Stand und Perspektiven der Phosphorrückgewinnung aus Abwasser und Klärschlamm

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1 Sonderdruck aus KA Korrespondenz Abwasser, Abfall 60. Jahrgang, Heft 10 und 11/ Stand und Perspektiven der Phosphorrückgewinnung aus Abwasser und Klärschlamm Zweiter Arbeitsbericht der DWA-Arbeitsgruppe KEK-1.1 Wertstoffrückgewinnung aus Abwasser und Klärschlamm *) Zusammenfassung In Deutschland wird seit Jahren im Bereich der Phosphorrückgewinnung intensiv geforscht, und innerhalb zahlreicher Forschungs- und Entwicklungsvorhaben wurden inzwischen einige technische Anlagen zur gezielten Phosphorrückgewinnung errichtet und betrieben. Es fehlen jedoch vielfach noch belastbare und übertragbare Erkenntnisse aus dem kontinuierlichen halboder großtechnischen Betrieb. Die DWA-Arbeitsgruppe KEK-1.1 stellt in ihrem zweiten Arbeitsbericht den aktuellen Stand von Forschung und Entwicklung der Phosphorrückgewinnung aus Stoffströmen der Abwasserreinigung zusammen und schließt den Bericht mit Empfehlungen ab. Mit organisatorischen, finanziellen und ordnungspolitischen Maßnahmen soll die weitere Entwicklung und der großtechnische Einsatz von Verfahren zur Phosphorrückgewinnung gezielt vorangetrieben werden. Schlagwörter: Klärschlamm, Phosphorrückgewinnung, Recycling, Verfahren, Klärschlamm, Abwasser, Wirtschaftlichkeit, Düngewirksamkeit, Pflanzenverfügbarkeit, Schadstoffgehalte, Empfehlungen DOI: /kae Abstract Current Status and Prospects for Phosphorus Recovery from Wastewater and Sewage Sludge Second Report of DWA Working Group KEK-1.1 Recovery of Recyclables from Wastewater and Sewage Sludge For many years now, intensive research activities have taken place in Germany in the field of phosphorus recovery and within the framework of numerous research and development projects, some technical plants for targeted phosphorus recovery were built and operated. But we still lack robust and transferable insights from the continuous operation of semi-scale or large-scale plants. In its second report, DWA working group KEK-1.1 describes the current state of research and development in the field of phosphorus recovery from the flows of materials and component substances in wastewater treatment plants and makes a number of recommendations. With organisational, financial and regulatory measures, the further development and largescale use of phosphorus recovery methods should be facilitated. Key words: sewage sludge, phosphorus recovery, recycling, process, sewage sludge, wastewater, profitability, fertilising efficiency, plant availability, pollutant content, recommendations 1 Einleitung Phosphor ist das elfthäufigste Element der Erdkruste und als Hauptbaustoff des Lebens für alle Organismen essentiell und nicht substituierbar. In der Natur liegt Phosphor üblicherweise in der oxidierten Form als Phosphat vor. Phosphor ist als Schlüsselelement zum Beispiel in Zellwänden, der DNA, dem Adenosintriphosphat (ATP) und in der Knochenmasse von Wirbeltieren enthalten. Eine ausreichende Versorgung mit Phosphat ist Voraussetzung für das Wachstum von Pflanzen, und in *) Bearbeiter: Prof. Dr.-Ing. Johannes Pinnekamp (Aachen; Sprecher), Dr.- Ing. Peter Baumann (Pforzheim), Prof. Dr.-Ing. Peter Cornel (Darmstadt), Dipl.-Ing. Wibke Everding (Aachen), Dipl.-Ing. Ute Göttlicher-Schmidle (Wiesbaden), Dr.-Ing. Bernd Heinzmann (Berlin), Prof. Dr.-Ing. Norbert Jardin (Essen), Prof. Dr.-Ing. Jörg Londong (Weimar), Dipl.-Ing. Carsten Meyer (Stuttgart), Prof. Dr. Mario Mocker (Sulzbach-Rosenberg), Dr.-Ing. David Montag (Aachen), Prof. Dr.-Ing. Johannes Müller-Schaper (Hannover), Dr.-Ing. Sebastian Petzet (Ludwigshafen), Dr.-Ing. Christian Schaum (Darmstadt). Kontakt in der DWA-Bundesgeschäftsstelle: Dipl.-Ing. Reinhard Reifenstuhl, reifenstuhl@dwa.de ungedüngten Böden ist Phosphat häufig der den Ertrag limitierende Faktor. Zur Nutzung des enthaltenen Phosphors als Nährstoff erfolgt ein Teil der Klärschlammentsorgung seit jeher über die Ausbringung in der Landwirtschaft. Trotz bestehender Reglementierungen hinsichtlich organischer und anorganischer Schadstoffe über das Abfall- und Düngerecht ebbt die Diskussion um die Zukunft der landwirtschaftlichen Klärschlammverwertung nicht ab bzw. wird durch das Auffinden potenzieller Schadstoffe aufgrund stark verbesserter Analysentechnik und dem daraus abgeleiteten Vorsorgegedanken weiter angeregt. Der Anteil der thermischen Verwertung von Klärschlämmen hat in Deutschland deshalb von 1991 bis 2011 von 10 % auf 55 % zugenommen [1, 2]. In diesem Arbeitsbericht wird der aktuelle Stand von Forschung und Entwicklung der Phosphorrückgewinnung aus Abwasser und Klärschlamm zusammengestellt, da seit dem im Jahr 2003 erstellten ersten Bericht der Arbeitsgruppe vor al-

2 2 Sonderdruck aus KA Korrespondenz Abwasser, Abfall 60. Jahrgang, Heft 10 und 11/2013 lem nach Abschluss der BMBF-Förderinitiative Kreislaufwirtschaft für Pflanzennährstoffe, insbesondere Phosphor nennenswerte Entwicklungen stattgefunden haben. 2 Kreislauf, Gewinnung, Verwendung und Reichweite von Phosphor 2.1 Phosphorkreislauf Phosphat wird bei der Bodenbildung natürlicherweise aus Apatit freigesetzt und von Pflanzen aufgenommen. Es gelangt damit in die Nahrungskette und wird über abgestorbene Biomasse bzw. Ausscheidungen wieder in den Boden zurückgeführt [3]. In natürlichen aquatischen und terrestrischen Ökosystemen ist Phosphat häufig der limitierende Faktor der Primärproduktion [4]. Langfristig gelangt Phosphat in gelöster oder fester Form über Flüsse in die Weltmeere und Seen, wo es gegebenenfalls nach einer Einbindung in die aquatischen biologischen Kreisläufe in Sedimenten festgelegt wird. Diese Sedimente können im Verlauf geologischer Zeiträume wieder an die Erdoberfläche gelangen. Damit wird der biogeochemische Stoffkreislauf geschlossen, der im Gegensatz zu den Elementen Kohlenstoff, Stickstoff oder Schwefel keine nennenswerte atmosphärische Komponente enthält [5]. 