrecht Die AbfKlärV stellt im Wesentlichen Anforderungen an die Höchstgehalte von Schadstoffen im Klärschlamm als Düngemittel. Das Düngemittelrecht stellt demgegenüber vor allem Anforderungen an die Nährstoffe in den Düngemitteln [BMU 2010b]. Da es Abgrenzungsprobleme zwischen dem Düngemittelrecht und der AbfKlärV gibt und das Düngemittelrecht voraussichtlich 2014 überarbeitet wird, könnten sich daraus notwendige Änderungen der AbfKlärV ergeben [Kabbe 2011]. Das Düngemittelrecht umfasst das Düngemittelgesetz (DüngMG), die Düngeverordnung (DüV) und die Düngemittelverordnung (DüMV). Die wesentlichen Inhalte, welche sich auf die Anwendung von Klärschlamm beziehen, werden im Folgenden vorgestellt. Düngemittelgesetz Das DüngMG stellt in seinem ersten Abschnitt über düngemittelrechtliche Bestimmungen Anforderungen an die Anwendung, die Kennzeichnung und Verpackung sowie das Inverkehrbringen von Düngemitteln. Klärschlamm wird im Gesetz als Sekundärrohstoffdünger definiert und ist damit dem Düngemittelrecht unterstellt. Die Düngemittel dürfen nur nach guter fachlicher Praxis angewandt werden. Dazu gehört u. a., dass die Düngung nach Art, Menge und Zeit auf den Bedarf der Pflanzen und des Bodens ausgerichtet werden muss. Die im Boden verfügbaren Nährstoffe und organische Substanz sind mit zu berücksichtigen [Düng MG 1977]. Die Grundsätze der guten fachlichen Praxis (gfp) werden in der DüV näher bestimmt.

52 5 Klärschlammentsorgung in Deutschland 52 In seinem zweiten Abschnitt legt das Gesetz fest, dass ein Entschädigungsfond eingerichtet wird, der Schäden an Personen oder Sachen ersetzen muss, die durch die landwirtschaftliche Verwertung von Klärschlämmen entstehen. Der Fond wird von den Herstellern von Klärschlämmen die für die landwirtschaftliche Verwertung abgegeben werden finanziert [Düng MG 1977]. Er existiert seit 1999 und bisher ist kein Schadensfall bekannt. Düngeverordnung Die DüV regelt die gfp bei der Anwendung von Düngemitteln. Unter Berücksichtigung des Umweltschutzes wird die pflanzenbaulich sachgerechte Düngemittelanwendung definiert. Düngemittel müssen sowohl zeitlich als auch mengenmäßig so aufgebracht werden, dass die Nährstoffe von den Pflanzen weitestgehend ausgenutzt werden. So lassen sich Nährstoffverluste bei der Bewirtschaftung und der Eintrag in Gewässer vermeiden [DWA 2004]. Der Nährstoffbedarf der Kultur ist vor der Aufbringung von Düngern zu ermitteln. Er berücksichtigt u. a. die jeweiligen Standort- und Anbaubedingungen, die zu erwartenden Erträge und die im Boden verfügbaren Nährstoffmengen. Zwischen dem 1. November und dem 31. Januar darf grundsätzlich kein Klärschlamm auf Ackerflächen ausgebracht werden [DüV 2006]. Düngemittelverordnung Die DüMV regelt u. a. die Zulassung indem Düngemitteltypen definiert werden. Klärschlamm gehört zu den organischen oder organisch-mineralischen Düngemitteln ist gemäß der DüMV als NP-Dünger oder NPK-Dünger zugelassen [Felber/Fischer 2010]. Darüber werden eine Kennzeichnungspflicht und Grenzwerte für Schwermetalle und PFT festgelegt. Für Klärschlamm gilt als Ausnahme, dass bis Ende 2016 auch die Klärschlämme als Düngemittel in den Verkehr gebracht werden dürfen, die die Anforderungen an die stoffliche Zusammensetzung der AbfKlärV einhalten aber die Grenzwerte der DüMV überschreiten [DüMV 2008]. Ein Vergleich der Anforderungen an die Grenzwerte für den Schwermetallgehalt nach AbfKlärV und nach DüMV zeigt, dass die Grenzwerte der DüMV teilweise sehr viel niedriger sind und selbst noch unterhalb der Anforderungen des Entwurfes der AbfKlärV von 2010 liegen.

53 5 Klärschlammentsorgung in Deutschland Bundes-Immissionsschutzverordnung Die Verordnung enthält u. a. Anforderungen an den Betrieb von Verbrennungs- und Mitverbrennungsanlagen, beispielsweise an die Vorsorge gegen schädliche Umwelteinwirkungen durch Luftverunreinigungen und an die Nutzung der entstehenden Wärme. Zur Verringerung von Luftverunreinigungen werden Grenzwerte für die Emissionen von Gesamtstaub, Schwefeloxiden, Stickoxiden, Quecksilber, Kohlenmonoxid und verschiedener Schwermetalle festgelegt. Der Betreiber der Anlage ist verpflichtet, die Emissionswerte kontinuierlich zu überwachen und an die zuständige Behörde zu übermitteln. Die bei der Verbrennung entstehende Wärme ist an Dritte abzugeben oder, soweit dies technisch möglich und zumutbar ist, vom Betreiber der Anlage zu nutzen. Kann die Wärme nicht nutzbar gemacht werden, so ist ab einer erzeugbaren Leistung von mehr als 0,5 Megawatt elektrische Energie zu erzeugen [BImSchV 2003] Deponieregelungen In Deutschland wurden mit der TASi 1993 erstmalig verwaltungsrechtliche Regelungen in Bezug auf die Anforderungen an die Errichtung, den Betrieb, die Stilllegung und die Nachsorge von Deponien geregelt. Die betrieblichen Anforderungen bezogen sich auch auf die zulässigen Eigenschaften der abzulagernden Abfälle, um den Umgang zu vereinfachen und schädliche Emissionen zu verringern oder zu vermeiden. Es wurden Zuordnungskriterien festgelegt, die Abfälle einhalten müssen, um auf Siedlungsdeponien gelagert zu werden. So durften sie höchstens einen Glühverlust von 5 % aufweisen. Zur Einhaltung der Anforderungen müssen die Abfälle i. d. R. vorbehandelt werden, auf Siedlungsabfälle trifft dies immer zu. Klärschlamm muss vor seiner Deponierung verbrannt werden. Doch waren Übergangsfristen bis längstens 2005 zugestanden worden. Darüber hinaus wurden Grenzwerte für bestimmte Schadstoffe, z. B. Schwermetalle, die die Umwelt schädigen können, festgelegt [TASi 1993]. Im Jahr 2001 wurde die TASi aufgrund europäischer Vorgaben (Deponierichtlinie 1999) in die Abfallablagerungsverordnung überführt. Die Deponierung unbehandelter Siedlungsabfälle wurde damit ab dem 1. Juni 2005 verboten. Bei weiteren Änderungen des Deponierechts in den Jahren 2007 und 2009 wurden die Annahmekriterien für Abfälle geändert und das Deponierecht vereinfacht. Das Verbot der Ablagerung unbehandelter Abfälle blieb unverändert erhalten [BMU 2010c].

