Phosphorrückgewinnung aus Klärschlamm

Die Nov­el­lierung der Abfal­lk­lärschlam­mverord­nung lässt den Betreibern kom­mu­naler Kläran­la­gen bei der Verpflich­tung zur Phos­pho­r­rück­gewin­nung die Wahl zwis­chen dem P‑Recycling aus der Asche der Monover­bren­nung oder aus der Schlamm­phase. Für die P‑Rückgewinnung aus der Asche mit ein­er zu erfül­len­den Min­destquote von 80% ist zunächst ein chemis­ch­er Auf­schluss mit ein­er Min­er­al­säure erforder­lich, dem eine große Anzahl weit­er­er Ver­fahrenss­chritte folgen.

Phosphorrückgewinnung aus der Schlammphase

Wie bei der Klärschlam­masche ist auch das in der flüs­si­gen Phase des Klärschlamms enthal­tene Phos­phat für die chemis­che Fäl­lung und Abschei­dung nicht direkt ver­füg­bar. Bei Schläm­men von Kläran­la­gen mit über­wiegend biol­o­gis­ch­er Phos­pho­rent­fer­nung, Bio‑P, kann das in den Zellen einge­bun­dene Phos­phat durch eine mod­i­fizierte Desin­te­gra­tion freige­set­zt wer­den. Der Zel­lauf­schluss der Klärschlamm-Bio­masse mit­tels Hochleis­tungs-Ultra­schall der ULTRAWAVES GmbH, Ham­burg, führt zur Freiset­zung des Phos­pho­rs aus den Zellen in die wäss­rige Phase. Das Her­aus­lö­sung des Phos­pho­rs aus dem Über­schuss­chlamm vor der Faulung in Abhängigkeit zum Energieein­trag ist in Abbil­dung 1 dargestellt. In der flüs­si­gen Phase erfol­gt entwed­er die chemis­che Fäl­lung als Mag­ne­siu­mam­mo­ni­umphos­phat (MgNH₄PO₄ * 6 H₂O) oder eine Fix­ierung an CSH (Cal­ci­um-Silikat-Hydrat, H₂CaO₄Si) oder die adsorp­tive Bindung und Abschei­dung über super­para­mag­netis­che Par­tikel (Fraun­hofer IWKS). Das in das Fäl­lung­spro­dukt Mag­ne­siu­mam­mo­ni­umphos­phat inte­gri­erte sowie das an die super­para­mag­netis­chen Par­tikel adsor­bierte Phos­phat kön­nen durch weit­ere Behand­lung zu hochrein­er Phos­pho­rsäure ver­ar­beit­et wer­den. Hierzu eignet sich die beim Insti­tut für Tech­nis­che Chemie der TU Bergakademie Freiberg entwick­elte PAR­FORCE-Tech­nolo­gie. Bei der Erfül­lung der aus der Abfal­lk­lärschlam­mverord­nung resul­tieren­den Anforderun­gen, min­destens 50 % des im Schlamm enthal­te­nen Phos­pho­rs abzuschei­den und zu ver­w­erten oder den Gren­zw­ert von 20 mg/kg zu unter­schre­it­en, ermöglichen die ther­mis­che Behand­lung des entwässerten Klärschlamms außer­halb der Monover­bren­nung. Für diese Schlämme bleiben die Möglichkeit­en der Mitver­bren­nung in Müll­heizkraftwerken, in der Zementin­dus­trie oder in Kohlekraftwerken – solange diese noch betrieben wer­den – erhal­ten. Für den Ein­satz in der Zementin­dus­trie ist die P‑Reduzierung von Vorteil.

Verbesserung der Schlammentwässerung

Die Entwässerung von Klärschläm­men ist eine der wichtig­sten Grun­d­op­er­a­tio­nen der gesamten Klärschlamm­be­hand­lung (Merk­blatt DWA‑M 366). Mit zunehmender Verpflich­tung zur ther­mis­chen Ver­w­er­tung entwässert­er Klärschlämme in Abhängigkeit zur Qual­ität der Schlämme (Klärschlam­mverord­nung, Düngeverord­nung, Düngemit­telver-ord­nung) kommt den TR-Werten (TR: Trock­en­rück­stand) größere Bedeu­tung zu. Für die ther­mis­che Ver­w­er­tung sind unab­hängig von der einge­set­zten Ver­fahren­stech­nik  (Mitver­bren­nung, Monover­bren­nung, Pyrol­yse) hohe TR-Werte erforder­lich. Ins­beson­dere bei Klärschläm­men, die bish­er ein­er boden­be­zo­ge­nen Ver­w­er­tung zuge­führt wer­den, sind durch die (Mit-)Verbrennung steigende Entsorgungskosten zu erwarten. Eine effizien­tere Schlam­men­twässerung führt über steigende TR-Werte im entwässerten Klärschlamm zu gerin­geren Men­gen beim Trans­port und bei der Verbrennung.