2.2 Gewinnung von Phosphor Im Jahr 2012 wurden weltweit Mg Rohphosphatkonzentrat hergestellt ( Mg P). Die wichtigsten vier Abbauländer sind China (42 %), USA (14 %), Marokko (13 %) sowie Russland (5 %) [6, 7]. Rohphosphat wird zu 85 % aus sedimentären (hauptsächlich in Nordafrika, China, Mittlerer Os ten und USA) und zu 15 % aus magmatischen Phosphorlagerstätten (zum Beispiel in Russland, Finnland, Kanada, Brasilien und Südafrika) gewonnen, die endlich und nicht erneuerbar sind. Die abgebauten Phosphaterze weisen je nach Lagerstätte Phosphorgehalte von 10 bis 30 % P 2 O 5 (1 kg P 2 O 5 entspricht 0,437 kg P) auf und werden zunächst auf etwa 30 % P 2 O 5 aufkonzentriert (Benifikation). Das Konzentrat wird größtenteils durch einen Aufschluss mit Schwefelsäure zu Phosphorsäure weiterverarbeitet, die Ausgangsprodukt für die Herstellung von Düngemitteln und von industriellen Produkten ist. Ein Teil des Rohphosphats wird mit Phosphorsäure zu Tripelsuperphosphat oder mit Schwefelsäure zu Superphosphat aufgeschlossen. Ein weiterer Anteil wird ohne Aufschluss direkt als Dünger verwendet. Rohphosphat wird auch für die elektrothermische Herstellung von elementarem Phosphor beispielsweise für die Produktion hochreiner Phosphorsäure eingesetzt [8, 9]. Rohphosphate aus sedimentären Lagerstätten weisen zum Teil hohe Gehalte an Cadmium und Uran, aber auch an anderen (Schwer-)Metallen auf, die in die Phosphorsäure und damit in die Düngemittel gelangen. Weiterhin fallen je Mg Phosphorsäure ca. 5 Mg Phosphorgips an, der je nach Urangehalt der Rohphosphate durch die Zerfallsprodukte der Uran-Reihe (Ra, Pb, Po) schwach radioaktiv belastet ist. Seine Verwendbarkeit (zum Beispiel als Bodenverbesserer, Baumaterial) ist somit einschränkt. Weltweit wurden bereits 5,6 7, Mg an Phosphorgips produziert, und jährlich kommen Mg hinzu [10]. 2.3 Landwirtschaftliche Verwendung von Phosphor und anthropogen veränderte Phosphorströme Ohne die Zufuhr von Phosphatdünger zum Ausgleich der Ernteentnahmen und zur Erhöhung der Phosphatkonzentration in der Bodenlösung ist eine hohe landwirtschaftliche Produktivität wie sie aufgrund der steigenden Weltbevölkerung und weltweit begrenzten Anbauflächen erforderlich ist nicht möglich [11]. Phosphatdünger stellt somit eine nicht substituierbare Grundlage der globalen Lebensmittelproduktion dar. Während vor 150 Jahren etwa eine Milliarde Menschen ohne zusätzliche Phosphatdüngung ernährt wurden, ist die heutige Weltbevölkerung von rund sieben Milliarden Menschen auf Phosphatdünger angewiesen, der aus nicht erneuerbaren und endlichen Lagerstätten gewonnen wird. Eine Verknappung oder Verteuerung von Phosphatdünger hätte gravierende Konsequenzen für die weltweite Lebensmittelversorgung [12]. Der weltweite Verbrauch von Rohphosphat hat sich in den letzten Jahrzehnten vervielfacht und wird bis 2017 um 2,5 % pro Jahr ansteigen [13], was insbesondere auf den steigenden Bedarf in Asien zurückzuführen ist. Neben dem Bevölkerungswachstum spielen hierbei auch der steigende Konsum von Fleisch und Milchprodukten sowie die Ausweitung der Energiegewinnung aus Biomasse eine wichtige Rolle. Hinsichtlich der Nutzung von mineralischem Phosphatdünger gibt es erhebliche nationale und regionale Unterschiede. In Asien ist der Pro-Kopf-Verbrauch an Phosphatdünger sehr hoch, und auf den landwirtschaftlichen Flächen entstehen Phosphatüberschüsse, die sich in den Böden anreichern. In Deutschland ist der Verbrauch an mineralischem Phosphatdünger in den letzten Jahrzehnten dagegen deutlich gesunken, da die Böden wegen der in den 1960er- bis 1980er-Jahren erfolgten Phosphatdüngung weitgehend einen guten Phosphatstatus haben, der eine hohe Produktivität bei Erhaltungsdüngung erlaubt. In den Subsahara-Regionen Afrikas wird dagegen wenig bis kein Phosphatdünger eingesetzt, was die Lebensmittelproduktion behindert und zur Degradation der Böden führt [12, 14 16]. Neben der in Deutschland bedeutendsten Verwendung als Düngemittel (63 %) sowie Futtermittel (20 %) wird Phosphor auch in der Lebensmittelindustrie eingesetzt (6 %). In Wasch-, Pflege- und Reinigungsmitteln werden 6 % verwendet, die übrigen 5 % finden Anwendung in der Trinkwasserversorgung und als Flammschutzmittel [17]. Weitere Einsatzgebiete für Phosphorprodukte sind beispielsweise Pestizide (Organophosphate), energiesparende Leuchtröhren, LEDs, Lithiumbatterien und industrielle Anwendungen (Phosphatierung von Stählen, Herstellung von Flüssigkeitskristallbildschirmen und Ätzen von Leiterplatten) [12]. 2.4 Phosphatreserven und ihr Erschöpfungszeitpunkt Phosphatlagerstätten sind endlich und nicht erneuerbar. Als nicht substituierbare Grundlage der Nahrungsmittelproduktion müssen sie im Sinne des Nachhaltigkeitsprinzips allen zukünftigen Generationen zur Verfügung stehen. Aufgrund der enormen Bedeutung von Phosphat als Grundlage der Welternährung und der vollständigen Importabhängigkeit Deutschlands und vieler anderer Länder wird eine mögliche Verknappung der Phosphatreserven wegen der damit verbundenen gravierenden Konsequenzen mittlerweile auch außerhalb der Fachwelt diskutiert. Weiterhin besteht die

3 Sonderdruck aus KA Korrespondenz Abwasser, Abfall 60. Jahrgang, Heft 10 und 11/ Befürchtung, dass sich Phosphatdünger durch abnehmende Qualität der Rohphosphate (hohe Schwermetallgehalte, erhöhte Urangehalte, niedriger Phosphatgehalt) oder eine erschwerte Zugänglichkeit zukünftig verteuern werden. Aus diesen Gründen wird eine Phosphorrückgewinnung auch in politischen Gremien beraten [17 19]. Die Größe der weltweit nachgewiesenen Phosphatreserven wird derzeit mit Mg Phosphaterz angeben, wovon 75 % in Marokko und der Westsahara liegen [6]. Die Reserve ist der Teil der Ressource, deren Abbau bei heutigen Marktpreisen und verfügbarer Technologie wirtschaftlich möglich ist. Die statische Reichweite der Reserven, das heißt das Verhältnis von weltweit bekannten Reserven zu aktuellem Verbrauch, beträgt derzeit knapp über 300 Jahre. Die Reserve kann sich jedoch durch Preiserhöhungen, technischen Fortschritt und die Erkundung/Entdeckung neuer Lagerstätten vergrößern [20]. Darüber hinaus gibt es noch enorme unterseeische Phosphatressourcen an den Kontinentalschelfen und an unterseeischen Gebieten im Atlantik und Pazifik, die zurzeit noch nicht wirtschaftlich abgebaut werden können. Die Phosphatressourcen werden mit Mg Phosphaterz angegeben [6]. Die derzeitige Nutzung von Phosphat ist unabhängig von der spekulativen Reichweite der Ressourcen nicht nachhaltig, da der übermäßige Einsatz von Phosphat auch zu erheblichen Gewässerbelastungen führt. Daraus folgt zwingend, dass der anthropogene Einfluss auf den biogeochemischen globalen Phosphatkreislauf auf ein Minimum zu reduzieren ist und die vorhandenen Ressourcen zu schonen sind. Neben dem Recycling von Phosphat aus Abwasser und Abfällen sind auch eine effiziente Rohphosphatgewinnung, Düngemittelproduktion und -nutzung zu fordern [12]. Die in Deutschland anfallenden Klärschlämme enthalten ca Mg P/a, was bezogen auf den Durchschnitt der fünf Wirtschaftsjahre von 2005 bis 2010 ca. 48 % der Importe von mineralischem Phosphatdünger nach Deutschland entspricht (weitere Importe erfolgen über Futter- und Lebensmittel) [16]. Sie sind damit eine bedeutende Sekundärphosphatquelle und wichtiger Ansatzpunkt für Phosphorrecyclingverfahren. 