54 5 Klärschlammentsorgung in Deutschland Zusammenfassende Betrachtung In Deutschland fallen derzeit jährlich etwa 2 Mio. t Klärschlammtrockenmasse an. Heute wird Klärschlamm ungefähr zu gleichen Teilen stofflich in der Landwirtschaft und im Landschaftsbau verwertet oder thermisch entsorgt, wobei der Trend in Richtung thermische Entsorgung geht. Die Deponierung von unbehandelten Klärschlämmen ist seit 2005 in Deutschland verboten. Klärschlämme müssen vor ihrer Ablagerung verbrannt werden. Die stoffliche Verwertung geht seit einigen Jahren aufgrund des Rückganges der Verwendung im Landschaftsbau zurück. Die Anwendung als Düngemittel in der Landwirtschaft ist hingegen konstant geblieben. Die kontroverse Diskussion um die stoffliche Verwertung in der Landwirtschaft und im Landschaftsbau spiegelt sich in den sehr verschiedenen Wegen zur Klärschlammentsorgung der einzelnen Bundesländer wider. Einige Länder haben sogar den Ausstieg aus der landwirtschaftlichen Verwertung beschlossen. Klärschlamm für die landwirtschaftliche Ausbringung unterliegt der AbfKlärV und dem Düngemittelrecht. Die AbfKlärV legt bundesweit geltende Regelungen bei der Ausbringung von Klärschlamm auf die Böden fest, wobei insbesondere Anforderungen an den Schadstoffgehalt von Klärschlämmen und in den Böden gestellt werden. Bereits seit Jahren fordern einzelne Bundesländer die Bundesregierungen dazu auf, die Schadstoffgrenzwerte zu senken und die Rückgewinnung von Phosphaten aus dem Abwasser und dem Klärschlamm zu fördern. Nun liegt ein Entwurf vor, der als Neuerungen vor allem (a) eine Erweiterung des Geltungsbereiches auf den Landschaftsbau, (b) eine Reduzierung der Grenzwerte für Schwermetalle und organische Schadstoffe, (c) eine Hygienisierung des Klärschlammes und (d) Anforderungen an eine Qualitätssicherung vorschlägt. Das Düngemittelrecht stellt Anforderungen an die Nährstoffe in Düngemitteln. Es wird voraussichtlich 2014 überarbeitet und könnte dann Anforderungen der AbfKlärV ungültig machen. So zeigt beispielsweise ein Vergleich der Anforderungen an die Grenzwerte für Schwermetallgehalte nach der DüMV und dem Neuentwurf der AbfKlärV, dass die Anforderungen der DüMV sehr viel strenger sind. Von den etwa kommunalen Kläranlagen Deutschlands sind es nur 2 000, die den Klärschlamm thermisch entsorgen. Da allerdings die thermischen Verfahren vor allem von großen Kläranlagen genutzt werden, die weniger verbreitet sind als kleine Anlagen, wird mengenmäßig etwa die Hälfte des insgesamt anfallenden Klärschlamms verbrannt. Die Verbrennung von Klärschlamm erfolgt zu jeweils etwa 44 % in Monoverbrennungsanlagen und Kohlekraftwerken sowie zu 8 9 % in Zementwerken. Die Mitverbrennung in Müllverbrennungsanlagen mit etwa 3 4 % spielt nur eine untergeordnete Rolle, da die Kosten der Hausmüllverbrennung höher sind als die Kosten anderer Verbrennungsprozesse. Insgesamt sind die Kapazitäten der Mitverbrennungsanlagen erst seit einigen Jahren größer als die der Monoverbrennungsanlagen. In den letzten Jahren werden vermehrt kleine Anlagen zur Monoverbrennung mit Kapazitäten bis t pro Jahr Klärschlammtrockenmasse gebaut. Dies hilft dezentrale Verbrennungslösungen für dünn besiedelte Gebiete zu schaffen. Jedoch kann eine Erhöhung der Monoverbrennungskapazität nur durch den Bau großer Anlagen deutlich

55 5 Klärschlammentsorgung in Deutschland 55 gefördert werden. Diese arbeiten zudem mit wirtschaftlich geringem Risiko, einer bewährten Verbrennungstechnik unter effizienter Energienutzung sowie einer hoch entwickelter Rauchgastechnologie. Die insgesamt vorhandenen thermischen Entsorgungskapazitäten sind noch nicht voll ausgelastet, was mit einer höheren vorhandenen Kapazität in Zement- und Kohlekraftwerken begründet wird. So könnten beispielsweise bei einer Mitverbrennung von 4 % Klärschlamm in Braunkohlekraftwerken und 1,5 % in Steinkohlekraftwerken über 4 Mio. t Klärschlammtrockenmasse jährlich verbrannt werden, was etwa dem Doppelten der überhaupt anfallenden Klärschlammmenge entspricht. Die Kapazitäten der Mitverbrennung in Kohlekraftwerken könnten künftig aufgrund neuer, effizienterer Steinkohlekraftwerke sinken. In diesen wird zunächst, wegen Ungewissheiten der Auswirkungen auf die Technik, auf eine Mitverbrennung von Klärschlamm verzichtet. Die Verbrennung von Abfällen ist u. a. durch die 17. BImSchV geregelt, welche Grenzwerte für die Emissionen von Schadstoffen aus den Anlagen enthält und Kraft-Wärme- Kopplung vorschreibt. Die Kosten der verschiedenen Klärschlammentsorgungswege für Kläranlagenbetreiber steigen durch einen größeren Aufwand für die Vorbehandlung. Die Aufbringung von flüssigem Klärschlamm auf landwirtschaftliche Flächen ist am günstigsten, gefolgt von der Aufbringung entwässerten Klärschlamms und der landschaftsbaulichen Verwertung. Die Verbrennung von Klärschlamm ist am teuersten, wobei die Monoverbrennung die höchsten Kosten verursacht. Nur ein sehr geringer Anteil des im Abwasser und im Klärschlamm enthaltenen Phosphors wird derzeit zurück gewonnen. Was allerdings Forschung und Entwicklung im Bereich des P-Recyclings aus Abfallströmen betrifft, ist Deutschland im internationalen Vergleich unter den führenden Nationen.

56 6 Klärschlammentsorgung in der EU 56 6 Klärschlammentsorgung in der EU In diesem Abschnitt wird die der Stand und die prognostizierte Entwicklung der anfallenden Klärschlammmengen und Entsorgungswege in der EU vorgestellt. Darüber hinaus wird die Klärschlammrichtlinie und ihr Einfluss auf die Wahl des Entsorgungsweges vorgestellt. 6.1 Schlammanfall und Entsorgungswege In der EU-27 fallen jährlich etwa 10 Mio. t Klärschlammtrockenmasse an (eigene Berechnung auf der Grundlage verschiedener Quellen). Wie Abbildung 12 zu entnehmen ist, ist der Klärschlammanfall in den einzelnen Mitgliedstaaten sehr unterschiedlich hoch. In nur 7 Mitgliedstaaten fallen etwa 78 % des Klärschlammes an. Die übrigen 22 % verteilen sich auf 20 Mitgliedstaaten, mit jeweils einem Anteil zwischen 0,01 (Malta) und 2,5 % (Ungarn). Abbildung 12: Anfall an Klärschlammtrockenmasse in der EU-27 pro Jahr in 1000 t sowie prozentualer Anteil an der Gesamtmenge von t [nach Eurostat 2011a; Daten der jeweils aktuellsten Jahrgänge ] Mit knapp einem Fünftel fallen die größten Mengen an Klärschlamm in Deutschland an, gefolgt vom Vereinigten Königreich. Jeweils etwa 10 % fallen in Spanien, Frankreich und Italien an. Die übrigen 10 % fallen in Polen und den Niederlanden an. Tabelle 7 zeigt die anfallende Menge an Klärschlamm pro Kopf der Bevölkerung. Darüber hinaus werden die Anschlussgrade an die öffentliche Kanalisation angegeben, soweit sie bekannt sind.

