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Fachgebiet Ökologischer Land- & Pflanzenbau Fachgebiet Umweltchemie Fachbereich Ökologische Agrarwissenschaften Universität Kassel Bachelorarbeit Untersuchung ausgewählter Phosphorrück- gewinnungsverfahren Wo liegt das Potenzial für den ökologischen Landbau? im Studiengang Ökologische Landwirtschaft Vorgelegt von: Carlotta Hoffmann (31104674) 1. Betreuer: Prof. Dr. Jürgen Heß 2. Betreuer: Dr. Michael Kaiser Witzenhausen, 23. Juni 2014

Untersuchung ausgewählter Phosphorrück ... · MAP Magnesium-Ammonium-Phosphat mg Milligramm Mg Magnesium MgCl 2 Magnesiumchlorid NAC Neutrales Ammoncitrat NaOH Natronlauge O 2 Sauerstoff

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Fachgebiet Ökologischer Land- & Pflanzenbau

Fachgebiet Umweltchemie

Fachbereich Ökologische Agrarwissenschaften

Universität Kassel

Bachelorarbeit

Untersuchung ausgewählter Phosphorrück-gewinnungsverfahren

Wo liegt das

Potenzial für den ökologischen

Landbau?

im Studiengang Ökologische Landwirtschaft

Vorgelegt von: Carlotta Hoffmann (31104674)

1. Betreuer: Prof. Dr. Jürgen Heß

2. Betreuer: Dr. Michael Kaiser

Witzenhausen, 23. Juni 2014

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Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung und Problemstellung ..........................................................................................1

2 Literaturteil ...........................................................................................................................4

2.1 Rechtliche Bestimmungen zum Einsatz von Düngemitteln im ökologischen Landbau ......4

2.2 Prozesse der Abwasserreinigung ....................................................................................7

2.3 Phosphorrückgewinnung .............................................................................................. 12

3 Material und Methoden ...................................................................................................... 14

4 Untersuchung ausgewählter Recyclingverfahren ............................................................ 16

4.1 Beschreibung der Verfahren ......................................................................................... 16

4.1.1 Seaborne-Verfahren (Gifhorner-Verfahren) ............................................................... 16

4.1.2 ASH DEC-Verfahren ................................................................................................. 18

4.1.3 MEPHREC-Verfahren ............................................................................................... 19

4.1.4 P-RoC-Verfahren ...................................................................................................... 20

4.1.5 AirPrex-Verfahren (Berliner Verfahren) ...................................................................... 21

4.2 Entwicklung der Bewertungskriterien............................................................................. 22

4.3 Bewertung der Verfahren .............................................................................................. 26

4.3.1 Struktur & Komplexität .............................................................................................. 26

4.3.2 Wirtschaftlichkeit ....................................................................................................... 28

4.3.3 Ökologie & Nachhaltigkeit ......................................................................................... 31

4.3.4 Produktqualität .......................................................................................................... 34

4.3.5 Bewertungsübersicht ................................................................................................ 40

5 Diskussion .......................................................................................................................... 41

5.1 Rahmenbedingungen der Diskussion ............................................................................ 41

5.2 Ergebnisse der Kriterien Ökologie & Nachhaltigkeit und Produktqualität ........................ 42

6 Schlussfolgerung und Ausblick ........................................................................................ 48

7 Zusammenfassung ............................................................................................................. 50

Literaturverzeichnis ................................................................................................................... 52

Anhang ....................................................................................................................................... 56

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I

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Fließschema einer Kläranlage (ohne P-Elimination) .................................................7

Abbildung 2: Verfahren der Schlammbehandlung ........................................................................ 11

Abbildung 3: Orte der P-Rückgewinnung ...................................................................................... 12

Abbildung 4: P-Konzentrationen und Rückgewinungspotenzial bezogen auf die Einsatzstelle . 13

Abbildung 5: Seaborne-Verfahren in Gifhorn ................................................................................ 17

Abbildung 6: ASH DEC-Verfahren .................................................................................................. 18

Abbildung 7: MEPHREC-Verfahren ................................................................................................ 20

Abbildung 8: P-RoC-Verfahren ....................................................................................................... 20

Abbildung 9: AirPrex-Verfahren ..................................................................................................... 22

Tabellenverzeichnis

Tabelle 1: Kennzeichnungs- und Grenzwerte für Schadstoffe .......................................................5

Tabelle 2: Schwermetallgehalte der Düngemittel .......................................................................... 39

Tabelle 3: Bewertung der Verfahren............................................................................................... 40

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II

Abkürzungsverzeichnis

a Jahr

AAC Alkalisches Ammoncitrat

Ca Calcium

CaCl2 Calciumchlorid

CAL Calcium-Acetat-Lactat-(Methode)

CO2 Kohlenstoffdioxid

CSH Calcium-Silikat-Hydrat-(Phasen)

DüMV Düngemittelverordnung

g Gramm

H2SO4 Schwefelsäure

KA Kläranlage

kg Kilogramm

KS Klärschlamm

MAP Magnesium-Ammonium-Phosphat

mg Milligramm

Mg Magnesium

MgCl2 Magnesiumchlorid

NAC Neutrales Ammoncitrat

NaOH Natronlauge

O2 Sauerstoff

P Phosphor

SO2 Schwefeldioxid

SSP Single-Superphosphat

t Tonne

TS Trockensubstanz

TSP Triple-Superphosphat

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1 Einleitung und Problemstellung 1

1 Einleitung und Problemstellung

Die Bodenfruchtbarkeit ist die potenzielle Kapazität des Bodens, Nährstoffe für das Pflan-

zenwachstum bereitzustellen (IFOAM 2012). Diese Bodenfruchtbarkeit zu erhalten und zu

fördern durch Maßnahmen wie die Düngung machen die Kernelemente des ökologischen

Landbaus aus. Im Unterschied zur konventionellen Düngung werden bei der ökologischen

die Nährstoffe in erster Linie dem Boden und nicht direkt der Pflanze zugeführt. Ein

fruchtbarer, belebter Boden ist somit die Grundlage einer harmonischen Pflanzenernäh-

rung (BIOLAND 2013).

Diese Prinzipien der ökologischen Düngung gelten international, auf Landesebene und in

jedem Anbauverband. Darüber hinaus versteht sich der ökologische Landbau als nachhal-

tige und ressourcenschonende Landbewirtschaftungsform, die sich zum Ziel setzt, unter

der Nutzung von lokalen Ressourcen einen möglichst geschlossenen Betriebskreislauf,

besonders in Bezug auf Nährstoffe und organische Substanz, zu realisieren (IFOAM

2012).

Eine Intensivierung der landwirtschaftlichen Produktion wird allerdings auch in der ökolo-

gischen Landwirtschaft in zunehmendem Maß angestrebt. Damit geht die Gefahr einer

Aufweichung von deren Grundsätzen und Prinzipien einher. Immer mehr Betriebe wirt-

schaften viehlos und betreiben einen intensiven Marktfruchtanbau. Dadurch werden er-

hebliche Mengen an Nährstoffen aus dem Betrieb exportiert ohne, dass diese in Form von

Wirtschaftsdüngern rückgeführt werden können (RAHMANN ET AL. 2009, MÖLLER &

SCHULTHEIß 2014).

Unter dem Aspekt der fehlenden Nährstoffrückführung ist vor allem die Versorgung der

landwirtschaftlichen Böden unter ökologischer Bewirtschaftung mit dem essenziellen

Makronährstoff Phosphor zunehmend problematisch. Die Hauptquelle für Phosphor ist im

ökologischen Landbau der Wirtschaftsdünger. Fällt dieser auf dem Betrieb nicht an, weil

keine Tiere gehalten werden, muss eine externe Nährstoffzufuhr über zugelassene Dün-

gemittel erfolgen. Ökolandwirte bauen jedoch zuerst, auch wegen des niedrigeren ange-

strebten Ertragsniveaus, auf eine stetige Nachlieferung des Nährstoffs aus dem Boden

aufgrund eines aktiven Bodenlebens und einer guten Bodenfruchtbarkeit (PAULSEN ET AL.

2009). Diese reicht aber häufig nicht aus, zudem besteht die Gefahr des „nutrient mining“1

(NELSON & JANKE 2007). Negative Phosphor-Bilanzen ökologischer Betriebe und ein sin-

kendes Phosphor-Level in vielen ökologisch bewirtschafteten Böden sind die Folge eines

oft unzureichenden Ausgleichs des Nährstoffentzugs infolge der Abfuhr der Ernteprodukte

(RAHMANN ET AL. 2009, ZORN & SCHRÖTER 2013).

1 nutrient mining (engl.) = Nährstoffabbau. Der Rückgang der Nährstoffreserven im Boden durch mangelnde Rückführung.

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1 Einleitung und Problemstellung 2

Bei der Verwendung externer Nährstofflieferanten wird im ökologischen Landbau organi-

schen Handelsdüngern der Vorzug gegenüber Produkten mineralischen Ursprungs gege-

ben. Diese organischen Handelsdünger sind jedoch in ihrer Verfügbarkeit begrenzt, teil-

weise schränkt auch eine Schwermetallbelastung die Verwendung bestimmter Produkte

stark ein (RAHMANN ET AL. 2009). Sie zählen zudem zu den Mehrnährstoffdüngern und

Humuslieferanten und sind deshalb nur eingeschränkt für die Deckung eines spezifischen

Phosphorbedarfs, also zum Ausgleich einer negativen Phosphor-Bilanz, einsetzbar

(KERSCHBERGER & MARKS 2002).