3 Rechtliche Rahmenbedingungen Nach dem Kreislaufwirtschaftsgesetz (KrWG) [21] ist eine grundsätzliche Stufenfolge, ausgehend von der Abfallvermeidung über die Wiederverwendung, das Recycling, eine sonstige, zum Beispiel energetische Verwertung, bis zur Beseitigung von Abfällen festgelegt. Aus den Bestimmungen dieser Abfallhierarchie in 6 KrWG und zur Rangfolge und Hochwertigkeit der Verwertung in 8 KrWG ist ein Vorrang der Phosphornutzung aus Abfällen ableitbar. Auf Bundesebene ist eine Novelle der Klärschlammverordnung, welche die landwirtschaftliche Verwertung regelt, in Vorbereitung. Auf Seiten des Bundesgesetzgebers bestehen zudem Überlegungen, eine Phosphorrecyclingverordnung zu erlassen. Diese zielt auf Regelungen zum Ressourcenschutz (Nährstoffe) bei einer thermischen Klärschlammentsorgung. Eine Novellierung der Deponieverordnung hat Voraussetzungen geschaffen, dass nach 23 bei Ablagerung von unvermischten Klärschlammaschen aus der Monoverbrennung mit dem Zweck der späteren Phosphorrückgewinnung die Nachweispflicht einer nachfolgenden ordnungsgemäßen und schadlosen Verwertung nicht mehr erbracht werden muss. Diese Ausnahme ist auf fünf Jahre befristet, mit einer Verlängerung bis maximal 30. Juni 2023 [22]. Klärschlamm kann nach den Bestimmungen des Düngerechts entweder als Ausgangsstoff zur Herstellung von Düngemitteln eingesetzt werden oder unter Beachtung der Vorgaben der Klärschlammverordnung zur direkten landwirtschaftlichen Verwertung als Düngemittel verwendet werden. Bei einer landwirtschaftlichen Verwertung ist auch die Düngeverordnung mit den Vorgaben zu den Grundsätzen der guten fachlichen Praxis ergänzend anzuwenden. Die Düngemittelverordnung [23] regelt die Zulassung, das Inverkehrbringen und die Kennzeichnung von Düngemitteln. Eine Zulassung ist immer dann erforderlich, wenn das Düngemittel noch nicht Bestandteil der in der Verordnung aufgelisteten Düngemittel ist. Bei der Weiterentwicklung von Verfahren der Phosphorrückgewinnung ist davon auszugehen, dass die dann anfallenden Sekundärphosphate zunächst ein Zulassungsverfahren im Sinne des Düngemittelrechts zu durchlaufen haben. In Verbindung mit der Klärschlammverordnung regelt die Düngemittelverordnung zulässige Schadstoffgehalte bei der landwirtschaftlichen Klärschlammverwertung (vgl. [24]). Klärschlamm, Klärschlammasche und daraus gewonnene Düngemittel, die landwirtschaftlich verwertet werden, verlieren ihre Abfalleigenschaft erst mit der Einarbeitung in den Boden. 4 Aktueller Stand der Phosphorrückgewinnung 4.1 Stoffströme und Randbedingungen In Deutschland werden bereits mehrere groß- und halbtechnische Anlagen zur Phosphorrückgewinnung betrieben und erprobt. Die mögliche Ausgestaltung des Verfahrens ist abhängig von der Art de r Phosphorelimination in der Kläranlage, respektive der Bindungsform des Phosphors im Klärschlamm. Bei den Prozessen der kommunalen Abwasser- und Klärschlammbehandlung besteht an mehreren Stellen die Möglichkeit, Anlagen zur Phosphorrückgewinnung zu integrieren bzw. konsekutiv einzusetzen. Es stehen dabei grundsätzlich vier Stoffströme zur Verfügung (Abbildung 1): 1. Kläranlagenablauf, 2. Schlammwasser, 3. Faulschlamm, 4. Klärschlammasche. Die Stoffströme unterscheiden sich hinsichtlich verschiedener Kriterien, die für die Art, die Effiz ienz und die Wirtschaftlichkeit der Rückgewinnungsverfahren von entsche idender Bedeutung sind [25]: Durchsatzmenge bzw. Volumenstrom, Phosphorkonzentration, Bindungsform des Phosphors, Rückgewinnungspotenzial. Diese Kriterien werden im Folgenden für die Stoffströme 2 bis 4 genauer betrachtet. Die Rückgewinnungspotenziale können je nach eingesetzter Verfahrenstechnik auf der Kläranlage so-

4 4 Sonderdruck aus KA Korrespondenz Abwasser, Abfall 60. Jahrgang, Heft 10 und 11/2013 Anteil zum Beispiel durch gezielte technische Maßnahmen der Phosphatrücklösung bzw. -freisetzung (Desintegration). Verfahren zur Phosphorrückgewinnung aus dem Schlammwasser sind häufig vergleichsweise leicht integrier- und umsetzbar. Das Rückgewinnungspotenzial hingegen ist geringer als bei den Stoffströmen Faulschlamm und Klärschlammasche. Stoffstrom Faulschlamm Abb. 1: Stoffströme zur Phosphorrückgewinnung in kommunalen Kläranlagen wie abhängig von lokalen Randbedingungen, allen voran der Zusammensetzung des Abwassers, stark von den angegebenen Werten abweichen. Auf eine Diskussion der Einsatzstelle Kläranlagenablauf wird verzichtet, da die dort vorherrschenden Randbedingungen für eine gezielte Phosphorrückgewinnung (hoher Volumenstrom und geringe Phosphorkonzentration) mittels derzeit verfügbarer Kristallisations- und Fällungsverfahren unwirtschaftlich sind. Hier könnten zukünftig beispielsweise Adsorptionsverfahren zum Einsatz kommen [26]. Stoffstrom Schlammwasser Je Einwohnerwert und Tag fallen zwischen 1 und 10 Liter Schlammwasser an. Damit ist ein deutlich kleinerer Volumenstrom zu behandeln als bei der Einsatzstelle Kläranlagenablauf. Der Phosphor liegt als Orthophosphat vor, die Konzentrationen schwanken üblicherweise zwischen ca. 20 und 100 mg P/l und können bei Bio-P-Anlagen sogar noch höher liegen. Das Rückgewinnungspotenzial für Fällungs- oder Kristallisationsprozesse beträgt beim Schlammwasser bis zu 50 % der Phosphor-Zulauffracht zur Kläranlage. Anzumerken ist jedoch, dass für diesen Stoffstrom