57 6 Klärschlammentsorgung in der EU 57 Tabelle 7: Klärschlammanfall in der EU-27 pro Jahr und pro Kopf der Bevölkerung und Bevölkerungsanteil mit Anschluss an kommunale Kläranlagen [nach Eurostat 2011a und 2011b; Daten der jeweils aktuellsten Jahrgänge] Mitgliedstaat TM in kg pro Kopf der Bevölkerung Anschlussgrad in % Mitgliedstaat TM in kg pro Kopf der Bevölkerung Anschlussgrad in % Finnland Portugal Österreich Frankreich Vereinigtes Königreich 29 unbekannt Estland Spanien Polen Ungarn Griechenland Dänemark Belgien Luxemburg Slowenien Deutschland Slowakei Niederlande Lettland Schweden Zypern Litauen Rumänien 6 29 Tschechien Bulgarien 5 45 Irland Malta 2 48 Italien Tabelle 7 zeigt, dass eine Erhöhung der Anschlussgrade an kommunale Kläranlagen meist zu höheren Klärschlammmengen pro Kopf der Bevölkerung führt. Die wenigen Ausnahmen sind Ungarn, Griechenland, Frankreich und Estland. In Ungarn fällt trotz geringem Anschlussgrad viel Klärschlamm pro Kopf der Bevölkerung an. Eine Erklärung dafür ist nicht bekannt. In Griechenland, Frankreich und Estland fällt trotz hohem Anschlussgrad wenig Klärschlamm pro Kopf der Bevölkerung an. Die Begründung für diese Ausnahmen könnte sein, dass Eurostat [2011b] die Anschlussgrade an die kommunale Abwasserreinigung erfasst, ohne in den Behandlungsumfang zu differenzieren. Erfolgt beispielsweise nur eine Primärbehandlung des Abwassers, so fällt weniger Klärschlamm an und viele Bestandteile die bei einer Sekundär- und Tertiärbehandlung erfolgen würden, verbleiben im Abwasser. Die Verbreitung der Entsorgungswege in einigen Mitgliedstaaten ist in Abbildung 13 dargestellt. Da es nur wenige offizielle Daten gibt und dennoch ein Einblick in die derzeitige Situation der Entsorgungswege gegeben werden soll, müssen die Daten von Eurostat [2011a] mit den Daten zweier informeller Quellen zusammengefasst werden.

58 6 Klärschlammentsorgung in der EU 58 Abbildung 13: Klärschlammanfall und -Entsorgung in verschiedenen Mitgliedstaaten der EU [nach Obermeier/Lehmann 2009, Korving 2010 und Eurostat 2011a; Daten der jeweils aktuellsten Jahrgänge ] Um einen Überblick über die jeweiligen Massenströme an Klärschlamm zu erhalten, die in die einzelnen Entsorgungswege fließen, zeigt Abbildung 14 die prozentualen Anteile der Entsorgungswege für die gesamte EU, so wie sie einem Vortrag der EGLV entnommen werden konnte. Abbildung 14: Klärschlammanfall und Entsorgungswege in der EU [EGLV 2006] Den Abbildungen 13 und 14 ist zu entnehmen, dass die Entsorgungswege in den dargestellten Mitgliedstaaten der EU sehr unterschiedlich sind. In einigen Ländern werden Klärschlämme noch deponiert. Auffällig ist, dass Griechenland seinen anfallenden Klärschlamm zu fast 100 % deponiert. In vielen Ländern wird Klärschlamm

59 6 Klärschlammentsorgung in der EU 59 landwirtschaftlich oder landschaftsbaulich verwertet. Allen voran die Tschechische Republik und Litauen mit beinahe 80 %. Insgesamt überwiegt landwirtschaftliche und landschaftsbauliche Verwertung in der EU mit fast 60 % am Gesamtaufkommen. Nur wenige Staaten haben den Weg der Verbrennung eingeschlagen, wobei die Niederlande ihren Klärschlamm zu etwa 80 % verbrennen [Korving 2010]. Dennoch macht die thermische Behandlung einen Anteil von über 20 % am Gesamtaufkommen der EU aus, da vor allem Mitgliedstaaten mit hohem Klärschlammaufkommen wie Deutschland diesen Weg eingeschlagen haben. Während in Deutschland die Überwachung der Qualität von Abwässern durch Indirekteinleiter einen hohen Stellenwert besitzt, werden in vielen anderen Mitgliedstaaten der EU die Abwässer der Haushalte und des Gewerbes nicht von den Abwässern der Industrie getrennt. Die Klärschlämme bestehen damit auch aus Rückständen aus der Reinigung von Produktionsabwässern und haben sehr unterschiedliche Schadstoffgehalte [Trend:research 2010]. Aus einer aktuellen Studie des Institutes für Trend- und Marktforschung [Trend:research 2010] geht hervor, dass die energetische Verwertung europaweit insgesamt an Bedeutung gewinnen wird, wobei sowohl die Mit- als auch die Monoverbrennung eine Rolle spielt. Das Institut erwartet eine Steigerung des Anteils um rund 50 % bis Als Hauptgrund wird die sinkende Akzeptanz der landwirtschaftlichen Verwertung angeführt. Wie unterschiedlich der Umgang mit Klärschlamm in den Mitgliedstaaten ist, wird im Folgenden beispielhaft aufgezeigt [Trend:research 2010]: Mitteleuropa Die Ausbringung in der Landwirtschaft soll nach Schätzungen von Experten weiter zurück gehen. Die energetische Verwertung spielt in Ländern wie Deutschland, Österreich und den Niederlanden bereits eine große Rolle oder soll künftig die Hauptrolle spielen. Skandinavien Es werden sehr unterschiedliche Entsorgungswege gewählt, wobei auch künftig keine einheitliche Entwicklung erwartet wird. Nur die Entwicklung Dänemarks ähnelt der Entwicklung in Mitteleuropa. Das Land plant sukzessive aus der landwirtschaftlichen und landschaftsbaulichen Verwertung auszusteigen. Gute Marktchancen werden in Dänemark in Zukunft den Herstellern von Monoverbrennungsanlagen prognostiziert, da die Steuern für die Klärschlammverbrennung gesenkt oder abgeschafft werden sollen. Ost- und Südeuropäische Staaten Da die Anschlussgrade an Kläranlagen stark ansteigen soll, wird sich in vielen Mitgliedstaaten das Aufkommen an kommunalem Klärschlamm erhöhen. Deponierung und landwirtschaftliche Nutzung stellen noch die Hauptentsorgungswege dar. Der Anteil der energetischen Verwertung lag in Osteuropa im Jahr 2008 bei unter einem Prozent.