In Ergänzung zu betriebseigenem Wirtschaftsdünger und den oben genannten Produkten

ist außerdem der mineralische Dünger weicherdiges Rohphosphat im ökologischen Land-

bau zugelassen. Auch Thomasphosphat, eine phosphatreiche Schlacke, die als Neben-

produkt der Roheisen- und Stahlerzeugung anfällt, darf generell eingesetzt werden. Durch

den Einsatz phosphatarmer Eisenerze in der Produktion fällt dieses Nebenprodukt jedoch

schon seit Jahren nicht mehr an (STEFFENS ET AL. 2005). Der Verwendung von weicherdi-

gem Rohphosphat ist zudem aus verschiedenen Perspektiven zunehmend kritisch zu be-

trachten. Unter anderem aufgrund der hohen Calcium-Konzentrationen im Produkt sind

die Löslichkeit und damit die Pflanzenverfügbarkeit von Phosphor auf Böden mit einem

pH-Wert über 6 stark begrenzt (STEFFENS ET AL. 2005). Nicht zuletzt wird das Rohphos-

phat aus fossilen Lagerstätten gewonnen, die zur Neige gehen. Bei gleichbleibendem

oder zunehmendem Bedarf dürfte der Preis für diesen Rohstoff deshalb zukünftig steigen

(SARTORIUS & TETTENBORN 2011). Die verbleibenden Rohphosphatreserven sind stärker

mit Schwermetallen belastet. Besonders Cadmium- und Urankonzentrationen sind aus

toxikologischen Gründen bedenklich. Beim Eintrag von Schwermetallen in die Nahrungs-

kette spielen Mineraldünger eine bedeutende Rolle. Mit dem Einsatz von Rohphosphat

trägt die ökologische Landwirtschaft demzufolge nicht nur zur Ausbeutung von fossilen

Rohstofflagerstätten bei, sondern sie riskiert auch eine Akkumulation von Schwermetallen

in ihren landwirtschaftlichen Böden (SCHÜTZE ET AL. 2003, KRATZ & SCHNUG 2005).

Aus ökologischen, aber auch aus ökonomischen Gründen sollte für die Sicherung der

Phosphorversorgung im ökologischen Landbau nach einer weiteren Düngemittelalternati-

ve gesucht werden. Eine Möglichkeit stellen hier die Produkte aus der Phosphorrückge-

winnung aus dem Abwasserreinigungsbetrieb dar. Die Rückführung von Nährstoffen aus

der Nahrungskette, die in den Anfängen des ökologischen Landbaus ein elementarer Be-

standteil der Grundsätze war, ist heute in den Richtlinien nicht zwingend vorgesehen

(PAULSEN ET AL. 2009). Dies spiegelt sich auch in der stark eingeschränkten Zulassung

von organischen Siedlungsabfällen wieder. Die Nutzung von Recyclingdüngemitteln aus

der Kläranlage stellt eine bisher ungenutzte Phosphorquelle für die ökologische Landwirt-

schaft dar.

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1 Einleitung und Problemstellung 3

In dieser Arbeit werden in Anlehnung an diesen Sachverhalt ausgewählte Recyclingver-

fahren und ihre Produkte im Hinblick anhand von in Kapitel 4.2 erarbeiteten Kriterien un-

tersucht. Im Anschluss daran sollen folgende Fragestellungen diskutiert werden:

Welche der ausgewählten Verfahren sind unter ökologischen Gesichtspunkten

empfehlenswert und welche Recyclingprodukte könnten im Rahmen der derzeiti-

gen Richtlinien im ökologischen Landbau zugelassen werden?

Muss die Zulassung evtl. erweitert werden, um die Phosphorversorgung im ökolo-

gischen Landbau langfristig zu sichern und nachhaltiger zu gestalten?

Die Richtlinien und Vorgaben hinsichtlich des Düngemitteleinsatzes im ökologischen

Landbau werden in Kapitel 2.1 beschrieben.

Diese Arbeit will einen Anstoß dazu geben, dass sich die Akteure der ökologischen Land-

wirtschaft eingehender mit dem Thema Phosphorrecycling und der Eignung der erzeugten

Produkte für den Einsatz im ökologischen Landbau beschäftigen. Sie erhebt nicht den

Anspruch, die Problematik der Phosphorversorgung im ökologischen Landbau vollständig

abzubilden.

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2 Literaturteil 4

2 Literaturteil

2.1 Rechtliche Bestimmungen zum Einsatz von Düngemitteln im öko-logischen Landbau

Den rechtlichen Rahmen für die Düngung und den Einsatz von Düngemitteln im ökologi-

schen Landbau bilden die EG-Öko-Basisverordnung Nr. 834/2007 sowie die Durchfüh-

rungsbestimmungen nach EG-Durchführungs-Verordnung Nr. 889/2008.

Sofern der Nährstoffbedarf der Pflanzen durch die in der EG-Öko-Basisverordnung Nr.

843/2007 festgelegten Maßnahmen der pflanzlichen Erzeugung, also vor allem mithilfe

des Einsatzes von betriebseigenem Wirtschaftsdünger tierischen und pflanzlichen Ur-

sprungs, nicht gedeckt werden kann, dürfen im ökologischen Landbau Düngemittel einge-

setzt werden, die im Anhang 1 der Verordnung aufgelistet sind. Die Notwendigkeit solche

Produkte einzusetzen muss durch Analysen belegt werden (EG-

DURCHFÜHRUNGSVERORDNUNG 889/2008).

Die in dem beschränkten Verzeichnis aufgeführten Düngemittel müssen zuerst der in

Deutschland geltenden Düngemittelverordnung (DüMV, Version 2012) entsprechen und

durch sie zugelassen sein. Bei diesen Düngemitteln muss es sich wiederum um einen

durch die EG-Verordnung Nr. 2003/2003 zugelassenen Düngemitteltyp handeln. Außer-

dem kann das Düngemittel auch zugelassen werden, wenn es einem in dieser Verord-

nung zugelassenen Düngemitteltyp oder einem in einem anderen Mitgliedstaat der EU

zugelassenen Düngemittel entspricht.

In der Düngemittelverordnung sind sowohl Kennzeichnungsschwellenwerte für bestimmte

Nährstoffe als auch für Schadstoffe (insbesondere Schwermetalle) festgelegt. Für Letzte-

re sind zudem Grenzwerte vorgegeben. Bezüglich der Schwermetallgehalte gelten nach

der EG-Durchführungs-Verordnung gesonderte Grenzwerte, allerdings nur für „kompos-

tierte bzw. fermentierte Haushaltsabfälle aus einer getrennten Sammlung“. Dies sind z. B.

die Inhalte der Biotonne (MÖLLER & SCHULTHEIß 2014). Die Grenz- und Kennzeichnungs-

werte werden in Tabelle 1 aufgeführt. Bei der Beurteilung der Schwermetallgehalte von

Düngemitteln muss berücksichtigt werden, dass einige dieser Schwermetalle sowohl als

Spurenelement als auch als Schadstoff geführt werden. Kupfer und Zink gehören bei-

spielsweise sogar zu den essenziellen Spurenelementen. Nicht essenziell und potenziell

toxisch sind dagegen die Schwermetalle Cadmium, Blei und Quecksilber (MARSCHNER

1996, zit. in MÖLLER & SCHULTHEIß 2014).

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2 Literaturteil 5

Tabelle 1: Kennzeichnungs- und Grenzwerte für Schadstoffe

Schadstoff

Düngemittelverordnung (DüMV, 2012)

Verordnung (EG) Nr. 889/2008

für ökolog. Landbau

Kennzeichnungswert

in mg/kg TS bzw. wie angege-ben

Grenzwert

in mg/kg TS bzw. wie angegeben

Grenzwert

in mg/kg TS bzw. wie an-gegeben

Arsen (As) 20 40 -

Blei (Pb) 100 150 45

Cadmium (Cd) 1 1,5 0,7

Cadmium

für Düngemittel ab 5 % P2O5

45,8 mg/kg P 114,5 mg/kg P - (206 mg/kg P für

RP)

Chrom (gesamt) 300 - 70

Chrom VI (Cr VI) 1,2 2 0

Nickel (Ni) 40 80 25

Quecksilber (Hg) 0,5 1 0,4

Thallium (Tl) 0,5 1 -

Kupfer (Cu) 0,02 % - 70

Zink (Zn) 0,02 % - 200

Perfluorierte

Tenside 0,05 0,1

(verändert nach: MÖLLER & SCHULTHEIß 2014)

Des Weiteren unterliegt die Zulassung eines Produkts gemäß der EG-Öko-

Basisverordnung den Zielen und Grundsätzen des ökologischen Landbaus. Die Verwen-

dung muss für eine nachhaltige Produktion notwendig sein sowie unerlässlich für die För-

derung und den Erhalt der Bodenfruchtbarkeit oder der Deckung eines speziellen ernäh-

rungsphysiologischen Bedarfs der Pflanzen dienen. Speziell für Düngemittel minerali-

schen Ursprungs ergibt sich weiter die Beschränkung auf schwer lösliche Typen (EG-

ÖKO-BASISVERORDNUNG 2007). Eine Definition von „schwer“ oder „leicht löslich“ wird nicht

angeführt.

Verbandsrichtlinien

Ist ein ökologisch wirtschaftender Betrieb Mitglied in einem der Anbauverbände wie Bio-

land, Demeter oder Naturland, ergeben sich weitere Regelungen für die Verwendung von

Düngemitteln, die durch diese Verbände festgelegt werden. Die Richtlinien der Verbände

basieren auf den Vorgaben der oben genannten EG-Öko-Basisverordnung und der dazu-

gehörigen Durchführungsverordnung Nr. 889/2008 (MÖLLER & SCHULTHEIß 2014).

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2 Literaturteil 6

Zulassungsregelungen für phosphorhaltige Düngemittel

Der Einsatz von leicht löslichen und mittels chemischen Aufschlusses aufbereiteten

Phosphatdüngern, z. B. Superphosphat und Triple-Superphosphat, sowie Klärschlamm

und seinen Aufbereitungsprodukten ist generell unzulässig. Bioabfälle aus der Biotonne,

Bioabfallkompost, Gärprodukte aus Bioabfällen und aus landwirtschaftlichen Biogasanla-

gen sowie Grüngutkompost und bestimmte Nebenprodukte tierischen Ursprungs dürfen

laut der EG-Öko-Basisverordnung verwendet werden, wenn die Unbedenklichkeit hin-

sichtlich Schadstoffen garantiert ist. Die Anbauverbände lassen nur den Einsatz von bio-

genen Zukaufdüngemitteln aus Recyclingströmen auf Grüngutkompost und Gärprodukte

aus landwirtschaftlichen Biogasanlagen unter bestimmten Voraussetzungen zu (MÖLLER

& SCHULTHEIß 2014). Dennoch sind die genannten Produkte, insbesondere Knochenmeh-

le und Grüngutkomposte eine wichtige Phosphatquelle für den ökologischen Landbau.