das Rückgewinnungspoten zial am schwierigsten abzuschätzen ist, da die Schlammwasserbelastung von zahlreichen Prozessabläufen in der Kläranlage abhängt. Leicht verfügbar für eine Rücklösung aus dem Schlamm ist der Anteil des Phosphors, der im Belebungsbecken über eine vermehrte biologische Phosphorelimination als Polyphosphat aus dem Abwasser entfernt wurde (bis ca. 30 %). Um maximal weitere 20 % erhöht werden kann der rückgewinnbare Im Faulschlamm liegt Phosphor mit einer Konzentration von ca. 30 g P/kg TR bis 40 g P/kg TR biologisch und/oder chemisch gebunden vor. Dies bedeutet, dass der Phosphor vor einer Rückgewinnung gezielt der Schlammmatrix entzogen werden muss. Je nach Bindungsform des Phosphors kommen hier unterschiedliche Methoden in Frage. Im Weiteren gilt es, die Phosphatverbindungen als schadstoffarmes, verwertbares Produkt (Recyclat) zu isolieren. Der zu behandelnde Volumenstrom des Faulschlamms ist, in Abhängigkeit von den Verfahrens- und Betriebsbedingungen des Abwasserreinigungsprozesses, mit 0,2 l/(e d) (entwässerter Faulschlamm) bis 0,8 l/(e d) (eingedickter Faulschlamm) [27] in der Regel deutlich kleiner als bei der Behandlung des Schlammwassers. Als Potenzial für eine Rückgewinnung steht sämtlicher in der Kläranlage eliminierter Phosphor zur Verfügung. Damit beträgt das Rückgewinnungspotenzial 90 % der Zulauffracht zur Kläranlage. Stoffstrom Klärschlammasche Durch den Verbrennungsprozess werden im Klärschlamm enthaltene Keime, geruchsverursachende Stoffe und organische Schadstoffe weitestgehend zerstört und sind in den Klärschlammaschen nicht nachweisbar. Phosphor verbleibt vollständig in chemisch gebundener Form in der Asche. Der mittlere Phosphorgehalt liegt bei 7,2 % P mit einer Spanne von 3,7 10,1 % P, wobei der niedrige Wert auf die Mitverbrennung von phosphatarmen Industrieschlämmen zurückzuführen ist [28], vgl. [29]. Weitere Analysen zeigen im Vergleich zu Rohphosphat (bis 200 mg U/kg) deutlich geringere Urankonzentrationen von im Mittel 4 mg/kg [28, 30]. Basierend auf einem spezifischen Faulschlammanfall von ca. 55 g TR/(E d) resultiert bei einem Glühverlust von ca. 55 % ein spezifischer Ascheanfall von 25 g Asche/(E d). Das Potenzial der Phosphorrückgewinnung aus Klärschlammasche be- Einsatzstelle Volumen/ Massenstrom Bindungsform Phosphorkonzentration Rückgewinnungspotenzial (bezogen auf Zulauffracht der Kläranlage) 1. Kläranlagenablauf 200 l/(e d) 5 mg/l gelöst max. 55 % 1) 2. Schlammwasser 1 10 l/(e d) mg/l gelöst max. 50 % 2) 3. Faulschlamm 0,2 0,8 l/(e d) g P/kg TR gelöst sowie biologisch/chemisch gebunden max. 90 % 4. Klärschlammasche 0,03 kg/(e d) g/kg chemisch gebunden max. 90 % 1) sofern keine gezielte P-Elimination stattfindet 2) bei biologischer Phosphorelimination und Klärschlammdesintegration T abelle 1: Charakterisierung der Stoffströme zur Phosphorrückgewinnung in kommunalen Kläranlagen

5 Sonderdruck aus KA Korrespondenz Abwasser, Abfall 60. Jahrgang, Heft 10 und 11/ trägt ca. 90 % der Zulauffracht. Aufgrund der vollständigen Entwässerung und des weitgehenden Verlustes an organischer Substanz ist die Verbrennungsasche gut transportier- und lagerbar. Von entscheidender Bedeutung für eine Phosphorrückgewinnung aus Klärschlammasche ist, dass nur ca. 23 % (2010) des in Deutschland anfallenden Klärschlamms in Klärschlamm- Monoverbrennungsanlagen entsorgt werden [31]. Wird der Klärschlamm im Rahmen einer Mitverbrennung entsorgt, ist der Phosphorgehalt in den jeweiligen Verbrennungsrückständen im Regelfall so niedrig bzw. im Produkt (Zement) eingebunden, dass eine Rückgewinnung nicht sinnvoll ist. Eine Zusammen- und Gegenüberstellung der oben erörterten Kriterien ist in Tabelle 1 vorgenommen. Bei allen vier Stoffströmen ist zu beachten, dass das angegebene Rückgewinnungspotenzial noch nicht den Wirkungsgrad des eingesetzten Verfahrens zur Rückgewinnung des Phosphors einschließt. Angegeben wird lediglich der prozentuale Anteil des Phosphors aus dem Kläranlagenzulauf, der in dem jeweiligen Stoffstrom vorliegt. 4.2 Verfahren zur Phosphorrückgewinnung Phosphorrückgewinnungsverfahren sind Techniken, mit denen Phosphor aus Sekundärrohstoffen rückgewonnen werden kann. Ziel ist es, eine Verwertung direkt in der Landwirtschaft als Dünger, in der Düngemittelindustrie oder in der Phosphorindustrie zu ermöglichen. Ein Phosphorrückgewinnungsverfahren im Sinne dieses Arbeitsberichts zeichnet sich dadurch aus, dass mit diesem Verfahren eine gezielte Schadstoffentfrachtung bzw. Wertstoff-Schadstoff-Trennung vollzogen wird. Dies bedeutet, dass die direkte landwirtschaftliche Klärschlammverwertung bzw. die Verwendung von (aufgeschlossener) Klärschlammasche als Düngemittel nicht als Verfahren zur Phosphorrückgewinnung gewertet werden. Zu beachten ist, dass die Prozesse der Abwasserreinigung, Klärschlammbehandlung und Phosphorrückgewinnung stets im Verbund zu betrachten sind, da sie einander gegenseitig beeinflussen. Der Entwicklungsstand bzw. die Anwendungsreife der Verfahren sind sehr unterschiedlich. Eine Systematisierung der Verfahren und Beschreibung der Charakteristika ist Tabelle 2 zu entnehmen. Bei weiteren, an dieser Stelle aufgrund ihrer derzeit noch geringeren Relevanz nicht genannten, Verfahren werden beispielsweise Ionentauscher, Magnetseparation, Bio-Leaching oder Elektrokinese eingesetzt. 