60 6 Klärschlammentsorgung in der EU 60 In den Mitgliedstaaten bestünden laut der Studie des Instituts für Trend- und Marktforschung durch die Erhöhung der Anschlussgrade und dem damit verbundenem Anstieg des Aufkommens an Klärschlamm, besonders große Potenziale zur Steigerung des Anteils der energetischen Verwertung [Trend:research 2010]. In Polen wird mit einer Reduzierung der Deponierung gerechnet, da die Deponiegebühren steigen werden [Koenemann 2004]. Die Verbrennung wird an Bedeutung gewinnen, wobei in Polen insbesondere die Mitverbrennung in MVAs zunehmen könnte. Bürokratische Hemmnisse und Akzeptanzschwierigkeiten durch die Bevölkerung verzögern den Bau derzeit [Trend:research 2010]. Die landwirtschaftliche Verwertung bleibt wahrscheinlich auf gleichem Niveau [Koenemann 2004]. Griechenland plant, aus der Deponierung auszusteigen. Die Landwirtschaft hat einen hohen Bedarf an organischen Düngemitteln, da die griechischen Böden arm an organischer Substanz sind sowie starke Erosions- und Versauerungsprobleme haben. Daher wird an einer Strategie gearbeitet, um die Qualität des Klärschlammes zu verbessern (z. B. durch Klärschlammbehandlung und Reduktion der Schadstoffgehalte) und damit für eine landwirtschaftliche Verwertung zugänglich zu machen. Die Verbrennung von Klärschlamm spielt in Griechenland keine Rolle [Koenemann 2004]. Schweiz In der Schweiz (kein EU Staat) ist die Verwendung von Klärschlamm als Dünger seit 2008 verboten. Im Jahr 2009 fielen etwa t Klärschlamm an, von denen etwa 50 % in Monoverbrennungsanlagen, 22 % in Zementwerken und 28 % in MVAs verbrannt wurden [Quartier 2010]. 6.2 Stand der Rückgewinnung von Nährstoffen In einigen Ländern Mitteleuropas gibt es Bestrebungen Phosphor aus dem Abwasserstrom und dem Klärschlamm zurück zugewinnen. Dies sind neben Deutschland Bestrebungen in den Niederlanden, Belgien, dem Vereinigten Königreich, Österreich und der Schweiz [Hermann 2009; Horn et al. 2010; CEEP 2010]. Die besonderen Fortschritte in den Niederlanden und der Schweiz werden hier beispielhaft vorgestellt wurde in den Niederlanden ein Kristallisationsreaktor für die P-Rückgewinnung in Betrieb genommen, der noch heute läuft. Das Phosphat wird in der Phosphorindustrie verwendet (s ). In der Schweiz soll die Rückgewinnung von Phosphor aus dem Abwasserstrom ab 2011 oder 2012 gesetzlich vorgeschrieben werden. Die Monoverbrennung mit getrennter und rückholbarer Ablagerung der Asche für eine Aufbereitung zu Düngemitteln wird vorangetrieben. Die Schweiz möchte damit vom Importeur für Phosphor zum Exporteur werden [Kabbe 2011].

61 6 Klärschlammentsorgung in der EU 61 Bisher werden in der Schweiz fünf P-Rückgewinnungsverfahren im Pilotmaßstab getestet oder bereits im Industriemaßstab in kleineren Anlagen eingesetzt. Drei dieser Anlagen gewinnen das Phosphat aus dem Abwasser zurück, eine Anlage aus dem Klärschlamm und eine weitere Anlage aus der Asche einer Monoverbrennungsanlage [Quartier 2010]. 6.3 Rechtslage Die rechtlichen Rahmenbedingungen für den Einsatz von Klärschlämmen als Düngemittel in der Landwirtschaft werden in der EU durch die Richtlinie des Rates über den Schutz der Umwelt und insbesondere der Böden bei der Verwendung von Klärschlamm in der Landwirtschaft (RL 86/278/EWG) geregelt. Bei der Verbrennung des Klärschlammes gilt die Richtlinie des Europäischen Parlaments und des Rates über die Verbrennung von Abfällen (RL 2000/76/EG). Anforderungen an die Ablagerung von Abfällen werden in den Mitgliedstaaten durch die Richtlinie über Abfalldeponien (RL 1999/31/EG) und die darauf folgende Entscheidung des Rates 2003/33/EG vorgegeben. Die benannten Regelungen werden in den Abschnitten bis beschrieben Klärschlammrichtlinie Die Richtlinie zur Regelung des Einsatzes von Klärschlamm in der Landwirtschaft hat den Zweck, schädliche Auswirkungen auf Böden, Vegetation, Tiere und Menschen zu verhindern und gleichzeitig die ordnungsgemäße Verwendung von Klärschlamm zu fördern. Die Verwertung in der Landwirtschaft wird wegen im Klärschlamm enthaltener Nährstoffe und organischer Substanz gefördert, wobei die Qualität der Böden und der landwirtschaftlichen Erzeugnisse nicht beeinträchtigt werden darf. Eine Verwendung von Klärschlamm in der Landwirtschaft ist zulässig, wenn der jeweilige Mitgliedstaat die Verwendung regelt. Die Richtlinie gibt Grenzwerte für Schwermetalle vor, die nicht überschritten werden dürfen. Diese gelten für Böden, Schlämme und für die Mengen von Schwermetallen, die jährlich auf Böden gebracht werden dürfen. Eine Behandlung der Schlämme ist vorgesehen, um hygienische Nachteile zu verhindern. Die Mitgliedstaaten dürfen jedoch auch die Verwendung unbehandelter Klärschlämme zulassen, sofern diese in den Boden eingespült oder eingegraben werden. Auf Obst- und Gemüsekulturen ist die Anwendung während der Vegetationsperiode untersagt. Bei der Verwendung auf beweideten Wiesen und Futteranbauflächen muss eine bestimmte Frist zwischen dem Aufbringen des Schlammes und der Beweidung oder der Ernte eingehalten werden [RL 86/278/EWG]. Die Richtlinie ist nunmehr unverändert seit 25 Jahren gültig. Frühestens im Jahr 2011 steht eine Novelle der Klärschlammrichtlinie an, die dann voraussichtlich 2014/15 in Kraft treten und den europäischen Markt beeinflussen wird [Trend:research 2010].

62 6 Klärschlammentsorgung in der EU 62 Nach den Vorstellungen der EU-Kommission soll die landwirtschaftliche Verwertung auch weiterhin eine große Rolle spielen, wobei hohe Anforderungen an die Qualität des Klärschlamms gestellt werden. Schon seit etwa zehn Jahren strebt die Kommission eine Überarbeitung an, wobei strengere Grenzwerte für Schwermetalle und überhaupt Grenzwerte für weitere Schadstoffe gesetzt werden sollen [EC 2010]. Die Mitgliedstaaten diskutieren diese Vorstellungen kontrovers. Einige fordern sehr strenge Grenzwerte für Schadstoffe im Klärschlamm und haben selbst strengere nationale Vorgaben, um die landwirtschaftliche Verwertung zu erschweren. Andere, vor allem die mediterranen Länder, favorisieren die Rückführung von Nährstoffen und organischer Substanz auf den Acker [Koenemann 2004] Europäische Verbrennungsrichtlinie Die Richtlinie über die Verbrennung von Abfällen hat zum Ziel die Belastungen der Umwelt durch Emissionen von Schadstoffen in die Umwelt aus der Verbrennung und Mitverbrennung von Abfällen zu vermeiden oder zu begrenzen [RL 2000/76/EG]. Sie legt Betriebsbedingungen und Emissionsgrenzwerte für Verbrennungs- und Mitverbrennungsanlagen von Abfällen fest. Zudem werden Anforderungen an die Nutzung der entstehenden Abwärme und an notwendige Messungen gestellt. Die Vorgaben gelten identisch für alle Arten von Verbrennungsanlagen. Die Regelung lehnt sich in ihren Anforderungen eng an die 17. BImSchV an (s. Abschnitt 5.3.3) und legt damit EU-weit ein anspruchsvolles und gleichmäßig hohes Niveau fest [BMU 2000] Deponierecht Auf europäischer Ebene werden keine Anforderungen an die Eigenschaften von Siedlungsabfällen gestellt. Klärschlamm kann ohne Vorbehandlung deponiert werden. Die Richtlinie über Abfalldeponien zielt vor allem darauf ab, das Entstehen von Methangas durch die Ablagerung biologisch abbaubarer Abfälle zu reduzieren, um damit die Erwärmung der Erdatmosphäre einzudämmen. Sie verlangt eine deutliche Reduzierung der Ablagerung organischen Abfalls, ohne dabei konkrete Maßnahmen vorzuschreiben. Um die Deponierung biologisch abbaubarer Siedlungsabfälle einzuschränken, sollen die Mitgliedstaaten bestimmte Zielvorgaben einhalten. Nach diesen soll sich die abgelagerte Menge bis zum Jahr 2016 um 65 % verringern (seit dem Bezugsjahr 1995), verbunden mit einem Vorbehandlungsgebot für die Abfälle [RL 1999/31/EG]. Mit der Entscheidung des Rates im Jahr 2002 wurden Kriterien und Verfahren für die Annahme von Abfällen auf Abfalldeponien gemäß Deponierichtlinie festgelegt [Entscheidung des Rates 2003/33/EG]. Jedoch werden hier vor allem Anforderungen an Intertabfälle und gefährliche Abfälle gestellt.