Schlamm­flock­en kom­mu­naler Klärschlämme sind an der Ober­fläche generell neg­a­tiv geladen. Die neg­a­tive Ladung ist unter­schiedlich stark aus­geprägt. Die Ladungsver­schiebung an der Ober­fläche der Schlamm­flock­en in einem elek­trischen Feld führt zu höheren TR-Werten beim entwässerten Klärschlamm oder zur deut­lichen Einsparung an Poly­mer bei kon­stan­tem TR-Wert. In bei­den Fällen wur­den bei bish­eri­gen Anwen­dun­gen auch Verbesserun­gen der Zen­tratqual­ität und sowie eine Reduzierung der Rück­be­las­tung beobachtet. Der Auf­bau des elek­trischen Feldes erfol­gt in einem Durch­flussreak­tor (ZetaOp­ti­miz­er) über Hochspan­nung. Der Durch­flussreak­tor ist frei von Ein­baut­en und wird somit vom zu behan­del­nden Klärschlamm frei durch­strömt. Die Ladungsver­schiebung an der Ober­fläche der Schlamm­flock­en wird vor der Poly­mer­dosierung durchge­führt. Abbil­dung 2 zeigt den Ver­gle­ich der TR-Werte in Abhängigkeit zur Stärke des elek­trischen Feldes. Dabei wer­den zwei Dekan­ter par­al­lel betrieben und zeit­gle­ich beprobt. Während bei Dekan­ter II im Unter­suchungszeitraum kein­er­lei Verän­derung vorgenom­men wer­den, wird bei Dekan­ter I über das vor der Poly­mer­dosierung instal­lierte Hochspan­nungssys­tem ZetaOp­ti­miz­er die Stärke des elek­trischen Feldes vari­iert. Weit­ere Dat­en aus prak­tis­chen Anwen­dun­gen sind in Tabelle 1 zusammengefasst.

Das gesamte, mod­u­lare Ver­fahren ist in Abbil­dung 3 dargestellt. Weit­ere Unter­suchun­gen zur Verbesserung der Schlam­men­twässerung wer­den derzeit gemein­sam mit dem Insti­tut für Tech­nis­che Chemie der TU Bergakademie Freiberg im Rah­men eines DBU-geförderten Pro­jek­ts zum Abbau der EPS (exopoly­mere Sub­stanzen) durchgeführt.

Sowohl Phos­phor als auch EPS besitzen die Eigen­schaft, inten­siv Wass­er zu binden. Die Phos­pha­tre­duzierung aus der Schlamm­phase in Verbindung mit der Zer­störung der EPS leis­ten einen erhe­blichen Beitrag zu deut­lich höheren TR-Werten bei der Schlammentwässerung.

Fazit

Die Rück­gewin­nung des Phos­pho­rs ist wed­er aus der Asche der Klärschlamm-Monover­bren­nung noch aus der Schlamm­phase mit geringem tech­nis­chen Aufwand und niedri­gen Kosten real­isier­bar. Das vorgestellte, mod­u­lare Ver­fahren eröffnet mehrere Möglichkeit­en, bere­its vor der Fes­tle­gung auf einen Weg der Phos­pho­r­rück­gewin­nung zu prof­i­tieren. Höhere TR-Werte bei der Schlam­men­twässerung führen zur Senkung der Entsorgungskosten, Einsparun­gen beim Poly­merver­brauch tra­gen eben­falls zu besser­er Wirtschaftlichkeit bei und kön­nen auch bei der Fracht­en­regelung den entschei­den­den Unter­schied bieten. Die Nutzung des aus Klärschlamm gewonnenen Phos­phats außer­halb der Land­wirtschaft bietet Unab­hängigkeit von jahreszeitlichen Regle­men­tierun­gen und ermöglicht höhere Verkaufserlöse.