4.3 Qualität von Sekundärphosphaten Nähr- und Schadstoffgehalte In aktuellen Untersuchungen wurden Sekundärphosphate im Vergleich zu Referenzdüngern betrachtet. Anhand der Phosphatgehalte in analytisch untersuchten Sekundärphosphaten konnte gezeigt werden, dass mittels Phosphorrückgewinnungsverfahren eine zum Teil deutliche Aufkonzentrierung des Phosphatgehalts im Vergleich zum Ausgangsstoffstrom (Schlammwasser, Klärschlamm und Klärschlammasche) erzielt werden kann [32]. Die produzierten Sekundärphosphate liegen hauptsächlich als sekundäre oder tertiäre Calcium- Konzentration [mg/kg] 1.000,00 100,00 10,00 1,00 0,10 0,01 Grenzwert (DüMV) Kennzeichnung (DüMV) Max Min Median n = 15 n = 10 n = 18 n = 18 n = 18 n = 17 n = 17 As Cd Cd/P 2O 5 Abb. 2: Schadstoffgehalte von Sekundärphosphaten im Vergl eich zu den Grenzwerten der Düngemittelverordnung 2012 Phosphate (CaP), Magnesiumphosphate (MgP) oder Magnesiumammoniumphosphate (MAP) vor und weisen Phosphorgehalte zwischen ca. 50 und 170 g P/kg auf. Die als Referenzdünger verwendeten Roh- (RP) und Tripelsuperphosphate (TSP) haben einen Phosphorgehalt von ca. 180 g P/kg [32]. Die getesteten 18 Sekundärphosphate (Abbildung 2) wurden bis auf Ausnahmen hinsichtlich der in der Düngemittelverordnung 2008 (Anlage 2, Tabelle 1.4) [33] festgelegten Elemente untersucht und anhand dieser bewertet. Nicht untersucht wurden Quecksilber, Thallium und die perfluorierten Tenside. Auffällig ist, dass die Schwermetallgehalte in den einzelnen Sekundärphosphaten sehr unterschiedlich waren, was auf die verschiedenen Ausgangsstoffströme und Phosphorrückgewinnungsverfahren zurückzuführen ist. Die Schwermetallgehalte in den Sekundärphosphaten konnten bis auf zwei verfahrensbedingte Ausnahmen im Vergleich zum Ausgangsprodukt deutlich reduziert werden. Grenzwertüberschreitungen traten nur bei einem Recyclat für den Parameter Nickel auf; kennzeichnungspflichtig waren zwei Sekundärphosphate hinsichtlich Arsen und Nickel. Alle weiteren untersuchten Sekundärphosphate unterschritten die geforderten Grenzwerte und die Werte der Kennzeichnungspflicht zum Teil deutlich und waren im Vergleich mit den untersuchten handelsüblichen Düngemitteln besser bzw. gleichwertig [32, 34 37]. Mehrere Untersuchungen von Düngemitteln (P 2 O 5 - Gehalt 5 %) in Deutschland ergaben, dass der Cadmiumgehalt im Mittel bei 12 mg/kg (Spannweite: 0,11-34,8 mg/kg) und der Urangehalt im Mittel bei ca. 61 mg/kg (0, mg/kg) lag [38]. In einer Untersuchung des Umweltbundesamts wurden in Deutschland abhängig vom Düngertyp in Düngemitteln Urangehalte zwischen 9,9 und 106 mg/kg nachgewiesen [39]. Demgegenüber wiesen untersuchte Sekundärphosphate (MAP) aus Schlammwasser Urangehalte unter der Bestimmungsgrenze von 1 mg/kg TS auf [34]. Die Untersuchung der organischen Kontaminanten zeigte ebenfalls keine Auffälligkeiten [32, 34] Düngewirksamkeit Cr Die gewonnenen Sekundärphosphate sollen unter anderem zur Substitution von Rohphosphaten als Dünger oder in der Düngemittelindustrie eingesetzt werden. Ein Hauptkriterium für den Einsatz in der Landwirtschaft ist die Pflanzenverfüg- Cu Ni Pb n = 18 Zn

6 6 Sonderdruck aus KA Korrespondenz Abwasser, Abfall 60. Jahrgang, Heft 10 und 11/2013 Medium Abwasser/Prozesswasser Faulschlamm Verfahren Kristallisations- und Fällungsverfahren Adsorption/Fällung Nasschemischer Aufschluss Einsatzstelle auf Kläranlage Prozesswasserbehandlung nach Klärschlammentwässerung nach/während Faulung i. d. R. nach Faulung (Nassschlamm) Verfahrenstechnik Wesentliche Verfahrensschritte ggf. ph-wert-einstellung (NaOH), Zugabe von Mg-Salzen bzw. Kristallisationskeimen (z.b. Sand, CSH) in den Kristallisations-/ Fällungsreaktor, Recylat-Abtrennung a) ph-wert-einstellung nach Faulung durch Belüftung und/ oder Chemikalienzugabe, Ausfällung von MAP im Faulschlamm, Recyclat-Abtrennung b) Zugabe von CSH in die Faulung, Abtrennung von beladenem CSH Säureaufschluss des Faulschlammes, Fest-/Flüssigtrennung, Filtratbehandlung: Metallkomplexierung, ph-wert-einstellung, Zugabe von Mg-Salzen, Fällung des Recyclats, Recyclat-Abtrennung Recyclat und Aufbereitung Besonderheiten/ Interaktionen mit Kläranlage Art Aufbereitung (nach Erfordernis) Phosphatelimination im Teilstrom, Verminderung von Inkrustationen z.b. in Leitungen MAP, Magnesiumphosphat, Calciumphosphat Trocknung, ggf. Pelletierung Verminderung von Inkrustationen z.b. in Leitungen MAP, Magnesiumphosphat, Calciumphosphat a) Trocknung, Pelletierung b) Trocknung Rückführung eines metall- und komplexbildnerhaltigen Stoffstroms zur Behandlung, Fällmittelrecycling MAP, Magnesiumphosphat, Calciumphosphat Trocknung; optional Reinigung und Pelletierung Reststoffströme keine keine Klärschlamm mit veränderter Beschaffenheit (u. U. schwefelhaltig, sauer, verminderter Metall- und Nährstoffgehalt) Technischer Stand Großtechnik a) Großtechnik Großtechnik des Verfahrens b) Großtechnik Technologiebeispiele Weitere ähnliche Verfahren P-Roc (Neuburg) DHV-Crystalactor (Geestmerambacht, NL) Ostara Pearl Process (z.b. Edmonton, CDN) Unitika, Nishihara, Kurita, Ebara, NuReBas, NuReSys, Fließbettreaktor Treviso, CSIR Wirbelschichtreaktor, REPHOS, Peco a) AirPrex, Berliner-Verfahren (Mönchengladbach-Neuwerk, Berlin-Waßmannsdorf) b) FixPhos (Hildesheim) PRISA Tabelle 2: Systemat isierung und Beschreibung wichtiger Charakteristika von Phosphorrückgewinnungsverfahren Gifhorner Verfahren (modif. Seaborne-Verfahren, Gifhorn) Stuttgarter Verfahren (Offenburg) LOPROX mit NF, KREPRO, CAMBI (mit MAP) barkeit und Düngewirkung der Sekundärphosphate. Versuche zur Düngewirksamkeit von Sekundärphosphaten wurden an verschiedenen Institutionen durchgeführt (u. a. [32, 40 42]). Es konnte nachgewiesen werden, dass die Sekundärphosphate mit handelsüblichen Phosphatdüngern in der Ertragswirkung vergleichbar sind. Zum Teil variieren die Ertragswirkungen der unterschiedlichen Sekundärphosphate jedoch untereinander stark in Abhängigkeit des Bodentyps (Lehm, Sand) sowie in der Erst- und Nachfrucht. Die Erstfruchterträge lagen unterhalb der mit TSP gedüngten Variante, in der Nachfrucht konnten jedoch zum Teil erhebliche Mehrerträge erzielt werden, was auf eine Langzeitwirkung der Düngemittel hinweist. Besonders auf Lehmboden konnte mit magnesiumhaltigen Sekundärphosphaten eine sehr gute Ertragswirkung erreicht werden [32]. Weitere Gefäßversuche zur P-Düngewirkung zeigten klare Unterschiede der getesteten Sekundärphosphate. Es konnte nachgewiesen werden, dass sich MAP wie Tripelsuperphosphat verhält, die getesteten Calciumphosphate nur auf sauren Böden verfügbar sind, die Löslichkeit der thermisch gewonnen Sekundärphosphate (behandelte Klärschlamm- und Tiermehlasche) sowie der Eisenphosphate schlechter als die des MAP sind [43, 44]. Im Gegensatz zu den Ergebnissen von [32] konnte nicht bestätigt werden, dass bei einer geringen Verfügbarkeit im ersten Jahr die Verfügbarkeit im Folgejahr erhöht ist [43]. Aufgrund des geringen Stickstoffanteils im MAP sind MAP-Düngemittel nicht als Volldünger anwendbar, sondern können als P-basierter Mehrnährstoffdünger zur Grunddüngung eingesetzt werden [45]. Grundsätzlich wurde festgestellt, dass Sekundärphosphate mit handelsüblichen Phosphat-Düngemitteln bei insgesamt