63 6 Klärschlammentsorgung in der EU Zusammenfassende Betrachtung In der EU-27 fallen nach eigenen Berechnungen etwa 10 Mio. t Klärschlammtrockenmasse an, wobei die Mengen in den einzelnen Mitgliedsstaaten sehr unterschiedlich sind. Etwa 78 % des Klärschlammes fallen in 7 Mitgliedstaaten an. Mit höheren Anschlussgraden an kommunale Kläranlagen steigen, bis auf wenige Ausnahmen, die anfallenden Klärschlammmengen pro Kopf der Bevölkerung. Es wird erwartet, dass sich das Aufkommen an kommunalem Klärschlamm in der EU mit weiterer Steigerung der Anschlussgrade erhöhen wird. Die Entsorgungswege in einzelnen Mitgliedstaaten der EU sind sehr unterschiedlich. Die landwirtschaftliche und landschaftsbauliche Verwertung macht mit 57 % den größten Anteil an der Entsorgung von Klärschlamm aus. Sie ist in vielen Mitgliedstaaten, vor allem in Ost- und Südeuropa, stark verbreitet, geht allerdings insgesamt aufgrund sinkender Akzeptanz zurück. Die Verwertung von Klärschlamm in der Landwirtschaft wird durch die Klärschlammrichtlinie geregelt. Ihr Zweck ist es, die stoffliche Verwertung wegen der im Klärschlamm enthaltenen Nährstoffe und organischen Substanz zu fördern, ohne die Qualität der Böden und landwirtschaftlichen Erzeugnisse zu beeinträchtigen. Sie legt im Wesentlichen Grenzwerte für Schwermetallgehalte im Klärschlamm fest, nennt einige Ausbringungsverbote und sieht die Behandlung zur Hygienisierung vor, von der die Mitgliedstaaten allerdings abweichen können. Die Richtlinie ist seit 25 Jahren unverändert in Kraft und die Mitgliedstaaten diskutieren ihre Anforderungen kontrovers. Nach den Vorstellungen der EU-Kommission soll die landwirtschaftliche Verwertung auch in Zukunft eine große Rolle spielen. Thermisch entsorgt werden etwa 20 % des jährlich anfallenden Klärschlammes, wobei wenige Mitgliedstaaten mit hohem Klärschlammaufkommen diesen Entsorgungsweg hauptsächlich nutzen und die energetische Verwertung an Bedeutung zunimmt. Die Anforderungen der Europäischen Verbrennungsrichtlinie an die Emissionen der Verbrennungsanlagen und an die Nutzung der Abwärme der Verbrennung, lehnen sich eng an die 17. BImSchV an. Die Deponierung macht über 12 % aus und ist in einigen Ländern, z. B. Griechenland, noch ein Hauptentsorgungspfad. Das EU-Recht stellt keine Anforderungen an die Eigenschaften von Klärschlämmen zur Deponierung. Damit kann Klärschlamm in der EU ohne Vorbehandlung deponiert werden. In vielen Mitgliedstaaten werden die Abwässer der Haushalte und des Gewerbes nicht von den Industrieabwässern getrennt. Die Klärschlämme haben daher sehr unterschiedlich hohe Schadstoffgehalte und enthalten Rückstände aus der Reinigung von Produktionsabwässern. Bestrebungen zur Rückgewinnung von Phosphor aus dem Abwasser und dem Klärschlamm sind für die Staaten Deutschland, Niederlande, Belgien, Vereinigtes Königreich und Österreich bekannt. Im Zentrum Europas ist auch die Schweiz ein Vorreiter für den Ausbau von Rückgewinnungsverfahren.

64 7 Potenzial von Inhaltsstoffen im Klärschlamm als Rohstoff 64 7 Potenzial von Inhaltsstoffen im Klärschlamm als Rohstoff Dieser Abschnitt stellt auf der Grundlage der Ausführungen über die Zusammensetzung von Klärschlamm und Klärschlammaschen (Abschnitte und 4.2.1) dar, für welche Inhaltstoffe ein bedeutendes Potenzial bestehen könnte, um eine Rückgewinnung zu fördern. Die Bewertung erfolgt anhand von Daten aus Deutschland. Für die Bewertung des Potenzials werden v. a. Aspekte - zum weltweiten Vorkommen und zur Nachfrage der Rohstoffe (Verfügbarkeit), - zum Aufwand für die Rückgewinnung aus dem Klärschlamm oder der Klärschlammasche sowie - zum Gehalt im Klärschlamm herangezogen Eine zentrale Rolle spielt dabei die Frage der Möglichkeit einer ökonomischen Rückgewinnung. Die technische Machbarkeit der Rückgewinnung von Rohstoffen wird separat in Abschnitt 8 betrachtet. Es wird (a) das Potenzial aller Inhaltsstoffe von Klärschlammasche betrachtet (s. Abschnitt 4.2.1: Tabelle 5 und Silizium) und (b) Stickstoff als wesentlicher Bestandteil des Klärschlammes separat betrachtet (s. Abschnitt 2.3.2: Tabelle 3). Er kommt in der Asche nicht vor, da er bei der Verbrennung oxidiert und an die Atmosphäre verloren geht. Bei der Ermittlung des Potenzials der Inhaltsstoffe aus der Klärschlammasche und dem Klärschlamm werden die überhaupt vorhandenen jährlichen Mengen abgeschätzt. Es wird davon ausgegangen, dass die insgesamt vorhandenen Rohstoffe für eine Rückgewinnung zur Verfügung stehen. Das bedeutet, dass angenommen wird, dass der gesamte Klärschlamm Deutschlands in Monoverbrennungsanlagen verbrannt wird und die Asche für eine Aufbereitung zur Verfügung steht sowie, dass der gesamte Stickstoffstoffstrom im Klärschlamm verfügbar gemacht wird.