Knochenmehle zu verwenden haben jedoch von die meisten Verbänden verboten (MÖL-

LER & SCHULTHEIß 2014).

Rohphosphat & Thomasphosphat

Im ökologischen Landbau sind zwei Phosphoreinzeldünger, die in der folgenden Untersu-

chung als Referenzdüngemittel für die Beurteilung der Recyclingdüngemittel dienen kön-

nen, zugelassen.

Das Thomasphosphat, benannt nach seinem Herstellungsprozess, entstand lange Zeit

beim Schmelzaufschluss von Roheisen für die Stahlerzeugung. Die hauptsächliche im

Produkt vorliegende P-Verbindung ist das Kalk-Siliko-Phosphat. Der P-Gehalt liegt zwi-

schen 7 und 8 %. Durch die Verwendung phosphatarmer Eisenerze fällt das Nebenpro-

dukt Thomasphosphat bei der Stahlerzeugung schon seit einiger Zeit nicht mehr an

(SCHILLING 2000).

Die Löslichkeit der enthaltenen P-Verbindungen wird am besten mit der Extraktion in

2 %iger Zitronensäure beschrieben. Der enthaltene Phosphoranteil wird also durch die

Mobilisierungskräfte der Wurzeln in wasserlösliche Formen überführt und somit verfügbar

gemacht. Thomasphosphat wirkt demnach langsamer als herkömmliche, leicht-lösliche P-

Dünger wie Super (SSP)- oder Triple-Superphosphat (SCHEFFER 1965, zit. in SCHICK

2010).

Weicherdiges Rohphosphat enthält hauptsächliche schwer lösliche P-Verbindung Apatit.

Es stammt aus sedimentären oder magmatischen Lagerstätten. Die einzig zugelassene

Behandlung für dieses Produkt ist die feine Vermahlung, diese erzeugt eine größere

Oberfläche so dass die Reaktionsfähigkeit erhöht wird. Der P-Gehalt liegt zwischen 13

und 14 %. Die Löslichkeit des Rohphosphats wird mittels der Extraktion in 2 %iger Amei-

sensäure beschrieben. Für die Verfügbarkeit des enthaltenen Phosphors sind Mobilisie-

rungsprozesse im Boden unerlässlich. Es gilt u. a.: Je niedriger der pH-Wert, desto besser

die Mobilisierung. Der Einsatz empfiehlt sich deshalb nur auf Böden unterhalb von pH 6

(FINCK 1992).

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2 Literaturteil 7

2.2 Prozesse der Abwasserreinigung

Die Abwasserreinigung hat zum Ziel, in erster Linie störende Stoffe aus dem Abwasser zu

entfernen, damit diese nicht zu Belastungen der Gewässer führen, in die das Abwasser

nach der Reinigung eingeleitet wird. Die Eliminierungsprozesse, mit denen die einzelnen

unerwünschten Stoffe aus dem Abwasser entfernt werden, erzeugen Reststoffe wie z. B.

Klärschlamm. Diese Stoffe müssen, gleichzeitig mit der Abwasserreinigung, sicher ent-

sorgt werden, das heißt umweltverträglich und sachgemäß. (GUJER 2007).

In den Abwasserreinigungsanlagen oder Klärwerken macht man sich das Prinzip der na-

türlichen Selbstreinigung der Gewässer zunutze, sie wird optimiert und die Geschwindig-

keit der Prozesse wird erhöht. Zwischen kommunalen und industriellen Anlagen wird un-

terschieden, da die Abwässer aus der Industrie gesondert behandelt werden müssen. In

den kommunalen Kläranlagen werden unterschiedliche Klär- und Reinigungsverfahren

angewendet, die im Folgenden erläutert werden und in Abbildung 1 abgebildet sind.

Abbildung 1: Fließschema einer Kläranlage (ohne P-Elimination) (Quelle: GUJER 2007)

Zunächst erfolgt mittels der mechanischen Reinigung die Entfernung der Grobstoffe aus

dem Abwasser mithilfe von Rechen, Sandfang und Absetzbecken. Nachdem Sand und

Fremdstoffe beseitigt wurden, wird das Abwasser in ein Absetzbecken eingeleitet, wo

Teilchen, die schwerer sind als Wasser, nach unten sinken und leichtere oben schwim-

men (Schwebstoffe). Die abgesetzten Teilchen bilden den sogenannten Primärschlamm

oder Vorklärschlamm, die Schwebstoffe und die gelösten Stoffe werden zur biologischen

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2 Literaturteil 8

Reinigung weitergeleitet. Der Primärschlamm muss zeitig aus dem Absetzbecken heraus-

gezogen und der Schlammbehandlung zugeführt werden, damit im Becken keine Faulung

einsetzt (LESCHBER & LOLL 1996).

Die biologische Reinigung des Abwassers ergänzt die mechanische Reinigung, indem

hier auch die nach der Vorklärung noch vorhandenen unerwünschten Stoffe entfernt wer-

den. Die Abbaurate dieser Stoffe beträgt ca. 90 bis 98 %. In der biologischen Abwasser-

reinigung wird das Wachstum von Bakterien im Abwasser gefördert, da diese maßgeblich

an der Stoffumwandlung in für die Gewässer harmlose Verbindungen beteiligt sind.

Es werden zwei Hauptverfahren unterschieden: das Tropfkörperverfahren und das Be-

lebtschlammverfahren. Letzteres hat in den Industrieländern heute die größte Bedeutung

(GUJER 2007). Das Tropfkörperverfahren wird deswegen im Folgenden nicht weiter be-

schrieben.

Die Entfernung bzw. Umwandlung von Stoffverbindungen im Belebtschlammverfahren

erfolgt, indem das vorgeklärte Abwasser in einem Belebungsbecken belüftet wird. So

können vorhandene Bakterien mithilfe des zugegebenen Sauerstoffs die gelösten Stoffe

aufnehmen und in ihre Körpermasse einbauen. Außerdem mischt die Belüftung das Ab-

wasser und den Belebtschlamm. Die Mikroorganismen aggregieren zu Schlammflocken,

die sich im Nachklärbecken absetzen und dort den Belebtschlamm bilden. Durch Sedi-

mentation wird der Schlamm vom Abwasser abgetrennt. Dieses ist nun gereinigt und wird

in den Vorfluter oder direkt in ein natürliches Gewässer eingeleitet.

Der Schlamm wird als Rücklaufschlamm stetig wieder in das Belebungsbecken geleitet,

da die enthaltenen Bakterien dort zur Reinigung beitragen. Die Menge des Schlamms

nimmt durch die ständige Vermehrung der Bakterien zu. In der Regel wird der Anteil des

Schlamms, der nicht im Belebungsbecken gebraucht wird, als Sekundär- oder Über-

schussschlamm der Schlammbehandlung zugeführt (GUJER 2007, SCHULTHEIß ET AL.

2007).

In verschiedenen Kläranlagen werden unterschiedliche Bauweisen für die beschriebenen

Reinigungsvorgänge verwendet, das Prinzip ist jedoch jeweils gleich (FELBER & FISCHER

2010, GUJER 2007).

Phosphorelimination

Phosphor gelangt über die menschlichen Ausscheidungen, Nahrungsmittelreste und

Wasch- und Reinigungsmittel in das Abwasser. Die Entfernung von Phosphor aus dem

Abwasser im Zuge des Reinigungsprozesses in einer Kläranlage ist für Kläranlagen ab

einer Ausbaugröße von 500 Einwohnerwerten vorgeschrieben. Die Phosphorkonzentrati-

on im Ablauf dieser Kläranlage ist durch die Kommunale Abwasserrichtlinie der EU

(91/271) begrenzt. In Abhängigkeit von der Anlagengröße gilt ein Grenzwert der Phos-

phorkonzentration von < 1 bis max. 2 mg Pges pro Liter (EGLE ET AL. 2014). In Deutschland

müssen damit 75 % der Kläranlagen einen Wert von 1 mg Pges und 20 % sogar einen Wert

unter 1 mg Pges einhalten. Diese Begrenzung dient dem Schutz der Fließ- und Standge-

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2 Literaturteil 9

wässer, in die das Abwasser eingeleitet wird. Kommunale Kläranlagen sind zu einem

Viertel am Gesamtphosphoreintrag in Oberflächengewässern beteiligt, rund 70 % der Ein-

träge verursachen die Landwirtschaft und die Erosion (PINNEKAMP ET AL. 2007).

Die Phosphorelimination aus dem Abwasser ist nicht, wie bei Stickstoff, über die gasför-

mige Komponente möglich, sondern erfolgt über die festen Partikel im Schlamm. Auch

ohne nachgeschaltete oder integrierte Eliminationsprozesse wird ein Teil des Phosphors

im Laufe der Abwasserreinigung entfernt. Die Effizienz lässt sich steigern, indem gezielte

Verfahren eingesetzt werden, die im Folgenden näher erläutert werden.

Generell lassen sich die Verfahren der P-Entfernung aus dem Abwasser in zwei Katego-

rien einteilen, zum einen gibt es eine chemische, zum anderen eine biologische Eliminati-

on. Diese Verfahren werden einzeln, aber auch in Kombination durchgeführt (GUJER

2007).

Die chemische P-Elimination verläuft in zwei Stufen: Zuerst erfolgt die Fällung und an-

schließend die Flockung. Bei der Flockung kumulieren die ausgefallenen Flocken zu grö-

ßeren Verbänden und lassen sich abtrennen. Nur die P-Verbindung Orthophosphat kann

durch Fällung entfernt werden. Beim chemischen Prozess der Fällung bilden sich Verbin-

dungen zwischen den Fällmittel-Kationen und den sich im Wasser befindlichen Phosphat-

Ionen, gelöste Stoffe werden in eine unlösliche Form überführt. Als Fällmittel werden Me-

tallsalze eingesetzt, vor allem von Eisen und Aluminium, es entstehen Eisen- oder Alumi-

niumphosphate (BARJENBRUCH & EXNER 2009).

