Phosphor für die Landwirtschaft Strategien für eine endliche Ressource

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1 Phosphor für die Landwirtschaft Strategien für eine endliche Ressource 11. Juni 2014 Potsdam-Bornim Mit Unterstützung durch: Bornimer Agrartechnische Berichte Heft 86 Potsdam-Bornim 2014

2 Phosphor für die Landwirtschaft Strategien für eine endliche Ressource Workshop 11. Juni 2014 Potsdam-Bornim Bornimer Agrartechnische Berichte Heft 86 Potsdam-Bornim 2014

3 Herausgeber: Leibniz-Institut für Agrartechnik Potsdam-Bornim e.v. Max-Eyth-Allee Potsdam-Bornim (0331) Fax.: (0331) Internet: Dezember 2014 Redaktion: Dr. Jürgen Kern Typografische Gestaltung: Andrea Gabbert Regina Hager Rieke Naase Herausgegeben vom mit Förderung durch das Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL) und das Ministerium für Wissenschaft, Forschung und Kultur des Landes Brandenburg (MWFK). Für den Inhalt der Beiträge zeichnen die Autoren verantwortlich. Eine Weiterveröffentlichung von Teilen ist unter Quellenangabe und mit Zustimmung des Leibniz- Instituts für Agrartechnik Potsdam-Bornim e.v. möglich. Leibniz-Institut für Agrartechnik Potsdam-Bornim e.v., 2014

4 Phosphor für die Landwirtschaft Strategien für eine endliche Ressource 3 Inhaltsverzeichnis Seite page Vorwort 5 Phosphor für die Landwirtschaft Strategien für eine endliche Ressource Phosphorus for agriculture strategies for a limited resource Jürgen Kern Stand der Phosphor-Elimination in Deutschland und Potential für die Rückgewinnung State of the phosphorus elimination in Germany and potentials of P-recycling Matthias Barjenbruch Vom Betriebsproblem zum marktfähigen Produkt Berliner Pflanze Phosphorrückgewinnung in der Kläranlage Waßmannsdorf From an operation problem to the marketable product Berliner Pflanze Phosphorus recycling in the wastewater treatment plant Waßmannsdorf Bernd Heinzmann, Andreas Lengemann Chancen für Phosphorrückgewinnung und -recycling aus dem Abwasserpfad in Europa Opportunities for advanced P recovery and recycling from wastewater in Europe Christian Kabbe Nährstoffversorgung Brandenburger Ackerböden Nutrition supply of arable land in the German Federal State of Brandenburg Jörg Zimmer, Frank Ellmer, Bärbel Kroschewski Pflanzenbauliche Phosphor-Nutzung aus Reststoffen ein Beitrag zum Ressourcenschutz Phosphorus recycling with waste products in cropping systems a contribution to resource conservation Bettina Eichler-Löbermann, Silvia Bachmann, Katja Schiemenz, Ralf Uptmoor Thermochemische Verfahren zur Düngemittelherstellung im EU-Projekt P-REX Thermochemical treatments for fertilizer production in the EU-project P-REX Hannes Herzel, Jan Stemann, Christian Adam, Oliver Krüger, Ludwig Hermann Wie kann Phosphor aus Rückgewinnungsprozessen in der Mineraldüngerproduktion verwendet werden? The potential use of recycled phosphorus in mineral fertilizer production Georg Ebert

5 4 Phosphor für die Landwirtschaft Strategien für eine endliche Ressource Phosphor-Quellen für den Landwirtschaftsbetrieb Phosphorus sources for the agricultural enterprise Detlef May, Linda Schalow, Markus Winzeler Regionale Phosphorströme in Berlin-Brandenburg Regional phosphorus fluxes in Berlin-Brandenburg Tim Theobald, Mark Schipper Ökonomische Handlungsspielräume für die MAP-Struvit-Produktion und Anwendung in Berlin-Brandenburg Economic opportunities for the production and application of struvite in Berlin-Brandenburg Oliver Maaß, Katrin Daedlow, Philipp Grundmann In der Reihe Bornimer Agrartechnische Berichte sind bisher erschienen:

6 Phosphor für die Landwirtschaft Strategien für eine endliche Ressource 5 Vorwort Phosphor ist ein essentieller Nährstoff für Pflanze, Tier und Mensch. Für die landwirtschaftliche Produktion ist Phosphor-Dünger unverzichtbar, um pflanzliche Erträge - und damit die Ernährung der weiter wachsenden Weltbevölkerung zu sichern. Phosphor ist aber eine endliche Ressource. Die globalen Vorräte sind auf wenige Regionen der Erde beschränkt, ihre Erschließung ist mit steigendem Kosten- und Energieaufwand und mit Umweltbelastungen verbunden. In diesem Sinne ist es von großem Interesse, vorhandene Reserven zu schonen, die Effizienz der Nutzung zu verbessern und Kreisläufe auf regionaler Ebene zu schließen. Unter dem Motto Phosphor für die Landwirtschaft Strategien für eine endliche Ressource fand am 11. Juni 2014 am ATB ein interdisziplinärer Workshop statt. Vertreter aus Wissenschaft, Wirtschaft und Politik waren eingeladen, über den aktuellen Stand des Phosphor-Recyclings miteinander zu diskutieren. Welche Potentiale zur Phosphor- Rückgewinnung bieten Abwasser und Abfallstrom? Wie können sie für die Landwirtschaft nutzbar gemacht werden? Ergebnisse aktueller Forschungsarbeiten, erste Umsetzungsansätze und der weitere Forschungsbedarf in den Bereichen Wasserwirtschaft, Nährstoffversorgung in der Landwirtschaft und Bewertung wurden vorgestellt. Beteiligt waren unter anderem die Europäische Phosphor-Plattform, der Rostocker Wissenschaftscampus Phosphor, Landwirte und die Düngemittelindustrie. Die lebendige Diskussion zwischen Landwirtschaft und Wasserwirtschaft war ein Beleg für die hohe Aktualität des Themas. Der Workshop fand im Rahmen des BMBF-geförderten Projekts Entwicklung eines integrierten Landmanagements durch nachhaltige Wasser- und Stoffnutzung in Nordostdeutschland (ELaN) statt und wurde durch die Berliner Wasserbetriebe unterstützt. Seit über zehn Jahren kooperiert das ATB mit den Berliner Wasserbetrieben an der Schnittstelle zwischen Abwasserreinigung und Nährstoffrückführung in die Landwirtschaft. Ein Ergebnis ist, dass Magnesium-Ammonium-Phosphat (MAP), das bei der Schlammbehandlung in der Kläranlage Waßmannsdorf entsteht, seit 2008 als Düngemittel in Verkehr gebracht werden kann. Prof. Dr. Reiner Brunsch Potsdam, Wissenschaftlicher Direktor des ATB

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8 Phosphor für die Landwirtschaft Strategien für eine endliche Ressource 7 Phosphor für die Landwirtschaft Strategien für eine endliche Ressource Phosphorus for agriculture strategies for a limited resource Jürgen Kern Leibniz-Institut für Agrartechnik Potsdam-Bornim e.v., Max-Eyth-Allee 100, Potsdam jkern@atb-potsdam.de Zusammenfassung: Phosphor ist essenziell für die menschliche Ernährung und muss daher für die Pflanzenproduktion in ausreichendem Maß im Boden zur Verfügung stehen. Die herkömmliche Düngung mit Mineralphosphor ist begrenzt, da die Lagerstätten in absehbarer Zeit erschöpft sein werden. Aus diesem Grund ist ein neuer, nachhaltiger Umgang mit Phosphor erforderlich. Unter verschiedenen Verfahren des Phosphor- Recyclings, hat sich das Kristallisationsverfahren von Magnesium-Ammonium-Phosphat (MAP) besonders bewährt, da es den Anforderungen an Düngemittel besonders gut entspricht. Zukünftige Anstrengungen richten sich auf die Etablierung reststoffbürtiger Düngemittel in der Landwirtschaft. Schlagwörter: Nachhaltige Entwicklung, Gewässereutrophierung, Phosphorressourcen, Nährstoffversorgung, Recycling, MAP Abstract: Phosphorus is essential for the human nutrition and has to be supplied sufficiently in the soil for plant production. Traditional fertilization with phosphorus minerals is limited, since the natural mineral deposits will be exhausted in the foreseeable future. This requires a new and sustainable use of phosphorus. Among different techniques to recycle phosphorus the crystallization of struvite stood very well the test for a mineral fertilizer. Future efforts will focus on the establishment of new fertilizers for agriculture, which derive from residues. Keywords: Sustainable development, water eutrophication, phosphorus sources, nutrient supply, recycling, struvite

9 8 Kern 1 Einleitung Kein anderes Element kann die vielfältigen und für alle Lebewesen essenziellen Aufgaben von Phosphor übernehmen. Phosphor ist Bestandteil von Knochen, Zähnen und der DNA und spielt eine entscheidende Rolle beim Energiestoffwechsel von Zellen. Mit der wachsenden Bevölkerung und zunehmendem Nahrungsbedarf erhöht sich auch der Bedarf an Phosphor. Die EU-Kommission schätzt, dass sich der Phosphorbedarf bis zum Jahr 2050 um etwa 50 % erhöhen wird (EUROPEAN COMMISSION 2013). Die größten Phosphorlagerstätten sind in Nordafrika und China zu finden. Insgesamt werden jährlich etwa 130 Millionen Tonnen Phosphatgestein abgebaut und zu Dünger verarbeitet. Als 2008 der Preis für Phosphordünger um 300 % anstieg und die Nahrungsmittelpreise nach oben trieb, wurde die Abhängigkeit des Weltmarkts von wenigen Exportländern von Phosphor besonders deutlich. Ein neuer, nachhaltiger Umgang mit der Nährstoffressource Phosphor ist daher dringend notwendig. In seinem 2014 veröffentlichten Zielkatalog für nachhaltige Entwicklung bezieht der Wissenschaftliche Beirat der Bundesregierung sehr deutlich Stellung zum globalen Verlust von Phosphor. Danach soll bis zum Jahr 2050 die Freisetzung nicht rückgewinnbaren Phosphors gestoppt und seine Kreislaufführung weltweit erreicht werden (WBGU 2014). Auf nationaler Ebene gibt es inzwischen diverse Forschungsvorhaben, die auf eine effizientere und nachhaltigere Nutzung von Phosphor abzielen. Aus dem laufenden BMBFgeförderten Projekt Entwicklung eines integrierten Landmanagements durch nachhaltige Wasser- und Stoffnutzung in Nordostdeutschland (ELaN) werden in diesem Band die Arbeiten zweier Teilprojekte vorgestellt (THEOBALD & SCHIPPER S. 88 und MAAß et al. S. 101), deren Zielrichtung in Abbildung 1 veranschaulicht ist. Bei Einsparung von mineralischen Phosphordüngemitteln kann die Kreislaufführung von Phosphor, also die Rückführung von abwasser- und reststoffbürtigem Phosphor als Dünger einen wichtigen Beitrag leisten die landwirtschaftliche Produktivität zu erhalten. Gleichzeitig trägt der schonende Einsatz von Phosphordüngemitteln dazu bei den P-Austrag in Flüsse und Seen und dessen Verfrachtung in Nord- und Ostsee zu reduzieren. Zu den relevanten Phosphorquellen gehören vor allem Abwässer und Klärschlämme: ihre Aufbereitung verspricht eine reiche Phosphorausbeute. In diesem Band stellen BARJENBRUCH (S. 15), HEINZMANN & LENGEMANN (S. 26) sowie KABBE (S. 40) verschiedene Verfahren zum Recycling und zur Rückgewinnung von Phosphor vor. Die wichtigsten Fragen, die sich in diesem Zusammenhang stellen, sind die möglichen Belastungen der Produkte - zum Beispiel durch Schwermetalle sowie die Wirtschaftlichkeit der Rückgewinnungsverfahren und ihrer Phosphorprodukte (MAAß et al. S. 101).

10 Phosphor für die Landwirtschaft Strategien für eine endliche Ressource 9 Aktueller Stofffluss Angestrebter Stofffluss Abbildung 1: Vereinfachte Darstellung der Phosphorflüsse im Raum Berlin-Brandenburg 2 Geschichte der Phosphornutzung Auf der Suche nach dem Stein der Weisen entdeckte 1669 der deutsche Alchemist Hennig Brandt bei der Aufbereitung von Urin die elementare Form des Phosphor (ASH- LEY et al. 2011). Nach dieser Entdeckung beschränkte sich die Nutzung von Phosphor im 17. und 18. Jahrhundert in erster Linie auf medizinische Zwecke. Erst als 1840 Justus von Liebig die Düngewirksamkeit von Phosphorsalzen und anderen anorganischen Salzen erkannte, begann die regelmäßige Düngung mit Mineralsalzen. Mit zunehmender Bodendegradation stieg in den folgenden Jahrzehnten in ganz Europa die Nachfrage nach Düngemitteln. Die Verwendung calciumphosphathaltiger Knochenmehle war eines der ersten Mittel, um die Erträge landwirtschaftlicher Kulturen zu erhöhen. Mit der schnell wachsenden Bevölkerung und zunehmender Nahrungsmittelknappheit in der Zeit nach dem 2. Weltkrieg kam es zu einem rasanten Anstieg des Einsatzes von mineralischen Phosphordüngern. (Abbildung 2). Gegenwärtig hat die Abhängigkeit der Landwirtschaft von Rohphosphat bedrohliche Ausmaße angenommen: Auch wenn über die Vorräte der Phosphorreserven auf der Erde noch kontrovers diskutiert wird (ULRICH & FROSSARD 2014), kann nach Schätzung von VAN KAUWENBERGH (2010) davon ausgegangen werden, dass die P-Lagerstätten spätestens in 400 Jahren erschöpft sein werden. (EBERT S. 73). Ein Ausweg für die Zukunft dürfte allein darin bestehen, die Verluste zu verhindern und den Nährstoffkreislauf von Phosphor weitestgehend zu schließen (WBGU 2014).

11 10 Kern Abbildung 2: Verlauf der globalen Nutzung von Phosphordüngemitteln (nach CORDELL et al in ASHLEY et al. 2011) 3 Problemstoff Phosphor Phosphor gilt als das Element mit dem höchsten Eutrophierungspotenzial für Oberflächengewässer (OLIVEIRA & MACHADO 2013). Während das Nährelement Stickstoff in großer Menge in der Atmosphäre vorkommt und durch biologische Stickstofffixierung, z.b. bei Leguminosen/Rhizobien-Symbiosen oder von Cyanobakterien (Blaualgen), genutzt werden kann, ist in Gewässern Phosphor häufig der limitierende Nährstofffaktor. Aquatische Organismen können Stickstoffüberangebote nicht nutzen, solange Phosphor nicht in entsprechend hohen Konzentrationen vorkommt. Umgekehrt können bei hohen Phosphorkonzentrationen im Gewässer solche Organismen zum Zuge kommen, die in der Lage sind, atmosphärischen Stickstoff zu nutzen. Das ist bei Cyanobakterien der Fall, deren starkes Wachstum zu den allgemein bekannten Blaualgenblüten im Sommer führt. Der Eutrophierungsprozess von Gewässern beginnt bereits bei P-Konzentrationen ab 10 µg P/Liter (VOLLENWEIDER 1975). In den 80er und 90er-Jahren des letzten Jahrhunderts stellten weniger die diffusen Quellen aus der Landwirtschaft als vielmehr die Punktquellen aus dem Siedlungsbereich und der Industrie die Hauptbelastung von Phosphor für die Gewässer dar (Abbildung 3). Infolge der enormen Anstrengungen, die in den letzten 30 Jahren im kommunalen Bereich zur Gewässerreinhaltung unternommen wurden, hat sich das Bild inzwischen gewandelt. Der Ausbau von Kläranlagen, effiziente Verfahren der Phosphorelimination sowie die Umsetzung verschiedener Regelwerke wie z.b. die Phosphatverordnung von 1992 verringerten die Phosphoreinträge in die Oberflächengewässer Deutschlands um das Vierfache.

12 Gesamt-Einträge (Tonnen P / Jahr) Phosphor für die Landwirtschaft Strategien für eine endliche Ressource 11 90,000 80,000 70,000 60,000 Punktquellen Urbane Gebiete Drainagen Oberflächenabfluss Oberflächenabluss Erosion Grundwasser 50,000 40,000 30,000 20,000 10, Umweltbundesamt (2009) Abbildung 3: Phosphoreinträge in die Oberflächengewässer Deutschlands Das in der Europäischen Wasserrahmenrichtlinie von 2000 vereinbarte Ziel, die Gewässer in Deutschland bis zum Jahr 2015 in einen guten chemischen und ökologischen Zustand zu versetzen, wird mit hoher Wahrscheinlichkeit nicht erreicht. Die Notwendigkeit, Nährstoffausträge in die Gewässer zu minimieren und das bisher ungenutzte Phosphorpotenzial in den landwirtschaftlichen Kreislauf zurückzuführen, besteht weiterhin (DE-BASHAN & BASHAN 2004). 4 Phosphorbedarf in der Landwirtschaft Die Höhe des Phosphorbedarfs hängt wesentlich von der jeweiligen Pflanzenkultur und dem Vorrat an Phosphat im Boden ab. Entsprechend der Gehalte an extrahierbarem, also pflanzenverfügbarem Phosphat gibt es fünf Gehaltsklassen. Von Klasse A für unterversorgte Böden über Klasse C für optimal versorgte Böden bis hin zur Klasse E für überversorgte Böden (ZIMMER et al. S. 52). Im Düngungsmanagement zu berücksichtigen ist neben dem sofort pflanzenverfügbaren Phosphat auch der Anteil an Phosphor, der stärker an die Bodenmatrix gebunden ist und erst mittel- bis langfristig freigesetzt wird. Kalkulierbar sind diese von den Pflanzen zu erschließenden Bodenreserven derzeit allerdings noch nicht, da die im Boden lebenden Organismen und die Kulturpflanzen in komplexer Weise miteinander interagieren. So werden nach der Winterruhe bei niedrigen Bodentemperaturen auf der Ackerfläche zunächst nur geringe Mengen an

13 12 Kern Phosphaten durch Mineralisation freigesetzt. In dieser Zeit kann eine Phosphordüngung für das Pflanzenwachstum sehr wirkungsvoll sein. Die wichtigsten phosphorhaltigen Düngemittel für die landwirtschaftliche Produktion sind nach wie vor Wirtschaftsdünger wie Gülle, Mist oder auch Gärreste. Im Land Brandenburg stellen sie etwa 73 % der gesamten Phosphorzufuhr ( t im Jahr 2011) auf die Ackerflächen. Mineralische Düngemittel haben einen Anteil von 24 %, wobei hier die Belastung mit Cadmium und Uran ein zunehmendes Problem bei den Rohphosphaten aus Nordafrika darstellt. Etwa 3 % des Phosphors, der auf brandenburgischen Ackerflächen eingesetzt wird, stammt aus Klärschlämmen der Abwasserreinigung (Abbildung 4). Das Düngepotenzial von Klärschlämmen ist allerdings sehr viel höher, wenn auch solche Klärschlämme berücksichtigt werden, die thermisch verwertet werden. Die verbleibenden Aschen sind mit Phosphor, aber auch mit Schwermetallen angereichert, ihre Abtrennung stellt eine besondere Herausforderung dar (HERZEL S. 65). Abbildung 4: Herkunft der zum Einsatz gekommenen Phosphordünger im Land Brandenburg. (Angaben in Tonnen für das Jahr 2011) In Kürze ist eine lange diskutierte Novellierung der Klärschlamm-Verordnung von 1992 zu erwarten, die den Kreislaufgedanken weiter stärken wird, zugleich aber die Schadstoffgrenzwerte mit denen der Düngemittelverordnung harmonisieren dürfte. Damit werden neue Verfahren wie z.b. die MAP-Produktion in der Kläranlage Waßmannsdorf oder die Nutzung von Verbrennungsaschen gestärkt HEINZMANN & LENGEMANN (S. 26), KABBE (S. 40) und EICHLER-LÖBERMANN et al. (S. 56). Sehr detailliert gehen THEOBALD & SCHIPPER (S. 88) in ihrer Stoffstromanalyse für die Region Berlin-Brandenburg auf die verschiedenen Phosphor-Pfade an der Schnittstelle Siedlungswasser- und Abfallwirtschaft und Landwirtschaft ein. 5 MAP als neues Düngemittel Eine Möglichkeit zur Herstellung von phosphorhaltigem Dünger aus dem Abwasser ist das nasschemische Verfahren zur Gewinnung von Magnesium-Ammonium-Phosphat (NH 4 MgPO 4 * 6 H 2 O), das von den Berliner Wasserbetrieben entwickelt wurde. Dabei handelt es sich um ein Kristallisationsprodukt aus Klärschlamm, das als MAP bezeich-

14 Phosphor für die Landwirtschaft Strategien für eine endliche Ressource 13 net wird, einen Gesamtgehalt an Phosphor von etwa 9 % aufweist und sich gegenüber herkömmlicher mineralischer Phosphordüngemittel durch ausgesprochen niedrige Cadmiumgehalte ausweist (KERN et al. 2005). Erste Untersuchungen des in der Kläranlage Waßmannsdorf ausgefällten MAP erfolgten am ATB bereits im Jahr In Abstimmung mit dem Landesamt für Ländliche Entwicklung, Landwirtschaft und Flurneuordnung in Güterfelde erarbeiteten das ATB und die Humboldt-Universität zu Berlin die wissenschaftlichen Grundlagen für den Nachweis, dass MAP trotz seiner geringen Wasserlöslichkeit eine hervorragende Phosphorverfügbarkeit für Pflanzen besitzt. Dies konnte in Gefäßversuchen mit Weidelgras, Weizen und Mais gezeigt werden und erklärt sich aus der Tatsache, dass Phosphor an Magnesium weniger fest gebunden ist, als wenn eisen- und aluminiumhaltige Fällungsmittel zur P-Elimination eingesetzt würden (RÖMER 2006, KERN et al. 2008). Seit 2008 muss das anfallende MAP in der Kläranlage Waßmannsdorf nicht mehr kostenpflichtig entsorgt werden und kann als Düngemittel eingesetzt werden. Erste Anwendungsbeispiele in der Landwirtschaft sind in diesem Band beschrieben (MAY et al. S. 81). Damit leistet das von Berliner Wasserbetrieben entwickelte MAP-Verfahren in Zukunft eine wichtige Grundlage für die Herstellung eines sauberen und unbedenklichen Phosphordüngemittels für die Landwirtschaft. 6 Ausblick Ob Klärschlamm auch in Zukunft zur Düngung landwirtschaftlicher Flächen genutzt werden kann, ist nicht sicher. Eine seit längerer Zeit angekündigte Novellierung der Abfall- und Klärschlammverordnung wird voraussichtlich 2015 in Kraft treten. Dann werden die strengeren Grenzwerte der Düngemittelverordnung für sämtliche Parameter auch für Klärschlamm und andere organische Reststoffe gelten. Dies dürfte zu einer Einschränkung der bisherigen Klärschlammverwertung in der Landwirtschaft in Deutschland führen und neue Strategien zur Verwertung von Klärschlämmen nach sich ziehen. Verschiedene technische Verfahren zur Phosphorrückgewinnung wurden in den letzten Jahren entwickelt und erprobt, allerdings ist eine Wirtschaftlichkeit unter den gegenwärtigen Bedingungen in den meisten Fällen noch nicht gegeben. Es dürfte nur eine Frage der Zeit sein, bis mit dem erwarteten Preisanstieg für unbelastete mineralische Rohphosphate neue Recyclingprodukte konkurrenzfähig werden und auf den Markt kommen. Literatur ASHLEY K., CORDELL D., MAVINIC D. (2011): A brief history of phosphorus: From the philosopher s stone to nutrient recovery and reuse. Chemosphere 84: DE-BASHAN L.E., BASHAN Y. (2004): Recent advances in removing phosphorus from wastewater and its future use as fertilizer ( ). Water Research 38:

15 14 Kern EUROPEAN COMMISSION (2013): Sustainable phosphorus use. Science for Environment Policy, In-depth report, Issue 7 KERN J., HEINZMANN B., ENGEL G. (2005): Engpass bei Phosphor? Beispielhafte Rückgewinnung von Phosphor aus kommunalem Abwasser. Neue Landwirtschaft 4/2005: KERN J., HEINZMANN B., MARKUS B., KAUFMANN A.C., SOETHE N., ENGELS C. (2008): Recycling and assessment of struvite phosphorus from upgraded sewage sludge. Agricultural Engineering International: The CIGR Ejournal 10: CE RÖMER W. (2006): Vergleichende Untersuchungen zur Pflanzenverfügbarkeit von Phosphat aus verschiedenen P-Recycling-Produkten im Keimpflanzenversuch. J. Plant Nutr. Soil Sci. 169, S OLIVEIRA M., MACHADO A.V. (2013): The role of phosphorus on eutrophication: a historical review and future perspectives. Environmental Technology Reviews 2: pp ULRICH A.E., FROSSARD E. (2014): On the history of reoccurring concept: Phosphorus scarcity. Science of the Total Environment 490: UMWELTBUNDESAMT (2009): Strategiepapier: Förderung des Ökolandbaus als strategischer Beitrag zur Verringerung umweltbelastender Stoffströme aus der Landwirtschaft in die Umwelt VAN KAUWENBERGH S.J. (2010): World phosphate rock reserves and resources. Muscle Shoals, Alabama: IFDC International Fertilizer Development Center VOLLENWEIDER R. (1975): Input-Output models with special reference to the phosphorus loading concept in limnology. Schweiz. Z. f. Hydrolo. 37: WBGU (WISSENSCHAFTLICHER BEIRAT DER BUNDESREGIERUNG) GLOBALE UMWELTVERÄNDE- RUNGEN (2014): Zivilisatorischer Fortschritt innerhalb planetarischer Leitplanken. Politikpapier Nr. 8, SDG-Debatte

16 Phosphor für die Landwirtschaft Strategien für eine endliche Ressource 15 Stand der Phosphor-Elimination in Deutschland und Potential für die Rückgewinnung State of the phosphorus elimination in Germany and potentials of P-recycling Matthias Barjenbruch Fachgebiet Siedlungswasserwirtschaft, Institut für Bauingenieurwesen, TU Berlin Gustav-Meyer-Allee 25, Berlin Tel.: +49 / (0) 30 / , Fax: +49 / (0) 30 / matthias.barjenbruch@tu-berlin.de Zusammenfassung: In den meisten stehenden Gewässern ist der Phosphorgehalt der limitierende Faktor für die Eutrophierung. Daher ist die Phosphoremission aus kommunalen Kläranlagen in Deutschland durch die Abwasserverordnung gesetzlich begrenzt. Kläranlagen ab einer Ausbaugröße von E müssen 2,0 mg P/L und ab > E sogar 1,0 mg P/l im Ablauf unterschreiten. Der P-Zulaufgehalt ist regional unterschiedlich und schwankt zwischen 6,0 14,5 mg/l. Der rein menschliche Anteil beträgt etwa 1,5 g P/(E d), weitere 0,3 g/(e d) stammen aus maschinellen Geschirrspülmitteln und gewerblichen Quellen. Insgesamt stellen die Phosphoreinträge aus kommunalen Kläranlagen etwa 35 % der gesamten Phosphoremissionen. Zur P-Elimination können chemische und biologische Verfahren eingesetzt werden, wobei derzeit deutschlandweit ein Abbaugrad von ca. 92 % erreicht wird. Bilanziert man über die mittleren Zu- und Ablaufkonzentrationen und die behandelte Abwassermenge von 10 Mrd. m³ ergibt sich theoretisch ein jährliches P-Rückgewinnungspotential von rund t Phosphor. Schlagwörter: Chemische und biologische P-Elimination, Potenzial der P-Rückgewinnung, kommunale Kläranlagen 1 Bedeutung und Schadwirkung von Phosphor im Gewässer Phosphor ist das elfthäufigste Element der Erdkruste und besitzt essentielle Funktionen in vielen biochemischen und physiologischen Prozessen wie z.b. Adenosin-Tri- Phosphat (ATP) als Energieträger im Zellstoffwechsel. Auf Grund seiner hohen Reaktivität tritt Phosphor in der Natur immer in Verbindung mit anderen Elementen auf. Phosphor ist ein essentieller Nährstoff, der insbesondere das Pflanzenwachstum begünstigt und daher im Gewässer eutrophierend wirken kann. Aus dem Grund ist in der Abwasserverordnung die zulässige Phosphorkonzentration in Abhängigkeit der Kläranlagengröße begrenzt. Phosphor ist in den meisten Nahrungsmitteln enthalten und gelangt u.a. über menschliche Ausscheidungen ins Abwasser. Als wichtiger Pflanzendünger wird Phosphat vor-

17 16 Barjenbruch wiegend in Marokko, Mexiko, Russland oder auch Chile (Guano) abgebaut und zum überwiegenden Anteil zur Herstellung von Düngemitteln importiert. Die Vorräte sind jedoch begrenzt. Schätzung prognostizieren, dass in Abhängigkeit des Wachstums der Weltbevölkerung die Vorkommen noch Jahre ausreichen, so dass zukünftig Maßnahmen des P-Recycling vorzusehen sind, dessen Potentiale aus dem Abwasser unter anderem im Folgenden erörtert werden sollen. Durch den Phosphateintrag in die Gewässer kann eine Eutrophierung schon im unteren Mikrogrammbereich einsetzen, was den Sauerstoffhaushalt negativ beeinflusst. In stehenden Gewässern beginnt das Eutrophierungspotential bereits ab 5 bis 10 μg P/l. In den meisten stehenden Gewässern bestimmt der Phosphorgehalt das Maß des Algenwachstums. Folgende negative Auswirkungen können durch erhöhte P-Konzentrationen in stehenden, stauregulierten, langsam fließenden Gewässern und in der Nord- und Ostsee auftreten: - Massenhaftes Algenwachstum mit Verkrautung und Veralgung - verstärkte Trübung und Änderung der Wasserbeschaffenheit (ph-wert; O 2 - Gehalt etc.) - Sauerstoffverbrauch beim Abbau der vermehrten Biomasse - Remobilisierung von Phosphaten und Schwermetallen im anaeroben Milieu - Störung der Trinkwasseraufbereitung durch Entstehung algenbürtiger Problemstoffe - Verschlechterung der Badegewässerqualität (z.b. durch Blaualgen oder deren Toxine) Aus gewässergütewirtschaftlicher Sicht leiten sich unter Immissionsaspekten die Orientierungswerte von den Qualitätsnormen entsprechend der Oberflächengewässer- Richtlinie (2011) ab: - 50 µg/l P alle Fließgewässertypen außer Marschgewässer (sehr guter ökologischer Zustand gemäß OGEWV (2011) - für eutrophe Seen: ges. P ~ µg/l; z.b. wird für den Tegeler See ein Zielwert von < µg P/l angestrebt (REHFELD-KLEIN 2012) 2 Aktuelle Situation der Wasserwirtschaft in Deutschland Die Deutsche Wasserwirtschaft ist im Bereich der Trinkwasserversorgung und Abwasserentsorgung sehr gut entwickelt. Für die ca. 82 Millionen zu versorgenden Bürger in Deutschland arbeiten in der Branche etwa Beschäftigte. 99 % der Einwohner sind an die zentrale Trinkwasserversorgung angeschlossen, die allerdings mit Wasserversorgungsunternehmen relativ kleinteilig aufgestellt ist. Der durchschnittliche Trinkwasserverbrauch bestätigt 120 l/(person d) bei einem mittleren Preis von 1,93 /m³, was eine Belastung von 86 /(Person a) ausmacht (DESTATIS 2013). Jährlich werden in den Kläranlagen in Deutschland etwa 10 Billionen m³ Abwasser

18 Phosphor für die Landwirtschaft Strategien für eine endliche Ressource 17 behandelt. Der Anschlussgrad an das zentrale Abwassernetz beträgt 96 %. Für die Abwasserableitung wurden über km Kanalnetz verlegt. Zur Regenwasserbehandlung und -speicherung sind mehr als Regenbecken gebaut worden (DESTATIS 2013). Für den Betrieb, die Erhaltung und den Neubau dieser Infrastruktur wird eine mittlere Abwassergebühr von 2,5 /m³ erhoben, was einer jährlichen Belastung für jeden Bürger von 116 entspricht. Die Reinigungsleistung der kommunalen Kläranlagen liegt auf einem ausgezeichneten Niveau (DWA LV 2013): CSB: Zulauf 548 mg/l Ablauf 27 mg/l Stickstoff: Zulauf 51 mg/l Ablauf 9,0 mg/l Phosphor: Zulauf 8 mg/l Ablauf 0,72 mg/l 3 Quellen der Phosphorbelastung Seit Beginn der 90er Jahre konnte durch die sehr weitgehende Verminderung des Phosphatanteils in Wasch- und Reinigungsmitteln ein Rückgang des spezifischen Gesamtphosphoranfalles von ca. 5,0 auf rd. 1,8 g P/(E d) erreicht werden. Die üblichen Konzentrationen (6,0 14,5 mg/l (DWA-LV, 2013)), aber auch die Frachten, im Zulauf kommunaler Kläranlagen liegen noch so hoch, dass eine weitergehende P-Elimination erforderlich wird. Der häusliche P-Anteil im kommunalen Rohabwasser setzt sich überwiegend aus menschlichen Ausscheidungen und Abfällen. Aus medizinischen Lehrbüchern geht hervor, dass der rein menschliche Anteil bei 1,5 bis 1,6 g P/(E d) liegt (EASTHAM 1981). Der Rest von ca. 0,3 g/(e d) stammt zum größten Teil aus maschinellen Geschirrspülmitteln, bei denen der Phosphatzusatz nicht begrenzt ist, aber zukünftig über die EU reguliert werden soll. Außerdem kommen zunehmend Phosphonate als Korrosionsinhibitoren und Waschmittelzusatz zur Anwendung, die weder biologisch abbaubar noch fällbar sind. Die Zulaufkonzentrationen haben sich seit 2003 etwa um 20 % verringert (Abbildung 1), wobei das Niveau der Region Nord-Ost insgesamt deutlich höher liegt als für die gesamte Bundesrepublik Deutschland.