65 7 Potenzial von Inhaltsstoffen im Klärschlamm als Rohstoff 65 Zu (a) Potenzial der Inhaltsstoffe in Klärschlammasche Für die Berechnung der Mengen an Einzelstoffen in Klärschlammaschen wird das Jahr 2008 zugrunde gelegt, da in diesem Jahr alle Zahlen aus der Statistik vorliegen. Zunächst wird die Menge an Asche ermittelt, die bei der Verbrennung des gesamten im Jahr anfallenden Klärschlammes entstehen würde. Sie lässt sich berechnen aus den jährlich anfallenden Mengen an Klärschlamm in Deutschland insgesamt, dem Anteil der in Monoverbrennungsanlagen verbrannt wird und der Menge der dabei anfallenden Asche: Im Jahr 2008 fielen in Deutschland statistisch t Trockenmasse Klärschlamm an, von denen t verbrannt wurden [s. Abschnitt 5.1]. Nach Lehrmann wurden etwa 44 % des verbrannten Klärschlammes in Monoverbrennungsanlagen verwertet [s. Abschnitt 5.1]. Dies entspricht einer Klärschlammmenge von t Trockenmasse. Der Output an Aschen aus Monoverbrennungsanlagen beträgt nach den Berechnungen des Statistischen Bundesamtes t [Destatis 2010, Abfallentsorgung]. Demnach fallen bei der Verbrennung von t Trockenmasse Klärschlamm 60,11 % als Asche an. Bei der Verbrennung des gesamten in Deutschland anfallenden Klärschlammes und Annahme, dass 60,11 % als Asche anfallen, würden in Deutschland jährlich t Asche in Monoverbrennungsanlagen produziert werden. Nun werden die Mengen der Einzelstoffe ermittelt, die in der Asche enthalten wären: Zunächst wird für jeden Inhaltsstoff in der Asche aus Tabelle 5 (Abschnitt 4.2.1) der Durchschnitt berechnet. Dann wird mit Hilfe des potenziell berechneten jährlichen Ascheanfalls anteilig die Menge der Einzelstoffe ermittelt. Tabelle 6 fasst die Zahlen zusammen. Um zu ermitteln, welche Stoffe für eine weitere Betrachtung in Frage kommen, wird jeder Einzelstoff bzgl. seines Potenzials bewertet (Tabelle 3). Die Bewertung wird in den Abschnitten 7.1 bis 7.10 begründet. Zu (b) Potenzial des Stickstoffs im Klärschlamm Im Klärschlamm sind 25,2 g/kg TM Stickstoff enthalten (Tabelle 3, Abschnitt 2.3.2). Damit stehen jährlich in t Trockenmasse etwa t Stickstoff potenziell zur Verfügung. Für Stickstoff wird kein Potenzial für eine Rückgewinnung aus Klärschlamm erkannt (vgl. Tabelle 8). Die Begründung der Bewertung erfolgt in Abschnitt 7.11.

66 7 Potenzial von Inhaltsstoffen im Klärschlamm als Rohstoff 66 Tabelle 8: Potenziell zur Verfügung stehende Inhaltsstoffe in Klärschlammaschen und im Klärschlamm sowie Bewertung des Rohstoffpotenzials Parameter Durchschnitt aus Tabelle 5 Potenziell verfügbare Inhaltsstoffe jährlich Besteht ein Potenzial als Rohstoff? * 1 % t Al 0005, ja Ca 0009, nein Fe 0010, ja K 000, nein Mg 001, nein Na 000, nein P 007, ja S 000, nein Si 015, nein mg/kg N , ,00 nein As , nein Cd , nein Cr nein Cu nein Hg 0000<0,07 < 0,09 nein Mn nein Mo , nein Ni 00067,7 084 nein Pb nein Sn 00055,6 069 nein Tl 000<0,6 < 0,74 nein Zn nein Durchschnitt nach Deike et al. [2001] Si 15,8 % nein Wert aus Tabelle 3 N 25,2 g/kg nein * 1 vgl. Abschnitt 7.1 bis 7.11 zur Bewertung der Einzelpotenziale Bei der Bestimmung der potenziell zur Verfügung stehenden Inhaltsstoffe handelt es sich um eine grobe Abschätzung. So ist z. B. der Durchschnittswert über das Auftreten der Einzelstoffe nur ein Orientierungswert, da die 11 Verbrennungsanlagen unterschiedliche Kapazitäten haben und damit unterschiedliche Mengen an Asche entstehen.

67 7 Potenzial von Inhaltsstoffen im Klärschlamm als Rohstoff 67 Darüber hinaus ist die Zusammensetzung der Klärschlammasche in Abhängigkeit von der Klärschlammzusammensetzung sehr starken Schwankungen unterworfen, weshalb anzunehmen ist, dass auch die Einzelwerte einer Anlage über einen Zeitraum von z. B. einem Jahr sehr streuen können. Auch die berechnete Menge an Klärschlammasche die entstehen würde, wenn der gesamte Klärschlammanfall Deutschlands verbrannt werden würde, ist nur eine grobe Abschätzung. Tatsächlich verbleiben bei der Verbrennung von Klärschlamm in Abhängigkeit vom Anteil der mineralischen und organischen Substanz unterschiedliche Mengen an Asche. Abbildung 4 (Abschnitt 3.6) zeigt beispielsweise Klärschlämme mit typischen Ascheanteilen zwischen 40 und 50 %. Dass die Zahlen hier dennoch ausreichend sind, um Aussagen über das Potenzial der Inhaltsstoffe als Rohstoff abzuleiten, sei am Beispiel Phosphor aufgezeigt. Kabbe schätzt in einem Vortrag über die Perspektiven der Phosphorrückgewinnung in Deutschland, dass im gesamten jährlichen Klärschlammstoffstrom t P enthalten sind [Kabbe 2010a]. Im Vergleich zur ermittelten Menge in Tabelle 8 von knapp t Phosphor bewegen sich beide Schätzungen in etwa in der gleichen Größenordnung. In den folgenden Abschnitten 7.1 bis 7.11 wird erläutert, weshalb für die in der Asche enthaltenen Inhaltsstoffe ein Potenzial erkannt oder nicht erkannt wurde (s. Tabelle 8). Die technische Machbarkeit zur Rückgewinnung wird separat in Abschnitt 8 beschrieben. 7.1 Aluminium Aluminium ist ein begrenzt verfügbarer Rohstoff, und die Nachfrage am Weltmarkt steigt, womit der Rohstoff immer teurer und eine Rückgewinnung interessanter wird. Darüber hinaus ist die Herstellung von Aluminium sehr energieaufwändig. Die Gewinnung von Aluminium erfolgt in mehreren Arbeitsschritten aus dem Erz Bauxit, welches zu etwa 50 bis 75 % aus Aluminiumoxiden und Hydroxiden besteht [Umweltlexikon 2011]. Im Jahr 2007 hat Deutschland etwa 3,2 Mio. t Aluminiumerz importiert [Buyny/Lauber 2009]. Zur Herstellung von 1 t Aluminium werden etwa 4 t Bauxit benötigt [Umweltlexikon 2011]. Würden jährlich die etwa t Aluminium aus der Klärschlammasche vollständig zurück gewonnen werden, so könnten demnach etwa t Bauxit eingespart werden. Dies entspricht immerhin einem Anteil von 8,7 %. In der Klärschlammasche liegt Aluminium mit einem durchschnittlichen Anteil von über 5,6 % vergleichsweise in großen Anteilen vor. Aufgrund der steigenden Rohstoffkosten wird ein deutliches Potenzial für eine Rückgewinnung erkannt und in dieser Arbeit in Abschnitt näher beleuchtet wird.

