Phosphatdüngemittel aus Klärschlammaschen

Rückgewinnung von Phosphor aus Asche

Ein Beitrag von Dr.-Ing. Christian Adam, Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM)

Phosphate spielen in der Landwirtschaft als Düngemittel eine große Rolle. Bisher wird das notwendige Phosphat durch die Überführung in sogenannten Klärschlamm gewonnen - allerdings ist Klärschlamm als Dünger umstritten. In den letzten Jahren wurden daher verschiedene Verfahren entwickelt, um Phosphate aus Abwasser und Klärschlamm zu gewinnen. Eines davon ist das AshDec®- Verfahren, dass im folgenden Beitrag näher vorgestellt wird.

Phosphatdünger: Hauptnährstoff für Pflanzen

Das Element Phosphor ist für alle Lebewesen essenziell und wird beispielsweise von Pflanzen in Form von Phosphaten aufgenommen. In der landwirtschaftlichen Produktion werden dem Boden die Phosphate durch Wachstum und Ernte der Pflanzen entzogen und müssen ihm in Form von Phosphatdüngemitteln wieder zugeführt werden, um die Nahrungsmittelproduktion zu sichern.

Rohphosphat stellt die Grundlage unserer derzeitigen Phosphatdüngemittel dar, ist aber gleichzeitig ein endlicher Rohstoff. Des Weiteren sind insbesondere sedimentäre Rohphosphate oftmals mit erheblichen Konzentrationen toxischer Schadstoffe wie Cadmium, Uran und Thorium belastet. Eine Kreislaufführung des Phosphats sollte erfolgen, um natürliche Rohstoffvorkommen zu schonen und den Eintrag von Schadstoffen auf unsere Böden zu unterbinden.

Problematischer Stoff: Klärschlamm als Düngemittel

Ein großer Teil der vom Menschen in Form von Lebensmitteln aufgenommenen Nährstoffe, unter anderem das Phosphat, gelangen über das Abwasser in die Kläranlage. In der Kläranlage wird das Phosphat in den sogenannten Klärschlamm überführt, welcher in der Vergangenheit zu einem erheblichen Teil in der Landwirtschaft als „Dünger“ zum Einsatz kam. Hiermit war eine gewisse Kreislaufführung des Phosphats gegeben. Da Klärschlamm jedoch die Senke für Schadstoffe im Klärprozess darstellt, ist er als Düngemittel stark umstritten. Es kommt hinzu, dass Klärschlamm kontinuierlich anfällt, schlecht lager- und transportierbar ist, und die Phosphatdüngewirkung eingeschränkt ist.

Rückgewinnung von Phosphaten

Vor diesem Hintergrund wurden in den vergangenen Jahren verschiedene Verfahren entwickelt, um Phosphate aus Abwasser und Klärschlamm zu gewinnen, und sie in Form von Düngemitteln im Sinne einer Kreislaufwirtschaft in der Landwirtschaft einzusetzen. Hierbei werden die Ziele einer möglichst hohen Recyclingrate für Phosphat bei gleichzeitig sicherer Elimination von Schadstoffen verfolgt. Die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) forscht bereits seit vielen Jahren an der Herstellung von Phosphatdüngern aus Klärschlammaschen. Abbildung 1 zeigt ein granulares Düngemittel, das auf Asche basiert. 

In Bayern wird derzeit von einem Konsortium aus Vertretern aus Industrie und Forschung die großtechnische Umsetzung eines Verfahrens zur P-Rückgewinnung aus Klärschlammaschen geplant. Nach einer positiven Evaluierung der Konzeptstudie „R-Rhenania“ beantragt das Konsortium derzeit die Förderung des Vorhabens durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung im Rahmen der Förderinitiative „Regionales Phosphor-Recycling“ – RePhoR. Im Projektkonsortium „R-Rhenania“ arbeiten acht Projektpartner an der erfolgreichen großtechnischen Umsetzung des sogenannten AshDec®- Verfahrens.

Die AshDec®-Technologie

Die Verbrennung des Klärschlamms führt zunächst zur Zerstörung aller im Klärschlamm vorhandenen organischen Schadstoffe. Es resultiert eine phosphatreiche Klärschlammasche, welche einen sehr guten Sekundärrohstoff für die Produktion eines Phosphatdüngemittels darstellt. Die Phosphate in der Asche weisen jedoch wie der Klärschlamm nur eine eingeschränkte Verfügbarkeit für Pflanzen auf.

Die geplante großtechnische AshDec®-Anlage in Altenstadt, Bayern, schließt die Phosphate unter Zugabe eines Natriumadditivs bei Temperaturen von ca. 900 °C thermochemisch in einem Drehrohrofen auf und macht sie damit vollständig für Pflanzen verfügbar. Gleichzeitig können toxische Schwermetalle wie Arsen, Cadmium und Blei unter den eingestellten Bedingungen über die Gasphase separiert werden, sodass sie nicht mehr mit dem Düngemittel auf den Acker gelangen.