19 18 Barjenbruch Abbildung 1: Zulaufgehalte kommunaler Kläranlagen für Deutschland und die Region Nord-Ost nach eigener Erhebung Die Bilanzierung über die Jahre 2003 bis 2005 mit dem Modell MONERIS (UBA 2010) ergibt für die Phosphorbelastung der Gewässer in Deutschland insgesamt einen Eintrag von t/a. Das entspricht einer Verminderung von 62 % gegenüber dem Berichtszeitraum von Dabei konnten die diffusen Quellen nur zu einer Reduzierung von ca. 1 % beitragen. Der Frachtanteil der Kläranlagen als Punktquelle an der Gesamt P-Emission beträgt nur noch 35 %. Der Anteil aus urbanen Flächen liegt unverändert bei 10 %. Die Landwirtschaft liefert 54 % der P-Einträge aus diffusen Quellen (Erosion, Grundwasser, Oberflächenabfluss und Dränagen (Abbildung 2)).

20 Phosphor für die Landwirtschaft Strategien für eine endliche Ressource 19 Abbildung 2: Entwicklung der P-Einträge in Abhängigkeit der Eintragsquellen UBA, (2010) Da vor allem Maßnahmen im landwirtschaftlichen Bereich wie z.b. pflanzengerechte Düngung, Aktivierung von Gewässerrandstreifen, Uferbepflanzungen, Behandlung von Drainagen oder die Anlegung von Bioplateaus schwierig zu realisieren sind und eher langfristig greifen und Maßnahmen bei den urbanen Flächen u. a. Mischwasser- und Regenwasserbehandlung aufwändig umzusetzen sind, wird häufig auf die schneller realisierbare Reduzierung des P-Eintrags aus punktförmigen Quellen gesetzt, was zu Lasten der Abwasserverursacher der Bürger geht. 4 Anforderungen an die Ablaufqualität Die Entfernung von P-Verbindungen wird in Deutschland gesetzlich erst seit 1989 flächendeckend bei allen Kläranlagen ab einer bestimmten Größe gefordert. Maßgeblich für die Anforderungen an die Abwasserbehandlung in Deutschland sind die EG- Kommunalabwasserrichtlinie (EWG) 91/271 (ABl. EU Nr. L135 v , S. 40) und der Anhang 1 zur Abwasserverordnung (AbwV) (BGBl. I, Nr. 28 v , S. 1108). Demnach werden Anforderungen für die Einleitung von Phosphor für Kläranlagen ab einer Ausbaugröße von Einwohnern gestellt. Diese Anforderung bezieht sich auf einen Konzentrationswert im Ablauf der Kläranlagen von: 2 mg/l bei E (Größenklasse 4) und 1 mg/l ab E (Größenklasse 5). Nach dem Immissionsprinzip können in Deutschland regional und gewässerspezifisch auch niedrigere Werte gefordert werden. Z.B. hat Schleswig-Holstein zum Schutz der

21 20 Barjenbruch Nord- und Ostsee die P-Ablaufwerte auf P ges 0,5 mg/l für die 38 größten Kläranlagen begrenzt. In Einzugsgebieten des Bodensees werden sogar für Kläranlagen der Ausbaugröße bis E 1,0 mg/l P ges und für Kläranlagen über E 0,3 mg/l P ges (im 24-h-Mittel) gefordert (vgl. IGKB, 2001) (SCHNEIDER et al. 2005). 5 Verfahren zur Phosphor-Elimination auf kommunalen Kläranlagen Phosphor kann nicht wie Stickstoff in den gasförmigen Zustand überführt und eliminiert werden. Phosphor lässt sich nur im festen Aggregatzustand über den Schlammweg aus dem Abwasser entfernen. Die Überführung zu gut abscheidbaren Partikeln kann entweder durch (erhöhte) Aufnahme in die Biomasse (Bio-P) oder durch chemische Fällung erfolgen. Auch ohne gezielte P-Elimination wird ein Teil der im Zulauf enthaltenen Phosphate sowohl mit dem Primärschlamm ausgetragen (ca %) als auch in die Biomasse eingebaut und mit dem Überschussschlamm entfernt. Zur gezielten P-Elimination stehen chemische oder biologische Verfahren sowie Kombinationen bereit. 5.1 Chemische Verfahren Die Phosphatentfernung besteht aus hintereinander ablaufenden Vorgängen, wobei chemische und physikalische Mechanismen von großer Bedeutung sind: - Dosierung und vollständiges Einmischen eines Fällmittels in den Abwasserstrom, - Entstabilisierung; meist gleichzeitig mit dem Einmischen, - Bildung partikulärer Verbindungen von Fällmittelkationen (Fe 3+, Al 3+, Ca 2+ ) und Phosphatanionen (PO 4 3- ) sowie anderen Anionen (Fällungsreaktion), - Aggregationen zu Mikroflocken; Brown sche Molekularbewegung, Einfluss durch Rühren kaum möglich, - Flockenbildung, d. h. Bildung von gut abtrennbaren Makroflocken aus den Mikroflocken. Dabei können Schwebestoffe und Kolloide, einschließlich des organisch gebundenen Phosphors, in die Flocken mit eingeschlossen werden (Mitfällung und -flockung), - Abscheidung der Makroflocken aus dem Abwasser. Die Abtrennung kann durch Sedimentation, Flotation, Filtration oder Kombinationen dieser Verfahren bewirkt werden. Je nach Einsatzort des Fällmittels werden verschiedene Verfahren definiert (Tabelle 1). Bei der Vorfällung werden die Fällungsprodukte im Vorklärbecken und bei der Simultanfällung im Nachklärbecken abgeschieden. Die Fällungsprodukte werden bei der Nachfällung und bei der Flockungsfiltration mit selbständigen, nachgeschalteten Stufen (Sedimentation, Flotation oder Filtration) abgetrennt. Grundsätzlich können diese Verfahren auch kombiniert werden (zweistufige Fällung), z. B. Vorfällung und Simultanfäl-

22 Phosphor für die Landwirtschaft Strategien für eine endliche Ressource 21 lung oder Simultanfällung und Nachfällung. In jedem Fall ist auf ausreichende Durchmischung und Flockung zu achten. Tabelle 1: Charakterisierung der Verfahren zur Fällung (DWA 2011) Vorfällung Simultanfällung Nachfällung Flockungsfiltration einhaltbarer Überwachungswert 1) (mg/l P) ,5 Anhaltswerte zu Fäll 1,2 1,2 1,2/2,5 2) 2,5 2) Dosierstelle(n) vor Vorklärbecken (z. B. Venturi, belüfteter Sandfang) vor/in/nach Belebungsbecken, nach Tropfoder Tauchkörper nach Nachklärbecken vor Filter oder zweistufig: vor Filter und wie bei Simultanoder Vorfällung Einmischung Stellen hoher Turbulenz Stellen hoher Turbulenz Mischer vor/nach Pumpe bzw. im Mischreaktor Ort der Flockenabtrennung Vorklärbecken Nachklärbecken zusätzliches Sedimentations- oder Flotationsbecken im Filterbett Anmerkungen 1) Unter günstigen Umständen und optimalen Betriebsbedingungen können auch niedrigere Werte eingehalten werden. 2) Bei Nachfällung als zweite Stufe Fäll: Verhältnis Fällmittel zu Phosphor in mol/mol 5.2 Biologische Verfahren Unter der biologischen P-Elimination (Bio-P) versteht man eine über das normale, wachstumsbedingte Maß hinausgehende P-Aufnahme und bindung durch den belebten Schlamm (TEICHFISCHER 1994). Grundlage der biologischen Phosphatelimination ist die Fähigkeit bestimmter Bakterienstämme, über das notwendige Maß hinaus Phosphor aufzunehmen und in Form von Polyphosphaten zu speichern. Die Bakterien nehmen dann vermehrt Phosphor auf, wenn sie einem Wechsel von anaeroben und aeroben Zuständen ausgesetzt werden (Abbildung 3). Dieser biologisch gebundene Phosphor ist schneller pflanzenverfügbar als der Phosphor aus der chemischen Fällung. 1. Unter anaeroben Bedingungen kommt es zum Zusammenwirken zweier Bakteriengruppen. Fakultative Anaerobier produzieren aus den abbaubaren organischen Abwasserinhaltsstoffen kurzkettige Fettsäuren (u.a. Acetat), die den obligat aeroben phosphatspeichernden Mikroorganismen (z.b. Acinetobacter) als Substrat dienen. Man bezeichnet diese Mikroorganismen auch als Polyphosphat Accumulating Organisms (PAOs). Gegenüber anderen aeroben Mikroorganismen haben sie den Vorteil, unter anaeroben Milieubedingungen ihren Polyphos-

23 22 Barjenbruch phatspeicher als Energiequelle nutzen zu können, um weiterhin Reservestoffe wie Poly-ß-hydroxibuttersäure (PHB) zu synthetisieren. Der Abbau des Polyphosphatspeichers bewirkt dabei ein Freisetzen von PO 4 in das umgebende Medium, i.d.r. das anaerobe Becken. 2. In einer nachfolgenden aeroben Phase wird der Polyphosphat- Energiespeicher wieder aufgefüllt, indem PO 4 aus dem Medium aufgenommen wird, und zwar in einem höheren Maß als es für den Zellstoffwechsel notwendig wäre. Die dazu erforderliche Energie wird durch den oxidativen Abbau vor allem der Reservestoffe aber auch exogener Substrate gewonnen. Die Verfügbarkeit endogener Substrate kann einen entsprechenden Selektionsvorteil bieten. Abbildung 3: Prinzipieller Verlauf der P-Konzentration in einer Anlage zur biologischen P-Elimination (SCHÖNBERGER 1990) Durch diese Art der biologischen P-Elimination ( luxury uptake ) erhöht sich daher der Phosphor-Gehalt des abgezogenen Überschussschlammes. Ein P-Gehalt von 30 g P/kg TS wird im Normalfall erreicht. Mit der biologischen P-Entfernung kann ein Überwachungswert für P ges nicht immer sicher eingehalten werden. Aus diesem Grund ist zusätzlich eine Fällmitteldosierung vorzusehen, wobei eine Regelstrecke im Ablauf des Belebungsbeckens zweckmäßig ist. 6 Stand der P-Elimination in Deutschland Der DWA-Leistungsvergleich kommunaler Kläranlagen in Deutschland (2013), an dem sich Kläranlagen mit einer Ausbaugröße von 143 Millionen Einwohnerwerten beteiligten, zeigt, dass sich der P ges -Ablauf in den letzten Jahren deutlich reduziert hat (DWA-LV 2013). Die Konzentration ist von durchschnittlich 1,7 mg/l im Jahr 1992 auf 0,75 mg/l im Jahr 2012 zurückgegangen. Seit der Nachrüstung entsprechender Anlagen bis etwa zum Jahr 2000 liegen die P-Ablaufkonzentrationen in der Region Nord-Ost unter den Werten im übrigen Deutschland, obwohl die Zulaufkonzentrationen deutlich höher sind (vgl. Abbildung 4). Der mittlere P-Abbaugrad für Jahr 2012 lag bei 93 %.

24 Phosphor für die Landwirtschaft Strategien für eine endliche Ressource 23 Abbildung 4: Zeitliche Entwicklung der P ges -Mittelwerte im Kläranlagenablauf 1992 bis 2012 in der Bundesrepublik und in der Region Nord-Ost (DWA-LV 2013 verändert) 7 Phosphorbilanz auf Kläranlagen und Potential zur Rückgewinnung Die theoretische P-Bilanz einer Kläranlage mit gezielter P-Elimination auf Basis der spezifischen Zulauffracht von 1,8 P/(E d) bei gleichzeitiger Annahme eines spezifischen, für Nordost-Deutschland typischen Abwasseranfalls von 100 l/(e d), wird in Abbildung 5 dargestellt. Die spezifische Fracht wird bei einem Abbaugrad von 91 % auf 0,16 g P/(E d) reduziert, was im Mittel einer Konzentration von 1,6 mg P/l entspricht. Tatsächlich werden in der Region Nord-Ost jedoch deutlich bessere Ablaufwerte mit etwa 0,6 mg P/l erreicht (Abbildung 4). In der mechanischen Vorreinigung werden etwa 11 % des Phosphors entnommen; die biologisch/chemische Stufe liefert 80 % der Entnahme. Somit enthält der gesamte Schlamm einer Kläranlage eine spezifische P-Fracht von 1,64 g P/(E d), das entspricht bei einer Trockenmasse von 80 g TR/(E d) einem P-Gehalt im Schlamm von 2,1 %. Durch die Faulung, bei der die organische Substanz weiterhin abgebaut wird, kann der P-Gehalt auf 3,0 aufkonzentriert werden. Wenn der Schlamm anschließend verbrannt wird, sind P-Gehalte > 6 % erzielbar.

25 24 Barjenbruch Abbildung 5: Theoretische spezifische P-Bilanz einer Kläranlage in der Region Nord-Ost nach eigener Erhebung PS: Primärschlamm; ÜSS: Überschussschlamm, P TR : Spezifischer P-Gehalt Da ein P-Recycling durch landwirtschaftliche Klärschlammverwertung aufgrund der Schadstoffe im Klärschlamm und der begrenzten Pflanzenverfügbarkeit des Phosphors zunehmend problematisch gesehen wird, will die Bundesregierung zukünftig die landwirtschaftliche Klärschlammausbringung verringern bzw. verbieten. Die Ausbeutung geogener P-Lagerstätten ist nicht nachhaltig und es wird von Laufzeiten von 150 bis 300 Jahren ausgegangen. Der Preis pro Tonne Rohphosphat beträgt derzeit 81,54 /t P 2 O 5 1. Die Qualität der Erze nimmt z.b. durch Verunreinigungen mit Cadmium und Uran ab. Zudem stammt der Import oft aus politisch instabilen Ländern. Daher erscheint es sinnvoll auch zukünftig Phosphor aus dem Klärschlamm zurückzugewinnen. Bei einer Jahresabwassermenge von m³/a (DESTATIS 2013), einer P-Zulaufkonzentration von 7,9 mg/l (DWA-LV 2013) sowie einem Wirkungsgrad von 91 % können jährlich rund t Phosphor aus kommunalen Kläranlagen bereitgestellt werden. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit Phosphor im Rahmen der Umsetzung neuartiger Sanitärkonzepten direkt aus dem Urin zu gewinnen. Für den Start bieten sich als Quelle die öffentlichen Urinale an, bei denen der Urin bereits separiert ist und nur noch aufbereitet werden muss. 1 (

26 Phosphor für die Landwirtschaft Strategien für eine endliche Ressource 25 8 Schlussfolgerungen Phosphor, im Allgemeinen als Nährstoff bekannt, begünstigt besonders das Pflanzenwachstum, deshalb wirkt er im Gewässer eutrophierend, was vielschichtige Auswirkungen haben kann, im Extremfall mit tödlichen Folgen für Fische und andere Wasserorganismen. In Anbetracht der Qualitätsnormen besteht in vielen Wasserkörpern Handlungsbedarf zur Reduzierung der P-Konzentrationen. Da punktuelle Quellen gezielter und schneller zu beeinflussen sind, eignen sich besonders Maßnahmen wie optimierter Betrieb, gezielte und/oder weitergehende P-Elimination bei kommunalen Kläranlagen zur Reduzierung der P-Gehalte im Gewässer. Derzeit liegt die Eliminationsrate bei 93 %. In Anbetracht einer eingeschränkten landwirtschaftlichen Nutzung des Klärschlamms und der Verknappung der natürlichen P-Ressourcen sollte Phosphor zukünftig aus den kommunalen Klärschlämmen zurückgewonnen werden. Im Rahmen des Beitrages wurde ein Potential von ca t P/a ermittelt. Ein weiteres Potential, wenn auch wesentlich kleineres, bildet der separat gesammelte Urin. Literatur DESTATIS (2013): Öffentliche Wasserversorgung und öffentliche Abwasserentsorgung - Öffentliche Abwasserbehandlung und -entsorgung - Statistisches Bundesamt, Wiesbaden DWA-LV (2013): Leistungsvergleich der kommunalen Kläranlagen 2012, DWA 2013 DWA (2011): Chemisch-physikalische Verfahren zur Elimination von Phosphor aus Abwasser. DWA-Regelwerk, Arbeitsblatt DWA-A 202,. Juni 2011 EASTHAM R.D. (1981): Interpretation klinisch-chemischer Laborresultate. 2. Auflage. Verlag S. Karger, Basel München OBERFLÄCHENGEWÄSSERVERORDNUNG OGEWV, Verordnung zum Schutz der Oberflächengewässer, vom 20. Juli 2011 (BGBl. I S. 1429)" REHFELD-KLEIN M. (2012): Konzept zur Reduzierung der Nährstoffbelastung der Unteren Spree und Havel, DWA-Nord-Ost Landesverbandstagung, Potsdam, 2012 SCHNEIDER R., DRIES B.-R, KAPP H., ROTH M., BAUMANN P., DROBIG W. (2005): Grundlagen für den Betrieb von Belebungsanlagen mit gezielter Stickstoff- und Phosphorelimination. DWA Landesverband Baden-Württemberg, Stuttgart SCHÖNBERGER R. (1990): Optimierung der biologischen Phosphorelimination bei der kommunalen Abwasserreinigung. Berichte aus Wassergütewirtschaft und Gesundheitsingenieurwesen, TU München, Nr. 93 TEICHFISCHER T. (1994): Der Einfluss schwankender Abwasserzusammensetzung auf die vermehrte biologische Phosphatelimination und Möglichkeiten zur Prozessstabilisierung. Institut für Siedlungswasserwirtschaft Technische Universität Braunschweig, Heft 57, Braunschweig 1994, ISSN UMWELTBUNDESAMT (UBA) (2010): Information einer Mitarbeiterin des Fachgebiet II 2.2 (Stoffhaushalt Gewässer) in Form einer Excel-Tabelle, Dessau

27 26 Heinzmann, Lengemann Vom Betriebsproblem zum marktfähigen Produkt Berliner Pflanze Phosphorrückgewinnung in der Kläranlage Waßmannsdorf From an operation problem to the marketable product Berliner Pflanze Phosphorus recycling in the wastewater treatment plant Waßmannsdorf Bernd Heinzmann*, Andreas Lengemann** Berliner Wasserbetriebe, Berlin, Neue Jüdenstraße 1 *Forschung und Entwicklung, **Abwasserentsorgung/Verfahrenssteuerung KA Waßmannsdorf Bernd.Heinzmann@bwb.de Zusammenfassung: Mit dem patentierten Verfahren zur gezielten Magnesiumammoniumphosphat (MAP) - Ausfällung gelingt es in der Kläranlage Waßmannsdorf der Berliner Wasserbetriebe unerwünschte Inkrustationen in der Schlammbehandlung zu vermeiden. Mit dem Fachgebiet Verfahrenstechnik der TU Berlin wurde ein Kooperationsprojekt eingegangen, um eine Prozessoptimierung sowie eine optimale Auslegung des Schlammvorlagebehälters für eine wirkungsvollere Fällung des Phosphates und Abscheidung des MAP vom Faulschlamm zu erreichen. Nach Fertigstellung des neuen MAP-Behälters wurde der Einfahrprozess wissenschaftlich begleitet. Der tägliche Ertrag am MAP-Fällungsprodukt liegt im Bereich zwischen 390 bis 2100 kg, wobei keine Abhängigkeit von der Belüftung der MAP-Anlage zwischen m 3 /h und m 3 /h Luft zu erkennen ist. Damit ergibt sich ein durchschnittlicher Wirkungsgrad der Phosphorrückgewinnung bezogen auf die gesamte Phosphorfracht im Zulauf zur Kläranlage Waßmannsdorf von ca. 5 %. Das Fällungsprodukt enthält durchschnittlich 62 % MAP, weiterhin ca. 10 % Wasser (Feuchtigkeit), 9 % Organik, 10 % Sand sowie ca. 9 % andere mineralische Bestandteile. Das MAP weist wie andere Düngemittel vergleichbare Nährstoffgehalte sowie niedrige Gehalte an Schadstoffen wie Schwermetalle auf. Gleichzeitig wurde eine sehr gute Pflanzenverfügbarkeit festgestellt, so dass sich ein Einsatz als Langzeitdünger anbietet. Seit 2008 darf das MAP als Düngemittel ( Berliner Pflanze ) in Verkehr gebracht werden. Schlagwörter: Phosphorrückgewinnung, Inkrustation, Magnesiumammoniumphosphat, Berliner Verfahren, Berliner Pflanze Abstract: With the patent-registered process for an induced struvite (MAP) - precipitation at the WWTP Waßmannsdorf of the Berliner Wasserbetriebe the unwanted incrustations in the sludge treatment are prevented. To achieve an optimized process and an optimum dimensioning of the MAP tank (digested sludge storage tank) for complete

28 Phosphor für die Landwirtschaft Strategien für eine endliche Ressource 27 precipitation and separation of the MAP a cooperation project with the Technical University of Berlin, Chair of Chemical and Process Engineering, was conducted. After completion of the new MAP tank the process of bringing in operation was scientifically investigated. The daily yield of MAP is between 390 to 2100 kg and no dependency from the aeration rate (2000 m 3 /h to 3000 m 3 /h air) could be observed. This corresponds to an average removal rate of around 5 % related to the total Phosphorus load in the inflow to the WWTP Waßmannsdorf. The MAP product contains average 62 % of MAP, furthermore around 10 % water (humidity), around 9 % organic compounds, around 10 % sand and around 9 % minerals. The MAP product showed similar nutrient concentrations in comparison to other fertilizers. This and the low content of toxic matter, such as heavy metals and availability for plants of the MAP product, allows the usage as a long term fertilizer. A certification according to the Fertilizer Ordinance for marketing the MAP product as a fertilizer ( Berliner Pflanze ) was given to the Berliner Wasserbetriebe in Keywords: Phosphorus recycling, struvite 1 Inkrustationen in der Schlammbehandlung Lange bevor das Thema Schlammbehandlung und P-Rückgewinnung aus Klärschlamm auf wissenschaftlichen Veranstaltungen wie dem P-Workshop am ATB verfolgt wurden, wurden in den Berliner Kläranlagen 1994 erstmalig massive Inkrustationen in den Zentrifugen zur Entwässerung des Faulschlammes festgestellt. Der entstehende kristalline, weiße Aufwuchs innerhalb des Gehäuses führte bis zur Ausbremsung der Trommel (HEINZMANN 2001). In der Kläranlage Waßmannsdorf kam es durch Inkrustationen, die sich offensichtlich über Monate aufgebaut hatten, zu weiteren Betriebsstörungen in den DN 200 Leitungen für den kontinuierlichen Faulschlammabfluss zwischen den Faulbehältern und der Schlammvorlage der Zentrifugen. Nach der Zentrifugation des Faulschlammes war der Fällungsdruck in den Zentraten ebenfalls so stark, dass ein neu in Betrieb genommenes Zentratpumpwerk einschließlich der abgehenden Rohrleitungen innerhalb von zwei Wochen zukristallisierte und die Inkrustationen mechanisch beseitigt werden mussten (Abbildung 1). Abbildung 1: Fußkrümmer DN 80 der Pumpe 2 nach 319 Betriebsstunden, Saugstutzen nach 180 Betriebsstunden des Zentratpumpwerkes sowie verkrustete Rohrleitung vom Faulbehälter

29 28 Heinzmann, Lengemann Durch das ungewollte und spontane Entweichen bzw. Entgasen von Kohlenstoffdioxid aus den übersättigten Faulschlämmen und Prozesswässern (aus den Faulschlämmen abgeschiedene Zentrate) hatte sich der ph-wert der wässrigen Phasen dieser Schlämme bzw. der Zentrate erhöht. Dadurch änderten sich die Löslichkeitsgleichgewichte, es kam zur Kristallbildung von MAP und in deren Folge zur Ablagerung an den Wänden. Der in der Kläranlage Waßmannsdorf angewandte Abwasserreinigungsprozess mit biologischer Phosphorelimination (unterstützende Simultanfällung) und der Faulung konzentrierter Schlammströme begünstigt offensichtlich die Bildung von Inkrustationen in der Schlammbehandlung. Diese Inkrustationen bestehen überwiegend aus unlöslichem Magnesiumammoniumphosphat (MAP) und geringen Anteilen an verschiedenen Kalziumphosphatverbindungen. 2 Untersuchungen und verfahrenstechnische Maßnahmen zur Inkrustationsvermeidung Die Berliner Wasserbetriebe führten folgende wissenschaftliche Untersuchungen und Versuche zur Vermeidung der Inkrustationen durch: Analysen zur Struktur und Chemie der Kristalle (wasserunlösliche, kristalline, weiße MAP-Ablagerungen mit geringen Gehalten an verschiedenen Kalziumverbindungen) Labortests zum Studium der Phosphordynamik in der anaeroben Schlammbehandlung (chemische und kinetische Untersuchungen zur Phosphorfällung während der Faulung) Versuche zum Entgasen von Kohlenstoffdioxid während der Belüftung von Faulschlamm Laborstudien zur gezielten Fällung von MAP (Struvit) und Kalziumphosphat durch Belüftung des Faulschlammes, welches zum Entgasen des Kohlenstoffdioxides und damit zum Anstieg des ph-wertes führt All diese Maßnahmen dienten der Vermeidung weiterer Inkrustationen. Jedoch wurde die Entwässerung des Faulschlammes aufgrund des ph-wert-anstieges auf bis zu 8 schlechter, weshalb weitere Versuche durchgeführt wurden. Vier mögliche Fällungsmittel (Ca(OH) 2, CaCl 2, Mg(OH) 2 und MgCl 2 ) wurden zur verbesserten Fällung des Phosphates getestet. Die besten Ergebnisse konnten mit MgCl 2 erzielt werden (HEINZ- MANN 2001). Dies führte zur gewünschten Verminderung der Phosphatkonzentration. Damit verringerte sich auch das Wasserbindungsvermögen, wodurch sich die Entwässerungseigenschaften des Faulschlammes verbesserten. Das Problem der Inkrustationen in der Kläranlage Waßmannsdorf konnte nach umfangreichen Untersuchungen und Versuchen durch folgende verfahrenstechnische Änderungen gelöst werden: Intensives Umwälzen des Faulschlammes in den Faulbehältern durch eine Entnahme am Faulbehälterboden und Wiederzuführung am Faulbehälterkopf. Das Fließen des Faulschlammes durch den Grundablass des ersten Faulbehälters zum zweiten, dahinter angeordneten Faulbehälter der intensiven Faulung