Die Phosphatfällung kann an verschiedenen Stellen im Prozess der Abwasserreinigung

eingesetzt werden, in der Regel werden drei Fällungsverfahren unterschieden (FELBER &

FISCHER 2010):

Vorfällung

Die Fällmittel werden in der Vorklärung hinzugefügt, dadurch wird die Reinigungs-

leistung der Vorklärung maßgeblich verbessert. Vorteilhaft ist, dass die Fällung in

den baulichen Aufbau der Anlage integriert werden kann, somit keine zusätzlichen

Investitionen nötig sind.

Simultanfällung

Hier werden die Fällmittel im Belebungsbecken oder im Rücklauf des Beckens

eingesetzt. Die Fällung findet gleichzeitig mit dem Abbau der anderen Stoffe im

Abwasser statt. Auch hier sind keine zusätzlichen baulichen Veränderungen und

damit einhergehenden Investitionen nötig. Es ist allerdings sicherzustellen, dass

der Fällmitteleinsatz den Abbau der anderen Stoffverbindungen nicht behindert.

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2 Literaturteil 10

Nachfällung

Die Nachfällung wird auch als die dritte Reinigungsstufe der Kläranlage bezeich-

net, da sie im Grunde ein nachgeschalteter zusätzlicher Prozess ist. Hierfür sind

bauliche Ergänzungen der Anlage nötig; damit fallen auch Investitionskosten an.

Zusätzlich existiert die Flockungsfiltration, die ergänzend zur Vor- und Simultanfällung

durchgeführt wird und ähnlich wie die Nachfällung eine eigenständige Prozessstufe dar-

stellt. Die eingesetzten Fällmittel sind ebenfalls Eisen- oder Aluminiumverbindungen, es

werden auch zusätzliche Flockungshilfsmittel verwendet. In Kombination mit der Simultan-

fällung ist dies die in Deutschland bevorzugte P-Eliminationsmethode, um geringe P-

Gehalte im Ablauf zu realisieren.

Bei der Nachfällung und der Flockungsfiltration (als Ergänzung zu Vor- oder Simultanfäl-

lung) werden die besten Ergebnisse für die P-Elimination erzielt (BARJENBRUCH & EXNER

2009).

Im Gegensatz zur chemischen Phosphatfällung, bei der eine große Menge von Fällmitteln

zum Einsatz kommen muss und zudem zusätzliche Schlammmasse entsteht, werden bei

der biologischen P-Elimination die ohnehin im Abwasser enthaltenen Stoffe verwendet

und der zusätzliche Schlammanfall ist geringer.

Im Abwasser sind, wie bereits oben dargestellt, Bakterien vorhanden, die Phosphate in

ihrer Körpermasse einlagern können. Es gilt also bei der biologischen P-Elimination, diese

Bakterien zu züchten und vom Abwasser zu trennen, sobald sie größere Mengen an P

gespeichert haben. Der Vorgang verläuft in zwei Phasen: obligat aerobe, phosphatanrei-

chernde Bakterien bauen unter anaeroben Bedingungen organisches Substrat aus dem

Abwasser ein; als Energiequelle dient ihnen ihr Polyphosphatspeicher. Sie haben hiermit

den Vorteil, ihre Biomasse auch unter anaeroben Bedingungen vermehren zu können.

Wird der Speicher abgebaut, wird Phosphat (PO43-) freigesetzt. Nachfolgend wird unter

aeroben Bedingungen der Polyphosphatspeicher mit der Aufnahme eben dieses freige-

setzten Phosphats wieder aufgefüllt. Dies geschieht allerdings zu einem höheren Maß, als

zum bloßen Stoffwechsel nötig wäre. Im Endeffekt werden also mehr Phosphate aus dem

Abwasser in die Biomasse der Bakterien eingebaut. Die phosphorreichen Bakterien kön-

nen als Schlamm dem Abwasser entzogen werden oder dem Prozess erneut zugeführt

werden, um die Phosphor-Entfernungsrate zu erhöhen (BARJENBRUCH & EXNER 2009,

GUJER 2007).

Der im Zuge der P-Elimination anfallende Schlamm wird als Tertiärschlamm bezeichnet

und meist zusammen mit den Schlämmen aus den anderen Reinigungsstufen der an-

schließenden Schlammbehandlung unterzogen (WIECHMANN ET AL. 2012).

Schlammbehandlung

Im Schlamm, der an den verschiedenen Stellen in der Abwasserreinigung anfällt, befindet

sich ein Großteil der vormals im Abwasser enthaltenen Nähr- und Schadstoffe.

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2 Literaturteil 11

Er ist in seiner Zusammensetzung unterschiedlich. In Abhängigkeit von der Zusammen-

setzung der Zulauffracht der Kläranlage, der anschließend ablaufenden Reinigungspro-

zesse und der in diesen Prozessen eingesetzten Zusatzstoffe bildet sich ein Stoffgemisch,

das in seiner Art und Beschaffenheit variiert (LESCHBER & LOLL, 1996).

Klärschlamm definiert sich laut Klärschlammverordnung (AbfKlärV, 1992) als „der bei der

Behandlung von Abwasser in Abwasserbehandlungsanlagen einschließlich zugehöriger

Anlagen zur weitergehenden Abwasserreinigung anfallende Schlamm, auch entwässert

oder getrocknet oder in sonstiger Form behandelt“, ebenso werden Klärschlammgemi-

sche und -komposte als Klärschlamm betitelt. Der Terminus Rohschlamm ist im Gegen-

satz nur für unbehandelten Schlamm zu verwenden, wobei die Entwässerung des

Schlamms nicht als Behandlung gilt (ABFKLÄRV 1992).

Die Schlammbehandlung dient der Aufbereitung des Rohschlamms für die anschließende

landwirtschaftliche Nutzung oder die Lagerung in einer Deponie. Die Verfahren konzent-

rieren sich darauf, die Eigenschaften des Schlamms zu verändern. Der Schadstoffgehalt,

der durch die Aufkonzentrierung der Stoffe im Schlamm im Zuge der Abwasserreinigung

entsteht, wird dabei nicht reduziert. Zu den Verfahren der Schlammbehandlung gehören:

die Eindickung, die Hygienisierung, die biologische Stabilisierung, die Entwässerung, die

Trocknung und die Verbrennung (siehe Abbildung 2) (GUJER 2007).

Abbildung 2: Verfahren der Schlammbehandlung (Quelle: GUJER 2007)

Page 16: Untersuchung ausgewählter Phosphorrück ... · MAP Magnesium-Ammonium-Phosphat mg Milligramm Mg Magnesium MgCl 2 Magnesiumchlorid NAC Neutrales Ammoncitrat NaOH Natronlauge O 2 Sauerstoff

2 Literaturteil 12

2.3 Phosphorrückgewinnung

Neben der direkten Ausbringung von Klärschlamm auf landwirtschaftlichen Flächen eig-

nen sich für die Nutzung des Phosphorpotenzials der Stoffströme einer Kläranlage ver-

schiedene Phosphorrückgewinnungsverfahren.

Die jährlich auf kommunalen Kläranlagen anfallende Phosphormenge, die für die Rück-

gewinnung zur Verfügung steht, beträgt ca. 54 200 t. Pro angeschlossenem Einwohner

gelangen rund 1,9 g P pro Tag in das Abwasser (EVERDING 2011, WIECHMANN ET AL.

2012).

Das P-Recycling setzt an unterschiedlichen Orten in der Kläranlage an, diese sind in Ab-

bildung 3 dargestellt.

Abbildung 3: Orte der P-Rückgewinnung (Quelle: VON HORN ET AL. 2010)

Zu unterscheiden sind diese vier Ausgangssubstrate: Abwasser im Ablauf, Schlammwas-

ser, Klärschlamm und Klärschlammasche. Dort liegen die Phosphorverbindungen jeweils

in unterschiedlicher Form vor. Darüber hinaus unterscheiden sich der zu bearbeitende

Volumenstrom und das jeweilige Rückgewinnungspotenzial bezogen auf die Zulauffracht.

Dies wird aus folgender Abbildung 4 ersichtlich.

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2 Literaturteil 13

Abbildung 4: P-Konzentrationen und Rückgewinungspotenzial bezogen auf die Einsatzstelle

(Quelle: PINNEKAMP ET AL. 2007)

Das Rückgewinnungspotenzial des einzelnen Verfahrens ist zunächst abhängig von der

P-Konzentration im Ausgangssubstrat. In der Klärschlammasche ist die Konzentration am

höchsten, da die gesamte Stoffmasse gering ist. Im Kläranlagenablauf ist der Stoffstrom

groß, was einen verdünnenden Effekt auf die enthaltenen Stoffe hat.

Teilweise ergeben sich durch die Einsatzorte zudem bestimmte Anforderungen für ein

erfolgreiches P-Recycling. So muss für die Rückgewinnung aus der wässrigen Phase und

aus Klärschlamm, sofern keine gesonderte Rücklösung des Phosphors erfolgt, eine biolo-

gische P-Elimination im Vorfeld auf der Kläranlage stattgefunden haben. Andernfalls lie-

gen im Fäll- oder Kristallisationsprodukt Verbindungen aus den metallischen Fällmitteln

und Phosphor vor. Diese sind aber als Düngemittel in der Regel ungeeignet, da die P-

Fraktionen im Boden schwer löslich und damit schlecht pflanzenverfügbar sind (RÖMER

2013). Die biologische P-Elimination erzeugt zudem ausreichend hohe Phosphorkonzent-

rationen im Ausgangssubstrat, dies ist die Voraussetzung für eine hohe Rückgewinnungs-

rate dieser Verfahren (EGLE ET AL. 2014).

Für die Rückgewinnung des Phosphors aus der Klärschlammasche muss die Verbren-

nung des Klärschlamms im Monoverfahren vollzogen worden sein. Während die Rückge-

winnungsverfahren aus der flüssigen Phase oder dem Schlamm meist an den Kläranla-

genstandort gebunden sind, kann die Rückgewinnung aus Asche an zentralen Standorten

bzw. am Ort der Verbrennung erfolgen (EGLE ET AL. 2014).