AshDec®-Anlagen

Eine AshDec®-Pilotanlage der ersten Generation wurde bereits in den Jahren 2008-2010 in Leoben, Österreich, erfolgreich betrieben (siehe Abbildung 2). Mittlerweile sind viele weitere Forschungs- und Entwicklungsarbeiten in die Weiterentwicklung der Technologie eingeflossen. Der Bau der ersten großtechnischen AshDec®-Anlage ist für die Jahre 2021/2022 am Standort der Klärschlammverbrennungsanlage der Firma Emter GmbH geplant. Sie soll im Jahr 2023 den Betrieb aufnehmen und anschließend jährlich etwa 30.000 Tonnen Klärschlammaschen zu Phosphatdünger verarbeiten.

Der neue Recyclingdünger

Die beteiligten wissenschaftlichen Institutionen werden die Qualität und Sicherheit der erzeugten Düngemittel eingehend untersuchen und sicherstellen. Im derzeit laufenden Forschungsprojekt CLOOP – Closing the Global Nutrient Loop (Förderung durch das BMBF) konnten sogar Vorteile des Recyclingdüngers gegenüber konventionellen Düngemitteln auf der Basis von sauer aufgeschlossenen Rohphosphaten identifiziert werden.

Die Phosphate im Recyclingdünger sind nicht wasserlöslich aber dennoch voll für Pflanzen verfügbar, das haben mehrere bereits abgeschlossene Forschungsvorhaben eindeutig ergeben. Damit werden die Phosphate nicht so leicht aus den Böden ausgewaschen und stehen den Pflanzen im Boden als Nährstoffquelle zur Verfügung. Des Weiteren enthält der Recyclingdünger thermisch aufgeschlossene Silikate und Spurennährstoffe, die sich positiv auf Wachstum und Pflanzengesundheit auswirken können.

Diese Aspekte werden von den agrarwissenschaftlichen Forschungspartnern im R-Rhenania Konsortium eingehend untersucht. Der Projektpartner sePura GmbH ist ein erfahrener Düngemittelhersteller, der sich mit Recyclingprodukten bereits bestens auskennt. Die Firma sePura wird sich mit der Konfektionierung und der Zulassung des neuen Recyclingdüngers befassen und ihn regional im engen Kontakt mit den Landwirten vertreiben.

Das R-Rhenania-Konsortium arbeitet darüber hinaus an Konzepten für die Umsetzung weiterer vergleichbarer AshDec®-Anlagen in Deutschland zur Herstellung von Recyclingdüngemitteln aus Klärschlammaschen.

Förderinitiative „Regionales Phosphor-Recycling“ – RePhoR

Projekt „R-Rhenania“ (beantragt)

Laufzeit: Juli 2020 – Juni 2025
Es ist geplant eine großtechnische AshDec®-Demonstrationsanlage in Altenstadt, Bayern, zu errichten, die jährlich 30.000 t Klärschlammaschen in wertvollen Phosphatdünger umwandelt. Im Rahmen des Projekts wird der Anlagenbetrieb eingehend untersucht und hinsichtlich ökonomischer und ökologischer Parameter optimiert. Der Recycling-Phosphatdünger wird im Rahmen von umfangreichen Gefäß- und Feldversuchen auf seine Qualität hin untersucht. Die Feldversuche erfolgen im ökologischen Landbau. Der Recyclingdünger ist vorwiegend für die regionale Anwendung in Bayern vorgesehen.

Das Konsortium

INDUSTRIE

  • Emter GmbH (Betreiber der Klärschlammverbrennungsanlage Altenstadt, Bau und der Betrieb der AshDec®-Demonstrationsanlage)
  • Outotec GmbH & Co. KG (Technologie- und Ingenieurunternehmen)
  • sePura GmbH (Hersteller von Düngemitteln aus Primär- und Sekundärquellen, regionaler Vertrieb des AshDec®-Düngers)

BEHÖRDEN

  • Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (Koordination des Projekts, Prozessoptimierung, Sicherung der Produktqualität)
  • Bayerische Landesanstalt für Landwirtschaft (Durchführung von Feldversuchen im ökologischen Landbau)

FORSCHUNGSINSTITUTE

  • Kompetenzzentrum Wasser Berlin gGmbH (Durchführung von Ökobilanzen)
  • Institut für Baustoff-Forschung e.V. (Untersuchungen zur Düngewirkung besonderer Bestandteile des Düngers wie Silicium und Spurennährstoffe)

UNIVERSITÄTEN

  • Universität Bonn (Untersuchungen zu Phosphat-Düngewirkung und Pflanzengesundheit)