30 Phosphor für die Landwirtschaft Strategien für eine endliche Ressource 29 (kommunizierende Röhre), um eine spontane, plötzliche Entgasung zu vermeiden. Die Dosierung von Antiinkrustationsmitteln zur Verhinderung von Inkrustationen in der Rohrleitung vom zweiten Faulbehälter zum Schlammvorlagebehälter. Gezieltes Ausstrippen des Kohlenstoffdioxids mit Luft über eine Flächenbelüftung am Boden des Schlammvorlagebehälters der Zentrifugen, wodurch ein ph-wert Anstieg bis auf ca. 8 und dadurch eine Ausfällung des MAP ermöglicht werden. Zugabe des Koagulations- und Fällungsmittels MgCl 2 in den Schlammvorlagebehälter vor den Zentrifugen zur Verbesserung der Faulschlammentwässerung durch die Zentrifugen und dabei Ausfällung und Festlegung des restlichen Phosphates im Faulschlamm. Dosierung von geringen Mengen Antiinkrustationsmittel zur Verhinderung von Restinkrustationen in Rohrleitungen und Zentrifugen. Abbildung 2: Verfahrenstechnisches Schema zur gezielten MAP-Fällung im Schlammbehandlungsprozess ( Berliner Verfahren ) Durch die Anordnung von vier Faulbehältern zu zwei Kaskaden in der Kläranlage Waßmannsdorf intensiviert sich die Faulung des Schlammes und der Mineralisationsgrad kann gesteigert werden (Abbildung 2). Somit steht mehr gelöstes Phosphat zur Verfügung, wodurch größere Mengen als MAP festgelegt und zusammen mit dem Faulschlamm zu den Zentrifugen gefördert werden können. Durch die erhebliche Verminderung der Phosphatkonzentration verbesserte sich die Entwässerbarkeit des Faulschlammes (CARSTÄDT et al. 1999, MERKBLATT DWA- M 383 KENNWERTE DER KLÄRSCHLAMMENTWÄSSERUNG 2008) und bei der Zentrifugation

31 30 Heinzmann, Lengemann müssen geringere Mengen an kationisch geladenen Flockungshilfsmitteln dosiert werden. Darüber hinaus werden mit der Rückführung der Zentrate und Prozesswässer deutlich geringere Phosphorfrachten in den Abwasserreinigungsprozess der Kläranlage zurückgeführt. Dadurch verringert sich die Rückbelastung, was wiederum die Einhaltung des Überwachungswertes für Phosphor unterstützt. Durch die Einsparung an Polymeren und unter Berücksichtigung des Wegfalles der Aufwendungen für die Beseitigung der Inkrustationen und den deutlich geringeren Mengen an zu dosierenden Antiinkrustationsmitteln ergeben sich in der Kläranlage Waßmannsdorf jährliche Einsparungen an Betriebskosten von ca bis Euro. Das Berliner Verfahren zur gezielten MAP-Ausfällung wurde 2004 patentiert (Patent Nummer DE ). Zusätzlich wurde im Jahre 2006 eine Lizenz an die Firma PCS-Consult vergeben. Abbildung 3: Im Schlammvorlagebehälter sedimentiertes MAP und Entleerung mittels Schlammsaugwagen 3 Großtechnische Phosphorrückgewinnung 3.1 Phosphorrückgewinnung aus dem alten Schlammvorlagebehälter Das im alten Schlammvorlagebehälter (bis Ende Februar 2010) vor den Zentrifugen gefällte MAP sedimentierte zum Teil und setzte sich auch auf der am Boden installierten Flächenbelüftung ab (Abbildung 3), wodurch sich der Lufteintrag zunehmend verschlechterte. Um den Betrieb zu gewährleisten, mussten deshalb etwa 30 t MAP im vierteljährlichen Abstand vom Behälterboden mittels Schlammsaugwagen abgepumpt und entsorgt werden (Abbildung 3). Einige Chargen konnten einer Wiederverwendung zugeführt werden. Nur ein Teil der Phosphor-Fracht von ca. 2 % bezogen auf den Abwasserzulauf konnte auf diese Weise zurückgewonnen werden. Ein großer Teil des Phosphors, ca % der Phosphorfracht im Abwasserzulauf lag gefällt als MAP vor und gelangte mit dem Faulschlamm zur weiteren Schlammbehandlung und Entsorgung. Bei der Entwässerung des Faulschlammes in den Zentrifugen kam es durch das MAP zu abrasivem Verschleiß der Förderschnecken. Ziel weiterer Aktivitäten war es

32 500 mm Phosphor für die Landwirtschaft Strategien für eine endliche Ressource 31 deshalb, eine optimale Fällung und insbesondere vollständige Abtrennung des MAP zu erreichen, um die Menge an recycelten Phosphor deutlich zu erhöhen und den abrasiven Verschleiß zu vermindern. Daraufhin konnte der Wartungsaufwand verringert werden, was zu einer Kosteneinsparung von ca Euro/a führte. 3.2 Verfahrenstechnische Optimierung der Phosphorrückgewinnung Ziel des FE-Kooperationsprojektes mit dem Fachgebiet Verfahrenstechnik der TU Berlin war es, das Design und die Auslegung des neuen MAP-Behälters zu optimieren, um eine optimale Fällung der Phosphate und eine möglichst vollständige Abtrennung des MAP vom Faulschlamm zu ermöglichen. Hierzu wurden folgende Methoden eingesetzt: Laborversuche zur Optimierung relevanter Einflussgrößen, wie Belüftungsrate, MgCl 2 -Dosierung, geometrisches Design und Auslegung, Stöchiometrie der Kristallisationspartner, Untersuchungen zur Erhöhung der Ausbeute an MAP. Batchversuche und kontinuierliche Versuche in einem Airlift Schlaufenreaktor (Volumen = 45 L). Der spezielle Aufbau des Airlift Schlaufenapparates (siehe Schema in der Abbildung 4) ermöglicht eine vollständige Vermischung durch einen internen Umlauf. Während der Versuche wurde ein externer Umlauf ergänzt sowie geometrische Veränderungen am Reaktorboden (z.b. trichterförmiger Boden) vorgenommen, um die Fluiddynamik zu optimieren. Die Geschwindigkeiten wurden mit Hilfe eines Flügelrad-Anemometers in Wasser vermessen. Abluft Überlauf MgCl 2 QI ph 194 mm MAP Luft FI 290 mm Probenahme Ablauf Treibstrahl Zulauf Abbildung 4: Schema des Airlift Schlaufenreaktors

33 32 Heinzmann, Lengemann Der Prozess wurde über drei hydraulische Verweilzeiten durchgeführt. Durch Kristallwachstum wurden so durchschnittliche Partikelgrößen von µm erreicht (Abbildung 5). Über 90 % des verfügbaren Phosphates konnte im Faulschlamm ausgefällt werden (Abbildung 6). Die MAP-Fällung im Faulschlamm war dabei sehr effektiv (STUMPF et al. 2008). Allerdings gab es Verluste durch Feinstpartikelaustrag. Die Ausbeute an abgetrenntem MAP in der Versuchsanlage konnte im Vergleich zum alten Schlammvorlagebehälter in der KA Waßmannsdorf (siehe Kapitel 3.1) deutlich verbessert werden. Durch Veränderung der Fluiddynamik wurden MAP-Kristalle länger in Schwebe gehalten, um weiter wachsen zu können, und so eine höhere Abtrennung erreicht (STUMPF et al. 2009). Abbildung 5: Partikelgrößenverteilung vor und nach einem 24 Stunden Versuch (Hydraulische Aufenthaltszeit 8 h) Abbildung 6: Gefällter und abgetrennter Phosphor durch MAP- Fällung im Faulschlamm

34 Phosphor für die Landwirtschaft Strategien für eine endliche Ressource Reinigung des MAP-Fällungsproduktes Um das MAP-Produkt mit organischen Restbestandteilen des Faulschlamms einem nachgeschalteten Reinigungsschritt zu unterziehen, wurden großtechnische Versuche in einem Sandwäscher der Firma Passavant, der nach dem Prinzip der Aufstromklassierung funktioniert, durchgeführt. Dieser Sandwäscher wird im kommunalen Bereich bei der Sandaufbereitung zur Verringerung des organischen Kohlenstoffanteils auf weniger als 10 g TOC/kg Sand eingesetzt. Der Faulschlamm wurde mit einem Betonmischer im Mischungsverhältnis von Faulschlamm : MAP = 1 : 2 eingemischt. Pro Versuch wurden im Durchschnitt 650 kg MAP-Faulschlamm-Gemisch in den Waschapparat eingebracht. Am Behälterboden baute sich ein Bett aus MAP auf, durch welches das Waschwasser strömte. Nur geringe Turbulenzen wurden im MAP-Bett beobachtet, sodass die organischen Partikel gut ausgetragen wurden. Versuchsparameter waren der Volumenstrom, das Waschwasser und die Höhe des MAP-Bettes, veränderbar durch das Drehmoment am Krählwerk. Mit zunehmendem Waschwasservolumenstrom stieg die Reinigung des MAP, zu erkennen an der abnehmenden organischen Kohlenstoffkonzentration (Abbildung 7). Dabei hatte die Wirbelbetthöhe keinen Einfluss auf die Reinigungseffizienz der Kristalle. Abbildung 7: TOC-Gehalt in Abhängigkeit vom Waschwasservolumenstrom 3.4 Optimierter neuer großtechnischer MAP-Behälter Eine Optimierung der MAP-Fällung sowie eine verbesserte MAP-Abscheidung sollen erreicht werden durch: Zirkulationslauf durch Lufteinblasung mit guter Durchmischung effektiveres Strippen des Kohlenstoffdioxids höherer ph-wert, gefälltes MAP liegt in kristalliner Form vor längere Aufenthaltszeit des MAP und des Faulschlammes Auslegung: hydraulische Aufenthaltszeit des Faulschlammes von t A 8 h bei einem Schlammvolumen von rund Q m 3 /d (Volumen des MAP-Behälters: V = 800 m 3 ) MAP wird durch einen trichterförmigen Boden entnommen.

35 34 Heinzmann, Lengemann Der neue MAP-Behälter (Schlammvorlagebehälter) mit Wäscher wurde im Jahre 2009 ohne Drittmittel (z.b. Förderinitiative Kreislaufwirtschaft für Pflanzennährstoffe, insbesondere Phosphor des BMBF und BMU sowie 5. und 6. Forschungsrahmenprogramm der EU) gebaut und am 1. März 2010 erstmalig in Betrieb genommen. Abbildung 8 zeigt Bilder des neuen Schlammvorlagebehälters, dessen Bau mit erdverlegten Rohrleitungen 2,3 Mio. Euro gekostet hat. Abbildung 8: Aufnahmen vom neuen optimierten MAP-Behälter (Faulschlammvorlagebehälter), dem Wäscher sowie dem MAP-Auswurf Auf der Grundlage der großtechnischen Versuche (siehe Kapitel 3.3) wurde dem MAP- Behälter ein unbelüfteter Sandwäscher mit einem Rührer, der nach dem Einleiten des Waschwassers den MAP-haltigen Schlamm kontinuierlich durchmischt und unerwünschte Bestandteile auswäscht, nachgeschaltet. Dabei werden vor allem die organischen Stoffe vom MAP-Produkt abgetrennt. Die ausgewaschenen Stoffe werden gemeinsam mit dem Spülwasser (1 m 3 pro Stunde) in den MAP-Behälter zurückgeleitet. Das abgetrennte und im Wäscher sedimentierte MAP-Produkt wird anschließend über eine Austragsschnecke in den Sammelcontainer gefördert. 4 Wissenschaftliche Begleitung des Einfahrprozesses Nach der Inbetriebnahme und einigen technischen Nachbesserungen wurde der Einfahrprozess des MAP-Behälters im Sommer und Herbst 2010 wissenschaftlich begleitet. Die Ertüchtigung für einen Winterbetrieb erfolgte im Jahr In den Jahren 2011, 2012 und 2014 wurden weitere Untersuchungen durchgeführt. Die wissenschaftliche Betreuung des Einfahrprozesses umfasste bei vorgegebenen Rahmenbedingungen (Schlammvolumen sowie MgCl 2 -Dosierung) folgende Aufgaben:

36 Phosphor für die Landwirtschaft Strategien für eine endliche Ressource 35 ph-werte manuell messen, mit online Messwerten vergleichen und kontrollieren Effektivität der MAP-Fällung ermitteln MAP-Menge des Ertrages (Abscheidegrad) ermitteln Zusammensetzung des MAP-Produktes abschätzen P gesamt - und Phosphatbilanz bezogen auf den MAP-Behälter und den Kläranlagenzulauf ermitteln Ermittlung der optimalen Belüftung (Bereich zwischen Betrieb mit zwei Gebläsen mit max m 3 /h Luft und nur einem Gebläse mit einem Lufteintrag von max m 3 /h) Waschprozess optimieren (Versuche im Jahr 2014 mit einem zweiten nachgeschalteten Wäscher und Siebung nach einem Wäscher) Aufwand Wartung und Betrieb abschätzen. Abbildung 9: Zusammensetzung des MAP-Produktes Bei niedrigen Belüftungsraten von unter 2000 m 3 /h wurde kein bzw. nur ein sehr geringer MAP-Austrag über die Austragsschnecken erreicht. Um mögliche Verstopfungen bzw. Ablagerungen im MAP-Behälter zu vermeiden, mussten die Belüftungsraten schon nach ein bis vier Tagen wieder erhöht werden. Die ph-werte im Faulschlamm lagen unter 7,6 und konnten durch Belüftung und damit verbundenem CO 2 -Austrag um bis zu 0,5 Einheiten auf 8,1 angehoben werden. Mit zunehmender Belüftung war auch ein geringer Trend zu höheren ph-werten im Ablauf des MAP-Behälters zu erkennen. Allerdings setzten sich die Belüftungselemente mit zunehmender Betriebsdauer etwas zu, in deren Folge die tatsächlich eingetragene Luftmenge abnahm.

37 36 Heinzmann, Lengemann Die Phosphatkonzentration im Faulschlamm (Ablauf Faulbehälter) beträgt ca. 350 mg/l PO 4 -P mit geringen Schwankungen. Im Ablauf des MAP-Behälters liegen die Phosphatkonzentrationen im Tagesmittel meistens unter 15 mg/l PO 4 -P, sodass ein Wirkungsgrad der Phosphatfällung von rund 96 % erreicht wird. Der Ertrag liegt im Bereich zwischen 390 und 2100 kg/d Fällungsprodukt MAP, ohne dass im Bereich einer Belüftungsrate von m 3 /h bis m 3 /h ein Zusammenhang zum MAP-Ertrag zu erkennen ist. Damit ergibt sich ein Wirkungsgrad der Phosphorrückgewinnung bezogen auf die gesamte Phosphorfracht im Zulauf zur Kläranlage Waßmannsdorf von ca. 5 %. Abbildung 9 zeigt schematisch die Zusammensetzung des MAP-Produktes, das die Schnecke des Wäschers verlässt. Neben dem MAP (durchschnittlich 62 %) sind noch ca. 10 % Wasser (Feuchtigkeit), ca. 9 % Organik, ca. 10 % Sand sowie ca. 9 % andere mineralische Bestandteile im MAP-Produkt enthalten. Das MAP verliert bei ca. 60 C das Kristallwasser und bei Erwärmung auf ca. 300 C das Ammonium als Ammoniak (PASCHEDAG 2004). Im Glührückstand (Erwärmung auf 550 C) bleibt Magnesiumdiphosphat zurück. 5 Bewertung des MAP Produktes Zur Bewertung des MAP-Produktes und damit möglicher landwirtschaftlicher Verwendung als Dünger wurden sowohl die Nährstoffgehalte als auch Verunreinigungen analysiert. Wie ein Vergleich mit den Mindestgehalten an Nährstoffen für verschiedene Düngemittel (Superphosphat, Dikalziumphosphat mit Magnesium und NP-Dünger) entsprechend der Düngemittelverordnung (DÜMV 2003) zeigt, liegt das ausgefällte MAP im Bereich von anderen gesetzlich zugelassenen Düngemitteln. Um das Schadstoffpotential des MAP-Produktes zu beurteilen, wurden die Schwermetalle und organische Schadstoffe, wie PCB und PAK, mit den Grenzwerten der Klärschlammverordnung verglichen (KLÄRSCHLAMMVERORDNUNG 1992). Die analysierten Messwerte der Schadstoffe im MAP liegen mindestens 5fach unter den Grenzwerten der Klärschlammverordnung. Die im Faulschlamm noch vorhandenen Schadstoffe werden nicht, bzw. nur in sehr geringem Ausmaß in das MAP-Fällungsprodukt verschleppt. Zur Verdeutlichung der niedrigen Belastung des MAP-Fällungsproduktes mit Schwermetallen im Vergleich zum kommunalen Klärschlamm der KA Waßmannsdorf wurden die Schwermetallgehalte in % auf den Phosphorgehalt bezogen (Abbildung 10) (HEINZMANN & ENGEL 2005). Im Vergleich zu anderen Phosphor-Verbindungen wurde für das MAP-Produkt folgende Phosphorverfügbarkeit für Pflanzen ermittelt (KERN et al. 2008): CaHPO 4 2 H 2 O > MAP-Produkt > Fe 3 (PO 4 ) 2 > Ca 3 (PO 4 ) 2 > AlPO 4

38 Phosphor für die Landwirtschaft Strategien für eine endliche Ressource 37 Abbildung 10: Vergleich der Schwermetallgehalte (in % auf P bezogen) des kommunalen Klärschlammes und des ungewaschenen MAP-Produktes Topfversuche, die zur Phosphorverfügbarkeit des MAP-Fällungsproduktes von RICHARDS & JOHNSTON (2001) in zwei Böden mit einem ph-wert von 6,6 und 7,1 für die spezielle Grassorte deutsches Weidelgras Lolium perenne durchgeführt wurden, zeigen, dass die Mobilität des Phosphors in damit gedüngten Böden und damit die Verfügbarkeit für das deutsche Weidelgras gut waren und zu einem zufrieden stellenden Wachstum auch im Vergleich zu synthetisch hergestellten Phosphaten wie MAP und Kalziumphosphaten führte (siehe auch RÖMER 2006). Da trotz geringer Wasserlöslichkeit eine sehr gute Pflanzenverfügbarkeit des MAP vom ATB in Pflanzentopfversuchen ermittelt wurde, kann das MAP-Produkt als Langzeitdünger angesehen werden (KERN et al. 2008). Das war die Voraussetzung dafür, um im Jahre 2008 vom Landesamt für Verbraucherschutz, Landwirtschaft und Flurerneuerung - Amtliche Düngemittelkontrolle - des Landes Brandenburg die Bestätigung zu erhalten, dass das von den Berliner Wasserbetrieben produzierte MAP der Düngemittelverordnung (DÜMV 2003) entspricht und daher als Düngemittel in Verkehr gebracht werden darf. Seitdem die "Produktion" des MAP in der Kläranlage Waßmannsdorf stabil läuft, wurden verschiedene Vertriebskonzepte betrachtet. Ziel ist es, das MAP als lokales Markenprodukt zu etablieren. Zu diesem Zweck wurde der Markenname "Berliner Pflanze" registriert. Unter diesem Namen werden derzeit mit verschiedenen Partnern aus der Düngemittelindustrie, aus dem Landhandel aber auch direkt mit Landwirten Vertriebs- und Anwendungsmöglichkeiten erprobt.

39 38 Heinzmann, Lengemann 6 Schlussfolgerung Die Verfahrenskombination Biologische P-Elimination (Bio-P) und intensive Faulung konzentrierter Schlammströme begünstigt das Entstehen von Inkrustationen. Diese unerwünschten Inkrustationen können durch eine gezielte MAP-Fällung im Schlammvorlagebehälter der Zentrifugen vermieden werden. Das sogenannte Berliner Verfahren wurde patentiert und eine Lizenz vergeben. In einem Kooperationsprojekt mit dem Fachgebiet Verfahrenstechnik der TU Berlin wurde der verfahrenstechnische Prozess optimiert und der neue Schlammvorlagebehälter zur vollständigen Fällung des Phosphats und Abscheidung des MAP vom Faulschlamm optimal ausgelegt. Der Einfahrprozess des neuen MAP-Behälters wurde wissenschaftlich begleitet. Ca. 390 bis 2100 kg MAP-Produkt werden täglich zurück gewonnen. Damit liegt der Wirkungsgrad der Phosphorrückgewinnung bezogen auf die gesamte Phosphorfracht im Zulauf zur Kläranlage Waßmannsdorf bei ca. 5 %. Das MAP-Produkt hat mit anderen Düngemitteln vergleichbare Nährstoffgehalte, niedrige Schadstoffgehalte, z.b. Schwermetalle, gute Löslichkeit und Pflanzenverfügbarkeit. Als möglicher Langzeitdünger geeignet hat das MAP-Produkt eine Zulassung entsprechend der Verordnung zur Registrierung, Bewertung, Zulassung und Beschränkung chemischer Stoffe (REACH) und soll als lokales Markenprodukt "Berliner Pflanze" etabliert werden. Literatur CARSTÄDT U., FRIEHMELT V., GIDARAKOS E. (1999): Klärschlammkonditionierung mittels Elektrokoagulation. ATV Bundes- und Landesgruppentagung in Mainz, Battelle Ingenieurtechnik GmbH DÜMV (2003): Verordnung über das Inverkehrbringen von Düngemitteln, Bodenhilfsstoffen, Kultursubstraten und Pflanzenhilfsmitteln (Düngemittelverordnung - DüMV) vom 26. November 2003 HEINZMANN B. (2001): Options for P-recovery from Waßmannsdorf bio-p wwtp, Berlin. Implications for wwtp operation and phosphorus recovery potential at different locations in the bio-p and sludge treatment process. Proceedings of the Second International Conference on Recovery of Phosphates from Sewage and Animal Wastes. Noordwijkerhout, Netherlands HEINZMANN B., ENGEL G. (2005): Stand der Phosphorrückgewinnung bei Kläranlagen mit biologischer Phosphorelimination der Berliner Wasserbetriebe. 75. Darmstädter Seminar Abwassertechnik. Rückgewinnung von Phosphor aus Abwasser und Klärschlamm. Konzepte Verfahren Entwicklungen. Schriftenreihe WAR (Dezember 2005), S KERN J., HEINZMANN B., MARKUS B., KAUFMANN A.C., SOETHE N., ENGELS C. (2008): Recycling and assessment of struvite phosphorus from upgraded sewage sludge. Agricultural Engineering International: The CIGR Ejournal 10: CE KLÄRSCHLAMMVERORDNUNG (1992): In der Fassung vom , zuletzt geändert durch Düngemittelverordnung vom ; BGBl I 1992, 912 MERKBLATT DWA-M 383 KENNWERTE DER KLÄRSCHLAMMENTWÄSSERUNG (2008): DWA Regelwerk, Hennef PASCHEDAG A.R. (2004): CFD in der Verfahrenstechnik, Kap. 10, Wiley-VCH Weinheim

40 Phosphor für die Landwirtschaft Strategien für eine endliche Ressource 39 RICHARDS R., JOHNSTON A.E. (2001): Effectiveness of different precipitated phosphates as phosphorus sources for plants. A CEEP research project. CEEP - Centre Europeen d Etudes des Polyphosphates RÖMER W. (2006): Vergleichende Untersuchungen zur Pflanzenverfügbarkeit von Phosphat aus verschiedenen P-Recycling-Produkten im Keimpflanzenversuch. J. Plant Nutr. Soil Sci. 169, S STUMPF D., ZHU H., HEINZMANN B., KRAUME M. (2008): Phosphorus Recovery in Aerated Systems by MAP Precipitation: Optimizing Operational Conditions. Water Science & Technology, Vol. 58, No. 10, pp STUMPF D., FREUDENBERG N., HEINZMANN B., KRAUME M. (2009): Optimierung der MAP- Kristallisation und Abtrennung aus Faulschlamm in einem Airlift-Schlaufenreaktor zur P-Rückgewinnung. In: Sammelband 13. Bremer Colloquium Produktionsintegrierte Wasser- /Abwassertechnik "Abwasser als Ressource!" - Kreislaufschließung, Energie- und Wertstoffrückgewinnung, , Bremen

41 40 Kabbe Chancen für Phosphorrückgewinnung und -recycling aus dem Abwasserpfad in Europa Opportunities for advanced P recovery and recycling from wastewater in Europe Christian Kabbe Kompetenzzentrum Wasser Berlin ggmbh, Cicerostraße 24, Berlin christian.kabbe@kompetenz-wasser.de Zusammenfassung: Zum Erzielen guter Erträge in der Landwirtschaft und in Ermangelung nennenswerter fossiler Vorkommen müssen alljährlich ca. 1 Million Tonnen mineralisch gebundenen Phosphors nach Europa importiert werden. Gleichzeitig werden Rückgewinnungs- und Recyclingpotentiale dieser lebenswichtigen Ressource nicht bzw. wie im Falle des Klärschlamms nur zu einem geringen Anteil genutzt. In den letzten Jahren wurden zahlreiche technische Verfahren entwickelt, die dazu beitragen sollen, den Nährstoff Phosphor alternativ zur umstrittenen Praxis der Klärschlammausbringung wieder für die Landwirtschaft verfügbar und nutzbar zu machen. Insbesondere praxisnahe Lösungen haben bereits den Sprung in die großtechnische Umsetzung geschafft bzw. stehen kurz davor. Nationale wie internationale Initiativen widmen sich dem Zusammenbringen von Akteuren aus Wissenschaft, Politik und Wirtschaft, um die Implementierung voranzubringen. Für ein Nährstoffrecycling genügt es nicht, bei der Nährstoffrückgewinnung aufzuhören. Schlagwörter: Phosphorrückgewinnung, Recycling, Barrieren, Marktchancen, Ernährungssicherheit Abstract: To sustain good harvests, about one million tons of mineral phosphorus have to be imported to Europe annually, while the potentials to recover and recycle this essential resource remain untapped or are just inefficiently used as in the case of sewage sludge. In the recent years various technical alternatives to the traditional but disputed application of sludge in agriculture have been developed to recover the nutrient. Especially user friendly solutions have already made their way to full-scale or at least pilotscale application. National and international initiatives are dedicated to bridge the gaps between the relevant sectors of science, policy and industry to finally foster wide-spread implementation of phosphorus recovery and recycling. It is not enough to just recover nutrients. To achieve real recycling, the gap between recovery and return of phosphorus into the nutrient cycle needs to be closed. The supply side needs to match with the requirements of the demand side. Keywords: Phosphorus recovery, recycling, market opportunity

42 Phosphor für die Landwirtschaft Strategien für eine endliche Ressource 41 1 Phosphor der Flaschenhals des Lebens Welche Rolle der Ressource Phosphor für das Leben auf dem Planeten Erde zukommt wurde bereits im April 1959 hinlänglich von Isaac Asimov in seinem Essay Life s bottleneck in The Magazine of Fantasy and Science Fiction dargestellt. In der Terminologie des Zeitgeistes lässt es sich auch so formulieren: Phosphor begrenzt das Biomassepotential unseres Planeten. D. h. angesichts einer stetig wachsenden Erdbevölkerung werden wir uns eines Tages entscheiden müssen: Setzen wir die limitierte Ressource Phosphor ein, um den Hunger der Menschheit zu stillen oder verwenden wir diese lebenswichtige Ressource lediglich zur Stillung unseres Energiehungers? Es ist davon auszugehen, dass jene, die bereits heute unter ökonomisch verursachter Phosphorknappheit leiden nicht in dieser Angelegenheit nach ihrer Meinung gefragt werden. Während wir in der industrialisierten Welt in Überfluss schwelgen und darüber debattieren, ob bzw. wann eine effizientere Ressourcennutzung durch z. B. Recycling aus Abfallströmen ökonomisch sein kann, sterben Menschen durch Ernährungsmangel unter anderem dadurch, dass sie sich Düngemittel einfach nicht leisten können. Unser zu viel steht einem zu wenig bei anderen gegenüber. Das anzustrebende Verteilungsoptimum liegt also genau dazwischen. Global betrachtet beläuft sich die Ressourceneffizienz für Phosphor entlang der Versorgungskette von der Phosphatmine bis hin zum Nahrungsmittelverzehr auf gerade einmal 20 % (SCHRÖDER et al. 2010). Davon ausgehend, dass 90 % des als Phosphaterz in Minen abgebauten Phosphors für die Produktion von Nahrungsmitteln eingesetzt werden, wurden im Jahr 2013 von den 224 Millionen Tonnen abgebauten Phosphaterzes (USGS 2014) 202 Millionen Tonnen für die Erzeugung von Nahrungsmitteln eingesetzt, von denen nur ca. 40 Millionen Tonnen veredelt in Form von Lebensmitteln auf unsere Teller gelangten. Diese Zahlen verdeutlichen, dass die oben genannte Wertschöpfungskette ein enormes Ressourceneffizienzsteigerungspotential in sich birgt. Doch was nützt es, nur von Ressourceneffizienz und Nachhaltigkeit zu reden? Diese Begrifflichkeiten der Neuzeit müssen mit Leben erfüllt werden! So bemerkte Johann Wolfgang von Goethe sehr treffend: Es ist nicht genug zu wissen, man muss auch anwenden; Es ist nicht genug zu wollen, man muss auch tun. Der Schlüssel liegt also in der Kooperation von Dichtern und Denkern mit Machern und Entscheidern. Ein Ansatzpunkt unter vielen, der die Möglichkeit des tatsächlichen Handelns bietet ist die Rückgewinnung des Phosphors aus Abfallströmen und die Rückführung in seiner Funktionalität als Nährstoff in die Nahrungskette (Nährstoffrecycling). Im Reigen der Abfallströme enthalten in industrialisierten Staaten vor allem Gülle, Abwasser und Bioabfälle substanzielle Mengen dieses Nährstoffes, die derzeit noch nicht bzw. unzureichend genutzt werden. Das EU Projekt P-REX ( widmet sich speziell der P-Rückgewinnung und dem P-Recycling aus dem Abwasserpfad und der Verknüp-