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3 Material und Methoden 14

3 Material und Methoden

Literaturrecherche

Der Bearbeitung der Fragestellung der vorliegenden Arbeit ging eine Literaturrecherche

im Internet und in der Universitätsbibliothek Kassel über das Rechercheportal "Karla II"

voraus. Im Bibliothekskatalog ist zudem die Metasuchmaschine „EBSCO Discovery Ser-

vice“ integriert, die auf weitere Kataloge und Datenbanken zugreift. Es wurden allgemeine

und spezifische Suchbegriffe verwendet, u. a. „Phosphor", „Phosphorrecycling", „Phos-

phorrückgewinnungsverfahren“, „Seaborne-Verfahren“, „Düngewirkung von Phosphorre-

cyclingprodukten“.

Allgemeine Literatur zum Thema Pflanzenernährung mit Bezug zu Phosphor oder Abwas-

serreinigung fand sich meist in Buchform und war entweder in der Bibliothek vor Ort ver-

fügbar oder konnte bestellt werden. Aktuellere Literatur zu den spezifischeren Themen

war unter anderem als Aufsatz in Zeitschriften veröffentlicht, die online über den Server

der Universität abrufbar waren. Sofern die Zeitschriften im Bestand der Bibliothek in

Witzenhausen vorhanden waren, konnten auch Kopien erstellt werden Darüber hinaus

konnten Kopien der jeweiligen Artikel aus anderen Beständen der Bibliothek angefordert

werden.

Veröffentlichte Forschungsabschlussberichte konnten ebenfalls im PDF-Format über den

Universitätsserver bezogen werden. Des Weiteren wurden auch Publikationen von Mini-

sterien, Ämtern oder Forschungsinstituten über das Internet recherchiert und im PDF-

Format heruntergeladen.

Zusätzlich wurden Ansprechpartner von u. a. der Universität Hohenheim und der Universi-

tät für Bodenkultur Wien oder Institutionen wie z. B. dem Julius Kühn- oder dem

von Thünen-Institut kontaktiert, die durch Internetrecherche mit dem Thema der Arbeit in

Verbindung gebracht werden konnten. Einige von ihnen stellten weitere Materialien, zum

Beispiel Zeitschriftenaufsätze oder andere wissenschaftliche Publikationen, sowie Präsen-

tationen von Vorträgen zur Verfügung. Ergänzend wurde ein Telefoninterview mit einem

Berater des Anbauverbands Bioland geführt.

Auswahl der Recyclingverfahren

Für die Untersuchung von Recyclingverfahren und den dazugehörigen Produkten anhand

von im Folgenden beschriebenen Kriterien wurden fünf Phosphorrückgewinnungsverfah-

ren ausgewählt.

Weltweit existiert bereits eine große Anzahl an Verfahren zur Rückgewinnung von Phos-

phor aus Abfallstoffen, insbesondere aus den Stoffströmen der Kläranlage. Um eine erste

Eingrenzung für die Auswahl vorzunehmen, wurden deswegen nur Verfahren aus dem

deutschsprachigen Raum weiter betrachtet, also aus Deutschland, Österreich und der

Schweiz. Das zweite Auswahlkriterium gilt dem Entwicklungsstand der Verfahren. Sie

durchlaufen bei ihrer Entwicklung Stufen vom Labor- bis zum großtechnischen Produkti-

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3 Material und Methoden 15

onsmaßstab, sodass sich die verschiedenen Rückgewinnungsverfahren zurzeit in sehr

unterschiedlichen Stadien befinden. Für die Untersuchung kamen nur solche in Frage, die

bereits im großtechnischen- oder zumindest im Pilotmaßstab erprobt werden. Zu diesen

Verfahren war entsprechend viel Literatur verfügbar, sodass eine fundierte Informations-

basis für die Bewertung der einzelnen Technologien vorlag. Die Verfügbarkeit von ausrei-

chend Literatur war ein drittes Auswahlkriterium.

Zwei Verfahren wurden jedoch trotz ihres niedrigeren Entwicklungsstands ausgewählt.

Dies stand mit dem vierten Auswahlkriterium in Zusammenhang. So sollten in der Unter-

suchung möglichst auch alle Ansatzstellen für die Rückgewinnung von Phosphor aus dem

Abwasserreinigungsprozess abgebildet werden. Es wurde also zu jeder Einsatzstelle auf

der Kläranlage bzw. des nachgelagerten Bereichs ein Verfahren ausgewählt. Die Grund-

lagen und Ansatzorte des Phosphorrecyclings wurden in Kapitel 2.3 weitergehend erläu-

tert.

Für die Untersuchung ausgewählt wurden letztlich:

das AirPrex-Verfahren (Berliner Verfahren),

das P-RoC-Verfahren,

das Seaborne-Verfahren (Gifhorner Verfahren),

das ASH DEC-Verfahren und

das MEPHREC-Verfahren

Bewertungskriterien

Für die Untersuchung der ausgewählten Recyclingverfahren und ihrer Produkte wurden

Kriterien entwickelt mit deren Hilfe diese vergleichend bewertet und charakterisiert werden

konnten. Diese Bewertung soll die Grundlage sein, für die im Anschluss folgende Diskus-

sion über die Eignung der neuen Düngemittel für den Einsatz im Ökologischen Landbau,

zunächst wurde jedoch nach allgemeinen bzw. konventionellen Maßstäben bewertet.

Die Kriterien werden in Kapitel 4.2 weitergehend erläutert.

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4 Untersuchung ausgewählter Recyclingverfahren 16

4 Untersuchung ausgewählter Recyclingverfahren

4.1 Beschreibung der Verfahren

4.1.1 Seaborne-Verfahren (Gifhorner-Verfahren)2

Das Seaborne-Verfahren zur Phosphorrückgewinnung aus Klärschlamm, genauer Faul-

schlamm, wurde vom 1993 gegründeten Unternehmen Seaborne EPM AG entwickelt und

2000 auf einer halbtechnischen Versuchsanlage in Owschlag (Schleswig Holstein) instal-

liert (HERMANN 2009). Im Jahr 2006 wurde eine großtechnische Anlage in Gifhorn (Nie-

dersachsen) in Betrieb genommen. Das ursprünglich sehr umfangreiche Seaborne-

Verfahren wurde für die Implementierung in der Gifhorner Kläranlage stark vereinfacht um

eine wirtschaftliche Durchführung zu ermöglichen (VON HORN ET AL. 2010). Das Verfahren

wird deswegen mittlerweile auch Gifhorner-Verfahren genannt (HERMANUSSEN ET AL.

2012). Begleitet wurde die Integration der Technologie in der Kläranlage seit 2004 von

den Instituten für Siedlungswasserwirtschaft der Leibniz Universität Hannover und der TU

Braunschweig, sowie der PFI Planungsgemeinschaft Hannover, eine finanzielle Förde-

rung kam vom niedersächsischen Umweltministerium. Die Kläranlage Gifhorn verfügt über

eine biologische Phosphor-Elimination in Kombination mit simultaner chemischer Fällung

und ist ausgelegt auf 50 000 angeschlossene Einwohner (HERMANUSSEN ET AL. 2012).

Der mehrstufige Ablauf des ursprünglichen Seaborne-Verfahrens verhält sich folgender-

maßen: In der Extraktionsstufe wird der pH-Wert des in der Kläranlage anfallenden Aus-

gangssubstrats Faulschlamm durch die Zugabe von Schwefelsäure stark abgesenkt. Dies

hat zur Folge, dass der im Schlamm enthaltene Phosphor in Lösung geht. Je weiter der

pH-Wert abgesenkt wird, desto mehr Phosphor wird gelöst, sodass bei pH 2 eine Quote

von bis zu 95 % erreicht werden. Auch Stickstoff und einige (Schwer)-Metalle gehen in

Lösung, für andere muss Wasserstoffperoxid hinzugefügt werden (BAYERLE 2009). Eine

Zentrifuge trennt daraufhin, unter Einsatz von Flockungsmitteln, die flüssigen von den

restlichen festen Bestandteilen, letztere sind hauptsächlich organische Verbindungen, die

dann abgetrennt, getrocknet und verbrannt werden. In der flüssigen Phase liegen nun

gelöste Nährstoff- und Schwermetallionen vor. Um die Schwermetalle ganz zu entfernen,

wird zuerst Natronlauge (NaOH) für die pH-Wert-Anhebung und dann Natriumsulfid

(Na2S) hinzugefügt. Es fallen Metallsulfide aus, die anschließend herausgefiltert werden

können (HERMANUSSEN ET AL. 2012).

Schließlich wird der noch enthaltene Phosphor ebenfalls durch Fällung abgeschieden.

Dazu wird der pH-Wert erneut durch die Zugabe von Natronlauge erhöht und Magnesi-

umhydroxid oder Magnesiumoxid hinzugegeben. Das Fällungsprodukt Magnesium-

Ammonium-Phosphat (MAP) ist zu ca. 90 % fein amorph und zu 10 % kristallin, aber in

2 Im Folgenden der Lesbarkeit halber „Seaborne-Verfahren“ genannt.

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4 Untersuchung ausgewählter Recyclingverfahren 17

der Zusammensetzung abhängig von dem Ablauf der Extraktionsstufe und der Schwer-

metallabtrennung. Neben MAP fallen auch Calciumphosphate aus (BAYERLE 2009).

Nach einer weiteren pH-Wert-Anhebung erfolgt eine Ammoniakstrippung, um auch den

noch im Schlamm vorhandenen Stickstoff zurückzugewinnen. Das bei der Strippung ent-

stehende Gas Ammoniak wird durch eine Waschlösung aus Schwefelsäure aufgenom-

men, es bildet sich eine Diammoniumsulfatlösung ((NH4)2SO4), die ebenfalls als Dünger

verwendet werden kann (HERMANUSSEN ET AL. 2012).

