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.