43 42 Kabbe fung mit Akteuren entlang der nachfolgenden Versorgungskette bis hin zum Endverbraucher. Ein zweiminütiger Animationsfilm, produziert im Rahmen des Projektes, vermittelt anschaulich worum es bei diesem Projekt geht: 2 Phosphorrückgewinnung und recycling aus dem Abwasserpfad Nachdem die traditionelle Form des Nährstoffrecyclings aus dem Abwasserpfad in Form der Klärschlammausbringung in der Landwirtschaft nicht nur hierzulande, sondern auch in anderen Mitgliedstaaten der Europäischen Union kritisch hinterfragt oder in einigen Ländern sogar strikt verboten wurde, gilt es umso mehr Alternativen zu finden, um den in diesem Stoffstrom enthaltenen Nährstoff Phosphor dennoch in den Nährstoffkreislauf zurückführen zu können. Abbildung 1 spiegelt die Klärschlammentsorgung bzw. verwertung in den Mitgliedsstaaten der EU-27 und der Schweiz im Jahr 2010 wider. Das Spektrum bewegt sich zwischen 100 % Verbrennung (CH, NL) bzw. über 70 % stofflicher Verwertung in der Landwirtschaft (UK, FR). Es sei darauf hingewiesen, dass die Darstellung nur die in den jeweiligen Ländern tatsächlich entsorgten bzw. verwerteten Klärschlammmengen reflektiert. Nicht ersichtlich ist zum Beispiel die grenzüberschreitende Entsorgung, wie im Fall des Klärschlammexports vom Königreich der Niederlande nach Deutschland (Entkopplung Ort des Anfalls vom Ort der Entsorgung/Verwertung). Abbildung 1: Klärschlammentsorgungs- und verwertungsrouten in Europa 2010 (Quellen: MILI- EU LTD 2010, EUROSTAT, DESTATIS)

44 Phosphor für die Landwirtschaft Strategien für eine endliche Ressource 43 In den letzten Jahren wurden zahlreiche Verfahren zur Rückgewinnung von Phosphor aus dem Abwasserpfad entwickelt. Einige haben es bereits in die industrielle Umsetzung geschafft, andere sind über den Labormaßstab nicht hinausgekommen. Tabelle 1 gibt einen Überblick über bereits realisierte Anlagen bzw. konkret geplante Umsetzungen. Tabelle 1: P-Rückgewinnungsanlagen in Betrieb bzw. konkret geplant - Abwasserpfad Verfahren Standort/Betreiber Größe Recyclat/Product AirPrex Waßmannsdorf (DE), BWB MG-Neuwerk (DE), Niersverband BS-Steinhof (DE), SE BS / AVB Echten (NL), Reest & Wieden Amsterdam-West (NL), Waternet Vollstrom MAP (Struvit) ANPHOS Land van Cuijk (NL), Aa en Maas Vollstrom MAP Aarhus Aaby (DK), Aarhus Water Vollstrom MAP Budenheim Mainz (DE), Budenheim Pilot DCP EkoBalans Helsingborg (SE), EcoBalans Pilot MAP, NPK EcoPhos Varna (BG), DecaPhos Dunkerque (FR), EcoPhos Demo Großanlage DCP/MCP Fix-Phos Hildesheim (DE), SEHi Vollstrom CaP Gifhorn Gifhorn (DE), ASG Vollstrom MAP LYSOGEST Lingen (DE), SE Lingen Vollstrom MAP MEPHREC Nürnberg (DE), SUN Demo P-Schlacke NuReSys-P PEARL PHOSPAQ Waasten (BE), Clarebout Potatoes 2x Niewkuerke (BE), Clarebout Potatoes Harelbeke (BE), Agristo Geel (BE), Genzyme Leuven (BE), Aquafin Schiphol Airport (NL), Evides Apeldoorn (NL), GMB-Imtech Land van Cuijk (NL), Logisticon Slough (UK), Thames Water Amersfoort (NL), Vallei & Veluwe Olburgen (NL), Waterstromen Lomm (NL), Waterstromen Nottingham (UK), Severn Trent Water Vollstrom Vollstrom Vollstrom MAP MAP MAP P-RoC Neuburg (DE) Pilot CaP REPHOS Altentreptow (DE), Remondis Aqua Vollstrom MAP STRUVIA Brüssel Nord (BE), Aquiris (Veolia) Pilot MAP Stuttgart Offenburg (DE), AZV Demo (Teilstrom) MAP

45 44 Kabbe Letztlich ist aber auch nicht die Vielzahl von Verfahren entscheidend, sondern deren Praktikabilität. Um neue Technologien im betreffenden Markt einführen und etablieren zu können, müssen diese vor allem praktikabel und wirtschaftlich sein. Neben der Demonstration des bereits heute Machbaren werden im Rahmen von P-REX vielversprechende Verfahren unter ökologischen und ökonomischen Gesichtspunkten analysiert und bewertet und der traditionellen Klärschlammausbringung als Referenzszenario gegenübergestellt. Dabei müssen selbstverständlich auch die Eigenschaften und Verwertungsoptionen für die jeweiligen Recyclate Beachtung finden. Denn was nützt es, Phosphor aus Abfallströmen zurückzugewinnen, wenn die resultierenden Materialien keiner sinnvollen Verwendung zugeführt werden können bzw. dürfen. Der denkbar schlimmste Fall wäre, dass Nährstoffe nach Rückgewinnung aus Abwasser bzw. Abfällen als Abfall entsorgt werden müssen, weil das Material nicht für eine nachfolgende Verwertung zugelassen werden kann oder die Spezifikationen nicht den Wünschen bzw. Anforderungen potenzieller Abnehmer entsprechen. Das wäre volkswirtschaftlicher Unsinn! Um das zu vermeiden ist es strategisch wichtig, bereits bei der Verfahrensentwicklung neben den potenziellen Anlagenbetreibern auch die Abnahmeseite für die Recyclate einzubeziehen. Nur wenn es gelingt, die Lücke zwischen Rückgewinnung und tatsächlicher nährstofflicher Verwertung zu schließen, wird sich ein substanzielles Nährstoffrecycling umsetzen lassen. Für die Anwendung im Düngemittelbereich, dem größten Anwendungsgebiet und damit auch Markt für Phosphate, stehen vor allem die Kriterien Düngewirksamkeit (Nährstoffverfügbarkeit für Pflanzen), als auch die Unschädlichkeit für Mensch und Umwelt (keine bzw. geringe Schadstoffbelastungen) im Vordergrund. Daher werden die am Projekt beteiligten Recyclate hinsichtlich ihrer Pflanzenverfügbarkeit anhand der P-Löslichkeiten sowie in Topf- und Feldversuchen erprobt und bewertet. Neben der Analyse der abfall- und düngemittelrechtlichen Parameter (v.a. Schwermetalle und einige wenige Organika), werden die Materialien auch hinsichtlich ihrer tatsächlichen Umweltwirkung anhand von Biotests untersucht. Während der Nachweis und die Quantifizierung der in den einschlägigen Verordnungen enthaltenen Einzelsubstanzen nur Indizien über die Schädlichkeit oder Unschädlichkeit der Gesamtmatrix geben können, liefern biologische Wirktest Aufschluss über die reale Ökotoxizität heterogener Stoffgemische, einschließlich der möglichen Cocktailwirkungen von Inhaltsstoffen, ohne jeden einzeln kennen und analysieren zu müssen. Die erhobenen Daten fließen in die für Verfahren und Recyclate kalkulierten Ökobilanzen und Lebenszykluskosten ein. Wie in Abbildung 2 dargestellt, kann man neben der klassischen Klärschlammausbringung zwischen zwei prinzipiellen Hauptrouten für die technische P-Rückgewinnung mit anschließendem Nährstoffrecycling unterscheiden. Unberücksichtigt bleiben im Rahmen der nachfolgenden Ausführungen die Rückgewinnungsoptionen in dezentralen Sanitärsystemen, welche nicht Gegenstand von P-REX sind.

46 Phosphor für die Landwirtschaft Strategien für eine endliche Ressource 45 Ausgehend davon, dass in Kläranlagen mit Phosphatelimination über 90 % des im Zulauf befindlichen Phosphors in den Schlamm überführt und dort in der Festphase konzentriert werden, empfiehlt sich die Rückgewinnung aus dem vom Abwasserhauptstrom abgetrennten Schlamm. Zwar gibt es auch Kläranlagen, bei denen Phosphor in Form des Minerals Struvit (MAP, MgNH 4 PO 4 x 6H 2 O) aus dem Abwasserhauptstrom zurückgewonnen wird, jedoch handelt es sich dabei um industrielle Abwässer (Lebensmittelindustrie) mit entsprechend hohen ortho-phosphat- und Ammoniumkonzentrationen (NuReSys-P, REPHOS ). Abbildung 2: Hauptrouten für das P-Recycling: Abwasserpfad - Landwirtschaft 2.1 P-Rückgewinnung aus der wässrigen Phase Aus der wässrigen Schlammphase kann Phosphor auf Kläranlagen mit biologischer P-Elimination nach der Faulung entweder vor der Schlammentwässerung oder nach Entwässerung im Zentrat durch Fällung bzw. kontrollierte Kristallisation zurückgewonnen werden. Da Fällungs- bzw. Kristallisationsprozesse Gleichgewichtsreaktionen sind, bedarf es in diesen Fällen immer Mindestkonzentrationen der beteiligten Ionen. D.h. es müssen ausreichend ortho-phosphat und Ammonium in der Wasserphase vorliegen und wie im Fall der Magnesiumionen in der Regel Reaktionspartner hinzu dosiert werden. Für eine effiziente MAP-Fällung ist zudem ein erhöhter ph-wert von ca. 8 bis 8,5 erforderlich. Die dafür nötige ph-wertanhebung kann durch CO 2 -Strippung oder Zugabe von Laugen (NaOH) erfolgen. Die in Betrieb befindlichen MAP-Anlagen haben in der Regel ortho-p-konzentrationen > 100 mg/l. Allgemein wird davon ausgegangen, dass die Mindestkonzentration des gelösten P für eine MAP-Fällung mindestens 50 mg/l betragen sollte. Diese Bedingungen werden zumeist nur von Kläranlagen erfüllt,

47 46 Kabbe auf denen der Phosphor biologisch eliminiert wird und eine Faulung des Schlammes stattfindet. Hierbei liegt der in der Biomasse akkumulierte Phosphor nach biologischem Abbau wieder in gelöster Form in der Wasserphase vor. Eine Rücklösung chemisch an Eisen oder Aluminium gebundenen Phosphors durch Faulung ist vernachlässigbar. Daher ist das Rückgewinnungspotenzial aus dem Schlammwasser mittels der klassischen MAP-Verfahren bezogen auf die P-Fracht im Kläranlagenzulauf begrenzt. Derzeit bewegt sich dieses Potenzial meistens zwischen 5 10 % bzw. in einigen Fällen sogar bis maximal 20 %. Erfolgt die MAP-Fällung direkt nach der Faulung im Nassschlamm vor der Entwässerung wie mit dem von den Berliner Wasserbetrieben entwickelten und unter dem Namen AirPrex vermarkteten Verfahren, kann die nachfolgende Schlammbehandlung positiv beeinflusst werden. Operative und damit auch monetäre Vorteile stellen sich in diesem Fall als verbesserte Entwässerbarkeit des Schlamms und als geringerer Polymerverbrauch für die Flockung dar. Durch die dadurch deutlich verringerte Schlammmenge (der TS kann um mehrere Prozentpunkte höher liegen) sinken die Entsorgungsund Betriebsmittelkosten. Bei großen Kläranlagen wie Wassmannsdorf (Berliner Wasserbetriebe) oder Mönchengladbach-Neuwerk (Niersverband) kann das zu jährlichen Kosteneinsparungen von mehreren hunderttausend Euro führen (HEINZMANN & LENGE- MANN 2013). In allen Fällen führt die MAP-Fällung zu einer Reduzierung der Rückbelastung durch das Zentrat und der Verringerung von Instandhaltungskosten, die durch ungewollte MAP-Ablagerungen in Rohrleitungen und Aggregaten entstanden. Eine nachgewiesene Option zur Erhöhung der MAP-Ausbeute ist die Kombination mit einer Thermalhydrolyse vor der Faulung (LD) oder innerhalb einer Faulungskaskade (DLD), angewandt für die Desintegration des Überschussschlamms. Somit lassen sich gleichzeitig Biogasausbeute, als auch MAP-Ausbeute steigern. Erhöht werden kann die Rückgewinnungsrate auch durch gezielte Rücklösung des in der Festphase fixierten P. Einem solchen Extraktionsschritt kann im Prinzip jedes der gängigen Fällungs- und Kristallisationsverfahren nachgeschaltet werden. 2.2 P-Rückgewinnung aus der Festphase Wie bereits erwähnt, befindet sich der größte Teil des Phosphors nach der Elimination aus dem Abwasser in der Festphase des Schlamms. Während die klassischen MAP- Verfahren in ihrer Anwendbarkeit und Rückgewinnungsausbeute durch die erforderliche Mindestkonzentration von gelöstem ortho-p in der Wasserphase limitiert sind, können die Verfahren, die Phosphor aus der Festphase zurückgewinnen sowohl für Bio-P, als auch für Chem-P-Schlämme eingesetzt werden. Für den Nassschlammbereich, als auch für die Rückgewinnung aus der Asche von Monoverbrennungsanlagen, in der die höchste P-Konzentration des Abwasserpfades zu erreichen ist, gibt es verschiedene Verfahrensansätze.

48 Phosphor für die Landwirtschaft Strategien für eine endliche Ressource 47 Die nasschemische Rücklösung des Phosphors erfolgt in der Regel durch starke Mineralsäuren. Dabei hängt die Rücklösungsrate direkt vom ph-wert ab. Je niedriger der ph-wert, desto höher die Rücklösungsrate. Bei ph = 3 wurden Rücklösungsraten von über 80 % erreicht mit MAP-Ausbeuten von über 60 %. Leider geschieht dies zum Preis eines hohen Säureverbrauchs für die Rücklösung und einem entsprechenden Laugeneinsatz für die ph-wertanhebung auf über 8 zur MAP-Fällung. Um zu verhindern, dass die gleichzeitig in Lösung gebrachten Schwermetalle das P-Recyclat verunreinigen, müssen diese entweder durch Komplexbildung (Stuttgarter Verfahren) oder mittels Sulfid-Fällung (Gifhorn) maskiert bzw. separiert werden. Als praktikabler Kompromiss zeichnet sich die Rücklösung bei einem ph-wert um 5 ab. Als Alternative zu diesen klassischen Mineralsäureaufschlussverfahren zeichnet sich das chemikalienarme Budenheim-Verfahren ab, bei dem lediglich CO 2 unter Druck für die Rücklösung des Phosphors eingesetzt wird. Das für diesen Kohlensäureaufschluss verwandte CO 2 wird prozessintern recycelt. Nach Rücklösung und anschließender Fest- Flüssig-Trennung wird ein gut pflanzenverfügbares Phosphat aus der wässrigen Phase gefällt. In diesem Fall Dicalciumphosphat (DCP). Besteht die Möglichkeit, Klärschlamm unverdünnt in einer Monoverbrennungsanlage zu verbrennen erhält man Klärschlammaschen (KSA), die als Ausgangsmaterial für eine P-Rückgewinnung dienen können. Auch für diese Matrix gibt es nasschemische Aufschlussverfahren, die den Phosphor, aber auch Schwermetalle rücklösen. Der Vorteil gegenüber dem Säureaufschluss im Nassschlamm liegt im Chemikalienverbrauch. Während bei Nassschlamm, der hauptsächlich aus Wasser besteht, allein für die ph-wertabsenkung des Wassers ein großer Teil der Säure verbraucht wird, wird die Säure im Fall der Aschen vollständig für die Rücklösung genutzt. Aber auch hier müssen die Schwermetalle abgereichert werden, wenn die Verfahren universell für Klärschlammaschen einsetzbar sein sollen. Letztlich werden sich die Verfahren durchsetzen, die unabhängig von der Aschequalität ein verwertbares Produkt liefern. Ansonsten besteht die Gefahr, dass nur ein Bruchteil der Aschen verwertet werden kann und bestehende Rückgewinnungsanlagen um eine geringe Aschemenge konkurrieren und gleichzeitig die unsauberen Aschen und der darin enthaltene Phosphor nach wie vor im Bergversatz verschwinden. Neben den Aufschlussverfahren gibt es auch thermochemische, metallurgische und biologische Verfahren, auf die hier aber nicht detailliert eingegangen werden soll. Wichtig ist, dass nach dem Rückgewinnungsaufwand Material zur Verfügung steht, welches den darin enthaltenen Phosphor verwertbar macht. Wird die direkte Verwertung als Düngemittel angestrebt, müssen Wirksamkeit und Unschädlichkeit direkt gegeben sein. Zudem müssen die Materialien als Düngemittel zugelassen sein. Soll das Material lediglich als Rohmaterial für weitere Veredlungsprozesse dienen, kommt es auf die Spezifikationen der Nachfolgeprozesse an. Hier ist zum Beispiel die Pflanzenverfügbarkeit kein zwingendes Kriterium.

49 48 Kabbe 3 Marktaspekte für substanzielles Phosphorrecycling Neben den Prozessen und Anlagen, die speziell auf die Rückgewinnung von Phosphor aus Abfallströmen abzielen sollten wir uns auch Gedanken über bereits bestehende Infrastrukturen machen, die ohne Neubau von Aufbereitungskapazitäten eine P-Rückgewinnung oder im besten Fall ein Recycling ermöglichen. Hier kann der Düngemittelindustrie eine tragende Rolle zukommen. Gerade im Fall der Säureaufschlussverfahren sind die Ähnlichkeiten zwischen den als Rückgewinnungsverfahren entwickelten oder adaptierten und der gängigen Praxis im Düngemittelbereich offensichtlich. Leider wurde es in der Vergangenheit versäumt, die Düngemittelproduzenten in die Phosphorrecyclingdiskussion einzubeziehen. Vielleicht ließen sich bereits heute ohne zusätzliche Investitionen Klärschlammaschen als Teilsubstitut für importiertes Rohphosphat einsetzen. Düngemittelhersteller in den Niederlanden, Deutschland, Polen und Spanien beschäftigen sich seit geraumer Zeit mit dieser Fragestellung. Natürlich ist nicht davon auszugehen, dass von heute auf morgen alle Klärschlammaschen derart verwertet werden. Aber man hätte die Akteure motivieren können, ihre Prozesse für die neuen Herausforderungen anzupassen, anstatt auf Neuentwicklung zu fokussieren. Wie sich im Dialog mit der Düngemittelindustrie herausstellt, wird der Einsatz von Klärschlammaschen als Teilsubstitut für Rohphosphat als Option und Chance gesehen, die Düngemittelproduktion in Europa nachhaltiger zu gestalten und vor allem nachhaltig zu sichern. Als limitierende Faktoren für den Einsatz der Aschen gelten vor allem der Eisen- und Chlorgehalt. Zudem darf der Anteil der Restorganik nach der Verbrennung 1 Gew.-% nicht überschreiten. Ebenso wichtig für die potenziellen Abnehmer sind Lieferzuverlässigkeit, Mengenverfügbarkeit, stabile Zusammensetzung und natürlich der Preis. Vorstellungen, Recyclate als Rohstoff für die Düngemittelproduktion zu einem Preis von aufbereitetem P 2 O 5 zu verkaufen sind illusorisch. Letztlich wird dafür nicht mehr bezahlt werden, als für das Rohphosphat, welches am jeweiligen Produktionsstandort eingesetzt wird. Höhere Preise werden sich nur erzielen lassen, wenn das Material direkt als Einmischkomponente oder im besten Fall als fertiger Dünger verwertet werden kann. Das erfordert jedoch neben der Rückgewinnung weitere Veredlungsschritte, die es bereits in der Düngemittelproduktion in vielfach größerer Kapazität gibt. Aber Rückgewinnung und Veredlung sind nur eine Seite der Medaille. Während die Düngemittelindustrie bereits über ein etabliertes Vermarktungs- und Distributionsnetz verfügt und ihre Produkte als solche verkauft, fehlen den meisten heute in begrenzten Mengen verfügbaren Recyclaten nicht nur die Zulassung als Düngemittel sondern auch die Bestätigung des Produktstatus. Beide Voraussetzungen, um chemische Stoffe oder Stoffgemische in Europa überhaupt als Düngemittel herstellen und handeln zu dürfen. Das in Waßmannsdorf produzierte MAP haben die Berliner Wasserbetriebe im Jahr 2013 erfolgreich unter REACH registriert. Für die Registrierung gilt derzeit noch eine Mindestmenge von 100 Tonnen pro Jahr, ab 1. Juni 2018 sinkt diese auf 1 Tonne pro Jahr, so dass ab diesem Zeitpunkt quasi alle MAP-Produzenten registrierungspflichtig sind. Nationale Interpretationen zur Registrierungspflicht von Recyclaten, die heute

50 Phosphor für die Landwirtschaft Strategien für eine endliche Ressource 49 noch existieren und Ausnahmen erlauben, werden bis dahin von der Kommission geprüft worden sein. Derzeit läuft die Novellierung der Europäischen Düngemittelverordnung EC 2003/2003. Unter anderem sollen Recyclate in der Neufassung stärker berücksichtigt werden. Ein Diskurs über die Definition von End-of-Waste -Kriterien (Kriterien zur Bestimmung des Endes der Abfalleigenschaft) ist in vollem Gange. Jedoch dürfen bei der Diskussion auch nicht die Endverbraucher bzw. Landwirte vergessen werden. Während erste letztendlich über die Akzeptanz für Recyclate in der Nahrungskette entscheiden (können sollten), sofern sie überhaupt die Möglichkeit haben, zwischen Produkten zu wählen, die zum Beispiel auf mit Klärschlamm gedüngten Flächen produziert wurden oder ob cadmium- und uranhaltige Phosphate zum Einsatz kamen. Derzeit hat der Verbraucher keine Chance, diese Aspekte nachzuvollziehen, geschweige denn zu wählen. Bei den Landwirten kommen neben preislichen Aspekten auch praktische zum Tragen. Sind die Recyclingdünger lagerfähig, mit bereits vorhandenem Equipment auszubringen (Streufähigkeit und Wurfweite) und ausreichend verfügbar? Während alle Düngemittel als Mindestanforderung die rechtlichen Vorgaben erfüllen müssen, entscheiden letztlich die potenziellen Abnehmer über den Markterfolg. 4 Ausblick Nachdem die technischen Voraussetzungen für ein Phosphorrecycling hinlänglich entwickelt wurden, ist es nun an der Zeit, unser Wissen anzuwenden. Im Bereich der Phosphorrückgewinnung aus dem Abwasserpfad zeichnet sich bereits ab, dass die MAP-Rückgewinnung auf Kläranlagen mit biologischer P-Elimination und Faulung aus betrieblicher Sicht vorteilhaft ist. Jedoch ist das P-Rückgewinnungspotenzial in diesen Fällen begrenzt und die bereits laufenden Anlagen wurden auch nicht vordergründig wegen der P-Rückgewinnung sondern aufgrund betrieblicher Erfordernisse installiert. Um jedoch den Phosphor, der in der festen Phase des Klärschlamms gebunden ist, verfügbar zu machen, ist ein deutlich höherer Aufwand zu betreiben, der nicht unmittelbar mit der Erfüllung der zentralen Aufgabe von Kläranlagen, nämlich der Reinigung von Abwasser verbunden ist. D.h. unter den derzeit geltenden rechtlichen Rahmenbedingungen ist die Installation solcher Anlagen nicht gebührenfähig und die Frage, wer diesen Mehraufwand bezahlen soll, unbeantwortet. Da die derzeitigen Preise für Phosphate niedriger sind als die Kosten für die Rückgewinnung und Aufbereitung aus der Festphase des Klärschlamms, können nur ordnungspolitische Motivation bzw. Anforderungen den Rahmen für Investitionen in diese Richtung schaffen. Die hierzulande diskutierte Verordnung zur Phosphatrückgewinnung kann ein erster Schritt in diese Richtung sein. Es sollte jedoch unbedingt darauf geachtet werden, dass nicht nur über Rückgewinnungsziele gesprochen

51 50 Kabbe wird, sondern auch das tatsächliche Recycling stattfinden kann. Wenn man Abwasserentsorgern das Mandat zur Rückgewinnung auferlegt, muss auch gewährleistet sein, dass sie das zurückgewonnene Material einer Verwertung zuführen können. Nun ist es aber nicht die gesellschaftliche Aufgabe von Kläranlagenbetreibern z. B. Düngemittel herzustellen und zu vertreiben. Hier muss die Folgekette einbezogen werden. Und wer, wenn nicht die Düngemittelindustrie und der existierende Vertrieb können das am besten? Eine Beimischungsquote für Recyclingphosphate ist sicher nicht verkehrt, jedoch muss deren Festlegung unter Einbeziehung aller Beteiligten erfolgen, um einen Fehlstart wie beim Biosprit zu vermeiden. Dort hatte man offenbar versäumt die Automobilhersteller ins Boot zu holen. Letztlich kann man solche Ziele nur erreichen, wenn alle Akteure der betreffenden Wertschöpfungskette in die Diskussionen zur Umsetzung einbezogen werden. Es ist auch nicht nötig, gleich überhöhte Anforderungen zu stellen oder einseitige Erwartungen zu wecken. Es ist besser Stück für Stück eine Brücke zu bauen, als fortwährend Anlauf zu nehmen und den Sprung über den Abgrund am Ende doch nicht zu wagen. Um Brücken zu bauen benötigt man Material. Somit stellen die MAP-Rückgewinnung und das begonnene Recycling als Düngemittel einen ersten Schritt dar, der auch für andere Recyclate den Weg zu einer nährstofflichen Verwertung ebenen wird. Erste legislative Hürden können genommen werden und Akzeptanz für derlei Produkte kann generiert werden. Sogar die Anwendung im Ökolandbau ist denkbar, wo derzeit lediglich weicherdiges Rohphosphat als mineralische P-Quelle eingesetzt werden darf. Die Frage, ob die Schließung von lokalen oder regionalen Nährstoffkreisläufen durch Recycling aus ohnehin anfallenden Stoffströmen ökologischer ist als der Import von Nährstoffen, die zuvor in riesigen Tagebauen abgebaut wurden, ist leicht zu beantworten. Neben der Listung der Recyclate im Anhang I der EC 889/2008 ist die Akzeptanz der Ökolandwirte, ihrer Verbände und selbstverständlich der Verbraucher essenzielle Voraussetzung. Akzeptanz und Vertrauen lassen sich am besten durch offenen Dialog und Transparenz entlang der Versorgungskette schaffen. Für die Entwicklung von Strategien zur Umsetzung flächendeckenden Phosphorrecyclings ist es erforderlich, die betreffenden Stoffströme und die darin verborgenen Phosphorpotenziale zu kennen. Derzeit wird viel mit statistischen Daten gearbeitet, die nicht zwingend die Realität widerspiegeln. Gerade bei nationalen Durchschnittswerten läuft man Gefahr, die regionalen Besonderheiten zu ignorieren. Wenn es um den Einsatz von Steuergeldern geht, sollten diese auch dort eingesetzt werden, wo es für die Gesellschaft am meisten Sinn macht. D.h. steht eine begrenzte Summe für die Umsetzung von P-Rückgewinnungsanlagen zur Verfügung, sollten sie dort investiert werden, wo am meisten Phosphor in einer verwertbaren Form geborgen werden kann. Diese Rückgewinnungsschwerpunkte lassen sich nur anhand von Realdaten bestimmen. Wie bei der Erstellung der P-Rückgewinnungspotenzialstudie für das Land Berlin (KABBE et al. 2014) festzustellen war, werden Abfallströme zwar hinsichtlich ihrer Schadstoffgehalte

52 Phosphor für die Landwirtschaft Strategien für eine endliche Ressource 51 überwacht, selten aber deren Wertstoffgehalte erhoben. Das jüngst abgeschlossene und von der Bundesanstalt für Materialforschung und prüfung (BAM) durchgeführte UFOPLAN-Vorhaben zum Klärschlammasche-Monitoring (KRÜGER & ADAM 2014) hat Klarheit für diesen Stoffstrom gebracht und sollte in ähnlicher Form auch bei anderen Stoffströmen durchgeführt werden. Durch die immer besser werdende Verzahnung der Akteure aus Wissenschaft, Politik und Industrie, wie sie vor allem von den verschiedenen Phosphorplattformen und anderen Initiativen vorangetrieben wird, ist zu erwarten, dass noch in diesem Jahrzehnt erste Weichenstellungen erfolgen, die Europa tatsächlich zu einer höheren Ressourceneffizienz führen werden, und vor allem Planungssicherheit für Investitionen geben. Denn was nützen richtig gestellte Weichen, wenn darüber keine Züge rollen? Danksagung Das Projekt P-REX wird durch Mittel aus dem 7. Rahmenprogramm der Europäischen Kommission (GA #308645) ermöglicht. Das Kompetenzzentrum Wasser Berlin ggmbh wird bei diesem Projekt zudem von den Berliner Wasserbetrieben und Veolia Wasser kofinanziert. Literatur HEINZMANN B., LENGEMANN A. (2013): Vom Betriebsproblem zum Berliner Verfahren - Phosphorrückgewinnung als Magnesiumammoniumphosphat in der Kläranlage Wassmannsdorf. 8. Klärschlammtage. Fulda Juni 2013 KABBE C., BÄGER D., MANCKE R. (2014): Phosphorpotenziale im Land Berlin - Abschlussbericht, Kompetenzzentrum Wasser Berlin ggmbh. Berlin 2014 KRÜGER O., ADAM C. (2014): Monitoring von Klärschlammmonoverbrennungsaschen hinsichtlich ihrer Zusammensetzung zur Ermittlung ihrer Rohstoffrückgewinnungspotentiale und zur Erstellung von Referenzmaterial für die Überwachungsanalytik, UBA Texte 49/2014. Dessau-Roßlau MILIEU LTD (2010): Environmental, economic and social impacts of the use of sewage sludge on land, part I: Overview report. milieu Ltd. WRc. RPA SCHRÖDER J.J. et al. (2010): Sustainable use of phosphorus. Report 357. Plant Research International. Part of Wageningen UR USGS (2014): Phosphate Rock. U.S. Geological Survey. Mineral Commodity Summaries. Februar P