Wegen prozesstechnischer Probleme bei der Durchführung des Verfahrens auf der Klär-

anlage in Gifhorn wurde die Anlage eine Zeit lang im Dauerbetrieb bei pH 5 gefahren und

auf eine gesonderte Schwermetallelimination durch Zugabe von Chemikalien sowie auf

die Ammoniakstrippung verzichtet. Dadurch senkt sich der Rückgewinnungsgrad für

Phosphor auf 40 bis 50 %, zudem fällt ein Teil des Phosphors als Eisenphosphat aus

(BAYERLE 2009, HERMANUSSEN ET AL. 2012). Diese Modifikationen waren aus wirtschaftli-

chen Gründen notwendig, da der umfangreiche Chemikalieneinsatz zu hohe Kosten ver-

ursacht (BAYERLE 2009). Das Schema des Verfahrens ist in Abbildung 5 dargestellt.

Mithilfe weiterer Optimierungen konnte der pH-Wert in der Extraktionsstufe auf 3,8 abge-

senkt werden, sodass wieder mehr Phosphor in Lösung geht. Trotzdem ist der Säurever-

brauch noch immer geringer als im ursprünglichen Prozess. Durch die Zugabe von Na2S

und NaOH finden eine sulfidische Eisenfällung und eine Anhebung des pH-Werts statt,

das Eisen kann so abgeschieden werden. Anschließend wird durch weitere pH-Wert-

Anhebung der Phosphor mittels Magnesium und Calciumionen ausgefällt. Einige Proble-

me der Prozessführung konnten auf diese Weise gelöst werden (MÜLLER-SCHAPER ET AL.

2012).

Abbildung 5: Seaborne-Verfahren in Gifhorn (Quelle: MÜLLER-SCHAPER ET AL. 2012)

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4 Untersuchung ausgewählter Recyclingverfahren 18

4.1.2 ASH DEC-Verfahren

Beim Rückgewinnungsverfahren der österreichischen Firma ASH DEC Umwelt AG wird

der Phosphor mittels eines thermochemischen Prozesses aus Klärschlammasche gewon-

nen. Das Verfahren wurde im Rahmen des EU-Projekts SUSAN (Sustainable and Safe

Re-use of Municipal Sewage Sludge for Nutrient Recovery), das von 2004 bis 2011 lief,

unter der hauptsächlichen Mitarbeit der Bundesanstalt für Materialforschung und –prüfung

(BAM) entwickelt und optimiert (ADAM 2009). In Abbildung 6 ist das Verfahrensschema

dargestellt.

Abbildung 6: ASH DEC-Verfahren (Quelle: HERMANN 2009)

In dem Verfahren wird Klärschlammasche aus der Monoverbrennung (alleinige Verbren-

nung von Klärschlamm) Magnesium (MgCl2)- oder Calciumchlorid (CaCl2) hinzugefügt,

das Gemisch wird pelletiert und in einem Drehrohrofen bei 800 bis 1000 °C behandelt

(ADAM 2009). Getestet wurde das Verfahren in verschiedenen Maßstäben in der BAM

(labor- und halbtechnisch) sowie auf einer Pilotanlage in Leoben (Österreich), die seit

2008 seit der Insolvenz 2010 der ASH DEC Umwelt AG von der Firma Outotec betrieben

wird, die das Unternehmen aufgekauft hat (VON HORN ET AL. 2010). Die Pilotanlage hat

eine Kapazität von 200 bis 300 kg Asche/h (HERMANN 2009). In den hohen Temperaturen

des Ofens reagieren die in der Asche enthaltenen Schwermetalle mit den zugegebenen

Chloriden zu Metallchloriden, die über die Gasphase vom Feststoff separiert und mithilfe

eines Abgasreinigungssystems entsorgt werden können. Gleichzeitig bilden sich neue

mineralische P-Verbindungen, wie z. B. Calcium- und Magnesiumphosphate, mit einer

höheren Pflanzenverfügbarkeit als im Ausgangssubstrat. Die Entfrachtungsrate der

Schwermetalle hängt stark von der eingesetzten Temperatur im Drehrohrofen ab und er-

reicht bei 1000 °C 90 % für Cadmium, Kupfer, Zink und Blei, sowie 70 % für Molybdän

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4 Untersuchung ausgewählter Recyclingverfahren 19

und Zinn. Für ein Kilo Asche müssen dazu ca. 50 bis 150 g Chlorid eingesetzt werden.

Der Prozess zeichnet sich durch Schnelligkeit aus (ADAM 2009).

Ein Großteil der Asche wird als P-reiches Granulat ausgetragen. Versetzt mit weiteren

Nährstoffen wurde das Verfahrensprodukt als Mehrnährstoffdünger (PhosKraft®) in pelle-

tierter Form in 2008 in Deutschland als Düngemittel zugelassen und wird seit dem ver-

marktet (HERMANN 2009). Im Laufe des EU-Projekts wurde das Verfahren hinsichtlich

ökonomischer, ökologischer und agronomischer Faktoren von verschiedenen Institutionen

untersucht und bewertet. Die Ergebnisse werden in der folgenden Bewertung aufgegrif-

fen.

Eine großtechnische Umsetzung war in Altenstadt (Deutschland) geplant (HERMANN

2009), konnte jedoch bislang aufgrund finanzieller Schwierigkeiten nicht umgesetzt wer-

den.

4.1.3 MEPHREC-Verfahren

Das MEPHREC-Verfahren ist ein metallurgisches Verfahren zur Rückgewinnung von

Phosphor aus nassem und getrocknetem Klärschlamm oder Klärschlammasche aus der

Monoverbrennung. Es wurde vom Ingenieurbüro für Gießereitechnik ingitec® in Leipzig

entwickelt. Neben den genannten Einsatzstoffen kann auch Tiermehl verwendet werden.

Die gleichzeitige energetische Nutzung sowie die Vielfalt der Einsatzstoffe machen das

Alleinstellungsmerkmal des Verfahrens aus. Je nachdem welche Rahmenbedingungen

am Standort, an dem das Verfahren integriert wird, gegeben sind, ist eine Erzeugung ei-

nes Düngers mit einem P-Gehalt von 1,7 bis 5 % bei maximaler Energiegewinnung oder

bis zu 8,7 % bei geringerer Energiegewinnung möglich (HERMANN 2009). Das Verfahren

wurde in einer Pilotanlage der TU Freiberg getestet. Abbildung 7 stellt das Verfahren dar.

Im MEPHREC-Reaktor werden die Ausgangsstoffe in Form von Briketts mithilfe von Gas

aufgeheizt. Dadurch werden die organischen Bestandteile ausgegast. Im tieferen Bereich

des Reaktors werden bei der Schmelzvergasung Temperaturen erreicht, die die minerali-

schen Fraktionen schmelzen lassen (SCHEIDIG ET AL. 2011). Es entsteht eine flüssige

Schlacke, die abgestochen wird und im Wasserbad zu Granulat erstarrt. Die Schwerme-

talle bilden eine Metalllegierung, die getrennt abgestochen werden kann. Die Briketts

müssen einen Mindestanteil von 15 % vom kohlenstoffhaltigen Brennstoff Koks enthalten

damit der Schmelzvorgang reibungslos abläuft. Die Prozesse in diesem Verfahren ähneln

u. a. denen der Roheisen-Erzeugung im Hochofen (Nebenprodukt Thomasphosphat)

(SCHEIDIG ET AL. 2011).

Das entstehende Produkt ist eine Calcium-Silikophosphat-Schlacke, die feinvermahlen als

Düngemittel verwendet werden kann. Auch die Eigenschaften des Produktes des ME-

PHREC-Verfahrens ähneln dem des früher erzeugten Thomasphosphat (SCHEIDIG

2009a).

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4 Untersuchung ausgewählter Recyclingverfahren 20

Beim Schmelzvorgang entsteht ein Brenngas, das nach einer Reinigung zur Energieer-

zeugung genutzt werden kann (SCHEIDIG 2009a).

4.1.4 P-RoC-Verfahren

Das P-RoC-Verfahren (Phosphorus Recovery by Crystallization) wurde im Rahmen eines

Technikprojekts des BMBF-Verbundprojekts „ProPhos Rückgewinnung von Phosphor

aus Abwasser, Klärschlamm und Rückständen thermischer Klärschlammbehandlung“

vom Kompetenzzentrum für Materialfeuchte (CMM) in Karlsruhe entwickelt (EVERDING ET

AL. 2012). Die Rückgewinnung von Phosphat aus dem Abwasser mittels eines Kristallisa-

tionsprozesses wurde erstmals in den Niederlanden erprobt. Das P-RoC-Verfahren beruht

auf diesem, wurde aber mit dem Ziel entwickelt, ohne pH-Wert-Regulierung und den Ein-

satz von Chemikalien auszukommen (BERG & DONNERT 2005). In Abbildung 8 ist das Ver-

fahren dargestellt.

Abbildung 8: P-RoC-Verfahren (Quelle: EHBRECHT ET AL. 2011)

Abbildung 7: MEPHREC-Verfahren (Quelle: HAGSPIEL o. J.)

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4 Untersuchung ausgewählter Recyclingverfahren 21

Beim P-RoC-Verfahren wird gelöstes Phosphat aus dem Abwasser oder aus Prozess-

wässern der Schlammbehandlung (Nebenstrom) mittels Kristallisation an Calcium-Silicat-

Hydrat (CSH)-Phasen eliminiert. Kommen das Schlammwasser und die CSH-Phasen in

Kontakt, setzten letztere Calciumionen frei, sodass die Calciumkonzentration in diesem

Bereich erhöht wird. Dadurch erhöht sich wiederum der pH-Wert der Lösung, was zu einer

Verschiebung des Reaktionsgleichgewichtes zugunsten der Kristallisation von Calciump-

hosphat führt (EHBRECHT ET AL. 2012). Im Laufe der Entwicklung des Verfahrens wurden

verschiedene Kristallisationssubstrate und Reaktortechnologien getestet. Bewährt hat sich

das Rührreaktorverfahren, tobermoritreiche CSH-Phasen konnten die besten Rückgewin-

nungsraten erzielen (BERG ET AL. 2007). Im Rührreaktor werden die CSH-Impfkristalle

zugegeben, die mit Phosphor beladen durch ein Absetzbecken oder Siebung abgetrennt

werden können.

