Erfahrungen und Überlegungen zur Phosphorrückgewinnung aus … · 2017-01-23 · © Fraunhofer...

Erfahrungen und Überlegungen zur

Phosphorrückgewinnung aus Klärschlamm

Dr. Lars Zeggel

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AGENDA

Einleitung

Übersicht über die Rückgewinnungstechnologien im Bereich Klärschlamm

Klärschlammaufkommen in Hessen

Zusammenfassung

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FRAUNHOFER ISC - PROJEKTGRUPPE IWKS

Gründung im Jahr 2011

Aufbauphase von 2012-2017

Mutterinstitut:

Fraunhofer ISC - Institut für Silicatforschung

in Würzburg

Mit zwei Standorten:

Hanau (Hessen)

Alzenau (Bayern)

Hanau

Alzenau

gefördert vom Bayerischen Staatsministerium für Wirtschaft und Medien, Energie und Technologie

und Hessischen Ministerium für Wissenschaft und Kunst

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FORSCHUNGSANSATZ DER FRAUNHOFER-PROJEKTGRUPPE

IWKS

Entwicklung einer tragfähigen Ressourcenstrategie

Ressourceneffizienz

Wertstoffkreisläufe

Strategie- und Kritikalitätskonzepte

Entwicklung und Umsetzung wirtschaftlicher Recyclingkonzepte

Funktionales Recycling für Wertstoffe

Trenn- und Sortiertechnologien

Recyclinggerechtes Design

Erweiterung der Chancen durch Substitution

Substitution kritischer Rohstoffe

Entwicklung innovativer Substitute

Magnete, Magnetokalorik, Leuchtmittel, Energiematerialien

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ABWASSERBEHANDLUNG UND P-ELIMINATION

Zulauf

P-Vorfällung P-Simultanfällung P-Nachfällung

Belebungsbecken Nachklärung Sand-/Fettfang

Vorklärung

Maschinelle Entwässerung

Faulturm

Abgabe in

Vorfluter

Verbrennung

PS RS

ÜS

SW

FS

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AIRPREX

Fact sheets, P-Rex-

Projekt (2015)

Air

pre

x

+ Einfache Technologie

+ An etlichen Kläranalgen erprobt

+ Neben MgCl2 keine weiteren Chemikalien

- Bio-P Fällung erforderlich

- Geringes Rückgewinnungspotenzial

- Mikrobiolog. Unbendklichkeit nicht eindeutig

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PEARL

Fact sheets, P-Rex-

Projekt (2015)

PE

AR

L

+ Einfache Technologie

+ An etlichen Kläranalgen erprobt

+ Geringe Anzahl an Chemikalien

- Bio-P Fällung erforderlich

- Geringes Rückgewinnungspotenzial

- Spezielles Betreibermodell

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STUTTGARTER VERFAHREN

Fact sheets, P-Rex-

Projekt (2015)

Stu

ttg

art

er

Verf

.

+ Einfache Technologie

+ Rückgewinnungspotenzial

+ Bio-P Fällung nicht erforderlich

- Hoher Einsatz verschiedener Chemikalien

- Citronensäure kostenintensiv

- Entsorgung der Reststoffe ungeklärt

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GIFHORN-PROZESS

Fact sheets, P-Rex-

Projekt (2015)

Gif

ho

rn

+ Modulartiger Aufbau

+ Verfahren erprobt

+ Rückgewinnungsgrad und SM-Abtrennung

steuerbar

- Hoher verfahrenstechnischer Aufwand

- Hoher Einsatz verschiedener Chemikalien

- Keine Abtrennung des MAP

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EXTRAPHOS (BUDENHEIM)

Extr

aP

ho

s

+ Einfache Technologie

+ Rückgewinnungsrate

+ Geringer Chemikalieneinsatz

+ Energet. Potenzial bleibt erhalten

- Großtechnische Erprobung steht noch aus

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MEPHREC

Mep

hre

c

+ Hohe Rückgewinnungsrate

+ Energetische Nutzung des Synthesegases

- Komplexe Hochtemperaturtechnologie

- Hoher Energieeinsatz (Koks, O2)

- Nachweis der großtechn. Machbarkeit steht aus

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EPHOS

Fraunhofer IGB

eP

ho

s

+ Einfache Technologie

+ Nur metallisches Mg erforderlich

- Hoher Platzbedarf

- Wirtschaftlichkeit stark abhängig vom Mg-Preis

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P-ROC

P-R

oC

+ Direkt an bestehende Klärtechnik adaptierbar

+ Einfache Technologie insb. Für kleine KA

+ CSH gängiges Material aus der Baustoffindustríe

- Geringe Rückgewinnungsrate

- Kristallisationsprodukt abh. von Zentratchemie

- Verfahren bislang nur manuell im Teilstrom erprobt

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REDOX-VERFAHREN (EUPHORE)

Thermische Behandlung von Klärschlamm in einem Drehrohr

Zuerst Pyrolyse unter reduzierenden Bedingungen dann oxidative

Nachverbrennung

Zugabe von KCl zur Verbesserung der P-Verfügbarkeit und Eliminierung von

Schwermetallen

Red

ox

+ Geringer Chemikalieneinsatz

+ Geringe Mengen an Reststoffen (SM)