53 52 Zimmer, Ellmer, Kroschewski Nährstoffversorgung Brandenburger Ackerböden Nutrition supply of arable land in the German Federal State of Brandenburg Jörg Zimmer 1,2, Frank Ellmer 2, Bärbel Kroschewski 2 1 Landesamt für Ländliche Entwicklung, Landwirtschaft und Flurneuordnung des Landes Brandenburg, Abteilung Landwirtschaft, Referat Ackerbau, Grünland, Stahnsdorfer Damm 1, Stahnsdorf, Joerg.Zimmer@LELF.Brandenburg.de 2 Humboldt-Universität zu Berlin, Lebenswissenschaftliche Fakultät, Albrecht-Daniel-Thaer-Institut für Agrar- und Gartenbauwissenschaften, Invalidenstraße 42, Berlin Joerg.Zimmer@Lelf.brandenburg.de Zusammenfassung: Nachhaltige Nährstoffreproduktion ist Indikator und Bewertungskriterium bodenfruchtbarkeitserhaltender landwirtschaftlicher Bodennutzung. Im Ergebnis der Auswertung von Bodenproben aktueller ackerbaulicher Bodennutzung ist der gegenwärtige Nährstoffversorgungszustand Brandenburgischer Ackerböden kritisch zu bewerten. Schlagwörter: Bodenfruchtbarkeit, Nährstoffgehalte, Phosphor, Stickstoff, Kalium, ph Abstract: Sustainable nutrient reproduction is one of the key indicators and evaluation criteria to check the maintenance of soil fertility by agricultural soil management. As main result of an evaluation of 56,345 soil samples the current nutrition supply status of arable land in the German Federal State of Brandenburg has to be assessed critically. Keywords: soil fertility, nutrient content, P, N, K, ph 1 Einleitung Ziel der heutigen landwirtschaftlichen Bodennutzung ist neben der Erzeugung von Nahrungs- und Futtermitteln sowie Industrierohstoffen der in den letzten Jahren politisch forcierte Anbau von pflanzlicher Biomasse zur energetischen Verwertung. Zumeist unberücksichtigt bleibt, dass Ackerboden nur begrenzt verfügbar und daher in seiner Fruchtbarkeit und Leistungsfähigkeit nachhaltig zu erhalten ist. Die Kenntnis des aktuellen Status der Bodennährstoffversorgung ist hierbei von zentraler Bedeutung. 2 Material und Methoden Für die vorliegenden Auswertungen wurde für den Zeitraum ein Datenbestand von Bodenproben der Bodengruppen 1-6 (BG 1 [S]: , BG 2 [l S]: , BG 3 [ls]: , BG 4 [sl/ul]: 3.778, BG 5 [tl/t]: 1.659, BG 6 [Mo]: 3.736) erarbeitet. Dem Datenbestand können ca. 43 % der Ackerflächen des Landes Brandenburg zugeordnet werden. Die Entnahme der Bodenproben erfolgte durch den Flächen-

54 Phosphor für die Landwirtschaft Strategien für eine endliche Ressource 53 bewirtschafter oder einen beauftragten, akkreditierten Probenehmer jeweils aus der Ackerkrume (0 bis cm). Die Bodenuntersuchungen (ph-wert, P DL -, K DL - und Mg CaCl2 -Gehalt nach VDLUFA-Methodenstandard) sowie die Bewertung der Ergebnisse (ph-klassen und Nährstoffgehaltsklassen) wurden von zugelassenen Laboreinrichtungen entsprechend der Bewertungsvorgaben des Landes Brandenburg (VON WULFFEN et al. 2008) vorgenommen. Nahezu vollständig (99,9 %) lagen für jede Bodenprobe die Laborergebnisse aller vier Untersuchungsmerkmale vor. Überprüfungen ergaben Fehlbewertungen, die korrigiert wurden. Die statistische Auswertung der Bodenuntersuchungsergebnisse erfolgte mittels Rangvarianzanalyse (Kruskall-Wallis) und anschließendem paarweisen Vergleich. Statistisch errechnete Differenzierungen wurden in Auswertung der Literatur zu Labor- (MUNZERT et al. 2007, NUSCHE & HEYMANN 2011, VDLUFA ) und Probenahmefehler (KERSCHBERGER & RICHTER 1992, KURFÜRST et al. 2011) bewertet. Ableitend wurden zur Anerkennung signifikanter Differenzierungen folgende Grenzen der Nährstoffunterversorgung definiert (siehe ZIMMER in Vorb.): - ph-wert > 0,4 - P DL -Gehalt (ph-wert 7,0) > 4,0 mg 100 g -1 Boden - P DL -Gehalt (ph-wert > 7,0) > 4,6 mg 100 g -1 Boden - K DL -Gehalt > 4,7 mg 100 g -1 Boden - Mg CaCl2 -Gehalt > 2,3 mg 100 g -1 Boden Die Auswertung der vom VDLUFA erstellten ph-klassen und Nährstoffgehaltsklassen (A, B, C, D, E) erfolgte durch Auszählen der Datensätze. Zur Ergebnisdarstellung wurden die ph- und Nährstoffgehaltsklassen zusätzlich in drei Bewertungskategorien der Kalk- und Nährstoffversorgung zusammengefasst: Unterversorgung (A, B), optimale Versorgung (C) und Überversorgung (D, E). 3 Ergebnisse und Diskussion In der Landbaupraxis Brandenburg ist die systematische Bodenuntersuchung wesentlicher betrieblicher Standard der guten fachlichen Praxis der landwirtschaftlichen Bodennutzung. Dieser Betriebsstandard geht über die Anforderungen der Düngeverordnung hinaus und sollte beibehalten werden. Die durchschnittliche Kalk- und Nährstoffversorgung der Ackerböden im Land Brandenburg ist aktuell, mit Ausnahme der Kaliumversorgung der organischen Böden der Bodengruppe 6, als gut bis sehr gut einzuschätzen (Tabelle 1). Vorliegende Differenzierungen zwischen den Bodengruppen sind sowohl geogen bedingt als auch die Folge ackerbaulicher Bewirtschaftung. Auffallend jedoch sind die mittleren ph-werte der Mineralböden, insbesondere der Bodengruppen 3-5, die im jeweils unteren Bereich der Optimalversorgung an der Grenze zur Unterversorgung liegen. Auswertungen in den Folgejahren müssen zeigen, ob die durchschnittliche Kalkversorgung Brandenburger Ackerböden künftig insgesamt auf mangelhaft herabzustufen ist.

55 54 Zimmer, Ellmer, Kroschewski Entgegen der zuvor positiven Einschätzung zwingen die vorliegenden Auswertungsergebnisse der einzelprobenbezogenen Bewertung des Kalk- und Nährstoffversorgungszustandes zu einer weitaus kritischeren Beurteilung. Hervorzuheben sind die hohen Anteile an mit Kalk und Grundnährstoffen unterversorgten Ackerböden (Tabelle 2), erst recht wenn man bedenkt, dass dieser Anteil im Verlauf der letzten 25 Jahre deutlich angestiegen ist (vgl. WITTER & KRAUSE 1990). Hinzu kommt, dass bei 74 % aller untersuchten Böden mindestens ein Untersuchungsparameter als unterversorgt bewertet wurde. Tabelle 1: Mittlere ph-werte und Nährstoffgehalte der Bodengruppen Brandenburgischer Ackerböden ( , mg 100 g -1 Boden) 1 Boden- P DL bei ph-wert gruppe ph-wert 7,0 > 7,0 K DL Mg CaCl2 1 S 5,6 a 7,9 ab 10,1 b 10,1 a 5,3 a 2 l S 5,9 ab 7,6 ab 9,0 ab 11,8 ab 5,8 a 3 ls 6,2 bc 7,1 ab 9,0 ab 13,4 abc 6,9 a 4 sl/ul 6,3 bs 7,4 ab 9,5 ab 15,2 bc 10,0 b 5 tl/t 6,4 c 10,7 b 10,3 b 18,0 c 14,7 c 6 Mo 6,0 bc 6,6 a 5,5 a 11,3 ab 15,6 c 1-6 5,9 7,6 8,8 12,1 7,1 1 Werte einer Spalte mit gleichen Buchstaben unterscheiden sich im Nemenyi-Test nicht signifikant (α 0,05) Tabelle 2: Bewertung des Kalk- und Nährstoffversorgungszustandes Brandenburgischer Ackerböden ( , Angaben in % der Ackerfläche) Versorgungs- P DL bei ph-wert zustand ph-wert 7,0 > 7,0 K DL Mg CaCl2 unterversorgt optimal versorgt überversorgt Gehaltsklassen A, B; 2 Gehaltsklasse C; 3 Gehaltsklassen D, E 4 Fazit Auf Grundlage der aktuellen Kalk- und Nährstoffversorgung kann lediglich für 26 % der Ackerböden im Land Brandenburg ein optimaler Bodenfruchtbarkeitszustand ausgewiesen werden. Der Rest der Ackerböden ist zu etwa gleichen Anteilen über- bzw. unterversorgt, so dass der aktuelle Nährstoffversorgungszustand Brandenburgischer Ackerböden kritisch zu bewerten ist. Es stellt sich die Frage, ob und wie die künftigen Anforderungen an die landwirtschaftliche Bodennutzung mit einer nachhaltigen Verbesserung der Bodenfruchtbarkeit in Einklang zu bringen sind.

56 Phosphor für die Landwirtschaft Strategien für eine endliche Ressource 55 Literatur KERSCHBERGER M., RICHTER D. (1992): Untersuchungen zur Streuung der Bodenuntersuchungsergebnisse von ph, P, K und Mg auf großen Feldschlägen des Ackerlandes. Archiv Acker- und Pflanzenbau und Bodenkunde 36: KURFÜRST U., BUCZKO U., KLEIMEIER C., KUCHENBUCH R.O. (2011): Soil sampling uncertainty on arable fields estimated from reference sampling and collaborative trial. Accreditation and Quality Assurance 16: MUNZERT M., KIEßLING G., ÜBERHÖR W., NÄTSCHER L., NEUBERT K.H. (2007): Expanded measurement uncertainty of soil paramters derived from proficiency-testing data. Journal of Plant Nutrition and Soil Science NUSCHE H., HEYMANN A. (2010): 1. LÜRV-A Boden 2010, 1. Länderübergreifender Ringversuch Boden für das Fachmodul Abfall, Teilbericht DL-untersuchte Labore. Staatliche Betriebsgesellschaft für Umwelt und Landwirtschaft (BfUL). Leipzig VDLUFA ( ): Verband Deutscher Landwirtschaftlicher Untersuchungs- und Forschungsanstalten (Hrsg.), Fachgruppe II Bodenuntersuchung: Endbericht 90, 91, 92 Enquete (2010/2011, 2011/ /2013). 95, 92, 91 (unveröffentlichtes Material). VON WULFFEN U., ROSCHKE M., KAPE H.-E. (2008): Richtwerte für die Beratung sowie Umsetzung der Düngeverordnung (DüV) - Gemeinsame Hinweise der Länder Brandenburg, Mecklenburg-Vorpommern und Sachsen-Anhalt. MLUV Brandenburg (Hrsg.). Potsdam. 84. WITTER B., KAUSE O. (1990): Der aktuelle Stand der Kalk- und Nährstoffversorgung der Böden der DDR und die gezielte Nutzung dieser Ergebnisse. Feldwirtschaft. 31/1: ZIMMER J. (in Vorb.): Erhaltung der Bodenfruchtbarkeit ackerbaulich genutzter Böden im Land Brandenburg. Diss. HU Berlin.

57 56 Eichler-Löbermann, Bachmann, Schiemenz, Uptmoor Pflanzenbauliche Phosphor-Nutzung aus Reststoffen ein Beitrag zum Ressourcenschutz Phosphorus recycling with waste products in cropping systems a contribution to resource conservation Bettina Eichler-Löbermann, Silvia Bachmann, Katja Schiemenz, Ralf Uptmoor Universität Rostock, Lehrstuhl für Pflanzenbau bettina.eichler@uni-rostock.de Zusammenfassung: Weltweit werden etwa 90 % des Phosphors (P) in der Landwirtschaft verwendet. In Anbetracht der begrenzten P-Ressourcen kommt der Nutzung von Abfällen und Reststoffe als P-Quelle eine große Bedeutung zu. In mehreren Versuchen unter teilkontrollierten Bedingungen und Feldbedingungen wurden Materialien wie Biomasse-Aschen, Produkte der Abwasserbehandlung, Kompost und Gärreste aus Biogasanlagen untersucht. Für die meisten dieser Reststoffe konnte eine gute P-Düngewirkung ermitteln werden, die mit der von leichtlöslichen kommerziellen P-Düngern wie Tripelsuperphosphat vergleichbar war. Das betraf sowohl die P-Aufnahme der Pflanzen als auch die bioverfügbaren P-Gehalte in Boden. Die P-Wirkung hing jedoch von den P-Fraktionen in den Reststoffen, den angebauten Pflanzenarten und den Umweltbedingungen ab. Im Folgenden werden Ergebnisse zu Biomasse-Aschen und Gärresten dargestellt. Schlüsselwörter: Gärreste, Biomasse-Aschen, mikrobielle Aktivität, P-Fraktionen Abstract: About 90 % of the phosphorus (P) in the world is used in agriculture. The global P resources, however, are limited and will probably be depleted within the next century. Therefore, solutions for P recycling by utilization of residues and wastes in agriculture become more important to save the world-wide P reserves. In several greenhouse and field experiments we investigated the P fertilizing effects of biomass ashes, biogas residues, compost and waste water products. Generally, increasing bioavailable P contents in soil as well as increasing P uptakes of crops were measured after application of the residues and waste materials. For some products we found effects comparable to those of high soluble commercial P fertilizers. However, the effects depended on the P fractions in the products, the soil types and the cultivated crops. Here we present results of the P efficiency of biomass ashes and biogas digestates. Keywords: digestate, biomass ashes, microbial activity, phosphorus fractions

58 Phosphor für die Landwirtschaft Strategien für eine endliche Ressource 57 1 Einleitung In Deutschland fallen jährlich große Mengen an Reststoffen an. Diese enthalten wichtige Nährstoffe und häufig auch organischen Anteile. Die sachgerechte und effiziente Verwertung von Reststoffen im Pflanzenbau setzt jedoch Kenntnisse über die darin enthaltenen Nährstoffe und deren Verfügbarkeit, sowie über mögliche Schadstoffe voraus. Von besonderer Bedeutung ist in diesem Zusammenhang wegen der zunehmend knappen Ressourcen der Pflanzennährstoff Phosphor (P). Besonders die P-Rückgewinnung aus Klärschlamm-Aschen und aus Abwässern wird an Bedeutung zunehmen. Eine weitere Möglichkeit des P-Recyclings bietet die Nutzung von Abfallprodukten aus der Bioenergieproduktion. In Rostock werden am Lehrstuhl für Pflanzenbau seit 2007 Versuche zur P-Düngewirkung von Abfällen und Reststoffen durchgeführt. Beispielhaft sollen hier ausgewählte Ergebnisse zur Nutzung von Biomasse-Aschen und Gärresten dargestellt werden. 2 Pflanzenbauliche Wirkungen von Biomasse-Aschen Bei der Verbrennung von Biomasse bleiben die meisten Nährstoffe in der Asche enthalten. Deshalb ist es sinnvoll, bestimmte Aschefraktionen unter Berücksichtigung gesetzlicher Rahmenbedingungen dem natürlichen Stoffkreislauf zurückzuführen. Dabei spielt es auch eine Rolle, auf welchen Böden und zu welchen Fruchtarten Biomasse-Aschen appliziert werden (SCHIEMENZ & EICHLER-LÖBERMANN 2010). Die Verwertung der Rückstände aus der energetischen Nutzung von Biomasse im Pflanzenbau kann wirtschafts-, umwelt- und gesellschaftsrelevante Vorteile mit sich bringen. Positive finanzielle Aspekte liegen bei dieser Form der Wiederverwertung in der Einsparung von Deponievolumen und in den reduzierten Kosten für die Düngemittelproduktion (LIEBHARD et al. 2009). Zudem könnte der Betrieb von Biomasse-Heizwerken wirtschaftlicher werden, wenn sich die Entsorgungskosten für die Aschen verringern bzw. sich sogar Einnahmen mit den Aschen erzielen ließen. Gleichzeitig dient eine landwirtschaftliche Verwertung von Biomasse-Aschen der Schließung von Nährstoffkreisläufen. Dabei sollte die Herkunft der Biomasse, aus der die Asche gewonnen wurde, bei der Ascherückführung berücksichtigt werden. Demnach sollten halmgutartige Biomasse-Aschen auf Ackerflächen und Holz-/Rindenasche primär auf Forst- bzw. Energieholzflächen ausgebracht werden, um eine Kreislaufwirtschaft zu gewährleisten. 2.1 Nährstoffgehalte in Biomasse-Aschen Die Konzentrationen an Nährstoffen schwanken in Abhängigkeit vom Ausgangsmaterial. Im Vergleich von 3 verschiedenen Biomasse-Aschen (Rapsextraktionsschrotasche - RESA, Strohasche - SA und Getreideasche - GA), die in Gefäß- und Feldversuchen in Rostock eingesetzt wurden, ergaben sich dabei Werte zwischen ca. 1 und 10 % P (Tabelle 1). Wegen dieser großen Unterschiede musste stets ein Kompromiss zwischen der auszubringenden Nährstoffmenge und der Ausbringungsmenge der Aschen gefun-

59 58 Eichler-Löbermann, Bachmann, Schiemenz, Uptmoor den werden, da Aschen neben der Nährstoffwirkung auch auf Bodeneigenschaften, insbesondere den ph-wert wirken. So betrug in einem Gefäßversuch in der Variante SA trotz deutlich höherer Applikationsmengen die Menge an ausgebrachten P nur 0,1 g pro Gefäß, während mit den beiden anderen Aschen jeweils 0,2 g P ausgebracht wurden (Tabelle 1). Tabelle 1: Düngevarianten im Gefäßversuch (Rostock) und die zugeführten Nährstoffmengen (bezogen auf Gefäße mit 6 kg Boden) Düngevariante Kurzform Nährstoffkonzentrationen (%) Nährstoffzufuhr (g Gef. -1 ) P K Mg P K Mg Kontrolle KON Triple-SuperP TSP 20, ,0 0, RESA 8,0 7,3 5,5 2,5 0,20 0,18 0,14 Strohasche SA 1,0 5,3 1,0 9,8 0,10 0,52 0,10 Düngermenge (g Gef. -1 ) Rapsextraktionsschrotasche Getreidekornasche GA 10,5 10,8 3,3 1,9 0,20 0,21 0,06 Kaliumchlorid KCl - 52,4-1,0-0,52 - Quelle: SCHIEMENZ K. (2012) 2.2 P-Aufnahme von Fruchtarten nach Applikation von Biomasse-Aschen In dem oben genannten Gefäßversuch kamen 8 unterschiedliche Fruchtarten zum Anbau, wobei 4 Fruchtarten im Wesentlichen als Hauptfrüchte und die anderen 4 als Zwischenfrüchte Bedeutung haben. Entsprechend der besten Wachstumszeiten der Haupt- und Zwischenfrüchte wurden pro Bodenart zwei Teilexperimente mit jeweils 4 Kulturen angelegt. Die Hauptfrüchte (Mais, Lupine, Sommergerste und Sommerraps) wurden Ende März/Anfang April gesät, die Zwischenfrüchte (Ölrettich, Phacelia, Welsches Weidelgras und Buchweizen) im August. Um die Wirkung von P und Kalium (K) zu beurteilen, die beide in den Aschen in relativ hoher Konzentration vorhanden sind, wurden Varianten mit Triple-SuperP (TSP), mit Kaliumchlorid (KCl) sowie eine Kontrollen ohne P- und K-Zufuhr angelegt. Alle Varianten wurden in vierfacher Wiederholung auf 2 verschiedenen Böden, auf sandigem Lehm und lehmigem Sand angelegt. Die P-Aufnahme stieg, wenn P mittels Asche oder TSP zugeführt wurde. Auf lehmigem Sand zeigte Mais die signifikant höchsten P-Aufnahmen aller Hauptfrüchte mit durchschnittlich 91,3 mg je Gefäß und eine infolge der P-Zufuhr gesteigerte P-Aufnahme um 34 % bei GA bzw. 44 % bei TSP (Tabelle 2). Diese Ergebnisse stehen im Zusammenhang mit der Erhöhung der Sprosserträge von Mais nach P-Zufuhr.

60 Phosphor für die Landwirtschaft Strategien für eine endliche Ressource 59 Tabelle 2: P-Aufnahme in Abhängigkeit von der Düngung, Fruchtart und Bodenart, Gefäßversuche 2007 und 2008 H a u p t f r ü c h t e Z w i s c h e n f r ü c h t e Düng. Mais Bl. Lupine So- Gerste So- Raps Ölrettich Phacelia Weidelgr. Buchw. P KON TSP RESA SA GA KCl <0,001* ** 0,073 ns 75,6 a (100) 109,2 d (144) 99,9 bc (132) 91,4 b (121) 101,0 cd (134) 70,8 a (94) 25,3 (100) 32,5 (128) 35,8 (142) 27,2 (108) 25,9 (102) 27,5 (109) P-Aufnahme (mg Gefäß -1 ) auf lehmigem Sand (Sl3), 2007 <0,001** * 59,1 a (100) 79,3 d (134) 75,1 cd (127) 70,1 bc (119) 61,7 a (104) 66,1 ab (112) <0,001** * 0,006** 0,038* <0,001*** 0,567 ns 43,8 a (100) 62,4 d (142) 60,9 cd (139) 55,2 bc (126) 49,3 ab (113) 43,5 a (99) 64,2 abc (100) 77,5 c (121) 75,0 bc (117) 54,6 a (85) 77,0 c (120) 62,6 ab (98) 99,8 a (100) 127,2 b (127) 136,1 b (136) 135,9 b (136) 129,5 b (130) 116,4 ab (117) 61,1 b (100) 86,1 e (141) 89,5 e (146) 70,2 c (115) 78,6 d (129) 51,8 a (85) 103,8 (100) 116,3 (112) 121,6 (117) 111,0 (107) 127,7 (123) 113,1 (109) MW 91,3 D 29,0 A 68,5 C 52,5 B 68,5 A 124,1 C 72,9 A 115,6 B P KON TSP RESA SA GA KCl <0,001* ** 44,3 a (100) 69,2 c (156) 71,7 cd (162) 56,7 b (128) 77,0 d (174) 45,4 a (102) <0,000** * 53,6 ab (100) 61,6 bc (115) 64,9 c (121) 56,3 bc (105) 74,0 d (138) 46,4 a (87) P-Aufnahme (mg Gefäß -1 ) auf sandigem Lehm (Ls3), 2008 <0,001** * 67,1 a (100) 92,7 b (138) 94,6 b (141) 70,6 a (105) 88,6 b (132) 62,7 a (93) <0,001* ** 47,2 a (100) 78,4 b (166) 73,2 b (155) 67,9 b (144) 73,0 b (155) 51,9 a (110) <0,001*** <0,001*** <0,001*** <0,001*** 57,2 a (100) 94,1 c (165) 89,3 c (156) 71,4 b (125) 86,7 c (152) 64,6 ab (113) 110,9 a (100) 144,4 c (130) 150,3 c (136) 142,0 c (128) 150,0 c (135) 123,5 b (111) 51,5 ab (100) 80,4 c (156) 73,5 c (143) 55,9 b (109) 80,1 c (156) 47,8 a (93) 110,5 bc (100) 137,1 d (124) 120,8 cd (109) 78,2 a (71) 127,5 cd (115) 86,6 ab (78) MW 60,7 A 59,5 A 79,4 C 65,2 B 77,2 B 136,8 D 64,9 A 110,1 C TM = Trockenmasse; KON = Kontrolle, TSP = Triplesuperphosphat, RESA = Rapsextraktionsschrotasche, SA = Strohasche, GA = Getreideasche, KCl = Kaliumchlorid; MW = Mittelwert; unterschiedliche Kleinbuchstaben innerhalb einer Spalte kennzeichnen signifikante Unterschiede zwischen den Düngevarianten einer Fruchtart (p 0,05 Duncan-Test nach einfaktorieller Varianzanalyse); unterschiedliche Großbuchstaben innerhalb einer Zeile und eines Versuches kennzeichnen signifikante Unterschiede zwischen den Fruchtarten (p 0,05 Duncan-Test nach zweifaktorieller Varianzanalyse); * p 0,05; ** p 0,01; *** p 0,001; ns = nicht signifikant Quelle: SCHIEMENZ, K. (2012)

61 60 Eichler-Löbermann, Bachmann, Schiemenz, Uptmoor Auf sandigem Lehm hatte Gerste die höchsten P-Aufnahmen der Hauptfrüchte (nach RESA: 94,6 mg je Gefäß). Mais und Lupine reagierten vor allem positiv auf GA; ihre P-Aufnahmen waren nach GA-Düngung auf dem Lehmboden um bis zu 74 % erhöht. Von den Zwischenfrüchten zeigten Phacelia und Buchweizen in beiden Jahren bzw. auf beiden Böden die höchsten P-Aufnahmen. Besonders Phacelia konnte gut den mit Aschen applizierten P ausnutzen und zeigte gleichwertige oder sogar tendenziell erhöhte P-Aufnahmen aus Aschen im Vergleich zu denen aus TSP. Bemerkenswert ist die vergleichsweise hohe P-Aufnahme von Phacelia nach Applikation der Strohasche. Sollten Zwischenfrüchte wie Phacelia in Zusammenhang mit einer Ascheapplikation kultiviert und als Gründünger verwendet werden, könnten diese einen wertvollen Beitrag zur Humusreproduktion leisten. 3 Pflanzenbauliche Wirkung von Gärresten Rückstände aus der Vergärung von Biomasse (Gärreste) enthalten neben N, K und Mg auch relevante Mengen an P. Während des Vergärungsprozesses geht P nicht verloren und wird im Zuge des Abbaus organischer Substanz zunehmend in eine mineralische Form überführt (GÜNGÖR & KARTHIKEYAN 2008), weshalb eine bessere P-Verfügbarkeit als in unvergorenen Güllen erwartet werden kann. Untersuchungen von UMETSU et al. (2001) zeigen jedoch, dass die Löslichkeit des P durch den Vergärungsprozess abnimmt. GÜNGÖR et al. (2007) wiesen zudem eine Bildung von Struvit (Mg-Phosphat) und schwer verfügbaren Hydroxilapatit (Ca-Phosphat) durch den Vergärungsprozess nach. Deswegen sind weitere Untersuchungen zur Bewertung der P-Düngewirkung von Gärresten und deren Auswirkungen auf die Biomasseproduktion sowie die Bodenfruchtbarkeit erforderlich. 3.1 Nährstoffgehalte in Gärresten Nährstoffgehalte in Gärresten schwanken je nach Inputsubstrat und Gärbedingungen, wie Analysen von Gärresten aus mehreren Biogasanlagen zeigten. Bei einer praxisüblichen Aufwandmenge von 30 m³ pro ha gelangen zwischen 130 und 170 kg N auf die Fläche (Tabelle 3). Im Einzelfall können es aber auch 190 kg N pro ha sein, weshalb eine regelmäßige Nährstoffanalytik unbedingt notwendig ist. Der Ammoniumanteil am Gesamt-N schwankte in den beprobten Anlagen je nach Inputmischung zwischen 50 und 80 %. Beachtlich sind die Mengen an K die potentiell mit 30 m³ Gärrest pro Hektar auf die Fläche gelangen. Mit 30 m³ Gärrest pro Hektar gelangen zudem noch etwa 20 kg Magnesium und kg Schwefel auf die Fläche. Die Menge an P, die mit einer Aufwandmenge von 30 m³ Gärrest pro Jahr auf die Fläche gelangt, liegt durchschnittlich zwischen 15 und 25 kg, kann im Einzelfall aber auch wesentlich höher sein. Das zeigt, dass mit Gärresten der P-Bedarf der meisten Ackerkulturen bei Gehaltsklasse C und mittleren Ertragserwartungen zu einem hohen Grad gedeckt werden kann.