Die Rückgewinnung von Phosphor mittels P-RoC-Verfahren wird sinnvollerweise im Ne-

benstrom, also im Zuge der Schlammbehandlung, wenn Wasser durch die Entwässerung

des Schlamms für die Rückführung in den Abwasserreinigungsprozess anfällt, vorge-

nommen, da hier die Phosphorkonzentrationen höher sind als im Hauptstrom und das

Volumen des Stroms geringer ist (PETZET & CORNEL 2010). Hohe Rückgewinnungsraten

können erzielt werden, wenn P-RoC mit dem Phostrip-Verfahren kombiniert wird. Dies ist

ein biologisches P-Eliminationsverfahren, welches im Unterschied zu anderen Bio-P-

Verfahren zum Teil am Rücklaufschlammkreislauf, dem Nebenstrom der Kläranlage, an-

setzt, sodass ein geringeres Massenvolumen zu behandeln ist. Kern des Verfahrens ist

das sogenannte Stripperbecken; es übernimmt die Funktion eines herkömmlichen

Schlammeindickers für Überschussschlamm. Das im Stripper entstehende und über den

Stripperüberlauf abgezogene Klarwasser bildet nur einen geringen Teil der ursprünglich

im Kläranlagenzulauf bestehenden Fracht (10 bis 30 %), enthält jedoch ca. 50 % des im

Stripper rückgelösten Phosphats (KASCHKA & DONNERT 2002). Mit diesem Stoffstrom kann

der Kristallisationsreaktor des P-RoC-Verfahrens beschickt werden.

In Neuburg (Bayern) betreibt das CMM seit 2011 eine Pilotanlage (EVERDING ET AL. 2012).

Das gewonnene Phosphat kann als Düngemittel, ohne weitere Aufarbeitung eingesetzt

werden; es liegt als Calcium-Phosphat, meist in Form von Hydroxylapatit, vor. Das Pro-

dukt ähnelt somit dem aus Lagerstätten gewonnenen Rohphosphat (BERG ET AL. 2007).

4.1.5 AirPrex-Verfahren (Berliner Verfahren)

Das AirPrex-Verfahren wurde ursprünglich von den Berliner Wasserbetrieben (BWB) als

Ergänzung zur biologischen Phosphorelimination auf der Kläranlage Berlin-

Waßmannsdorf entwickelt. Durch den biologischen Phosphorentfernungsprozess bilden

sich unkontrolliert MAP-Kristalle. Dies führte zu Inkrustationen in Rohrleitungen und

Pumpwerken der Anlage (PINNEKAMP ET AL. 2007). Im Jahr 2001 wurde das Verfahren

zum Patent angemeldet, 2006 übernahm die Hamburger Firma P.C.S. GmbH die Lizenz

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4 Untersuchung ausgewählter Recyclingverfahren 22

für das Patent und vermarktet es seitdem unter dem Namen AirPrex® (VON HORN ET AL.

2010). Dargestellt wird das Verfahren in Abbildung 9.

Abbildung 9: AirPrex-Verfahren (Quelle: www.bwb.de)

Als Ausgangssubstrat für das Verfahren wird der ausgefaulte Schlamm aus dem Faulturm

der Kläranlage verwendet. Mittels CO2-Strippung, durch Belüftung des Faulschlamms,

wird in einem Reaktorsystem der pH-Wert der Substanz angehoben (STUMPF 2007).

Gleichzeitig werden Magnesiumchloride (MgCl2) als Fällmittel hinzugegeben, sodass MAP

kristallin ausfallen (PINNEKAMP ET AL. 2007). Aufgrund der Reduktion der im Schlamm vor-

handenen Phosphationen reduziert sich ebenfalls das Wasserbindevermögen im

Schlamm, es entsteht so eine schon zum Teil entwässerte, stabilere Masse.

Die MAP-Kristalle können durch Siebe, Hydrozyklone oder Zentrifugen abgetrennt wer-

den, im Anschluss werden sie gewaschen und getrocknet. Mittlerweile kommt für die Ab-

trennung ein Airliftreaktor zum Einsatz (STUMPF ET AL. 2009).

Das entstehende Produkt ist als Düngemittel zugelassen (VON HORN ET AL. 2010). Das

Verfahren wird mittlerweile auf mehreren Standorten in Deutschland und Europa betrie-

ben (KABBE 2013).

4.2 Entwicklung der Bewertungskriterien

Struktur & Komplexität

Das Kriterium Struktur & Komplexität umfasst mehrere Parameter für die Einordung der

Verfahren. Zunächst wird der technologische Aufwand bewertet, also welche Prozess-

schritte nötig sind, bis das Endprodukt erzeugt ist. Dies ist wichtig, da die Komplexität

eines Verfahrens Rückschlusse darauf zulässt, welches Potenzial es hat, realisiert zu

werden. Aufwändige Verfahren sind meist mit hohen Kosten verbunden und bei einer

Vielzahl an Prozessschritten ist die Anfälligkeit für Störungen größer (VON HORN ET AL.

2010). Verfahren von geringer Komplexität sind demnach vorzuziehen.

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4 Untersuchung ausgewählter Recyclingverfahren 23

Des Weiteren schließt das Kriterium die Frage ein, ob das Verfahren das Potenzial hat, in

eine bestehende Kläranlage integriert werden zu können bzw. welche zusätzlichen Anfor-

derungen durch das Verfahren an die Abwasserreinigung gestellt werden. Solche Anfor-

derungen können eine bestimmte Phosphorelimination oder Schlammbehandlung sein.

Diese Voraussetzungen sind nicht in allen Kläranlagen in Deutschland gegeben, sodass

eine eingeschränkte Integrationsmöglichkeit in das bestehende Abwasserreinigungssys-

tem negativ zu bewerten ist.

Zur Strukturbewertung gehört auch der heutige Umsetzungsstand des Verfahrens. Ver-

fahren, die bereits heute einen gewissen technischen Stand erreicht haben sind denen

vorzuziehen, die bisher nur im Labor getestet wurden. Denn für letztere können nur ein-

geschränkt Aussagen über die tatsächliche Durchführung in der Großtechnik getroffen

werden.

Wirtschaftlichkeit

Für die Bewertung der Wirtschaftlichkeit eines Verfahrens spielen mehrere Faktoren eine

Rolle. Zunächst sind die Kosten des Verfahrens zu nennen. Ein kostenintensives Verfah-

ren ist erst einmal negativ zu bewerten, da hohe Kosten sich auf den Preis des erzeugten

Düngemittels sowie auf die großtechnische Realisierung auswirken (VON HORN ET AL.

2010). Der Preis ist für die meisten Recyclingprodukte zurzeit noch schwer zu kalkulieren,

dient aber dem direkten Vergleich mit herkömmlichen Düngemitteln (EGLE ET AL. 2014).

Ausschlaggebend für die Wirtschaftlichkeit der Phosphorrückgewinnungsverfahren ist an

erster Stelle die Wettbewerbsfähigkeit im Vergleich zur aus Rohphosphat gewonnenen

und für die Düngemittelherstellung verwendeten Phosphorsäure. Der Preis pro Kilogramm

Phosphor lag 2013 zwischen 1 und 1,50 € (EGLE ET AL. 2014). Auch wenn kein Verfahren

bislang vergleichbar niedrige Preise realisieren konnte, kann eine Annäherung an das

Preisniveau für herkömmlich gewonnen Phosphor bewertet werden.

Für die Wirtschaftlichkeit ist neben den Kosten jedoch auch die Effektivität des Verfahrens

ausschlaggebend. Effektivität bedeutet hier die Phosphorrückgewinnungsrate. Grundsätz-

lich sind also Verfahren positiv zu bewerten, die eine hohe Rate erzielen. Hier muss je-

doch berücksichtigt werden, dass die Effektivität in einem angemessenen Verhältnis zum

Aufwand und den Kosten des Verfahrens stehen sollte. Ein Verfahren, das eine geringe

Rückgewinnung erzielt, gleichzeitig aber einfach durchzuführen und demzufolge leicht

umzusetzen ist, ist demnach nicht unbedingt negativer zu bewerten als ein Verfahren, das

sehr effektiv aber gleichzeitig aufwendig und kostenintensiv ist. Günstig auf die Wirtschaft-

lichkeit eines Verfahrens wirken sich außerdem positive Nebeneffekte der Phosphorrück-

gewinnung auf den Abwasserreinigungsprozess aus, da hier Kosten im Gesamtprozess

eingespart werden können. Des Weiteren fließt in die Bewertung ein, ob eine Zulassung

als Düngemittel erfolgt ist und eine Vermarktung des Produkts bereits stattfindet.

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4 Untersuchung ausgewählter Recyclingverfahren 24

Ökologie und Nachhaltigkeit

Innerhalb dieses Kriteriums werden ökologische Parameter bewertet. Hierzu gehören der

Chemikalieneinsatz, der Energieaufwand und die entstehenden Emissionen sowie die

entstehenden Reststoffe.

Der Ressourcenaufwand für ein Recyclingverfahren sollte so gering wie möglich gehalten

werden, denn sonst wird dem Prinzip des Recyclings (Ressourcenschonung) im Verfah-

ren selber schon entgegengewirkt (VON HORN ET AL. 2010). Da die Bewertung des Verfah-

rens hinsichtlich der Eignung des resultierenden Produkts für die ökologische Landwirt-

schaft erfolgt, lassen sich im Hinblick auf die Nachhaltigkeit der Ressourcennutzung zu-

dem die Prinzipien des Ökologischen Landbauss anführen. Sie sehen eine ökologisch

nachhaltige Wirtschaftsweise und einen verantwortungsvollen Umgang mit Ressourcen

zum Schutz der Umwelt und der Gesundheit vor (IFOAM 2005). Verfahren, die mit gerin-

gem Ressourcenaufwand auskommen, sind zunächst anderen Verfahren vorzuziehen. In

jedem Fall sollten der Einsatz von Energie und/oder Chemikalien und die Effektivität

(Rückgewinnungsrate) in einem angemessenen Verhältnis stehen.