68 7 Potenzial von Inhaltsstoffen im Klärschlamm als Rohstoff Kalzium Der Kalziumgehalt in der Klärschlammasche von über 9 % ist relativ hoch im Vergleich zu anderen Inhaltsstoffen. Zurück geführt wird dies einerseits auf das ohnehin im Wasser enthaltene Kalziumcarbonat als Härtebildner und andererseits durch die Zugabe von Kalk zum Rohschlamm, um eine bessere Entwässerbarkeit zu erreichen (s. Abschnitt 2.3). Ein Potenzial für eine Rückgewinnung wird trotz des hohen Gehaltes nicht gesehen. Kalzium ist ein sehr häufig vorkommendes Element, welches leicht abbaubar ist und am Markt einen geringen Rohstoffpreis erzielt. Es wäre daher ökonomisch nicht sinnvoll, Kalzium aus der Klärschlammasche zurück zu gewinnen. 7.3 Eisen Eisen ist weit verfügbar und ist mit einem 95 %-igen Gewichtsanteil an genutzten Metallen das weltweit am meisten verwendete Metall. Es wird in der Industrie als Hauptbestandteil des Stahls in großen Mengen benötigt. Der bergmännische Abbau und die Aufbereitung des Eisenerzes gehen mit großen Umweltbelastungen einher. Eisen wird i. d. R. durch Einschmelzen von Schrott zurück gewonnen. In der Klärschlammasche macht Eisen mit einem Anteil von über 10 % den größten Anteil aus. Obwohl es weit verfügbar ist und aktuell kein großer Bedarf besteht, könnte ein Potenzial für eine Rückgewinnung aus der Klärschlammasche bestehen, da Eisen sich aufgrund seines Magnetismus leicht aus Abfällen zurückgewinnen lässt. Die technische Machbarkeit wird in Abschnitt betrachtet. 7.4 Kalium Kalium kommt als Element weltweit häufig vor. Da Kalium gut löslich ist, bleibt der größte Teil des im Abwasser enthaltenen Kaliums in der flüssigen Phase. Nur ein Teil des Kaliums akkumuliert sich durch den Aufbau von Biomasse im Klärschlamm. Bischofsberger [2005] schätzt, dass das Wertstoffpotenzial von Kalium im gesamten kommunalen Abwasser Deutschlands etwa t beträgt. Im Klärschlamm sind nach Tabelle 8 (Abschnitt 7) dahingegen lediglich knapp t enthalten. Eine Rückgewinnung von Kalium aus dem Klärschlamm wäre aus ökonomischen Gründen nicht sinnvoll. Über eine Rückgewinnung aus dem Abwasserstrom könnten Überlegungen getroffen werden, da Kalium als Bestandteil von Düngemitteln in großen Mengen benötigt wird.

69 7 Potenzial von Inhaltsstoffen im Klärschlamm als Rohstoff Magnesium Magnesium ist ein auf der Erde häufig vorkommendes Element und hat auf den Rohstoffmärkten nur eine geringe Bedeutung. Es wird entweder in Elektrolyseanlagen aus dem Meerwasser gewonnen oder aus sedimentären Dolomitgesteinen, die weltweit sehr verbreitet sind [FinanzBuch Verlag 2010]. Aufgrund seiner guten Wasserlöslichkeit, wird davon ausgegangen, dass das Magnesium bei der Abwasserreinigung in der flüssigen Phase verbleibt und wie Kalium ausschließlich über den Aufbau von Biomasse in den Klärschlamm überführt wird. Eine ökonomische Rückgewinnung aus dem Klärschlamm erscheint daher unwahrscheinlich. 7.6 Natrium Natrium ist kein Wertstoff im Klärschlamm. Es ist ebenfalls ein auf der Erde häufig vorkommendes Element, welches wegen seiner hohen Reaktivität nicht in Reinform sondern als Salz vorliegt. Die Gewinnung von Natrium erfolgt vor allem durch Schmelzflusselektrolyse aus trockenem Natriumchlorid. 7.7 Phosphor Phosphor ist ein essentieller Bestandteil in jeder Zelle aller lebenden Organismen. Es ist ein Schlüsselelement in der DNA (Desoxyribonukleinsäure) der Erbinformation der Zelle und des ATP (Adenosintriphosphat) als Energiespeicher und überträger. Knochen und Zähne bestehen vor allem aus einer Kalziumphosphatverbindung (Hydroxylapatit) und im Blutplasma wirken Phosphate als Puffer [Hermann 2009]. Pflanzen gewinnen Phosphor ausschließlich aus dem Boden, weshalb dieser bei landwirtschaftlich genutzten Flächen durch Dünger hinzu geführt werden muss, um die Pflanzen kontinuierlich mit Nährstoff zu versorgen. Dies erfolgt in Form von organischen Düngern (Wirtschaftsdünger) oder mineralischen Düngern. Die Zugabe von mineralischen Düngern ist unerlässlich, um die Ernährung der Erdbevölkerung sicher zu stellen. Sie werden aus Lagerstätten mit Phosphaterz bergmännisch gewonnen [Hermann 2009]. Weltweit werden jährlich rund 100 Mio. t Rohphosphat in kontinentalen Lagerstätten abgebaut, wovon 90 % für die Produktion von Düngemitteln für die Nahrungs- und Futtermittelindustrie verwendet werden. Über einen Großteil der Phosphorreserven verfügen nur wenige Länder, wobei China und Marokko über knapp 70 % der Weltreserven verfügen. Der Handel mit dem Rohstoff erfolgt durch nur wenige Minengesellschaften, wobei fünf Gesellschaften 75 % des Welthandels kontrollieren [Hermann 2009]. Diese Verteilung birgt in sich ein großes Konfliktpotenzial und muss hinsichtlich der Versorgungssicherheit der Erdbevölkerung als bedenklich eingestuft werden [Kabbe 2010a].

70 7 Potenzial von Inhaltsstoffen im Klärschlamm als Rohstoff 70 Rohphosphate aus sedimentären Lagerstätten enthalten hohe Konzentrationen an Uran und Cadmium, die oft vollständig in den Dünger übergehen. Die Cd-Gehalte haben in der EU zu einer bisher ergebnislosen Diskussion über die Festlegung von Grenzwerten in der Europäischen Düngemittelverordnung geführt. In Deutschland besteht ein Grenzwert von 50 mg/kg P 2 O 5 [Hermann 2009]. Über die Uran-Gehalte gibt es bisher keine verlässlichen Angaben. Das Braunschweiger Bundesforschungsinstitut für Kulturpflanzen JKI empfiehlt eine Begrenzung des Uran-Eintrages mit 5 mg/kg Dünger [Hermann 2009]. Einige Geologen prognostizieren eine begrenzte statische Reichweite der Phosphatreserven von etwa 100 Jahren. Andere hingegen gehen von einer absehbar unbeschränkten Verfügbarkeit der Lagerstätten aus, wobei sie die Annahme zu Grunde legen, dass auch künftig genauso viele Phosphatlagerstätten entdeckt werden wie in der Vergangenheit und die berechenbare Reichweite damit relativ konstant bleibt [Hermann 2009]. Im Jahr 2007 führte die Schließung von zwei Phosphatminen in den USA und eine erhöhte Nachfrage nach Düngemitteln zu erheblichen Lieferengpässen bei Rohphosphat und Phosphatdüngern, was zu einer sprunghaften Preisentwicklung führte. Die bisher wissenschaftliche Diskussion, ob auch zukünftige Generationen über genügend Phosphorreserven verfügen und damit ausreichend Nahrungsmittel für die Weltbevölkerung produzieren können, ist damit in die Öffentlichkeit gelangt [Hermann 2009]. Der Verbrauch an mineralischem Phosphatdünger lag in Deutschland in den letzten Jahren bei etwa t pro Jahr. Als Wirtschaftsdünger wurden zudem jährlich etwa t Phosphor ausgebracht [Kabbe 2010a]. Ein bedeutender Anteil an mineralischem Phosphatdünger könnte durch den in Klärschlammasche enthaltenen Phosphor von knapp t (s. Tabelle 8; Abschnitt 7) gedeckt werden. Damit könnte Klärschlamm in der Zukunft als Rohstofflieferant für Phosphor dienen. Tatsächlich existieren für Phosphor bereits seit vielen Jahren technische Verfahren, um diesen aus Klärschlamm und Klärschlammasche zurück zu gewinnen und zu Düngern aufzubereiten (s. Abschnitt 8.1). 7.8 Schwefel Die Gewinnung von elementarem Rohschwefel erfolgt in geologischen Lagerstätten. Schwefelhaltige Verbindungen kommen z. B. in Erdöl, Erdgas und Kohle vor. So fällt Schwefel bei der Entschwefelung von Erdöl in großen Mengen als Abfallprodukt an. Als Sulfat steht Schwefel praktisch unbegrenzt zur Verfügung. Klärschlamm kommt als Rohstofflieferant für Schwefel somit weder jetzt noch in Zukunft in Betracht.