62 Phosphor für die Landwirtschaft Strategien für eine endliche Ressource 61 Tabelle 3: Durchschnittliche Menge an Nährstoffen (kg pro Hektar), die mit Gärresten bei einer Aufwandmenge von 30 m³ pro Hektar ausgebracht werden sowie Anteile an Ammoniumstickstoff am Gesamt-N und leicht löslichem Phosphor am Gesamt-P. Substrat OM N davon NH 4 -N Gärrest R + KoF 1 (n = 10) Gärrest S +KoF 1 (n = 3) Gülle R+S + KoF 1 (n = 3) K Mg S P davon P leicht lösl Nawaro (n = 10) Speiserest (n = 3) Rindergülle (n = 3) Schweinegülle (n = 2) OM = organische Masse, R = Rind, S = Schwein; KoF = Koferment; 1 Anlagen mit einem Gülleanteil in der Inputmischung von > 80 Masse%, Nawaro = Anlagen mit Einsatz von 100 % Energiepflanzen Der in Gärresten enthaltene P liegt überwiegend in leicht pflanzenverfügbarer Form vor. In Laboruntersuchungen waren über 70 % des in Gärresten enthaltenen P in milden Extraktionsmitteln wie (H 2 O und NaHCO 3 Fraktion) löslich (Abbildung 1). Gärreste aus Speiseresten (Gärrest Z) zeichneten sich durch geringere Gehalte an leicht löslichen P und eine etwas langsamere P-Freisetzung aus. Nach einer Fest-Flüssig-Trennung war die P-Konzentration in der festen Phase wesentlich höher als in der flüssigen Phase wie aus Abbildung 1 hervorgeht. Abbildung 1: P-Fraktionen in verschiedenen Gärresten nach fest-flüssig Trennung (TS-Gehalt Gärrest LB = 63,2 %, Gärrest L = 23,5 %, Gärrest Z = 34,6 %)

63 TM-Ertrag dt/ha P-Aufnahme kg/ha 62 Eichler-Löbermann, Bachmann, Schiemenz, Uptmoor 3.2 P-Aufnahme von Fruchtarten nach Applikation von Gärresten In einem Praxisversuch wurde in den Versuchsjahren von 2009 bis 2012 die Ertragswirkung von Gärresten im Vergleich zu den unvergorenen Ausgangssubstraten an Mais getestet. Die Düngung mit dem Gärrest erhöhte dabei die P-Aufnahme von Mais und den pflanzenverfügbaren P-Gehalt im Boden im Vergleich zur Kontrolle und war annähernd so effektiv wie eine Zufuhr von unvergorener Gülle (Inputsubstrat) (siehe Abbildung 2). Auch in Gefäßversuchen führten verschiedene Gärreste bei gleicher P-Zufuhr innerhalb von 8 Wochen zu ähnlichen P-Aufnahmen der Pflanzen und P-Gehalten im Boden wie nach der Zufuhr von Triple-Superphosphat und Rindergülle (BACHMANN et al. 2011) A b 35b a 43a 64b 54b a 48a 48a a 21a 22a NK unvergoren vergoren a 208b 195b B B a 232b 208a 148a 178a 174a 102a 117a 113a NK unvergoren vergoren Abbildung 2: P-Aufnahmen (A) und Erträge (B) von Silomais in den 4 Versuchsjahren nach der Zufuhr unvergorener und vergorener Rindergülle (TM = Trockenmasse), NK = Kontrollvariante ohne P, unterschiedliche Buchstaben kennzeichnen sign. Unterschiede zwischen den Varianten (p 0,05 Duncan-Test)

64 Phosphor für die Landwirtschaft Strategien für eine endliche Ressource 63 Die Wirkung der Gärreste auf den Ertrag ist allerdings differenzierter zu betrachten. So lagen die Erträge in der Gärrestvariante in 2011 deutlich unter denen der unvergorenen Gülle (Abbildung 2). Eine Minderwirkung von Gärresten gegenüber unvergorenen Güllen kann auf erhöhte N-Verluste bei der Ausbringung oder auf eine stärkere Auswaschung von Nährstoffen zurückgeführt werden. Die hohen Niederschläge im Sommer 2011 (297 mm im Juli) deuten auf letztere Annahme hin. Die Wirkung von Güllen und Gärresten ist jedoch wie bei allen Rückständen über die reine Nährstoffwirkung hinaus zu beurteilen. 3.3 Wirkung von Gärresten auf die biologische Aktivität von Böden Als Lieferanten organischer Substanz haben Gärreste auch Einfluss auf die biologische Aktivität von Böden und die Bodenstruktur. Nach 4 Versuchsjahren waren der Gehalt an organischer Bodensubstanz und die mikrobielle Aktivität in der Variante mit dem Gärrest deutlich geringer als in der Variante mit dem unvergorenen Inputsubstrat (Abbildung 3). Mit dem Gärrest wurde weniger organische Substanz ausgebracht als mit der unvergorenen Gülle. Zudem ist die in Gärresten enthaltene organische Substanz stärker abgebaut und kann dadurch möglicherweise weniger gut von den Bodenorganismen als Nahrungs- und Energiequelle genutzt werden. µg TPF g -1 TM b B A a a A A A a 20 µg TPF g -1 TM 15 a 10 a b a a b a a 2011 b a a b a a Wochen nach Ausbringung Wochen nach Ausbringung ASG Rind BGG Rind NK Abbildung 3: Mikrobielle Aktivität (gemessen als Dehydrogenase-Aktivität) im Praxisversuch in Abhängigkeit der Düngung in den Versuchsjahren 2010 und ASG Rind = Ausgangssubstrat Rindergülle, BGG Rind Biogasgülle Rind, NK Kontrollvariante ohne P, TPF = Triphenylformazan, unterschiedliche Buchstaben kennzeichnen sign. Unterschiede zwischen den Varianten (p 0,05 Duncan-Test)

65 64 Eichler-Löbermann, Bachmann, Schiemenz, Uptmoor 4 Schlussfolgerungen Auf Grund des breiten Spektrums an Reststoffen variieren deren Eigenschaften und Zusammensetzung. Das macht es relativ schwierig, Rückstände hinsichtlich ihrer Düngewirkung einheitlich zu bewerten. In unseren Untersuchungen war die Pflanzenverfügbarkeit des P sowohl in den Biomassen-Aschen als auch in den Gärresten hoch, und es wurden nur geringe Unterschiede im Vergleich zur Wirkung von TSP gefunden. Gärreste scheinen weniger zur Förderung des Bodenlebens beizutragen als unvergorene Güllen. Auch die Biomasse-Aschen tragen auf Grund der fehlenden organischen Substanz nicht zum Humusaufbau der Böden bei. Betriebe, die Gärreste oder Biomasse-Aschen einsetzen sollten deshalb besonderen Wert auf vielfältige Fruchtfolgen, Gründüngung und Zwischenfruchtanbau legen. Danksagung Die Projekte wurden gefördert vom BMEL (Projektträger FNR), Projekt-Nr und Literatur BACHMANN S., WENZEL S., EICHLER-LÖBERMANN B. (2011): Co-digested dairy slurry as a phosphorus and nitrogen source for Zea mays L. and Amaranthus cruentus L. J. Plant Nutr. Soil Sci. 174, GÜNGÖR K., JÜRGENSEN A, KARTHIKEYAN K.G. (2007): Determination of phosphorus speciation in dairy manure using XRD and XANES spectroscopy. J Environm. Qual. 36, GÜNGÖR K., KARTHIKEYAN K.G. (2008): Phosphorus forms and extractability in dairy manure: A case study for wisconsin on-farm anaerobic digesters. Biores.Techn.99, LIEBHARD P., REFENNER K, WAGENTRISTL H., ZEITLHOFER C. (2009): Asche- und Kompostdüngung zur Schließung von Nährstoffkreisläufen bei der Produktion Nachwachsender Rohstoffe in Österreich - Miscanthus Giganteus. Mitteilungen der Gesellschaft für Pflanzenbauwissenschaften, 21, 83-84; ISSN , Pflanzenbauwissenschaft Systembezug und Modellierung SCHIEMENZ K., EICHLER-LÖBERMANN B. (2010): Biomass ashes and their phosphorus fertilizing effect on different crops. In: Nutr. Cycl. Agroecos. 87, SCHIEMENZ K. (2012): Nutzung von Biomasseaschen für die Phosphor-Versorgung im Pflanzenbau. Diss. Univ. Rostock UMETSU K., KONDO R., TANI M., HAYASHI T. (2001): Fertilizer value of anaerobically co-digested dairy manure and food processing wastes. Greenhouse Gases and Animal Agriculture Proceedings,

66 Phosphor für die Landwirtschaft Strategien für eine endliche Ressource 65 Thermochemische Verfahren zur Düngemittelherstellung im EU-Projekt P-REX Thermochemical treatments for fertilizer production in the EU-project P-REX Hannes Herzel* 1, Jan Stemann 1, Christian Adam 1, Oliver Krüger 1, Ludwig Hermann 2 1 Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung, Fachbereich 4.4 Thermochemische Reststoffbehandlung und Wertstoffrückgewinnung, Unter den Eichen 87, Berlin *Telefon: , hannes.herzel@bam.de 2 Outotec GmbH & Co KG, Ludwig-Erhard-Straße 21, Oberursel Zusammenfassung: Im Rahmen des EU-Projekts P-REX werden unter anderem die zwei thermischen Verfahren ASH DEC und Mephrec zur technischen Rückgewinnung von Phosphor aus Klärschlamm und Klärschlammaschen für die P-Düngemittelproduktion betrachtet. Die Produkte haben geringe Konzentrationen an Schwermetallen und eine bessere P-Löslichkeit als die nicht behandelten Klärschlammaschen. Die Klärschlammasche wird im ASH DEC-Verfahren mit Natriumverbindungen unter reduzierenden Bedingungen im Drehrohrofen behandelt. Das Verfahren wurde erfolgreich bei einem Demonstrationsversuch getestet. Das Mephrec-Verfahren ist ein metallurgisches Schmelzverfahren und wird unter reduzierenden Bedingungen im Schachtofen durchgeführt. Es ist eine Pilotanlage in Nürnberg geplant. Schlagwörter: Phosphor, Rückgewinnung, Klärschlamm, Klärschlammasche, ASH DEC, Mephrec Abstract: As part of the EU-project P-REX two thermal treatments for technical recovery of phosphorus from sewage sludge and sewage sludge ash are investigated. The ASH DEC and Mephrec processes thermochemically treat sewage sludge ash to produce P-fertilizers. The thermal products have low mass fraction of heavy metals and a higher P-solubility compared to the untreated sewage sludge ash. In the ASH DEC process sewage sludge ash is mixed with sodium bearing compounds and is treated under reducing condition in a rotary kiln. The procedure was successfully tested in a demonstration trial. The Mephrec process is a pyrometallurgical treatment conducted in a shaft furnace under reducing condition. A pilot plant is being built in Nuremberg. 1 Das EU-Projekt P-REX Viele Verfahren zur technischen Rückgewinnung von Phosphor wurden in den vergangenen Jahren entwickelt. Einige auf der Fällung von Phosphaten im Nebenstrom einer Kläranlage basierende Verfahren werden bereits erfolgreich zur Phosphorrück-

67 66 Herzel, Stemann, Adam, Krüger, Hermann gewinnung eingesetzt, sie sind jedoch auf maximale Rückgewinnungsgrade von etwa 30 % beschränkt. Die meisten Verfahren die am Hauptstoffstrom ansetzen befinden sich hingegen zurzeit noch in der Entwicklungsphase bzw. werden in Versuchsanlagen getestet. Die Weiterentwicklung, Implementierung und Verbreitung technischer Phosphorrückgewinnungsverfahren soll durch das EU-Forschungsprojekt P-REX (Laufzeit: September August 2015) vorangetrieben werden. Langfristiges Ziel ist die EU weite Umsetzung von effektiver und nachhaltiger P-Rückgewinnung und Recycling aus dem Abwasserpfad unter Berücksichtigung regionaler Bedingungen und Bedarfe. Im Rahmen von P-REX werden auch zwei thermische Verfahren betrachtet, das ASH DEC-Verfahren und das Mephrec-Verfahren. Das ASH DEC-Verfahren behandelt Klärschlammasche im Drehrohrofen und ist vom Fachbereich Thermochemische Reststoffbehandlung und Wertstoffrückgewinnung an der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) in Berlin in Kooperation mit der Firma Outotec entwickelt worden. Die Firma ingitec entwickelte das Schmelzgasverfahren Mephrec im Schachtofen. 2 Monitoring Projekt über Klärschlammaschen in Deutschland In Deutschland fallen bei der Verbrennung von Klärschlamm jährlich ungefähr t Klärschlammaschen an. Im Monitoring Projekt über Klärschlammaschen in Deutschland wurde die chemische Zusammensetzung aller in Deutschland anfallenden Klärschlammaschen untersucht (KRÜGER & ADAM 2014). Von 26 Monoverbrennungsanlagen nahmen 24 am Projekt teil. Damit wurden mehr als 97 % der jährlichen anfallenden Aschen erfasst. Für die meisten Monoverbrennungen wurde die Produktionszeit von Anfang 2012 bis Mitte 2013 mit je 12 Proben abgedeckt, um auch mögliche saisonale Schwankungen untersuchen zu können. In der Tabelle 1 sind die Ergebnisse für ausgewählte Elemente zusammengefasst. Die Aschen enthalten im Median 7,9 % P ( ca. 18 % P 2 O 5 ). Im Median liegen die für die Düngemittelverordnung relevanten Schwermetallgehalte unterhalb der Grenzwerte. Die Mittel- und Maximalwerte deuten jedoch an, dass die Grenzwerte für einzelne Aschen überschritten werden. Das liegt zum einen daran, dass auch Klärschlammaschen aus industriellen Klärschlämmen beprobt wurden, die Rückstände industrieller Prozesse enthalten und damit höhere Gehalte an bestimmten Elementen aufweisen. Darüber hinaus ist zu beachten, dass sich die Grenzwerte der Düngemittelverordnung auf Königswasserauszüge beziehen, mit denen jedoch nicht für alle Elemente (z.b. Cr) der tatsächliche Gesamtgehalt bestimmt werden kann. Diese wurden im Rahmen des Monitoringprojekts mittels Totalaufschluss (Perchlorsäure/Salpetersäure/Flusssäure) bestimmt. Daher sind die in diesem Projekt gewonnenen Daten nicht uneingeschränkt mit den Grenzwerten der Düngemittelverordnung zu vergleichen und weisen höhere Konzentrationen auf, als nach Analyse per Königswasserauszug zu erwarten wäre. Dennoch weisen einige Aschen hohe Gehalte an Schwermetallen auf, die einen direkten Einsatz als Düngemittel nicht erlauben.

68 Phosphor für die Landwirtschaft Strategien für eine endliche Ressource 67 Tabelle 1: Phosphor und Metallkonzentrationen in deutschen Klärschlammaschen. Die Klärschlammaschen wurden per Totalaufschluss aufgeschlossen. Element Min Max Median Mittelwert Messwerte Kennzeichnung DüMV 1) Grenzwert DüMV 1) P % TM 1,5 13,1 7,3 7, As mg/kg TM 4,2 124,0 17,5 13, Cd mg/kg TM <0,1 80,3 3,3 2, ,6 2) 9 2) Cr mg/kg TM , Cu mg/kg TM Hg mg/kg TM 0,1 3,6 0,8 0, ,5 1 Ni mg/kg TM 8, ,8 74, Pb mg/kg TM <3, U mg/kg TM 1,6 26 5,2 4, Zn mg/kg TM ) Düngemittelverordnung (DüMV) vom 5. Dezember 2012 (BGBl. I S. 2482) 2) 20 mg Cd / kg P 2 O 5 ; berechnet für P 2 O 5 = 18,1 % 3 P-Rückgewinnung aus Klärschlammaschen Klärschlammaschen stellen eine bedeutende Phosphorquelle dar. Die P-Konzentrationen in den Klärschlammaschen liegen in Bereichen von konventionellen P-Düngern. Die Aschen enthalten jedoch auch höhere Konzentrationen an Schwermetallen. Diese Konzentrationen liegen teilweise über den Grenzwerten oder überschreiten die Kennzeichnungswerte der Düngemittelverordnung. Des Weiteren ist die Pflanzenverfügbarkeit des Phosphors in der Klärschlammasche gering. Die Hauptphosphorphasen sind schlechtlösliches Aluminiumphosphat AlPO 4 und Whitlockit Ca 3 (PO 4 ) 2 (PEPLINSKI et al. 2009). Um einen P-Dünger aus Klärschlammasche herstellen zu können, gibt es zwei Hauptziele bei der thermochemischen Behandlung: 1. Die Reduzierung der Schwermetallgehalte 2. Erhöhung der Pflanzenverfügbarkeit des Phosphors 4 ASH DEC-Verfahren 4.1 Behandlung mit MgCl 2 Der Fachbereich Thermochemische Reststoffbehandlung und Wertstoffrückgewinnung an der BAM stellte im Jahr 2003 ein thermochemisches Verfahren zur Behandlung von Klärschlammaschen im Drehrohrofen vor (KLEY et al. 2003). Dieses in Abbildung 1 dargestellte Verfahren wurde im Rahmen des EU-Projekts SUSAN ( ) optimiert. Dabei wird die Klärschlammasche mit einem Chlordonator wie Magnesiumchlorid vermischt und in einem Drehrohrofen bei 1000 C thermisch behandelt. Es entstehen

69 68 Herzel, Stemann, Adam, Krüger, Hermann Schwermetallchloride, die aufgrund ihres hohen Dampfdruckes in die Gasphase übergehen. Die Abreicherung im Produkt ist für Cadmium, Kupfer, Blei und Zink bei > 90 % und für Molybdän und Zinn > 70 % (ADAM et al. 2009). Gleichzeitig bilden sich neue mineralische Phosphatphasen wie Magnesium- und Calcium-Magnesium-Phosphate aus, die eine bessere Pflanzenverfügbarkeit aufweisen als die in den Aschen enthaltenen Aluminium- und Calciumphosphate. Allerdings reichen die P-Löslichkeiten der auf diese Weise behandelten Aschen nicht an die von konventionellen Düngemitteln heran. Während die Pflanzenverfügbarkeit auf sauren Böden mit konventionellen Düngern als vergleichbar einzustufen ist, ist sie auf neutralen bis alkalischen Böden eher gering. Die Firma ASH DEC Umwelt AG betrieb erfolgreich eine Pilotanlage von mit diesem Verfahren in Leoben. Der Tagesdurchsatz lag bei 7 t. Das aufbereitete Produkt konnte als Dünger verkauft werden. 4.2 Behandlung mit Natriumverbindungen Im EU-Projekt P-REX wird zurzeit eine neue Verfahrensvariante des ASH DEC- Verfahrens erprobt, um die Pflanzenverfügbarkeit des Phosphors in der thermisch behandelten Klärschlammasche auch für den Einsatz auf alkalischen Böden zu erhöhen. Dieses Verfahren ist schematisch in Abbildung 1 dargestellt. Bei diesem Verfahren wird die Klärschlammasche mit Natriumcarbonat oder Natriumsulfat gemischt und thermisch bei C behandelt. Zu diesem neuen Verfahren wurde das Patent DE eingereicht. Die thermische Behandlung von phosphathaltigen Materialien mit Natriumcarbonat wurde schon seit Anfang des zwanzigsten Jahrhundert beim Rhenaniaverfahren verwendet. Es entsteht dabei die Phosphatphase CaNaPO 4. Diese ist vollständig in neutraler Ammoniumcitratlösung löslich, nicht aber in Wasser. Die gute Pflanzenverfügbarkeit und Düngewirkung dieser Phosphatform ist durch jahrzehntelange Anwendung der Rhenaniadünger bekannt. Um trotzdem Schwermetalle zu entfernen, wird die zuvor beschriebene thermische Behandlung unter reduzierenden Bedingungen durchgeführt. Bei Laborversuchen und bei einem Demonstrationsversuch konnte gezeigt werden, dass die ökotoxilogisch relevanten Schwermetalle wie Blei, Cadmium und weitere Metalle im Produkt deutlich abgereichert sind. Der Mechanismus zur Überführung der Schwermetalle in die Gasphase wird in anstehenden Versuchen und Modellierungen weiteruntersucht. Der Industriepartner Outotec führte in 2014 erfolgreich einen Demonstrationsversuch mit diesem neuen Verfahren zur Produktion von 2 t behandelter Klärschlammasche durch.

70 Phosphor für die Landwirtschaft Strategien für eine endliche Ressource 69 Abbildung 1: Verfahrensschema des ASH DEC-Verfahrens mit Natriumverbindungen (oben) und mit MgCl 2 (unten). 4.3 Versuche im Labor und im Drehrohrofen Im Labor wurden verschiedene Na- und K-Verbindungen (K 2 SO 4, Na 2 S, Na 2 SO 3, Na 2 SO 4, Na 2 CO 3 ) zur Behandlung von Klärschlammasche getestet. Die Klärschlammasche wurde mit je einer Na- oder K-Verbindung in verschiedenen Verhältnisse bei 1000 C im Tiegel thermisch behandelt. Um reduzierende Bedingungen zu erhalten, wurde getrockneter Klärschlamm beigemischt. Die Na-Verbindungen wiesen eine höhere Pflanzenverfügbarkeit als die K-Verbindung auf. Aus diesem Grund wurden für die weiteren Untersuchungen die beiden Natriumverbindungen Na 2 SO 4 und Na 2 CO 3 verwendet. Die Pflanzenverfügbarkeit für Phosphor (P nac ) wird mit einer Extraktion in neutraler Ammoniumcitratlösung nach DIN EN 15957:2011 bestimmt. Bei Versuchen in einem Drehrohrofen im klein technischen Maßstab (Durchsatz 3 kg/h) konnten die Ergebnisse aus den Tiegelversuchen bestätigt werden.

71 70 Herzel, Stemann, Adam, Krüger, Hermann 4.4 Demonstrationsversuch Im P-REX Projekt werden die unterschiedlichen P-Dünger in einem zweijährigen Topfversuch und in einem Feldversuch getestet. Für den Feldversuch werden 2 t vom ASH DEC-Produkt benötigt. Die Produktion fand im Februar 2014 bei der Firma IBU-tec avanced materials AG in Weimar in einem direkt beheizten Drehrohrofen im Gegenstromprinzip statt. Der Drehrohrofen hat einen Durchmesser von 0,3 m und eine Länge von 7 m. Die Luftzufuhr wurde im Drehrohrofen reduziert, damit sich in Verbindung mit der Dosierung von getrocknetem Klärschlamm reduzierende Bedingungen im Ofen einstellen konnten. Der Aschedurchsatz lag bei kg/h. Bei diesen Prozessparametern fand eine ausreichende Entfrachtung der Schwermetalle statt, sodass alle Schwermetallgehalte unterhalb der Kennzeichnungspflicht nach Düngemittelverordnung lagen. Das Produkt weist eine hohe Phosphor-Pflanzenverfügbarkeit auf. In der Tabelle 2 ist die Zusammensetzung und P nac -Löslichkeit der Asche und des Produktes aufgelistet. Tabelle 2: Chemische Analysen und P nac der verwendeten Asche und des Produktes aus der Produktion bei IBU-tec. Totalaufschluss der Proben. P nac -Aufschluss nach DIN EN 15957:2011. Asche Produkt P % TM 9,4 7,5-8,0 P nac % TM 2,6 4,7-6,5 As mg/kg TM 11 2,3-8,9 Cd mg/kg TM 2,1 0,2-0,9 Cr mg/kg TM Cu mg/kg TM Ni mg/kg TM Pb mg/kg TM Zn mg/kg TM Mephrec Verfahren Beim Mephrec Verfahren der Firma ingitec handelt es sich um eine Schmelzvergasung. Das Verfahren ist nicht auf die Klärschlammasche aus der Monoverbrennungsanlage beschränkt, sondern kann auch für die Behandlung von Klärschlamm eingesetzt werden. Bei der thermischen Behandlung von Klärschlamm spielt die energetische Nutzung des Abgases eine wichtige Rolle. Im Jahre 2008 wurde das Verfahren auch für die Verwendung von Tiermehl erfolgreich getestet. Die phosphorhaltigen Ausgangsmaterialen können gezielt mit anderen Zuschlagstoffen (z.b. Zement) vermischt werden, um die Verarbeitung und die Produktqualität zu beeinflussen. Die Ausgangsmaterialen werden zu einem Brikett verpresst und in einen Schachtofen aufgegeben. Bei der Schmelzvergasung von Klärschlamm ist noch eine geringe Menge an Koks notwendig, um Tempe-

72 Phosphor für die Landwirtschaft Strategien für eine endliche Ressource 71 raturen bis zu C im Ofen erreichen zu können. Bei der Verwendung von Klärschlammaschen steigt der Anteil von Koks, wodurch der Kokspreis ein bedeutsamer Faktor für die Wirtschaftlichkeit ist. Durch die reduzierende Bedingung im Schachtofen werden die Metalle entweder in die Gasphase (Cd, Hg, Pb, Zn) überführt oder über die flüssige Metallphase (Fe, Cr, Cu, Ni) abgetrennt (SCHEIDIG 2009). Der Phosphor gelangt in die Schlacke und weist in seiner Form Ähnlichkeit mit dem Thomasmehl auf (Kalksiliko-Phosphate). Der Aufbau einer Pilotanlage auf dem Gelände der Kläranlage in Nürnberg wird für 2014/15 geplant. Der Betrieb soll Mitte 2015 aufgenommen werden. Die Anlage wird auf die thermische Verwertung von getrocknetem Klärschlamm (85 % TS) ausgelegt sein (STADT NÜRNBERG 2013). Während der Betriebslaufzeit der Anlage wird auch die Verwertung von Klärschlammaschen getestet. Die Abgase aus der Anlage werden kontinuierlich analysiert, um die beste Methode zur Energiegewinnung bei einer Anlage im industriellen Maßstab auswählen zu können. Das Abgas kann bei einer industriellen Anlage auf Synthesequalität gereinigt und anschließend in einem BHKW verbrannt werden. Eine zweite Möglichkeit ist die direkte Verfeuerung des Abgases in einer ORC- Anlage, um Strom und thermische Energie gewinnen zu können. Eine effiziente Nutzung der Energie aus dem Abgas ist neben dem Kokspreis ein entscheidender Faktor für die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens. Geplante Versuchsparameter für die Mephrec- Pilotanlage in Nürnberg sind in der Tabelle 3 aufgelistet. Das Verfahren ist schematisch in Abbildung 2 dargestellt. Tabelle 3: Geplante Parameter der Mephrec-Pilotanlage (STADT NÜRNBERG 2013) Betriebszeit Klärschlamm TM Brikettdurchsatz (85 % TM) P-Schlacke (P 2 O 5 11,6 %) Eisenlegierung Feuerungsleistung 1000 h/a 0,43 t/a 0,51 t/a 0,154 t/h 0,026 t/h 1,16 MW

73 72 Herzel, Stemann, Adam, Krüger, Hermann Abbildung 2: Schema des Mephrec-Verfahrens zur thermischen Behandlung von Klärschlamm. Abbildung aus STADT NÜRNBERG (2013). Literatur ADAM C., PEPLINSKI B., MICHAELIS M., KLEY G., SIMON F.-G. (2009): Thermochemical treatment of sewage sludge ashes for phosphorus recovery. Waste management 29. S DE : Process for citrate soluble phosphates by calcination of secondary phosphate sources with a sodium-sulfuric compound KLEY G., KÖCHER P., BRENNEIS R. (2003): Möglichkeiten zur Gewinnung von Phosphor- Düngemitteln aus Klärschlamm-, Tiermehl- und ähnlichen Aschen durch thermochemische Behandlung. Rückgewinnung von Phosphor in der Landwirtschaft und aus Abfällen. Symposium. Berlin Februar KRÜGER O., ADAM C. (2014): Monitoring von Klärschlammmonoverbrennungsaschen hinsichtlich ihrer Zusammensetzung zur Ermittlung ihrer Rohstoffrückgewinnungspotentiale und zur Erstellung von Referenzmaterial für die Überwachungsanalytik, Forschungskennzahl (UF- OPLAN) , Umweltbundesamt. PEPLINSKI B., ADAM C., MICHAELIS M., KLEY G., EMMERLING F., SIMON F.G. (2009): Reaction sequences in the thermo-chemical treatment of sewage sludge ashes revealed by X-ray powder diffraction - A contribution to the European project SUSAN, Zeitschrift für Kristallographie, S SCHEIDIG K. (2009): Wirtschaftliche und energetische Aspekte des Phosphor-Recyclings aus Klärschlamm, KA Korrespondenz Abwasser, Abfall 56, S STADT NÜRNBERG (2013): Klärschlammverwertung Region Nürnberg. Präsentation.

74 Phosphor für die Landwirtschaft Strategien für eine endliche Ressource 73 Wie kann Phosphor aus Rückgewinnungsprozessen in der Mineraldüngerproduktion verwendet werden? The potential use of recycled phosphorus in mineral fertilizer production Georg Ebert COMPO EXPERT GmbH, Münster Gildenstrasse 38, Münster Zusammenfassung: Phosphatrohstoffe für die Düngemittelproduktion stammen überwiegend aus Lagerstätten, in erster Linie aus Marokko. Trotz eines signifikanten Eintrages von Phosphat in die Umwelt ist in Deutschland und Europa die Nutzung von Phosphat aus der Rückgewinnung für die Düngemittelproduktion noch gering. Gründe hierfür sind fehlende praxisreife Methoden, zu geringe Verarbeitungsmengen, nicht wettbewerbsfähige Preise sowie unklare rechtlichen Rahmenbedingungen. Chancen für Produkte aus dem Recycling werden vor allem in einer größeren Unabhängigkeit von Weltmarktpreisschwankungen, geringeren Schwermetallbelastungen der Produkte sowie in einer höheren gesellschaftlichen Akzeptanz von mineralischen Düngemittel aufgrund positiver Umwelteffekte gesehen. Schlüsselwörter: Mineraldünger, Produktion, Rohstoffe, Phosphat, Rückgewinnung Abstract: Phosphate containing raw materials derive from natural deposits, mainly located in Morocco. Despite the fact that in Europe there is a significant entry of phosphates into the environment there is only little use of phosphates from waste streams for the production of mineral fertilizers. Reasons for that could be the lack of practicable processing methods, the low volumes of materials, non-competitive prices and uncertainties at the legal regulations. Opportunities for phosphate from waste stream can be seen in a lower dependence on fluctuating world market prices, in reduced heavy metal contamination and in a better public acceptance of mineral fertilizers due to positive environmental impacts. Keywords: mineral fertilizer, procuction, raw material, phosphate, recycling

75 74 Ebert 1 Einleitung Phosphor ist als eines der Hauptnährelemente im Pflanzenbau unentbehrlich. Als Rohstoff für Mineraldünger dient fast ausschließlich Rohphosphat aus Lagerstätten, wobei die größten Vorkommen in Marokko, den USA und China liegen. Deutschland ist vollständig auf Importe angewiesen. Bei einem gleichzeitig nicht unerheblichen Eintrag von Phosphaten über chemische Produkte und die Landwirtschaft in Ökosysteme wird der Ruf nach einer verstärkten Nutzung von Phosphaten aus der Rückgewinnung laut. Dieser Artikel stellt die Anforderungen der Düngemittelindustrie an solche Produkte sowie Chancen für eine stärkere Nutzung dar. 2 Unternehmen Die COMPO EXPERT GmbH mit Hauptsitz in Münster produziert an den Standorten Krefeld (Deutschland) und Vall d Uixo (Spanien) Spezialdüngemittel für den Einsatz in der Landwirtschaft und im Gartenbau. Zum Produktportfolio zählen Vollnährstoffdünger, stabilisierte N-Dünger, Langzeitdünger einschließlich umhüllter Granulate sowie Spezialdünger für die Fertigation und die Blattapplikation. Ergänzt wird das Nährstoffportfolio durch Biostimulantien, die z.b. Anteile aus Algenextrakten oder Aminosäuren enthalten. Von den Hauptnährstoffen N, P und K werden Phosphate bei COMPO EXPERT in einem Anteil von ca. 8 % (P 2 O 5 ) verarbeitet. Als P-Quellen dienen sowohl Rohphosphate als auch weiter aufgearbeitete Produkte wie die Phosphorsäure. Abbildung 1: COMPO EXPERT GmbH Werk Krefeld (links) und Herstellung von Dünger- Granulaten im Spheronizer (rechts)

76 Phosphor für die Landwirtschaft Strategien für eine endliche Ressource 75 3 Rohstoffe Rohphosphate stammen entweder aus sedimentären oder aus magmatischen Lagerstätten, wobei der überwiegende Anteil der Weltmarktware aus den sedimentären Vorkommen stammt. Wenn auch andere Länder bedeutende Phosphatvorkommen (USA, China) besitzen, so ist doch der wichtigste Produzent für den Welthandel Marokko. Seit einiger Zeit wird besonders in Deutschland und anderen westeuropäischen Staaten lebhaft darüber diskutiert, wie lange die bestehenden Vorkommen noch ergiebig sind und genutzt werden können. Neuere Studien deuten hier im Gegensatz zu pessimistischen Annahmen von wenigen Jahrzehnten eher auf längerfristige Zeiträume von mehreren Jahrhunderten hin (Tabelle 1), die den Handlungsspielraum etwas großzügiger erscheinen lassen. Tabelle 1: Produktion und geschätzte Verfügbarkeit von Rohphosphaten Land Produktion 2009 Reserven USGS 1 Schätzung Mio mt Reserven IFDC 2 Schätzung China USA Marokko Russland Jordanien Andere Welt Reserven erschöpft in Jahren Quelle: IPNI, 2013, verändert 1 USGS: U.S. Geographical Survey 2 IFDC: International Fertilizer Development Center Während magmatische Phosphatvorkommen relativ arm an Verunreinigungen wie Uran und Cadmium sind, sind sedimentäre Rohphosphate in der Regel stärker belastet. In den letzten Jahren scheint zudem die Qualität der Vorkommen (geringerer Phosphatgehalt bei zunehmender Schwermetallbelastung) abzunehmen. Da magmatische Rohphosphate in größerem Umfang lediglich auf der russischen Halbinsel Kola vorkommen, überwiegen im Welthandel die sedimentären Rohphosphate. Um die Belastung ihrer Produkte mit Uran oder Cadmium gering zu halten, müssen Düngerproduzenten teilweise auch auf die teurere sogenannte thermische Säure zurückgreifen, die durch direkte Verbrennung von Phosphor hergestellt wird und weitgehend frei von Verunreinigungen ist.