7 Sonderdruck aus KA Korrespondenz Abwasser, Abfall 60. Jahrgang, Heft 10 und 11/ Klärschlamm/Asche Asche Metallurgie Nasschemischer Aufschluss Thermochemischer Aufschluss nach Trocknung/nach Klärschammmonoverbrennung Trocknung, Brikettierung des Klärschlamms, Zugabe von Koks, Einblasen von Sauerstoff, Schmelzvergasung bei T C, Abtrennung von Phosphor über die Schlacke Brüdenkondensat; Erzeugung von Synthesegas (Schwachgas) zur Energiegewinnung, Quenchabwasser nach Klärschammmonoverbrennung Säure- oder Lauge-Aufschluss, Fest-/ Flüssigtrennung, Filtratbehandlung: Metallabtrennung (Fällung, Flüssig-flüssig Extraktion); Zugabe von Ca-/Mg-Salzen, Fällung des Recyclats, Recyclat-Abtrennung Behandlung von Restwässern (Neutralisation) a) Zugabe von Ca- bzw. Mg-Chloriden, T > C im Drehrohrofen, Überführung der Phosphate (Ca- bzw. Mg-Phosphate), Überführung der Metalle als Metallchloride in die Gasphase und Abtrennung über Rauchgasreinigung b) Zugabe von Koks in einen Reaktor, Reduzierung der Phosphate bei T > C, Abtrennung Phosphor über Gasphase als weißen Phosphor. a) Materialbeständigkeit für Rauchgasreinigung (hohe Cl-Konzentration) b) Synthesegas zur Energiegewinnung Thomasphosphat Calciumphosphat; Magnesiumphosphat a) Magnesiumphosphat, Calciumphosphat b) weißer Phosphor Auskühlen, mech. Aufbereitung Trocknung, Pelletierung a) Pelletierung b) Weiterverarbeitung des Produkts Eisenabstich, Brüdenkondensate, Reststoffe Abgasreinigung, Quenchabwasser ausgefällte Schwermetalle; gelaugte Asche, Abwasser a) aus der Rauchgasreinigung b) Eisenlegierung, Schlacke Technikum a) Großtechnik/ b) Technikum/ c)labor a) Technikum/Labor b) Technikum/Großtechnik Mephrec a) LEACH-Phos (Bern, CH) a) AshDec ATZ-Eisenbadreaktor b) PASCH b) RecoPhos; Thermphos (Vlissingen) c) SESAL-Phos SEPHOS etwas langsamerer Verfügbarkeit vergleichbar sind, die vorliegenden Untersuchungsergebnisse zur Pflanzenverfügbarkeit und Düngewirkung jedoch in Langzeitstudien bestätigt werden sollten. 4.4 Ökobilanz Auf Basis der DIN ISO ff. wurde eine Ökobilanz für die Wirkungskategorien Ressourcenbeanspruchung, Treibhauseffekt, Versauerung, Eutrophierung, Humantoxizität, Ökotoxizität und Bodenschutz durchgeführt [46]. Verglichen wurden Rückgewinnungsverfahren aus der BMBF-Förderinitiative P- Recycling mit den Referenzszenarien Landwirtschaft und Klärschlammmonoverbrennung. Die Betrachtung zeigt, dass durch die Anwendung der Phosphorrückgewinnungsverfahren relevante Mengen an Phosphor genutzt werden können, ohne zusätzliche relevante Umweltbelastungen im Vergleich zur landwirtschaftlichen Klärschlammverwertung zu verursachen. Einzelne Verfahren zeichnen sich dadurch aus, dass sich bei fast vollständiger Rückgewinnung des im Klärschlamm enthaltenen Phosphors gegenüber dem direkten Einsatz zur Düngung eine erhebliche Vermeidung an Schadstoffeinträgen in Böden erzielen lässt, ohne dass nennenswerte Nachteile zum Beispiel beim Treibhauseffekt auftreten, obwohl der Einsatz der Rückgewinnungsverfahren einen deutlich höheren technischen Aufwand bedeutet. Potenziale zur weiteren Optimierung des Gesamtergebnisses der Ökobilanz bestehen beim Verbrauch von Betriebsmitteln (insbesondere im Falle von Salzsäure bei Laugungsverfahren). Davon abgesehen vereinen Phosphorrückgewinnungsverfahren die einzelnen ökologi-

8 8 Sonderdruck aus KA Korrespondenz Abwasser, Abfall 60. Jahrgang, Heft 10 und 11/2013 schen Vorteile der Referenzszenarien unter weitgehendem Ausschluss der entsprechenden Nachteile. 4.5 Absatzwege Bedingt durch eine geringe Anzahl an Standorten, an denen eine Phosphorrückgewinnung großtechnisch betrieben wird (Altentreptow, Berlin-Waßmannsdorf, Gifhorn, Mönchengladbach, Neuburg und Offenburg) und zum Teil kleinen Durchsätzen bzw. geringen Mengen rückgewonnenen Phosphors steht in Deutschland bisher wenig vermarktungsfähiges Sekundärphosphat zur Verfügung. Absatzwege der in Deutschland gewonnenen Sekundärphosphate werden zum jetzigen Zeitpunkt nicht zentral geregelt, das heißt, der Absatz muss vom Kläranlagenbetreiber bzw. Betreiber der Rückgewinnungsanlage übernommen werden. Beispielsweise vermarkten die Berliner Wasserbetriebe ihr gewonnenes Recyclat unter der Bezeichnung Berliner Pflanze eigenständig [47]. Potenzielle Abnehmer wie Düngemittelindustrie und Landwirte sind auf eine kontinuierliche Produktion bzw. auf eine Produktionsgarantie bei gleichbleibender Qualität angewiesen, was Rückgewinnungsanlagen im halbtechnischen Maßstab und mit Pilotcharakter, bedingt durch die noch wissenschaftliche Ausrichtung der Anlagen, zum jetzigen Zeitpunkt noch nicht leisten können. 5 Wirtschaftlichkeit von Phosphorrückgewinnungsverfahren Die folgenden Kostenangaben umfassen Kapital- und Betriebskosten und beruhen auf Kostenabschätzungen, die im Rahmen von Forschungsprojekten und auf Basis von labor- und halbtechnischen Versuchen ermittelt wurden. In Tabelle 3 sind die Spannen für die produkt- und einwohnerspezifischen Kosten sowie für die schmutzwasserspezifischen Kosten einiger Phosphorrückgewinnungsverfahren unterteilt nach den Ausgangsstoffströmen aufgelistet. Bei der Bewertung der Kosten ist zu beachten, dass ein Vergleich aufgrund unterschiedlicher Annahmen hinsichtlich der berücksichtigten Kostenarten (zum Beispiel Grunderwerb und Nebenkosten) bzw. Einsparungen sowie aufgrund unterschiedlicher finanzmathematischer Vorgaben (zum Beispiel Zinssatz und Abschreibungszeiträume) nur eingeschränkt möglich ist. Erlöse für den Verkauf der Sekundärphosphate sind in den Kostenangaben nicht berücksichtigt. Die hohen produktspezifischen Kosten für die Phosphorrückgewinnung aus Schlammwasser sind auf die niedrigen Phosphat-Konzentrationen im Stoffstrom zurückzuführen. Die hohe Spannweite der Kosten für die Rückgewinnung aus Faulschlamm beruht auf der Betrachtung von zwei unterschiedlichen Verfahrenstypen. Der chemische Aufschluss des Klärschlamms mittels Säuren ist im Verhältnis zur Calciumsilicathydrat-Zugabe in den Klärschlamm deutlich kostenintensiver und verfahrenstechnisch aufwendiger, ermöglicht aber höhere