+ Hohe Rückgewinnungsrate

+ Rückgewinnugsprodukt als Dünger geeignet

- Verfahrenstechnisch erhöhter Aufwand

- Für kleine KA nur bedingt geeignet

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AVA-CO2

AV

A-C

O2

+ Hohe Rückgewinnungsrate

+ Nutzung der HTC-Kohle in der Mitverbrennung

+ Recycling der Fe- und Al-Sulfate als Fällungsmittel

- Hoher verfahrenstechnischer Aufwand

- Evtl. Entstehung organ. Schadstoffe

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P-RÜCKGEWINNUNG DURCH MAGNETPARTIKEL

Fraunhofer ISC/IWKS

Mag

netp

art

ikel

+ Wiederverwendbares Adsorptionsmaterial

+ Selektive P-Adsorption

+ Geringer Chemikalieneinsatz (für Regenerierung)

- Verfahrenstechnisches Neuland

- Partikelherstellung aufwändig

- Großtechnisch noch nicht erprobt

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GRAD DER UMSETZUNG DER P-RECYCLINGVERFAHREN

Verfahren

Labor- halbtechnischer Voll-

Maßstab

Airprex

PEARL

Stuttgarter Verf.

Gifhorn

ExtraPhos

Mephrec

ePhos

P-RoC

Redox-Verfahren

AVA-CO2

Magnetpartikel

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Rückgewinnungsprodukt Rückgewinnungsrate

Airprex MAP (NH4MgPO4*6H2O) 10 – 20 %

PEARL MAP 20 – 30 %

Stuttgrter Verf. MAP Bis zu 50 %

Gifhorn MAP (o. Abtrennung von KS) 10 -20 %

ExtraPhos CaP 50 %

Mephrec Calciumsilicatphosphat 60 %

ePhos MAP unbekannt

P-RoC CaP/MAP 10 -20 %

Redox-Verfahren K-Phosphat 80 %

AVA-CO2 CaP > 50 %

Magnetpartikel variabel unbekannt

ART DES SEKUNDÄRPHOSPHATS UND RÜÜCKGEWINNUNGSRATE

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Laugung P-Abtrennung SM-

Abtrennung Weitere

Airprex - MgCl2

PEARL - MgCl2, NaOH

Stuttgrter Verf. H2SO4 NaOH, MgO C6H8O7

Gifhorn Na2S

ExtraPhos CO2 Ca(OH)2

Mephrec Koks, O2,

Ca(OH)2

ePhos Mg (metallisch)

P-RoC CSH

Redox-Verfahren KCl

KCl

AVA-CO2 H2SO4 Ca(OH)2

Magnetpartikel Synthetisierte Partikel

ÜBERSICHT ÜBER DIE EINGESETZTEN BETRIEBSSTOFFE

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PFLANZENVERFÜGBARKEIT VON P-RECYCLATEN

LfU (2015)

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ANTEIL DER EW IN GK4 UND GK5 IN HESSEN

EW Anzahl

GK5 3.735.000 10

GK4b 1.923.400 26

GK4a 3.435.343 135

GK3-GK1 1.279.947 541

36%

20%

32%

12%

GK5

GK4b

GK4a

GK3-GK1

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KLÄRSCHLAMMENTSORGUNG IN HESSEN

Montag et al., RWTH Aachen (2016)

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ZUSAMMENFASSUNG

Wesentliche Prozesse der Rückgewinnung sind

Rücklösung des Phosphors durch Ansäuerung (mit H2SO4, HCl oder CO2)

Abtrennung der Schwermetalle (mit Sulfiden, Chloriden, Zitronensäure oder organischen Lösungsmitteln)

Fällung der Phosphate (mit NaOH und Calcium- oder Magnesiumverbindungen)

Im Wesentlichen sind die MAP-Verfahren großtechnisch etabliert

wirtschaftlich durch Nutzung der Begleiteffekte

Bessere Entwässerbarkeit

Verhinderung von Struvit-Ausfällungen

Geringere Rückbelastung

Hohe Rückgewinnungsraten bedeuten höheren Aufwand bei Technologie, Betriebsstoffen und Personal

Behandlung bzw. Vermeidung der Reststoffe nicht zu vernachlässigen

SM-Gehalte vor allem bei den in wässrigen Phasen gewonnen Produkten unproblematisch

Erhöhte Gehalte vor allem bei Zink und Kupfer (Spurennährstoffe)

Rückgewinnung ist nur der erste Schritt, bis zur Zulassung als Düngemittel ist es unter Umständen ein weiter Weg (Einhaltung der DüMV)

Durch die Einführung einer GK 4a und 4b wird das Rückgewinnungspotenzial (in Hessen) erheblich eingeschränkt

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Dr. Lars Zeggel

Fraunhofer-Projektgruppe IWKS

Tel.: +49 (0) 6023 32039-858

E-Mail: lars.zeggel@isc.fraunhofer.de