71 7 Potenzial von Inhaltsstoffen im Klärschlamm als Rohstoff Schwermetalle Die Schwermetalle As, Cd, Cr, Cu, Hg, Mn, Mo, Ni, Pb, Sn, Tl und Zn sind aufgrund ihrer geringen Gehalte in der Klärschlammasche nicht für eine Rückgewinnung geeignet. Darüber hinaus gehen die Schwermetallgehalte in Klärschlämmen in Deutschland zurück (Abschnitt 2.3.3: Abbildung 1). Alle genannten Schwermetalle werden in der Industrie für spezielle Anwendungen benötigt. Bei einigen von ihnen steigt der Bedarf weltweit auf den Rohstoffmärkten, und sie werden zu hohen Preisen gehandelt (z. B. Kupfer, Nickel, Zinn). Dahingegen fallen andere (z. B. Arsen, Cadmium) in industriellen Aufbereitungsprozessen als Nebenprodukt an. Sie sind daher in ausreichend großen Mengen vorhanden und stellen wegen ihrer hohen Giftigkeit eher ein Entsorgungsproblem dar. Bislang werden Filterstäube und Rückstände aus der Rauchgasreinigung durch Deponierung beseitigt. Für einen nachhaltigen Umgang mit Schwermetallen als Rohstoff empfehlen sich daher Bestrebungen, ihren Gehalt in den Klärschlämmen zu reduzieren. Darüber besteht durch die DüMV in Deutschland (s. Abschnitt 5.3.2) und durch das europäische Düngemittelrecht ein Anreiz, den Schwermetallgehalt bei einer Nutzung der aufbereiteten Asche als Düngemittel gering zu halten Silizium Silizium gelangt in den Klärschlamm über den in die Kläranlage eingetragenen und nicht über den Sandfang beseitigten Sand. Mit einem durchschnittlichen Anteil von 15,8 % besteht Klärschlammasche zum größten Teil aus Silizium. Bei der Verbrennung des gesamten in Deutschland anfallenden Schlamms in Monoverbrennungsanlagen würden jährlich knapp t Silizium für eine Rückgewinnung zur Verfügung stehen. Silizium ist jedoch das zweithäufigste Element auf der Erde nach dem Sauerstoff. Es kommt vor allem in Mineralen und als Siliziumdioxid vor. Zum Beispiel besteht Sand vorwiegend aus Siliziumdioxid. Elementares Silizium kann durch Reduktion des Siliziumdioxid einfach gewonnen werden. Ein Potenzial für eine Rückgewinnung aus Klärschlamm besteht aus diesen Gründen nicht Stickstoff Stickstoff wird vor allem durch die biologische Nitrifikation/Denitrifikation aus dem Abwasser entfernt und entweicht in die Atmosphäre. Ein wesentlich geringerer Anteil geht durch den Einbau in die Biomasse der Mikroorganismen in den Klärschlamm über. Eine Rückgewinnung von Stickstoff aus Klärschlamm ist daher nicht sinnvoll.

72 7 Potenzial von Inhaltsstoffen im Klärschlamm als Rohstoff 72 In der kommunalen Abwasserreinigung wird durch die Verfahren der Nitrifikation und Denitrifikation der für das Pflanzenwachstum wertvolle Ammoniumstickstoff in molekularen Stickstoff umgewandelt. Demgegenüber wird, meist im Haber-Bosch-Verfahren, aus Luftstickstoff und Wasser Stickstoffdünger produziert. Beide Prozesse sind gegenläufig und verbrauchen Energie, weshalb es durchaus Sinn machen würde, die organischen Stickstoffverbindungen aus dem Abwasserstrom zurück zu gewinnen [Bischofsberger 2005]. Dies kann im Rahmen dieser Arbeit nicht weiter betrachtet werden. Da es aber ein interessanter Ansatz ist, wird empfohlen hier die Forschungsarbeit zu intensivieren Zusammenfassende Betrachtung Zur Ermittlung des Potenzials von Inhaltsstoffen im Klärschlamm und in der Klärschlammasche als Rohstoff, wurden Aspekte zur Verfügbarkeit der Rohstoffe, zum Aufwand der Rückgewinnung und zum Gehalt im Klärschlamm bewertet. Für die im Klärschlamm und in der Klärschlammasche enthaltenen Inhaltsstoffe Aluminium, Eisen und Phosphor, wurde ein Potenzial für eine Rückgewinnung erkannt. Die Nährstoffe Kalium und Stickstoff haben im Klärschlamm zwar kein Potenzial als Rohstoff, allerdings sollten über eine Rückgewinnung aus dem Abwasserstrom Überlegungen getroffen werden. Für Phosphor, Aluminium und Eisen wurde ein Rückgewinnungspotenzial erkannt. Die technische Machbarkeit wird in Abschnitt 8 betrachtet.

73 8 Rückgewinnung von Rohstoffen aus Klärschlamm 73 8 Rückgewinnung von Rohstoffen aus Klärschlamm In Abschnitt 7 wurde heraus gearbeitet, dass für den Nährstoff Phosphor und die Metalle Aluminium und Eisen ein Potenzial für eine Rückgewinnung besteht. Für Phosphor ist das hohe Rohstoffpotenzial seit langem bekannt und es gibt eine Reihe von technischen Verfahren zur Rückgewinnung. Ein Überblick über die Verfahren, eine Bewertung von Fachleuten, welche Technologiepfade zukünftig zum Tragen kommen und welche Aspekte dabei eine wichtige Rolle spielen erfolgt in Abschnitt 8.1. In Abschnitt 8.2 wird geprüft, ob es machbar ist, die Metalle Aluminium und Eisen aus Klärschlamm zurück zu gewinnen. 8.1 Verfahren zur Rückgewinnung von Phosphor Das im Abwasser enthaltene Phosphat gelangt zum größten Teil über die menschlichen Ausscheidungen in die Kläranlage, wo es verschiedene Ansatzpunkte für eine Rückgewinnung gibt (Abbildung 15). Abbildung 15: Phosphatströme in der Kläranlage [Horn et al. 2010] Nach Horn et al. [2010] ist der Zulauf nicht geeignet, da die Konzentration zu gering ist und Phosphat noch für die biologische Reinigung zur Verfügung stehen muss. Damit bleiben als Ansatzpunkte der Kläranlagenablauf, der Faulschlamm und die Asche. Beim Klärschlamm ist dabei eine Rückgewinnung entweder aus dem abgetrennten Schlammwasser oder dem gesamten Schlamm möglich. Bereits die Wahl des Ansatzpunktes ist entscheidend für die Menge an Phosphor, die recycelt werden kann: Wird Phosphor dem Abwasser in der Kläranlage entzogen, so ist der Gehalt im Ablauf gering und im Klärschlamm hoch. Allerdings ist die Rückgewinnung aus Schlamm schwieriger, da der Schlamm viele weitere organische Substanzen