Rückgewinnungsgrade. Die drei Verfahren zur Rückgewinnung aus Klärschlammasche (zwei nasschemische- und ein thermochemisches Verfahren) sind aufgrund der hohen Phosphorkonzentrationen in der Klärschlammasche bei den spezifischen Kosten günstiger als die Verfahren zur Rückgewinnung aus Schlammwasser und teilweise günstiger als bei der Rückgewinnung aus Klärschlamm. Die Mehrzahl der Verfahren zur Rückgewinnung aus Schlammwasser und Klärschlamm basieren auf einer Berechnung für eine Modellkläranlage mit einem Anschlusswert von E und die Verfahren zur Rückgewinnung aus Klärschlammasche für eine Anlage mit einem Durchsatz von Mg Asche/a (entsprechen ca. 3 Millionen E). Abhängig vom Stoffstrom würden sich die einwohnerspezifischen Kosten der Abwasserreinigung um 0,5 18 /(E a) und die schmutzwasserspezifischen Kosten zwischen 1 und 40 Cent/m³ erhöhen. Bei einem durchschnittlichen Abwassergebührensatz von 2,5 /m³ in Deutschland [51] entspricht dies einer Anhebung um 0,4 bis 16 %. Der Vergleich der Kosten für die Phosphorrückgewinnung mit den heutigen Marktpreisen für Phosphor (der Preis für Rohphosphat beträgt aktuell etwa 1,2 /kg P und für Phosphordüngemittel etwa 2,5 /kg P [52]) zeigt deutlich, dass die Rückgewinnung allein zurzeit noch nicht wirtschaftlich zu betreiben ist. Wirtschaftlich vorteilhaft können unter heutigen Rahmenbedingungen solche Verfahren sein, bei denen die Kosten der Phosphorrückgewinnung durch in dieser Betrachtung nicht berücksichtigte monetär anrechenbare Nebeneffekte verringert werden können. Zu diesen Nebeneffekten zählen beispielsweise (u. a. [53]): Verringerungen von MAP-Inkrustationen in der Anlagentechnik der Klärschlammbehandlung, Einsparungen bei Wartung und Reparaturen, Verminderung des abrasiven Verschleißes von Anlagen der maschinellen Schlammentwässerung (zum Beispiel Zentrifugen), Verminderung der Phosphat-Rückbelastung und daraus resultierende Einsparungen bei der Fällmitteldosierung, Stoffstrom Anzahl Verfahren produktspezifische Kosten einwohnerspezifische Kosten schmutzwasserspezifische Kosten 1) [ /kg P] [ /(E a)] [ /m³] Literatur Schlammwasser ,02 0,07 [34, 48, 49] Faulschlamm ,5 18 0,01 0,40 [48 50] Klärschlammasche 3 2,6 7,5 1,6 3 0,04 0,07 [48, 49] 1) Annahme: 120 l/(e d) Tabelle 3: Kostenspannen von produkt- und einwohnerspezifischen Kosten für die Phosphorrückgewinnung

9 Sonderdruck aus KA Korrespondenz Abwasser, Abfall 60. Jahrgang, Heft 10 und 11/ Verbesserung der Entwässerbarkeit des Klärschlamms (Verringerung des Bedarfs von Flockungsmitteln, Erhöhung des erreichten Feststoffgehalts)/Verringerung der zu entsorgenden Klärschlammmenge. 6 Empfehlungen Das Phosphorrecycling aus Abwasser, Klärschlamm und Klärschlammaschen war und ist Gegenstand zahlreicher Forschungsund Entwicklungsvorhaben. Dennoch ist festzustellen, dass trotz des unbestritten hohen Forschungsstands in Deutschland bislang nur wenige technische Anlagen zur gezielten Rückgewinnung von Phosphor errichtet wurden. Bislang fehlen noch belastbare Erkenntnisse aus dem halb- oder großtechnischen Betrieb der verschiedenen Verfahrenskonzepte. Schließlich muss darüber hinaus konstatiert werden, dass heute Aschen aus Mono-Klärschlammverbrennungsanlagen, die durchaus für eine P-Rückgewinnung geeignet wären, auf Wegen entsorgt und abgelagert werden, die eine spätere Nutzung des in der Asche enthaltenen Phosphats nur schwer möglich machen. Aus globaler Sicht wird es in Zukunft unbedingt erforderlich werden, in Regionen mit einem sehr starken Bevölkerungswachstum und entsprechend hohem Düngemittelbedarf kosteneffiziente Technologien zur P-Rückgewinnung einzusetzen. Deutschland hätte bei der Entwicklung geeigneter Technologien durchaus die Chance, an diesem sich entwickelnden Markt zu partizipieren. Vor diesem Hintergrund erscheint es aus Sicht der Arbeitsgruppe erforderlich, mit organisatorischen, finanziellen und ordnungspolitischen Maßnahmen die Entwicklung und den großtechnischen Einsatz von Verfahren zur Rückgewinnung gezielt voranzutreiben. Hierzu zählen unter anderem: Gezielte und substantielle Förderung von Demonstrationsvorhaben insbesondere im Hinblick auf die P-Rückgewinnung aus Schlammwasser und Klärschlammaschen Hierzu sollte die Investitionsförderung von Demonstrationsanlagen im Vergleich zum heutigen Zustand wesentlich erhöht werden, und es wäre hilfreich, eine Verrechnung der Investitionskosten mit der Abwasserabgabe zu ermöglichen. Anpassung der rechtlichen Rahmenbedingungen für eine rückholbare, dokumentierte Ablagerung von phosphathaltigen Aschen aus Verbrennungsanlagen Für eine P-Rückgewinnung grundsätzlich geeignete Aschen aus Verbrennungsanlagen sollten solange wirtschaftliche Rückgewinnungsverfahren noch nicht verfügbar sind rückholbar abgelagert werden. Hierfür sind neben der Klärung der technischen Rahmenbedingungen für eine solche Zwischenlagerung der Aschen auch die rechtlichen Voraussetzungen weiterhin anzupassen. Bildung einer nationalen Plattform P-Recycling zur Dokumentation, Koordination und zum Austausch von Erkenntnissen zur P-Rückgewinnung Eine solche Plattform soll insbesondere die Möglichkeit bieten, die Erkenntnisse aus Forschung, Planung, Bau und Betrieb der Verfahren zur P-Rückgewinnung an unterschiedlichen Stellen allgemein verfügbar zu machen, um damit den Prozess der Verbreitung des Erfahrungswissens zu beschleunigen. Umstellung der Verfahrensführung auf Kläranlagen, sofern dadurch eine P-Rückgewinnung erleichtert bzw. die Qualität der Reststoffe gezielt im Sinne einer einfacheren P-Rückgewinnung positiv beeinflusst werden kann In diesem Zusammenhang kann es beispielsweise im Einzelfall sinnvoll sein, eine vermehrte biologische Phosphorelimination zu implementieren, statt eisenhaltiger Fällmittel aluminiumhaltige (oder umgekehrt) einzusetzen oder auch eine getrennte Ausfaulung von Überschuss- und Primärschlamm zu betreiben. Auch Maßnahmen, die die Pflanzenverfügbarkeit des Phosphors gezielt erhöhen, können sinnvoll sein. Eine sehr weitgehende Voreindickung des Rohschlamms, wodurch die P-Konzentrationen im Schlammwasser nach einer anaeroben Stabilisierung deutlich ansteigen, kann die P-Rückgewinnung aus Schlammwasser technologisch einfacher und wirtschaftlicher