77 76 Ebert Phosphate Rock Ca 3 (PO 4 ) % P 2 O 5 Sulfuric Acid Single Super Phosphate SSP S Ca(H 2 PO 4 ) 2 Sulfuric Acid Gypsum Removal Concentration Phosphoric Acid Ammonia Triple Super Phosphate TSP Ca(H 2 PO 4 ) 2 H 2 O Phosphoric Acid (green) H 3 PO 4 Ammonium Phosphates MAP NH 4 H 2 PO 4 DAP (NH 4 ) 2 HPO 4 Super Phosphoric Acid Ortho- and Polyphosphates Phosphoric Acid (thermal) H 3 PO 4 Abbildung 2: Übersicht über Phosphat-Rohstoffe für die NPK Düngerproduktion und für die direkte Nutzung in der Pflanzenproduktion Abbildung 2 zeigt die weltweit gehandelten Phosphatrohstoffe bzw. produkte. Ausgang ist in allen Fällen das bergmännisch gewonnene Rohphosphat, das in der Regel mit mineralischen Säuren aufgeschlossen, d.h. es werden schwerlösliche Phosphorverbindungen in leichtlösliche überführt. Bei den Stickstoff enthaltenden Produkten erfolgt nach dem Aufschluss eine Ammonifizierung. Viele der in der Abbildung aufgeführten Produkte werden in der Pflanzenproduktion als Einzel- oder Mehrnährstoffdünger verwendet. In der NPK-Produktion dienen sie entweder als Mischkomponenten ( Blends ) oder als Rohmaterialien für die Herstellung von komplexen Mehrnährstoffdüngern. 4 Problembereiche bei der Verwendung von Phosphaten aus der Rückgewinnung Die gesellschaftliche Forderung nach einer stärkeren Nutzung von Phosphaten aus Rückgewinnungsprozessen hat bislang nicht zu einer Nutzung durch die Düngemittelindustrie geführt, da es vor Kurzem weder großtechnisch anwendbare Verfahren noch ausreichende Verarbeitungsmengen gab. Dies scheint sich in den letzten Jahren insofern verändert zu haben, dass einige Methoden der Aufarbeitung von Klärschlämmen und anderen P-haltigen Reststoffen kurz vor der Praxisreife stehen. Aus Sicht eines Düngemittelherstellers stellen sich einige Problembereiche dar, von denen im Folgenden näher betrachtet werden: Rohstoffpreise Ausreichende Rohstoffverfügbarkeit

78 Phosphor für die Landwirtschaft Strategien für eine endliche Ressource 77 Verunreinigungen (Schwermetalle, Chloride, organische Verbindungen) Gehalt an organischer Substanz 4.1 Rohstoffpreise Unter der derzeitigen Markt- bzw. Preissituation ergeben sich Kosten für ein kg Phosphat (hier angegeben als P) wie in Tabelle 2 zusammengestellt. Tabelle 2: Marktpreise für Phosphorrohstoffe und deren Verarbeitung (Woche 23, 2014) Rohstoff Preis (US$ / t) Mittl. Preis in der Verarbeitung Rohphosphat ,75 / kg P TSP granuliert ,50 / kg P MAP (Monoammonium-PO 4 ) ,50 / kg P DAP (Diammonium-PO 4 ) ,50 / kg P Phosphorsäure ,50 / kg P (green) 2,25 / kg P (thermisch, Lebensmittelqualität Quelle: ARGUS FMB, 2014 In diese Kalkulation ( / kg P) wurden - stark vereinfachend - produktionstechnische und logistische Kosten mit einbezogen. Obwohl diese als Weltmarktpreise anzusehenden Kosten nicht voraussagbaren Schwankungen unterliegen, so stellen sie doch eine Art Grenzwert dar, die auch Kalkulationsgrundlage für die Preisgestaltung bei Phosphaten aus der Rückgewinnung sein muss. Kein Unternehmen in der Weiterverarbeitung wird bereit sein, höhere Kosten als die bei der herkömmlichen Beschaffung anfallenden aufzuwenden. 4.2 Ausreichende Rohstoffverfügbarkeit Einer Vielzahl von technischen Verfahren zur Rückgewinnung von Phosphat, die zum Teil nur eine sehr geringe Jahresproduktion von wenigen Tonnen ermöglichen, steht der Bedarf der Verarbeitungsindustrie nach dauerhaft großen Mengen in gleichbleibender Qualität gegenüber. Einen Eindruck von der in Deutschland erforderlichen P-Menge vermittelt der Verbrauch an P 2 O 5 durch die Landwirtschaft, im jährlichen Mittel der letzten 5 Jahre bei t lag. Es sollte auch noch einmal darauf hingewiesen werden, dass nicht jedes Produkt aus der Rückgewinnung sofort als Düngemittel angesehen werden kann. Hier kommt es auch auf die Verwendungseignung wie Streufähigkeit bei Festdüngern oder die P-Verfügbarkeit für die Nutzpflanzen an.

79 78 Ebert 4.3 Verunreinigungen Belastungen durch Schadstoffe oder sonstige unerwünschte Bestandteile können sowohl durch Frachten in den Abwässern der Kläranlagen oder aus industriellen Rückständen stammen als auch durch Chemikalien hervorgerufen werden, die während des Aufbereitungsprozesses zugeführt werden. Die Grenzwerte an Schadstoffgehalten in Düngemitteln sind gesetzlich festgelegt, in Deutschland in der Düngemittelverordnung (DÜMV 2012). Auf EU-Ebene steht in den nächsten Jahren die Harmonisierung der bestehenden EU-Verordnung von 2003/2003 an, die für alle Mitgliedstaaten neue Rahmenbedingungen schaffen wird und die bestehenden nationalen Regelungen ersetzen soll. Die deutsche Düngemittelverordnung regelt u.a. zulässige Grenzwerte und die Deklarationspflicht. Cd: Grenzwert 50 mg / kg P 2 O 5 Deklarationspflicht > 20 mg / kg P 2 O 5 Pb: Grenzwert 150 mg / kg P 2 O 5 Deklarationspflicht > 100 mg / kg P 2 O 5 Cr VI : Grenzwert 2 mg / kg P 2 O 5 Deklarationspflicht > 1,2 mg / kg P 2 O 5 Ni: Grenzwert 80 mg / kg P 2 O 5 Deklarationspflicht > 40 mg / kg P 2 O 5 Sollen Düngemittel als chloridarm deklariert werden, so darf ihr Chloridgehalt nicht über 2 % liegen. Für die Verarbeitung können sich bei höheren Chloridgehalten aber auch technische Probleme ergeben. So kann es z.b. beim Säureaufschluss von Rohstoffen zur Entwicklung von Chlorid- und Stickoxidemissionen sowie zur Bildung reaktiver Säuregemische (Königswasser) kommen, was zu starker Korrosion und zu Schäden an den Produktionsanlagen führen kann. 4.4 Gehalt an organischer Substanz Neben der Bildung von Stickoxidemissionen können Restgehalte an organischer Substanz sowohl aus technischer als auch aus rechtlicher Hinsicht problematisch sein. So erhöht die organische Substanz das Risiko einer sogenannten selbstunterhaltenden thermischen Zersetzung ( Schwelen ) von Produkten. Bei Ammonnitratdüngern ist zudem rechtlich genau festgelegt, welche Höchstmengen an organischer Substanz im Produkt sein dürfen. So darf der Gehalt an organischer Substanz (angegeben als C org ) nicht höher als 0,4 % sein, wenn der Ammoniumnitratgehalt im Düngemittel über 10 % liegt.

80 Phosphor für die Landwirtschaft Strategien für eine endliche Ressource 79 5 Rechtliche Aspekte Rechtliche Aspekte wurden bereits bei den Schadstoffgrenzwerten angesprochen. Im Rahmen der Bewertung von Stoffen aus der Phosphatrückgewinnung sind jedoch die jeweiligen rechtlichen Zuständigkeiten wie z.b. Düngemittelrecht oder Abfallrecht noch bedeutender. Erfahrungen aus der Vergangenheit haben gezeigt, dass besonders bei mineralischen Düngemitteln auch andere Rechtsräume zunehmend eine Bedeutung erhalten wie etwa das Lebensmittelrecht. Hier ist vor allem der Gesetzgeber aufgerufen, eindeutige und für alle Beteiligten akzeptable Regelungen zu treffen. 6 Chancen Trotz einiger bestehender Hindernisse sehen wir die Zukunftsaussichten der Verwendung von Phosphaten aus Rückgewinnungsprozessen durchaus positiv. Wenn auch kaum vorhersagbar, so dürften die Rohstoffpreise auf internationalem Niveau langfristig eher nach oben tendieren, da einmal die Verfügbarkeit abnimmt und zum zweiten Phosphate in der Landwirtschaft nicht zu ersetzen sind. Orientiert sich die Preisgestaltung für Produkte aus der P-Rückgewinnung an den Produktionskosten, könnte hier ein nicht unerheblicher Preisvorteil entstehen. Aus Sicht des Verarbeiters sind vor allem die zu erwartenden niedrigen Gehalte an Schwermetallen wie Uran und Cadmium interessant. Durch geringer belastete Rohstoffe und dem Beitrag zur Senkung der Phosphatbelastung der Umwelt dürfte sich auch die gesellschaftliche Akzeptanz von Mineraldüngern erhöhen. Möglicherweise könnte dies langfristig auch zu staatlichen Fördermaßnahmen führen. Letztlich sollte auch nicht vergessen werden, dass die intensive Forschungsaktivität auf dem Gebiet des P-Recyclings zu einem großen Technologievorsprung deutscher Institute und Unternehmen führen kann. Die Chancen für Phosphatprodukte aus Rückgewinnungsprozessen lassen sich wie folgt zusammenfassen: Geringere Abhängigkeit von Weltmarktpreisschwankungen Positive Umwelteffekte Bessere gesellschaftliche Akzeptanz Technologievorsprung Cadmium- und Uranbelastungen Voraussetzungen für die Nutzung der aufgezeigten Chancen und die gemeinsame Umsetzung sind jedoch u.a. die Realisierung folgender Punkte: Wettbewerbsfähige Preisgestaltung Ausreichende Produktverfügbarkeit

81 80 Ebert Verarbeitungsfähigkeit (z.b. Eignung des Rohmaterials für die Granulierung) Schwermetalle und Verunreinigungen unter Grenzwerten (Schwellenwerte, Deklarationspflicht ) Niedriger Chloridgehalt Niedrige Anteile an organischer Substanz Stabile und hohe Nährstoffgehalte Weitgehend aufgeschlossene P-Formen im Rohstoff Hygienische Unbedenklichkeit (besonders bei der Verwendung tierischer Abfälle) Rechtliche Sicherheit (national und EU) Als Rohstoff verarbeitendes Unternehmen ist COMPO EXPERT an einer intensiven Zusammenarbeit mit Forschungsinstituten und privaten Unternehmen interessiert, um die vielversprechende Technologie der P-Rückgewinnung in die Praxisreife zu führen. Abschließend sei erwähnt, dass sich auch die landwirtschaftliche Forschung sowie die Düngemittelindustrie seit Jahren um Methoden und Produkte zur Erhöhung der Nährstoffeffizienz von Phosphat bemühen. Zur besseren Ausnutzung von Phosphatdüngern können u.a. folgende Methoden und Anwendungen dienen: Spezielle Umhüllungstechnologien für Düngergranulate zur kontrollierten Freisetzung von Phosphatanionen Suspensionen aus feinst vermahlenen Rohstoffen zur besseren Aufnahme durch die Kulturpflanze Wirkstoffe zur Verhinderung der P-Absorption im Boden Mikroorganismen, die eine bessere Aufnahme durch die Kulturpflanze ermöglichen Blattdüngung zur direkten Aufnahme durch die Pflanze bei schlechten Bodenbedingungen Platzierung der Nährstoffe in Wurzelnähe Termingerechte Ausbringung Fertigation (lösliche P-Formen in der düngenden Bewässerung Literatur ARGUS FMB MONTHLY PHOSPHATES OUTLOOK, APRIL 2014: Argus Media Ltd., London, UK DÜNGEMITTELVERORDNUNG (DÜMV), : download: IPNI (INTERNATIONAL PLANT NUTRITION INSTITUTE), 2013: Phosporus Fertilizer Production and Technology, download: 0Fert%20Tech%2011%2010% pdf

82 Phosphor für die Landwirtschaft Strategien für eine endliche Ressource 81 Phosphor-Quellen für den Landwirtschaftsbetrieb Phosphorus sources for the agricultural enterprise Detlef May 1, Linda Schalow 1, Markus Winzeler 2 1 Lehr- und Versuchsanstalt für Tierzucht und Tierhaltung e.v Groß Kreutz, Neue Chaussee 6 detlefmay@web.de 2 Gut Fredenwalde, Gerswalde (Uckermark) winzeler-markus@gmx.de Zusammenfassung: Vor dem Hintergrund meist nährstoffarmer Böden im Land Brandenburg stellt die Versorgung mit dem Nährstoff Phosphor für viele Landwirte eine besondere Herausforderung dar. Während tierhaltende Betriebe für ihre Flächen Wirtschaftsdünger einsetzen können und kaum auf zusätzliche Düngemittel angewiesen sind, müssen reine Marktfruchtbetriebe den Nährstoffentzug nach der Ernte ihrer Kulturen mit Düngemitteln ausgleichen, die sie außerhalb ihres Betriebes beziehen. Zwei Landwirtschaftsbetriebe teilen ihre Erfahrungen im Düngungsmanagement im Rahmen des vom BMBF geförderten Verbundvorhabens ELaN mit. Schlagwörter: Marktfruchtbetrieb, Veredelungsbetrieb, Phosphor, Klärschlamm, MAP Abstract: Since the soils of State Brandenburg are poor in nutrients, the supply of phosphorus is challenging for farmers. Animal farms are able to fertilize their fields with manure and need only few additional fertilizers. However enterprises producing only plants depend on external input of fertilizers in order to compensate the output of nutrients after harvest. Two agricultural enterprises report about their experience in fertilizer management within the project ELaN, which is supported by BMBF. 1 Einleitung Im Folgenden wird ein Einblick in die landwirtschaftliche Praxis bei Düngung mit dem Nährstoff Phosphor gegeben. Es handelt sich um einen Gemischtbetrieb mit Pflanzenbau und Tierhaltung im Landkreis Potsdam Mittelmark und um einen reinen Marktfruchtbetrieb im Landkreis Uckermark (Abbildung 1). In zwei Kurzbeiträgen schildern zwei Landwirte ihre Erfahrungen im Umgang mit dem Nährstoff Phosphor und stellen auf der Grundlage einer Nährstoffbilanz und in Kooperation mit dem vom BMBF geförderten ELaN-Verbundvorhaben ihr Düngungsmanagement vor.

83 82 May, Schalow, Winzeler Gerswalde Berlin Groß Kreutz Abbildung 1: Land Brandenburg mit den Landwirtschaftsbetrieben in den Gemeinden Groß- Kreutz und Gerswalde 2 Gemischtbetrieb mit Veredelung (Detlef May & Linda Schalow, LVAT, Groß Kreutz) Die Lehr- und Versuchsanstalt für Tierzucht und Tierhaltung Groß Kreutz (LVAT) bewirtschaftet insgesamt eine Fläche von ca. 990 ha, wovon sich auf 631 ha Ackerland und auf 359 ha Dauergrünland, Hutungen und Schafweiden befinden. Angebaut werden Silomais, Triticale, Winterroggen, Ackergras, Luzerne, Kleegras und Raps. Zum Tierbestand der LVAT zählen 800 Rinder (Milch- und Mutterkühe, Mast- und Zuchtbullen), 450 Mutterschafe sowie 1800 Mastschweine. 2.1 Phosphor-Input Ein Input von Phosphor in den Nährstoffkreislauf der LVAT erfolgt vor allem durch den Zukauf von Futtermitteln und Düngemitteln. Die größte Phosphormenge wird durch den Zukauf von Mischfutter und Eiweißfutter eingebracht. Dies führt zu einem jährlichen Phosphor-Input von 3834 kg und 3461 kg. Durch den Kauf des Düngemittels Diammoniumphosphat (DAP) erfolgt eine weitere Zufuhr von 2400 kg Phosphor. Eine vergleichsweise geringe Menge an Phosphor gelangt durch den Erwerb von Mineralfutter und MAT (552 kg P), Stroh (110 kg P) und Saatgut (54 kg P) sowie den Tierzukauf (84 kg P) in den Nährstoffkreislauf der LVAT (Abbildung 2). Mit dem Einsatz von etwa 10,5 Tonnen Phosphor kommt es auf die landwirtschaftliche Nutzfläche des Betriebs bezogen zu einer Phosphor-Zufuhr von 10,6 kg je Hektar.

84 Phosphor in kg Phosphor für die Landwirtschaft Strategien für eine endliche Ressource 83 Phosphor-Zufuhr Mischfutter Eiweißfutter 110 Stroh Mineralfutter und MAT 552 Saatgut 54 Dünger DAP Tierzukauf 84 Abbildung 2: Zufuhr von Phosphor zum Nährstoffkreislauf der LVAT 2.2 Phosphor-Output Die Abfuhr von Phosphor aus dem Nährstoffkreislauf erfolgt in der LVAT in Form von tierischen Erzeugnissen, wie Milch, Schweinefleisch, Rind- und Schaffleisch sowie in Form von pflanzlichen Erzeugnissen, wie Getreide, Futter und Stroh. Weiterhin erfolgt ein Output von Phosphor durch die Abgabe von Mist und Gülle. Der größte Phosphor- Entzug erfolgt hierbei durch den Verkauf von Getreide (2430 kg Phosphor), Milch (1748 kg Phosphor) sowie Heu und Stroh (1531 kg Phosphor). Geringere Phosphormengen werden durch den Verkauf von Schweinefleisch (810 kg Phosphor) sowie Rindund Schaffleisch (686 kg Phosphor) abgegeben. Durch die Abgabe eines kleinen Anteils an Mist und Gülle, der innerbetrieblich nicht genutzt wird, werden lediglich 345 kg Phosphor (4,6 % des Gesamtentzugs) abgeführt (Abbildung 3). Mit der Abfuhr von etwa 7,5 Tonnen Phosphor kommt es auf die landwirtschaftliche Nutzfläche des Betriebs bezogen zu einem Phosphor-Entzug von 7,6 kg je Hektar.

85 Phosphor in kg 84 May, Schalow, Winzeler Phosphor-Abfuhr Milch Rind und Schaffleisch Schweinefleisch Getreide Heu & Stroh Gülle & Mistabgabe Abbildung 3: Abfuhr von Phosphor aus dem Nährstoffkreislauf der LVAT 2.3 Innerbetrieblicher Phosphor-Kreislauf Wesentlich größere Nährstoffmengen werden durch Zu- und Abfuhr auf den Flächen innerhalb des Betriebs bewegt. Beträchtliche Mengen an Phosphor werden den Flächen der LVAT durch die Herstellung von Gras- (6840 kg Phosphor) und Maissilage (5760 kg Phosphor) zur Tierfütterung entzogen. Durch die Abfuhr von Heu, Getreide und Stroh kommt es zu einem Phosphorentzug von je 4800, 3630 bzw kg. Die Weidenutzung durch Schafe und Mutterkühe führt zu einem Phosphorentzug von 4000 kg Phosphor. Insgesamt wird innerhalb des Betriebs den Flächen die ca. 2,5 fache Menge an Phosphor je Hektar entzogen und über organische und mineralische Düngung wieder zugeführt. Berechnet man die jährliche Phosphor-Bilanz der LVAT und verrechnet P-Insowie P-Output, so ergibt sich ein Phosphor-Überschuss von 3 kg pro Hektar. 2.4 Fazit Insgesamt erfolgt die Phosphor-Zufuhr im dargestellten Gemischtbetrieb mit einem Viehbesatz von 0,7 GV je Hektar vor allem über den Zukauf von Futtermitteln und nur zu einem geringen Teil über den Kauf von Düngemitteln. Insgesamt ergibt sich eine positive Phosphor-Bilanz mit 3 kg pro Hektar und Jahr. Angesichts gewisser Unschärfen in der Bilanzierung kann die Zu- und Abfuhr von Phosphor im Nährstoffkreislauf der LVAT als weitgehend ausgeglichen angesehen werden.

86 Phosphor für die Landwirtschaft Strategien für eine endliche Ressource 85 3 Marktfruchtbetrieb (Markus Winzeler, Gut Fredenwalde, Gerswalde) Erhebliche Mengen an Haupt- und Spurennährstoffen verlassen einen Marktfruchtbetrieb, wie den in Gerswalde mit den Marktfrüchten Getreide, Raps und anderen Kulturen. Um diesen Nährstoffentzug auszugleichen, bedarf es einer Düngung, die unterschiedlich erfolgen kann. Hier werden drei verschiedene Düngemittel, die im Betrieb eingesetzt werden, vorgestellt. 3.1 Phosphorbedarf in einem reinen Marktfruchtbetrieb Am Beispiel einer einfachen dreijährigen Fruchtfolge von Winterraps Getreide Getreide verlassen den Betrieb auf einen Hektar seiner landwirtschaftlichen Fläche bezogen bei einem Ertragsniveau von 40 dt Raps und 75 dt Getreide etwa folgende Phosphormengen: Insgesamt sind es in drei Jahren ca. 200 kg P 2 O 5 pro Hektar, was 67 kg P 2 O 5 bzw. 30 kg P pro Jahr entspricht. Diese Mengen muss der Betrieb ersetzen, sei es durch organische Dünger wie Mist oder Gülle aus Veredelungsbetrieben, Klärschlamm, Abfälle aus der Verarbeitung landwirtschaftlicher Erzeugnisse wie z. B. Getreideschlempe, oder, wenn auch das nicht möglich oder zu aufwendig ist, mit Mineraldünger. Bei allem wird vorausgesetzt, dass der Boden sich in der optimalen Gehaltsklasse bewegt. Wenn die Gehaltsklasse hoch bis sehr hoch ist, kann die zu düngende Menge verringert werden, bei niedrigen bis sehr niedrigen Werten muss dagegen gedüngt werden. Erschwerend für die Praxis kommt hinzu, dass auf einem Schlag alle Gehaltsklassen und auch noch verschiedenen Bodenklassen vorkommen können. Technisch gelöst werden kann dieses Problem durch teilflächenspezifische Düngung. Hierbei wird nach einem vorgefertigten Ausbringungsplan auf jeder Teilfläche die benötigte Menge Dünger zielgenau ausgebracht, indem über einen satellitengesteuerten Bordcomputer und die daran gekoppelten Dosiereinrichtungen der Düngerstreuer bedient wird. 3.2 Einsatz von organischem Dünger Dem Stoffkreislaufgedanken folgend ist es naheliegende für den Pflanzenbau Wirtschaftsdünger wie Mist und Gülle aus Veredelungsbetrieben zu beziehen. Die Veredelungshochburgen in Westdeutschland sind aber für den Nordosten zu weit entfernt, und der Transport damit zu kostenaufwändig. Allenfalls Hühnermist und Hühnertrockenkot mit hohen Nährstoffkonzentrationen werden gelegentlich eingesetzt. Neuerdings werden LKW s eingesetzt, deren Ladefläche in zwei getrennten Bereichen Getreide und Gülle transportieren kann. So kann vom Ackerbaubetrieb Getreide in einen Mastbetrieb transportiert werden und auf dem Rückweg Gülle zum Ackerbaubetrieb, vorausgesetzt der Ackerbaubetrieb verfügt über einen Güllelagerbehälter. Dieses System soll für Distanzen bis etwa 200 km wirtschaftlich sein. Deshalb wäre es sinnvoll, wenn in Nordostdeutschland mehr Tierhaltung betrieben würde. Das ist einerseits allerdings sehr kapitalintensiv und außerdem bedarf es der Akzeptanz der Nachbarn.

87 86 May, Schalow, Winzeler Ein konkretes Beispiel für die Kreislaufführung von Nährstoffen in der Region ist das Ethanolwerk in Schwedt an der Oder, wo große Mengen an flüssiger Getreideschlempe anfallen, ein hochwertiges und begehrtes Eiweißfuttermittel in der Tierhaltung. Aufgrund des geringen Tierbesatzes, wird die überschüssige Schlempe auch auf Ackerflächen als Dünger ausgebracht oder in Biogasanlagen zur energetischen Nutzung eingespeist. Angesichts logistischer Probleme, möglicher Bodenverdichtung und einhergehender Geruchsbelästigungen stellt sich die Frage, warum ein Marktfruchtbetrieb überhaupt organische Dünger einsetzt. Einer Gabe von 60 kg kurzfristig wirksamen Stickstoffs pro Hektar, die etwa 20 Tonnen Schweinegülle pro Hektar entspricht, stehen bei gleicher Stickstoffgabe nur etwa 0,13 Tonnen Harnstoffdünger gegenüber, der wesentlich schneller und bodenschonender ausgebracht werden kann. Grundsätzlich sind die Betriebsleiter aber in der Mehrheit an geschlossenen Kreisläufen interessiert. Gleichzeitig stellen organische Dünger wie Gülle und Mist ausgewogene Volldünger dar, die neben den Hauptnährstoffen auch die ganze Reihe wichtiger Spurennährstoffe enthalten. Aufgrund des sehr geringen Tierbesatzes im Nordosten Deutschlands müssen aufgrund des Mangels an Wirtschaftsdüngern mineralische Düngemittel eingesetzt werden. Der Versorgungsengpass von Düngemitteln im Jahr 2008 und die damit zusammenhängende Preisexplosion insbesondere bei den Phosphordüngemitteln hatte den Großteil der landwirtschaftlichen Betriebsleiter sensibilisiert. Inzwischen besteht häufig eine vorsorgende Einkaufspraxis und es wird zunehmend nach Alternativen Ausschau gehalten. 3.3 Einsatz von Klärschlamm als Dünger Im Sinne von geschlossenen Kreisläufen kann derzeit im Rahmen der Klärschlammund Abfallverordnung auch noch Klärschlamm auf Ackerflächen ausgebracht werden. Klärschlamm kann ebenfalls als ausgewogener Volldünger angesehen werden. Wegen erhöhter Gehalte an Schwermetallen und organischen Schadstoffen sowie häufiger Geruchsbelästigung ist die Akzeptanz der Düngung mit Klärschlamm in der Bevölkerung aber stark gesunken. So gibt es heute zahlreiche Verpächter, die keine Klärschlammdüngung auf ihren Flächen dulden. Oder bei vielen Lieferverträgen über Marktfrüchte verpflichtet sich der Landwirt keinen Klärschlamm bei der Düngung seiner Kulturen einzusetzen. An diesem Punkt setzt der Landwirt ein aus den Abwässern der Berliner Wasserbetriebe gewonnenes und anerkanntes Düngemittel, Magnesium-Ammonium-Phosphat (MAP) oder auch Berliner Pflanze genannt, ein (HEINZMANN & LENGEMANN S. 26). 3.4 Einsatz von Berliner Pflanze auf Gut Fredenwalde Wir in Gut Fredenwalde wurden auf die Berliner Pflanze durch eine Umfrage des ELaN- Projekts im Jahr 2012 aufmerksam. Zur gleichen Zeit wurde eine Studie publiziert, die dem MAP eine gute Düngewirkung bescheinigte. Daraufhin erwarben wir dieses neuar-

88 Phosphor für die Landwirtschaft Strategien für eine endliche Ressource 87 tige Düngemittel und deckten damit im Herbst 2012 und 2013 einen Teil des P-Bedarfs in unserer Pflanzenproduktion. Aufgrund seiner chemischen Zusammensetzung stellt MAP einen Mehrfachdünger dar, der neben 23 % P 2 O 5 zusätzlich 5 % N und 12 % MgO enthält. Die Struktur des MAP ist fein kristallin, so dass es sich mit den üblichen Schleuderdüngerstreuern nicht ausbringen lässt. Daher wird MAP in Gut Fredenwalde von einem Lohnunternehmer mit einem Kalkstreuer ausgebracht. Die maximale Streubreite liegt nach unserer Erfahrung bei 16 Metern, unsere Leitspuren liegen aber darüber bei 24 Metern, so dass dieses Düngemittel nur vor oder mit der Saat ausgebracht und eingearbeitet werden kann. Die ausgebrachten Mengen liegen zwischen kg je Hektar. 3.5 Anforderungen an ein neues Düngemittel Damit ein Düngemittel eine breite Verwendung in der Landwirtschaft findet, müssen folgende Punkte erfüllt sein: - Das Düngemittel muss eine einheitliche, geprüfte Qualität aufweisen. - Die Düngewirkung muss durch langfristige Düngeversuche belegt sein. - Eine granulierte Form wäre wünschenswert, ist aber nicht zwingend erforderlich. Der eingeschlagene Weg, Düngemittel aus Abwasser zu gewinnen, ist sinnvoll und gut. Bei der Berliner Pflanze müsste die produzierte Düngermenge allerdings gewaltig gesteigert werden, um dieses innovative Recyclingprodukt als Düngemittel in der Landwirtschaft dauerhaft zu etablieren. Dazu wünsche ich allen Beteiligten viel Erfolg.

