Egidio Vallino, Andreas PodlichIngenieurhydrologie I

Prof. Manfred KochSS 2013

Phosphor – Grundlage für Industrie und Natur

Gliederung (1)Eigenschaften von PhosphorNotwendigkeit von PhosphorNatürlicher PhosphorkreislaufNutzen für den MenschenProblematik des anthropogenen

PhosphorkreislaufZeithorizont

Politische Konflikte

Gliederung (2)Lösungsansätze

Effizienz der PflanzenKlärschlamm

Fazit

Eigenschaften von PhosphorPhosphor kommt in der Natur nur in der

Form von Phosphat oder Phosphatmineralien vor

Phosphate sind die Salze und Ester der ortho-Phosphorsäure H3PO4

Es existieren drei allotrope Hauptmodifikationen: weißer, roter und schwarzer Phosphor

Für alle Organismen ist Phosphor Lebensnotwendig

Notwendigkeit von PhosphorDNA (desoxy-Ribonuclein-Acid)

Besitzt PhosphatresteFungieren als VerbindungsgliederPhosphatrest und Zucker bilden das Rückgrat

der DNA

Notwendigkeit von Phosphor (2)Knochenaufbau

Phosphor sorgt für starke Knochen und gesunde Zähne

Osteoblasten sind in der Lage, Hydroxylapatit (Ca5[OH(PO4)3]) aus Phosphat- und Calcium-Ionen zu erzeugen

Die Knochen des Körperskeletts bestehen aus 50%, Dentin aus 70% und der Zahnschmelz aus 97% Hydroxylapatit

Notwendigkeit von Phosphor (3)ATP (Adenosintriphosphat)

Die aus Stoffwechselvorgängen freigesetzte Energie wird in ATP gebunden

Wechselspiel von ADP und ATP ± Energie

ADP + Phosphat → ATP ΔH = ca. 45 kJ/molATP → ADP + Phosphat ΔH = ca. - 45 kJ/mol

Notwendigkeit von Phosphor (4)Pflanzennährstoff

Phosphor ist ein limitierender NährstoffGebundenes Phosphat nicht

pflanzenverfügbarGelöstes Phosphat (H2PO4

- oder HPO42-) ist

direkt verfügbar

Natürlicher Phosphorkreislauf

Nutzen für den MenschenPhosphat ist ein wichtiger Bestandteil von

Pflanzendünger140 Mio. t/a gefördert (80-90% für

Landwirtschaft)Der Rest für andere Verwendungszwecke,

wie…Treibmittel in BackwarenGeschmacksverstärker in LimonadenWasserbinder in Fleischware…

Problematik des anthropogenen Phosphorkreislaufs

Phosphor Lagerstätte84% der Phosphorreserven in nur 5

LändernWest Sahara 36%China 23%Südafrika 9%Jordanien 9%USA 7%

ZeithorizontPhosphorreserven basierend auf heutigem

Verbrauch:

Förderwürdig: 80 JahreNicht förderwürdig: 250 Jahre

Zeithorizont (2)

Zeithorizont (3)

Politische Konflikte – China (1)Juni 2008 erhängt China einen Ausfuhrzoll

von 135% auf PhosphorPreise stiegen von 80 auf 430 $/tLebensmittelpreise stiegen in die HöheEtwicklungsländer/Schwellenländer

besonders stark betroffen

Politische Konflikte – China (2)

Politische Konflikte - Westsahara (1)Westsahara bis 1975 Kolonie von SpanienNach Abzug Spaniens erhebt Marokko und

Mauritanien Landansprüche und besetzten Westsahara

Bewaffnete Widerstandsbewegung „Frente Polisario“ ruft eigenen Staat aus, die Demokratische Arabische Republik Sahara (DASR)

„Frente Polisario“ erkämpft Teile der Westsahara zurück

Waffenstillstand seit 1991

Politische Konflikte – Westsahara (2)UNO fordert eine Volksabstimmung, die

über die Zukunft der Westsahara entscheiden soll

Bis heute gab es keine AbstimmungNoch unklar wer wahlberechtigt ist

Politische Konflikte – Westsahara (3)

Lösungsansätze

Steigerung der Phosphataufnahme von PflanzenSymbiose Pilz PflanzeMykorrhizapilze bilden ein umhüllendes

Pilzgeflecht und verbessern so die Nährstoffversorgung

Bsp. Kartoffelpflanzen:Der Mineraldüngereinsatz kann so um 50% gesenkt werden

Verbleib des Phosphors auf der Kläranlage

Klärschlamm – Potential

Einsatzart Menge pro Jahr [t/a]

Wirtschaftsdünger (Gülle, Mist) 290.000

Mineralischer Dünger 100.000

Klärschlamm 25.000

415.000

Phosphoreinsatz in der deutschen Landwirtschaft

Aus Abwasser ließen sich in Deutschland ca. 70.000 t Phosphor pro Jahr zurückgewinnen

Air-prex MAP-VerfahrenHerstellung von

Magnesiumammoniumphosphat (MAP / Struvit)

Guter Dünger hohe Pflanzenverfügbarkeit

Geringe Schwermetallgehalte (DüMV)

Air-prex MAP-Verfahren

FazitDer Bedarf an Phosphor nimmt kontinuierlich

zuZiel ist, den Phosphorkreislauf zu schließenTechnologien entwickeln/optimieren für die

Rückgewinnung von PhosphatEffizienz in der Landwirtschaft steigern – z.B.

durch Nutzpflanzen die effizienter mit Phosphat umgehen können

Vegetarische alternativen – für 1 kg Fleisch müssen ca. 10-20 kg Getreide angebaut werden

Weniger Nahrung wegwerfen

Quellen www.census.gov www.phosphorusfutures.net/uploads/images/Peak_P_website.jpg Arte, Dokumentation: Die Phosphorkrise – Ende der Menschheit? www.stonegateagricom.com www.de.wikipedia.org/wiki/Westsahara Prof. Dr. Ing. Johannes Müller-Schaber: Siedlungswasserwirtschaft 04,

Klärschlammbehandlung SS2013: Vorlesungsskript: Stand der Phosphorrückgewinnung www.pcs-consult.de/html/airprex3.html www.lwg.bayern.de/gartentipps/2007/28522/ http://www.uniterra.de/rutherford/ele015.htm Univ.-Prof. Dr.-Ing. F.-B. Frechen. Grundlagen Siedlungswasserwirtschaft Teil 1.

Vorlesungsskript 2012: Wasserparameter. Universität Kassel. Fachgebiet 14 Siedlungswasserwirtschaft

Horst Bayrhuber und Ulrich Kull. Titel: Linder Biologie. Verlag: Schroedel. S.67 http://de.wikipedia.org/wiki/Phosphor http://de.wikipedia.org/wiki/Phosphorfraktion Prof. Dr. Wilfried Probst und Petra Schuchardt. Titel: Duden Abiturwissen Biologie.

Verlag: Paetec http://de.wikipedia.org/wiki/Apatit http://www.geweb.de/OWS/Programm/lerneinheit?lp=2191&s=16 http://www.guidobauersachs.de/oc/nukleo.html

Vielen Danke für Ihre Aufmerksamkeit!