machen sowie den Umfang einer Phosphorgewinnung erhöhen. Vermeidung negativer Auswirkungen der P-Rückgewinnung auf den Abwasserreinigungsprozess Beim Einsatz von Technologien, die nicht auf die P-Rückgewinnung aus dem Endprodukt Asche abzielen, sondern bereits in den Abwasserreinigungsprozess integriert werden, ist sicherzustellen, dass dieser nicht nachteilig beeinflusst wird. Darüber hinaus muss eine sichere Behandlungsmöglichkeit von unter Umständen verfahrensbedingt entstehenden Stoffströmen bestehen. Präferenz von Verbrennungskonzepten, die eine P-Rückgewinnung aus der Asche grundsätzlich ermöglichen Neben einer Monoverbrennung, bei der in der Regel Aschen produziert werden, die eine P-Rückgewinnung mit den bisher bekannten Verfahren grundsätzlich ermöglichen, ist nicht auszuschließen, dass auch bei der Mitverbrennung von Klärschlamm in Abhängigkeit von den jeweiligen Verfahrensrandbedingungen, beispielsweise sehr aschearme Kohleverbrennung und hoher Phosphatanteil im Klärschlamm, eine P-Rückgewinnung aus der Asche möglich wird. Ordnungspolitisch sollten diejenigen Verbrennungsverfahren bevorzugt werden, bei denen nachweisbar eine P-Rückgewinnung sinnvoll möglich ist. Derzeit trifft dies im Wesentlichen auf die meisten in Deutschland bestehenden Monoklärschlammverbrennungsanlagen zu. Gezielte Entwicklung von Markteinführungsstrategien für Sekundärphosphate Derzeit ist die Vermarktung von auf Kläranlagen produzierten Sekundärphosphaten noch in starkem Maße von den örtlichen Abnahmebedingungen und rechtlichen Genehmigungsstrukturen abhängig. Es wäre wünschenswert, wenn geeignete Marketinginstrumente (zum Beispiel: Zulassung von MAP für Ökolandwirtschaft, Beimischung von Recycling-P zu Mineraldünger) mit positiver Belegung von auf Kläranlagen produzierten Sekundärphosphaten und gleichzeitig vereinfachte Zugangsbedingungen für diese Stoffe in den Düngemittelmarkt geschaffen würden.

10 10 Sonderdruck aus KA Korrespondenz Abwasser, Abfall 60. Jahrgang, Heft 10 und 11/2013 Betrachtung struktureller und logistischer Konzepte Neben der (Weiter-)Entwicklung der P-Rückgewinnungstechnologien sollten auch strukturelle und logistische Konzepte hinsichtlich der Standorte von P-Rückgewinnungsanlagen erarbeitet werden, vor allem im direkten Kontext mit Vermarktungsstrategien und Absatzwegen des erzeugten Recyclats. Weitere Förderung von Forschungs- und Entwicklungsvorhaben Trotz des inzwischen beachtlichen Spektrums der Verfahrensansätze zur P-Rückgewinnung sind viele praktische und wirtschaftliche Fragen, insbesondere im Hinblick auf die Umsetzung, noch offen. Forschungsbedarf besteht im Besonderen in der Kostenoptimierung der verschiedenen Verfahren. Die Qualität (Düngewirksamkeit) von Sekundärphosphat im Vergleich zu herkömmlichen Düngemitteln sollte ebenfalls stärker geprüft werden, um so die Gleichwertigkeit in der Düngewirkung nachzuweisen. Ordnungspolitische Vorgaben mit Anforderungen an die P-Rückgewinnung auf Kläranlagen Die derzeit durch das Bundesumweltministerium diskutierte Phosphorrecyclingverordnung sieht konkrete Verpflichtungen auf Seiten der Betreiber von Abwasserbehandlungsanlagen und Entsorger vor, Phosphor rückzugewinnen und dem Wirtschaftskreislauf wieder zuzuführen. Durch die Einführung einer solchen Verordnung würden wichtige Impulse für die Einführung von Rückgewinnungstechnologien auf Kläranlagen gegeben. Hierbei gilt es allerdings zu beachten, eine unverhältnismäßig hohe Belastung einzelner Gebührenzahler zu vermeiden und für eine breite Akzeptanz sowohl bei der Bevölkerung wie bei den politischen Entscheidungsträgern zu sorgen. Literatur [1] Jasper, M., Lehrmann, F., Steier, K.: Stand und Perspektiven der thermischen Klärschlammentsorgung, KA Korrespondenz Abwasser Abfall 2009, 56 (10), [2] Destatis: Pressemitteilung, 11. 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November 2012, Bundestags-Drucksache 17/11486 [20] Wellmer, F.-W.: Reserves and resources of the geosphere, terms so often misunderstood. Is the life index of reserves of natural resources a guide to the future? Z. dt. Ges. Geowiss. 2008, 159, [21] Gesetz zur Förderung der Kreislaufwirtschaft und Sicherung der umweltverträglichen Bewirtschaftung von Abfällen (Kreislaufwirtschaftsgesetzt KrWG), Stand 24. Februar 2012, BGBl. I, Nr. 10 vom 29, Februar 2012, S. 212 [22] Zweite Verordnung zur Änderung der Deponieverordnung, Beschluss des Bundesrats, Bundesrats-Drucksache 808/12 vom 1. Februar 2013 [23] Verordnung über das Inverkehrbringen von Düngemitteln, Bodenhilfsstoffen, Kultursubstraten und Pflanzenhilfsmitteln (Düngemittelverordnung DüMV) vom 5. Dezember 2012, BGBl. I, Nr. 58 vom 13. Dezember 2012, S [24] Langenohl, T., Heck, A., Könemann, R.: Landwirtschaftliche Klärschlammverwertung Aktuelle und zukünftige Anforderungen der Klärschlamm- und Düngemittelverordnung, KA Korrespondenz Abwasser Abfall 2012, 59 (3), [25] Pinnekamp, J.: Randbedingungen einer Phosphat-Rückgewinnung aus Abwasser und Klärschlamm, in: Tagungsband zur ATV-DVWK- Bundestagung, 18./19. September 2002, Weimar, S , [26] Mandel, K., Drenkova-Tuhtan, A., Hutter, F., Gellermann, C., Steinmetz, H., Sextl, G.: Layered double hydroxides ion exchangers on superparamagnetic microparticles for recovery of phosphate from waste water, Journal of Materials Chemistry A 2013, 1 (5), [27] Gujer, W.: Siedlungswasserwirtschaft, 3. 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11 Sonderdruck aus KA Korrespondenz Abwasser, Abfall 60. Jahrgang, Heft 10 und 11/ [31] Lehrmann, F.: Verwertung von Aschen aus der Klärschlamm-Monoverbrennung, KA Korrespondenz Abwasser Abfall 2012, 59 (10), [32] Waida, C., Weinfurtner, K.: Untersuchung der in der Förderinitiative erzeugten Produkte, in: Abschlussbericht zum Verbundvorhaben Phosphorrecycling Ökologische und wirtschaftliche Bewertung verschiedener Verfahren und Entwicklung eines strategischen Verwertungskonzepts für Deutschland, FKZ: 02WA WA0808, 2011 [33] Verordnung über das Inverkehrbringen von Düngemitteln, Bodenhilfsstoffen, Kultursubstraten und Pflanzenhilfsmitteln (Düngemittelverordnung DüMV) vom 16. Dezember 2008, BGBl. I, Nr. 60, vom 19. 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