89 88 Theobald, Schipper Regionale Phosphorströme in Berlin-Brandenburg Regional phosphorus fluxes in Berlin-Brandenburg Tim Theobald 1,2, Mark Schipper 3 1 Leibniz-Institut für Agrartechnik Potsdam-Bornim e.v., Max-Eyth-Allee 100, Potsdam- Bornim ttheobald@atb-potsdam.de 2 Albrecht Daniel Thaer-Institut für Agrar- und Gartenbauwissenschaften, Humboldt Universität zu Berlin 3 Faculty of Technology, Policy and Management, Delft, Netherlands and Institute of Environmental Sciences (CML), Leiden University, Leiden, Netherlands. Zusammenfassung: Im Rahmen des ELaN Projekts wurde für das Nährelement Phosphor eine Substanzflussanalyse für die Länder Brandenburg und Berlin im Bilanzjahr 2011 erstellt. Im Rahmen dieser Untersuchung wurde mittels Recherchen der in und durch die Region strömende Phosphor quantitativ in einem Modell dargestellt. Hierfür wurden Mengendaten zu unterschiedlichen Materialien aus unterschiedlichen Statistiken zusammengetragen und mit Hilfe von Angaben zu dessen Phosphorgehalt die einzelnen Flüsse berechnet. Weitere Flüsse wurden mittels Subtraktionsverfahren oder durch auf Annahmen basierenden Berechnungen ermittelt. Darüber hinaus wurden aus den Flüssen berechnete Bilanzen flächengebundenen Prozessen (Agrarböden und Deponien) zugeschrieben. Im Ergebnis zeigt sich, dass der Agrarsektor die größten Importe in Form von mineralischen Düngemitteln und Tierfutter veranlasst (4.477 und t P). Für die Agrarböden wurde insgesamt eine negative Bilanz von t P unter Vernachlässigung der Winderosion berechnet. Über Oberflächenabfluss, Auswaschung und Wassererosion wurde ein Verlust von t P geschätzt. Neben dem Agrarsektor weisen Nahrungs-, Abwasser- und Abfallflüsse ebenfalls hohe P-Frachten auf. Das bei einer 100 %igen Rückführung hypothetische Recyclingpotential aus Abwasser und Abfall beziffert sich auf t P. Dies setzt sich aus t P aus der Abwasserwirtschaft und 947 t P aus der Abfallwirtschaft zusammen. Hinsichtlich der Abwasserwirtschaft in Brandenburg wurden 363 t P einer Wiederverwertung von Klärschlämmen in der Landwirtschaft zugeführt. Der genaue Verbleib weiterer 517 t P, welche zur Bodenverbesserung in den Landschaftsbau flossen, konnte nicht geklärt werden. Weiterhin wurde in Berlin ein Anteil von 59 % des anfallenden klärschlammbürtigen P monoverbrannt (mutmaßlich t P) und steht somit einer möglichen zukünftigen Rückgewinnung aus der Asche zur Verfügung. Der in der Abfallwirtschaft fließende P wurde insgesamt nur im geringen Maße einer landwirtschaftlichen Nutzung zugeführt (10 %). Dies ist u.a. darin begründet, dass besonders in vielen Teilen Brandenburgs auf Grund seiner zersiedelten Struktur keine getrennte Abnahme von organischen Abfällen stattfindet. Ein anderes, ggf. dezentrales Abfallentsorgungskonzept könnte hier helfen einen neuen Weg einzuschlagen. Da jedoch selbst in Berlin und dessen stark bevölker-

90 Phosphor für die Landwirtschaft Strategien für eine endliche Ressource 89 tem Umland keine flächendeckende Abfuhr von Biomüll stattfindet, müsste eine Ausweitung der getrennten Abfuhr möglich sein. In der Gesamtbetrachtung zeigt sich, dass im Jahr 2011 erhebliche Mengen Phosphor verloren gingen, da geeignete Strukturen für eine Rückführung dieser wichtigen Ressource fehlten und auch heute noch fehlen. Schlüsselwörter: Recycling, Recyclingpotential, Phosphorflüsse, Landwirtschaft, Rückgewinnungspotential, Substanzflussanalyse Abstract: Within the framework of the ELaN project, we conducted a phosphorus substance flow analysis for the German Federal states, Berlin and Brandenburg, covering the year Through literature research, we quantitatively assessed how P flowed through and within the respective region. In doing so, we gathered information on the quantity of different materials from different sources and used their P concentration to determine the amount of P carried in the materials. Other flows were determined by calculating the balance of different in- and outflows, as well as by taking assumptions based on educated guess. P stocks of land-related processes (e.g. agricultural soils and landfills) were determined by determining the balance of the flows. The results show that the agricultural sector was responsible for the biggest import flows in the form of fertilizers and livestock fodder (4,477 and 4,098 t P). Neglecting wind erosion, the balance of the agricultural soils indicate a netto extraction of -1,434 t P. Surface runoff, leaching and water erosion were estimated to amount to 1,051 t P. Next to the agricultural sector, large P flows were found in human consumption, wastewater and solid waste management. Assuming a 100 % recovery rate, the recycling potential would be circa 4,465 t P, consisting of 3,340 t P from waste water and 947 t P from organic wastes. From wastewater management in Brandenburg 363 t P were recycled as sewage sludge that was applied to agricultural fields. Another 517 t P were used in landscaping as soil conditioner. Here, the exact fate remains unknown. In Berlin 59 % of the sewage sludge was mono incinerated, leading to an assumed 1,272 t P that are available for future recovery of P from ashes. P in waste management was only recycled to agriculture by about 10 %, as organic wastes are in most cases not collected separately. One reason for this may be the low population density in Brandenburg. Perhaps a decentralized waste management concept could be employed to make use of this lost potential. However, as a separate collection of bio wastes was neither completely implemented for areas supporting a high population density a further expansion of a separate collection should be possible. Concluding, significant amounts of P were lost, as suitable measures of recycling were missing. Keywords: recycling potential, phosphorus flows, agriculture, waste water management, waste management, potential, substance flow analysis

91 90 Theobald, Schipper 1 Einleitung Phosphor (P) gehört neben den Elementen, wie Stickstoff und Kalium, zu den wichtigsten Nährelementen in der Landwirtschaft. Da P besonders in seiner pflanzenverfügbaren Form in den Böden für gewöhnlich nur in geringen Mengen vorkommt, ist eine Kompensation des durch die Ernte abgefahrenen P (z.b. durch Rückführung) unerlässlich. Durch die Intensivierung der Landwirtschaft und der zunehmenden Globalisierung hat sich allerdings vielerorts eine Störung der regionalen Phosphorkreisläufe ergeben. Infolge dieser Entwicklung sind zurzeit viele Länder von einigen wenigen Regionen abhängig, die über eigene Phosphorvorkommen verfügen. Zu diesen Regionen zählen neben Nord-afrika mit Marokko und dem okkupierten Gebiet Westsahara, China und die USA. Diese Vorkommen sind jedoch begrenzt, und mit einer stetig wachsenden Weltbevölkerung und weiterer Intensivierung der Landwirtschaft in einigen Entwicklungsländern wird sich die Nachfrage nach Phosphor erhöhen (CORDELL et al. 2009, KEYZER 2010). Neben zusätzlich wirkenden Spekulationen und möglichen Zerwürfnissen auf der Ebene der internationalen Politik wird dies früher oder später unweigerlich zu einem Preisanstieg führen. Auch mit Hinblick auf die Umwelt ist eine nachhaltigere Nutzung der Ressource P anzustreben. Neben der Produktion von erheblichen Mengen an Müll bei der Düngemittelgewinnung lässt sich durch die Verringerung von Verlusten und Steigerung der Effizienz der Eutrophierung von Gewässern vorbeugen. Außerdem wird der Anteil an Masse von Müll reduziert und damit dem stetigen Wachstum der Deponien entgegengewirkt. Um das Recyclingpotential oder Möglichkeiten der Effizienzsteigerung für Regionen, Länder oder andere Systeme abzuschätzen, haben sich Stoffflussanalysen bzw. Material Flow Analysis (MFA) oder auch Substance Flow Analysis (SFA) bewährt (CHOW- DHURY et al. 2014). Hierbei werden innerhalb eines zeitlich, räumlich und oder funktionell klar definierten Systems die Flüsse eines bestimmten Stoffes mitsamt seinen unterschiedlichen Stationen, in denen er eine Behandlung erfährt, entweder quantitativ oder qualitativ erhoben. Ein wichtiger methodischer Grundsatz ist hierbei die Berücksichtigung des Lomonossow-Lavoisier-Gesetzes (Masseerhaltungssatz), nach welchem die Gesamtheit der Masse aller an einer chemischen Reaktion beteiligten Edukte der Gesamtheit der Produkte entspricht. Die durch ein System fließende Masse kann sich nach diesem Verständnis lediglich durch Import und Export von Masse, in dieses System oder aus diesem System, verändern. Als geeignete graphische Darstellung einer P-Stoffflussanalyse haben sich Flussdiagramme bewährt (CHEN & GRAEDEL 2012). Mit Hilfe eines solchen Diagrammes lassen sich komplexe Flussnetzwerke darstellen. In der leicht abgewandelten Form eines Sankeydiagrammes, welches nach dem gleichnamigen irischen Ingenieur benannt wurde, können zudem auch quantitative Informationen leicht vermittelt werden. Hierbei wird die Dicke der Pfeile proportional zur Flussmenge angepasst, eine Darstellungsweise, die in dieser Studie gewählt wurde. Vor dem Hintergrund einer Störung der natürlichen

92 Phosphor für die Landwirtschaft Strategien für eine endliche Ressource 91 P-Kreisläufe durch den Menschen zielt diese Arbeit darauf ab, die P-Flüsse in der Region Berlin-Brandenburg quantitativ abzubilden. Damit sollen in den relevanten Sektoren Landwirtschaft, Abfall- und Abwassermanagement Grundlagen für eine effizientere und nachhaltigere Nutzung der Ressource Phosphor geschaffen werden. 2 Material und Methoden 2.1 Definition des untersuchten Systems Ziel der Studie war es für die Region Berlin-Brandenburg, bezogen auf das Jahr 2011, eine möglichst umfassende Phosphorflussanalyse anzufertigen. Als Systemgrenzen wurden die vereinten Landesgrenzen beider Bundesländer ohne die Oberflächengewässer beider Regionen bestimmt. Es wurde lediglich der Eintrag vom Land in die Gewässer dargestellt. Somit wurden bis dahin in den Sedimenten eingelagerte und über die Oberflächengewässer in die Region einströmende Phosphorfrachten nicht quantifiziert. Flüsse, die die Systemgrenze überschritten, wurden als Exportflüsse des Systems deklariert. Umgekehrt wurden Flüsse, die in das System hineinführten, als Importflüsse des Systems angesehen. 2.2 Beschreibung der Zielregion Gegenstand der Phosphorflussanalyse waren die Bundesländer Brandenburg und Berlin mit einer Einwohnerzahl von insgesamt knapp 6 Millionen und einer Fläche von km² ( ha). Etwa 3,3 Mio. Einwohner leben in Berlin, dessen Fläche ca. 3 % der Zielregion ausmacht. Die restlichen knapp 2,5 Mio. Einwohner entfallen auf das Flächenland Brandenburg, welches nach Mecklenburg-Vorpommern das am dünnsten besiedelte Bundesland in Deutschland ist. Fast der Brandenburger leben im Berliner Umland (LBB 2014). Der mit Abstand größte Teil der Gesamtfläche von ha (48 %) wird landwirtschaftlich genutzt. Waldflächen stellen mit ha (35 %) den zweitgrößten Anteil. Siedlungs- und Verkehrsflächen repräsentieren mit ha (11 %) den drittgrößten Bereich ha (4 %) entfallen auf die zahlreichen Gewässer der Region. Den restlichen 2 % werden sonstigen Nutzungen zugeschrieben (ASBB 2012). Naturgemäß ergibt sich aufgrund der unterschiedlichen Besiedlungsdichte eine stark heterogene Aufteilung der Flächennutzungen zwischen Berlin und Brandenburg. Während in Berlin 70 % der Fläche für Siedlungen und Verkehr verwendet werden, liegt der Anteil in Brandenburg bei lediglich 9 %, Land- und Forstwirtschaft stellen hier den Großteil der Landnutzung dar (ASBB 2012). Auch hinsichtlich anderer Infrastrukturen werden aufgrund der starken Unterschiede in Flächengröße und Bevölkerungsdichte deutliche Gegensätze sichtbar. Während in Berlin die Verantwortlichkeiten für die Abfall- und Abwasserentsorgung zentral geregelt werden, ergibt sich im Land Brandenburg ein kleinteiliger Flickenteppich mit zahlreichen

93 92 Theobald, Schipper unterschiedlichen Akteuren und Regelungen. Das erschwert die Nachvollziehbarkeit der unterschiedlichen Phosphorflüsse. Weitere Unterschiede zeigen sich in der Verteilung der verarbeitenden Gewerbe. Während der Export Berlins im Bereich des nationalen Durchschnitts anzusiedeln ist, liegt die Exportquote in Brandenburg bei etwas oberhalb der Hälfte des nationalen Durchschnitts. Grund hierfür ist die unterschiedliche Ausrichtung des verarbeitenden Gewerbes in den beiden Bundesländern. In Berlin sind vor allem Hersteller von elektrischen Ausrüstungen und die Pharmaindustrie angesiedelt, welche als klassisch exportorientiert gelten. In Brandenburg hingegen liegt die Akzentuierung bei der Herstellung von Nahrungs- und Futtermitteln und der Metallindustrie. Diese Zweige gelten als vorwiegend importorientiert (TECHEN 2010). 2.3 Datenaufnahme und Modellberechnung Die bereits eingangs erwähnten Flussdiagramme einer Stoffstromanalyse setzen sich aus zwei unterschiedlichen Komponenten zusammen: Den Flüssen und den Prozessen. Flüsse werden im Allgemeinen in Stoffstrommodellen durch Pfeile angezeigt. Sie haben ausschließlich eine Fließrichtung und verbinden unterschiedliche Prozesse miteinander. Eine Ausnahme stellen Import- bzw. Exportflüsse eines definierten Systems dar. Diese beginnen bzw. enden außerhalb des Systems ohne dabei notwendigerweise zwei Prozesse zu verbinden. Prozesse hingegen sind durch Kästchen gekennzeichnet. Sie stehen für Stoffumwandlungen und stellen somit häufig Knotenpunkte im Netzwerk dar. Prozesse mit besonderer Funktion sind Lager, welche im Falle von P als Senke fungieren. In ihnen können sich bei positiven Bilanzen Stoffe ansammeln. Andererseits sind aber auch negative Bilanzen möglich. Für das Stoffstrommodell wurden Daten zu P-Gehalten und Gütern aus vielen unterschiedlichen Quellen zusammengetragen. Dabei wurde darauf geachtet die Flüsse so differenziert wie möglich zu betrachten. Das bedeutet, dass, sofern möglich, für jede einzelne in den Statistiken aufgeführte Kategorie ein P-Gehaltswert recherchiert wurde. In Fällen, in denen dies nicht gelang, wurde mit Werten möglichst verwandter Kategorien gearbeitet. So wurde bei erjagten Wildschweinen zum Beispiel der gleiche Phosphorwert verwendet wie bei Hausschweinen oder bei Saiblingen der P-Mittelwert anderer Salmoniden. Für gewöhnlich wurden die unterschiedlichen P-Flüsse in der Zielregion wie folgt berechnet: Φ P = m Gut c Gut Mit Φ P = gesuchter P-Fluss, m Gut = Masse des Gutes, c Gut = P-Konzentration im Gut

94 Phosphor für die Landwirtschaft Strategien für eine endliche Ressource 93 In einigen Fällen musste zuerst die Masse des entsprechenden Gutes bestimmt werden. So wurde in manchen Fällen (z.b. Milchkühe, Färsen oder Mutterschafe) Stückzahlen mit Durchschnittsgewichten und gewichtsbezogenen Phosphorgehalten multipliziert. Sofern möglich wurden Eigenschaften wie z.b. Alter und Geschlecht bei Tieren und Menschen, berücksichtigt. Im Falle von Haustiernahrung wurde die konsumierte Menge über den nationalen Haustierfutterabsatz pro Haustierart und Futterkategorie in Euro (IVH 2011) und den entsprechenden Supermarktpreisen bestimmt. Die jeweiligen P-Gehalte wurden den Inhaltsangaben der Verpackung entnommen. In einem anderen Fall wurde mit Daten aus empirischen Untersuchungen zur Stückzahl gearbeitet. So wurde mit Hilfe von Angaben zur jährlichen P-Ausscheidung bei Nutztieren (KTBL 2009) und deren Population die Menge an P in den Nutztierexkrementen berechnet. Die P-Flüsse für Biomüll wurden mit Hilfe einer nationalen Studie bestimmt nach der sich der organische Abfall vom verarbeitenden Gewerbe, Einzelhandel und Verbrauchern auf Anteile von 17, 5 und 75 % beläuft (KRANERT et al. 2012). In Fällen, bei denen keine Quelle mit eindeutigen Angaben gefunden werden konnte, wurde mittels des Massenerhaltungssatzes der fehlende Fluss aus der Differenz der Summe aller Input- und Outputflüsse berechnet: n n Φ P = Φ POutput,i Φ PInput,i i=1 i=1 Mit Φ P = gesuchter P-Fluss, n i=1 Φ POutput,i = Summe aller bekannten P-Inputflüsse, n i=1 Φ PInput,i = Summe aller bekannten P-Outputflüsse Ein Beispiel für einen solchen Fall stellt die Menge am importierten P im Tierfutter dar. Hier wurde die Differenz zwischen den Inputflüssen (regional produziertes Tierfutter, Aufwuchs von Weideflächen) und den Exportflüssen (Gesamtheit der Tierprodukte, gefallene Tiere und Ausscheidungen) gebildet. In Fällen, in denen Prozesse als Lager bzw. Senke fungierten, wurde die Differenz aller In- und Outputs gebildet. Dieser Wert wurde dann der Senke zugeschrieben. In der Stoffstromanalyse sind diese Senken durch flächengebundene Prozesse vertreten. Hierunter fallen Agrarböden, urbane Böden und Deponien. 3 Ergebnisse und Diskussion Die größten P-Flüsse wurden im Bereich der Landwirtschaft beobachtet. Die Ernte repräsentiert dabei mit t P für das Jahr 2011 den größten Fluss. Es folgen Tierexkremente (9.146 t P) aus der landwirtschaftlichen Tierhaltung. Die darauffolgenden Flüsse, welche sich zwischen und t P befinden, sind ebenfalls weitestge-

95 94 Theobald, Schipper hend im Umfeld der Landwirtschaft anzusiedeln. Erst unterhalb von t P finden sich Flüsse aus der Abwasser- und Abfallwirtschaft. Die kleinsten Flüsse sind vorwiegend in Verbindung der Fischerei und Forstwirtschaft identifiziert worden. Dies spiegelt die Landnutzungsintensität zur Primärproduktion durch den Menschen wider. Im Anschluss sollen nun die einzelnen Subsysteme vorgestellt werden. Hierfür wurden das Stoffstrommodell in die folgenden Sektoren unter gliedert: Agrar-, Abwasser- und Abfallsektor. Da es sich hierbei um Teilbereiche des Systems handelt, wurde in den jeweiligen Abbildungen auf die Abbildung der Systemgrenze verzichtet. Export- und Importflüsse aus oder in die Region wurden mit dem Zusatz Export bzw. Import gekennzeichnet. 3.1 Agrarsektor Wie bereits geschildert, ist die Landwirtschaft in Bezug auf den Phosphorverbrauch der am intensivsten genutzte Sektor, welcher die beiden größten P-Flüsse, Ernte und Tierexkremente, beinhaltet. Aus den genannten Größen lässt sich ableiten, dass theoretisch ca. die Hälfte des mit der Ernte abgeführten P über Exkremente aus der Tierhaltung kompensiert wird. Auch unter den die Systemgrenze überschreitenden Flüssen zeigt sich die Relevanz des Agrarsektors. So haben die für die Düngung der Agrarflächen importierten Mengen an P mineralischer Herkunft mit t (34 %) den größten Anteil aller berechneten P-Importe (Abbildung 1). Abbildung 1: Sankeydiagramm der im Agrarsektor fließenden Phosphorströme.

96 Phosphor für die Landwirtschaft Strategien für eine endliche Ressource 95 An zweiter Stelle rangieren Tierfutterimporte mit t (32 %). Da etwa 70 % des P-Outputs aus der Tierhaltung sich in den Tierexkrementen wieder finden, ergibt sich damit ein rechnerischer Anteil von ca t P, welcher in Form von Tierexkrementen auf Acker- und Grünland über Tierfutter importiert wird. Zusammen mit den Klärschlammimporten aus anderen Teilen Deutschlands (vorwiegend Niedersachsen und NRW) erfolgt somit ein Gesamtimport von ca t P auf die Agrarböden der untersuchten Region. Dies entspricht einem prozentualen Gesamtanteil von über 57 % von allen berechneten P-Importen. Alle für die Produktion in der Landwirtschaft berechneten Importe, Tierfutter, Klärschlämme und Düngemittel belaufen sich insgesamt auf t P, knapp 67 % aller berechneten P-Importe. Weiterhin ist zu beachten, dass die P-Bilanz für die Agrarböden negativ ausfiel ( t P). Dies entspricht amtlichen Angaben nach denen in der Summe, eine negative P-Bilanz über einen Zeitraum von mehr als 10 Jahre ermittelt wurde (MIL 2012). Unberücksichtigt bleibt in der aktuellen Bilanzierung der Einfluss der Winderosion. Da zurzeit keine statistische Erhebung der in Brandenburg vergorenen Substrate erfolgt, war eine genauere Bestimmung der P-Flüsse über die Bioenergiegewinnung nicht möglich. Bemühungen, das zur gewonnenen Energie benötigte Substrat anhand der Leistung der Biogasanlagen zu berechnen, schlugen fehl, da pflanzliche und tierbürtige Substrate stark gegensätzliche Energie-Nährstoff-Verhältnisse aufwiesen und für Berlin-Brandenburg passende Literaturangaben zur Substratzusammensetzung nicht heranzuziehen waren. Um dennoch einen Schätzwert für den in der Region über Gärsubstrate recycelten P zu erhalten, wurden Kulturen dem Prozess der Vergärung zugeschrieben, bei denen von einer energetischen Nutzung auszugehen war (Getreide zur Ganzpflanzenernte, Zuckerrüben, Silomais). Der tatsächliche Phosphorfluss, der über Biogasanlagen in Form von Gärresten in die Region eingetragen wird, bleibt möglicherweise in der Gesamt P-Bilanz unterschätzt. 3.2 Abwassersektor Im Jahr 2011 gelangten ca t P ins Abwasser, wobei ein kleiner Teil des Abwassers zur Behandlung an die polnische Grenzstadt Gubin abgeleitet wurde (Abbildung 2). Innerhalb der Region wurden t P der Abwasserbehandlung zugeführt, wovon 335 t P im gereinigten Abwasser nicht zurückgehalten werden konnten. Ein geringer Anteil davon (56 t P) stammt aus Kleinkläranlagen von 3,4 % der Einwohner Brandenburgs, die aufgrund der zersiedelten Struktur des Landes und damit verbundener hoher Kosten nicht an das Entsorgungssystem angeschlossen sind. Gemäß der Bevölkerungsverteilung fällt ein Großteil des Abwassers in Berlin und im benachbarten Berliner Umland an. Hierdurch ergibt sich die Situation, dass die Berliner Wasserbetriebe neben der Bevölkerung Berlins ebenfalls auch das Abwasser von ca Einwohnern des Landes Brandenburg mit entsorgen (KABBE et al. 2014). Der aus diesem Kerngebiet im Klärschlamm zurückgewonnene Phosphor wurde zum großen Teil der

97 96 Theobald, Schipper Abbildung 2: Sankeydiagramm der im Abwassersektor fließenden Phosphorströme. KS = Klärschlamm. MAP = Magnesiumammoniumphosphat, welches derzeit bereits als Recyclingdüngemittel im Klärwerk Waßmannsdorf ausgefällt wird. thermischen Verwertung zugeführt, da aufgrund der Überschreitung von Schwermetallgrenzwerten eine direkte Nutzung in der Landwirtschaft nicht möglich ist. Ein geringer Teil wurde in Form von MAP (17 t P), welches in der Kläranalage Waßmannsdorf ausgefällt wurde, in die Landwirtschaft zurückgeführt. Hinsichtlich der thermischen Verwertung wurde der überwiegende Teil von 59 % monoverbrannt (mutmaßlich t P) und 41 % in Zementwerken, Müllverbrennungsanlagen oder Kohlekraftwerken mitverbrannt (PUHLMANN 2014), wodurch der in den Klärschlämmen enthaltene Phosphor verdünnt wird und sich somit wahrscheinlich einem zukünftigen Recycling aus wirtschaftlichen Gründen entzieht. Diese Praxis der Mitverbrennung könnte allerdings schon bald der Vergangenheit angehören, wenn das vom Gesetzgeber vorgesehene Verdünnungsverbot von P-reichen Abfallströmen Umsetzung findet (KABBE et al. 2014). Insgesamt belief sich die in die Verbrennung gelangte Menge auf t P, wovon ca t P aus Berlin und dessen Umland gestammt haben dürften. Im Gegensatz zu der von den Berliner Wasserbetrieben verfolgten thermischen Verwertung werden die Klärschlämme Brandenburger Abwasserentsorger überwiegend stofflich verwertet. Der größte Anteil wird hierbei dem Landschaftsbau zugeführt (517 t P). Dies bedeutet vor allem eine Verwendung als Bodenverbesserer auf Standorten ohne Mutterboden (z.b. Erdbauwerke, Deponien, Park-, Garten- und Sportanlagen). Eine mögliche Verwertung auf den Kippflächen in der Lausitzer Braunkohletagebaulandschaft findet allerdings nicht statt. Somit

98 Phosphor für die Landwirtschaft Strategien für eine endliche Ressource 97 kann eine indirekte Rückführung von Phosphor nach der Wiederinkulturnahme dieser Flächen durch die Landwirtschaft ausgeschlossen werden (HAUBOLD-ROSAR 2007). An zweiter Stelle folgt die direkte Verwertung der Klärschlämme aus dem ländlichen Raum in der Landwirtschaft mit 363 t P. Für die Verwendung als Baustoff bzw. zur Vererdung werden 62 t P in Form von Klärschlamm bereitgestellt. Im Falle der Verwendung als Baustoff ist von einem Verlust des P für einen weiteren Nutzen auszugehen. Aufgrund der Vielzahl an unterschiedlichen Akteuren in der ländlichen Abwasserversorgung Brandenburgs sind die genauen Flüsse und Verwendungszwecke nur schwer nachvollziehbar. Lässt man den nach Polen abgeleiteten Anteil außer Acht und betrachtet das theoretische Potential für die Landwirtschaft, so verbleiben von den anfänglichen t P, welche in dem ungereinigten Abwasser enthalten sind, in etwa 91 % der P Fracht in den Klärschlämmen der Region. Bei einer hypothetischen Rückgewinnungsquote von 100 % des Phosphats ergibt sich somit ein Einsparpotential an mineralischen P-Düngemitteln in Höhe von ca t P. 3.3 Abfallsektor Nach gegenwärtiger Berechnungsgrundlage fielen in der Nahrungsmittelindustrie bei der Verarbeitung von Lebensmitteln (108 t P), bei dem Verkauf von Produkten im Einzelhandel (48 t P) und beim Verbraucher (596 t P) insgesamt 752 t P in organischen Abfällen an (Abbildung 3). Ein Teil des von Verbrauchern stammenden P (62 t P in Gartendünger) wurde getrennt, in Form von Biomüll von einem Teil der Bevölkerung Berlins und Brandenburgs gesammelt und nach einer erfolgenden Fermentation vermutlich regional verkauft. Der weitaus größere Teil von ca. 690 t P wurde über den regulären Hausmüll entsorgt und mutmaßlich nach vorheriger thermischer Verwertung deponiert, wodurch eine weitere P-Nutzung verhindert bzw. stark erschwert wurde. Dies ist u.a. darin begründet, dass aufgrund der geringen Einwohnerzahlen die getrennte Sammlung organischer Abfälle lediglich in einigen städtisch geprägten Regionen wie Brandenburg an der Havel oder Frankfurt/Oder realisiert ist.

99 98 Theobald, Schipper Abbildung 3: Sankeydiagramm der im organischen Abfall fließenden Phosphorströme. Der große Anteil an Phosphor in der Verbrennung ist mit Vorsicht zu betrachten. Aufgrund der zurzeit noch unklaren, kleinteiligen Abfallflüsse in Brandenburg lassen sich keine gesicherten Aussagen zu dieser Region treffen. Der in Grünschnittabfällen enthaltene Phosphor beider Bundesländer wurde nach Hochrechnungen mit 90 t P beziffert. Aufgrund der guten Eignung zur Kompostierung wurde hier von einer kompletten stofflichen Verwertung ausgegangen. Dieser Fluss wurde den Agrarböden zugeschrieben, obwohl auch eine Nutzung im Landschaftsbau denkbar ist. Weitere vom Verbraucher ausgehende Flüsse waren 247 t P in Haustierexkrementen und 55 t P in Eigenkompostierung. Diese wurden den urbanen Böden zugeteilt. Eine anschließende Nutzung dieser Flüsse entfällt. Eine bisher noch ungenutzte Quelle für die Landwirtschaft könnte der in den Tierverlusten enthaltene Phosphor mit 105 t P darstellen, welcher zurzeit nach erfolgter Verbrennung in der Zementindustrie Einsatz findet. Ähnlich wie bei Klärschlammaschen, wäre hier eine P-Rückgewinnung aus Aschen denkbar, sofern eine seuchenhygienische Unbedenklichkeit gewährleistet werden kann. Dem für das Jahr 2011 berechneten Recycling-Phosphor in Höhe von 152 t P (Grünschnitt und Gartendünger von Bioabfällen) steht damit bei Nichtberücksichtigung der Haustierexkremente und der Eigenkompostierung eine Menge von 795 t P gegenüber, die ohne weiteren stofflichen Nutzen deponiert wurde (Abbildung 3).