Bei der Durchführung der Prozesse zur Rückgewinnung des Phosphors aus den Stoff-

strömen der Kläranlage treten zudem Emissionen auf, die bei der Betrachtung der Recyc-

lingprodukte aus ökologischer Sicht berücksichtigt werden müssen. Sie teilen sich auf in

gasförmige (CO2 und SO2) und Gewässeremissionen (Schwermetalle) (EGLE ET AL. 2014).

Auch hier sind Verfahren mit geringen Emissionen positiv zu bewerten.

Ebenfalls positiv zu bewerten sind Verfahren, in denen keine weiteren Reststoffe anfallen.

Berücksichtigt werden muss hier jedoch auch, in welcher Form die Reststoffe, die durch

den Abwasserreinigungsprozess entstehen, durch das zusätzliche Rückgewinnungsver-

fahren verändert werden. Sollten sich hier negative Folgen für die Entsorgung dieser

Reststoffe ergeben, ist dies gleichfalls negativ zu bewerten.

Produktqualität

Dieses Kriterium bewertet die Eigenschaften des Recyclingprodukts und seine Eignung

für die Verwendung in der Landwirtschaft. In dieser Arbeit sind hierfür in erster Linie die

Pflanzenverfügbarkeit des Nährstoffs Phosphor und Düngewirkung des Produkts die

maßgeblichen Parameter. Wichtig sind darüber hinaus auch der P-Gehalt des Produkts

sowie die Produktart.

Für die Bewertung von Phosphatdüngern kann nicht der Gesamtnährstoffgehalt zur Be-

wertung herangezogen werden. Die unterschiedlichen P-Dünger enthalten unterschiedlich

gut lösliche und damit verfügbare P-Verbindungen. Um die Pflanzenverfügbarkeit des

Phosphors in einem Düngemittel einschätzen zu können wird daher die Phosphatlöslich-

keit herangezogen. Da die Löslichkeit und Verfügbarkeit aber von vielen verschiedenen

Faktoren abhängt, können die so ermittelten Werte nur eine erste Einschätzung sein

(FINCK 1992, KRATZ & SCHNUG 2009). Leicht lösliche und damit sofort verfügbare P-

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4 Untersuchung ausgewählter Recyclingverfahren 25

Verbindungen sind in wasserlöslichen und neutralammoncitratlöslichen Düngern, wie dem

in der konventionellen Landwirtschaft eingesetzten Super- oder Triplesuperphosphat, ent-

halten. Zitronensäure-lösliche P-Verbindungen sind nicht sofort, aber innerhalb der Vege-

tationsperiode, für Pflanzen verfügbar. Sind die Phosphorfraktionen eines Düngers nur in

einer starken Säure (Mineralsäure) löslich, sind diese nur langfristig verfügbar (MONTAG

ET AL. 2013). Da unterschiedliche Extraktionsmethoden für die Ermittlung der Löslichkeit

durch die Düngemittelverordnung zugelassen sind, werden so auch unterschiedliche P-

Fraktionen extrahiert. Die Vergleichbarkeit der Ergebnisse ist somit erschwert und kann

nur für die Extraktion in Wasser oder Mineralsäure durchgeführt werden (KRATZ &

SCHNUG 2009).

Die tatsächliche Düngewirkung eines Düngemittels zeigt sich erst durch die P-Aufnahme

der Pflanze über einen bestimmten Zeitraum und den Ertrag.

Hinsichtlich der Löslichkeit und damit der Pflanzenverfügbarkeit des Phosphors in einem

Recyclingprodukt müssen die Produkte zur Verwendung im Ökologischen Landbau an-

ders bewertet werden als zur Verwendung in der konventionellen Landwirtschaft. Eine

Zulassung durch die Düngemittelverordnung (DüMV) ist hier nicht ausreichend, da in der

EG-Öko-Basisverordnung sowie in den erweiterten Richtlinien der Anbauverbände eine

Verwendung leichtlöslicher Dünger ausgeschlossen wird, in der konventionellen Wirt-

schaftsweise jedoch gewollt ist. Eine positive Bewertung des Produkts hinsichtlich seiner

Eignung für den Ökologischen Landbau kann somit für ein leichtlösliches Düngemittel

nicht erfolgen, eine längerfristige Verfügbarkeit der enthaltenen Nährstoffe ist vorzuzie-

hen. In der Untersuchung erfolgt zunächst eine von der Wirtschaftsform unabhängige Be-

wertung, sodass eine maximale Löslichkeit und Düngewirkung positiv eingestuft wird. Die

weitergehende Auseinandersetzung mit dieser Thematik erfolgt in Kapitel 5 im Zuge der

Diskussion der Fragestellungen.

Neben der Pflanzenverfügbarkeit zählt zur Qualitätsbewertung auch eine potenzielle Be-

lastung des Produkts mit Schwermetallen oder anderen Schadstoffen, die aus den Aus-

gangssubstraten in die Endprodukte überführt werden können. Hier können die kenn-

zeichnungspflichtigen Werte bzw. die Grenzwerte für Schwermetallgehalte der deutschen

Düngemittelverordnung (DüMV) als Orientierung für die Bewertung dienen. Die Schwer-

metallentfrachtung wird in den verschiedenen Recyclingverfahren unterschiedlich ge-

handhabt, teilweise sind dafür spezielle Prozesse vorgesehen, bei anderen Verfahren

wird keine spezielle Entfrachtung durchgeführt. Die Schwermetallgehalte im Produkt sind

ebenfalls vom Ausgangssubstrat abhängig. Insgesamt werden die Gehalte in den Verfah-

ren zwar deutlich abgesenkt, das Ausmaß dieser Reduktion ist jedoch nicht für alle Pro-

dukte gleich (WAIDA & WEINFURTNER 2011). Eine gute Bewertung erhalten Produkte, de-

ren Gehalte unter den in der Düngemittelverordnung festgelegten Grenzwerten liegen. Im

Vergleich der fünf Verfahren werden die niedrigsten Gehalte am positivsten bewertet.

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4 Untersuchung ausgewählter Recyclingverfahren 26

4.3 Bewertung der Verfahren

4.3.1 Struktur & Komplexität

Verfahren, die Phosphor in einem nasschemischen Prozess aus Faulschlamm rückge-

winnen, wie das Seaborne-Verfahren, sind sowohl hinsichtlich der Verfahrenstechnik als

auch der Betriebsdurchführung aufwendig. Der Prozess der Rückgewinnung besteht aus

mehreren Schritten, die mit umfangreicher zusätzlicher Technik durchzuführen sind. Die

saure nasschemische Rücklösung von Phosphor im Klärschlamm ist stark von verschie-

denen Faktoren, wie pH-Wert und Wassergehalt der Substanz, abhängig. Von der Rück-

löserate hängt wiederum das Rückgewinnungspotenzial ab. Mit der Rücklösung von

Phosphor geht jedoch auch eine Rücklösung von unerwünschten Stoffen wie Schermetal-

len einher, die im Folgenden separat abgetrennt werden müssen. Dies macht das Se-

aborne-Verfahren zu einem komplexen Verfahren (EGLE ET AL. 2014).

Umgesetzt wurde das Verfahren bereits im großtechnischen Umfang, dies wird sehr posi-

tiv bewertet. Die großtechnische Umsetzung beinhaltete eine Reduzierung der Prozess-

schritte, der technologische Aufwand konnte eingeschränkt werden. Dennoch ist das mo-

difizierte Verfahren bezüglich seiner Komplexität im Vergleich der Verfahren als negativ

zu bewerten (VON HORN ET AL. 2010, SARTORIUS & TETTENBORN 2011).

Integriert werden kann das Seaborne-Verfahren dezentral auf Kläranlagen mit biologi-

scher oder chemischer P-Elimination und Schlammfaulung. An die vorangegangene Ab-

wasserreinigung und die Schlammbehandlung auf einer Kläranlage werden ansonsten

keine gesonderten Anforderungen gestellt (VON HORN ET AL. 2010, EGLE ET AL. 2014). Das

Integrationspotenzial kann positiv bewertet werden, durch die technologische Komplexität

kann es allerdings zu Einschränkungen in der tatsächlichen Implementierung in kleineren

Anlagen kommen.

Das AirPrex-Verfahren wurde zunächst mit dem Ziel entwickelt, die durch spontane

MAP-Ausfällung entstehenden Inkrustationen auf der Kläranlage, zu verringern, in dem

die MAP-Kristallisation gezielt erfolgte. Die Verfahrenstechnik ist generell einfach, die

Phosphatabtrennung mittels Hydrozyklonen, Sieben oder Zentrifugen hingegen aufwendi-

ger (VON HORN ET AL. 2010). Voraussetzung für das Verfahren ist eine biologische P-

Elimination im Abwasserreinigungsprozess. Der Einsatz von chemischen Fällmitteln, wie

Eisen- oder Aluminiumsalze, im Vorfeld der Phosphorrückgewinnung führt zu einer Belas-

tung des Endprodukts mit diesen Metallen, wenn keine gesonderte Entfernung stattfindet.

Diese ist nicht Teil des AirPrex-Verfahrens, sodass die Belastungen auftreten würden

(EGLE ET AL. 2014).

Unter der Voraussetzung der biologischen P-Elimination ist ein Einsatz des Verfahrens

nur auf einem kleinen Teil der Kläranlagen in Deutschland möglich, denn diese Art der

Phosphorentfernung wird bislang nur selten ohne zusätzliche chemische Fällung, einge-

setzt (PINNEKAMP ET AL. 2007). Umgesetzt ist das AirPrex-Verfahren vor allem in groß-

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4 Untersuchung ausgewählter Recyclingverfahren 27

technischen Umfang an mehreren Standorten (KABBE 2013). Dies wird sehr positiv bewer-

tet.

Mit der Einschränkung der ausschließlichen Durchführbarkeit auf Kläranlagen mit biologi-

sche P-Elimination ist das Verfahren bezüglich des Integrationspotenzials neutral und

bezüglich der Komplexität im Vergleich der untersuchten Verfahren, als positiv zu bewer-

ten.

Das P-RoC-Verfahren ist ein Kristallisationsverfahren, bei dem auf der Oberfläche von

Festkörpern (z. B. Calcium-Silikat-Hydrat (CSH)) Ca-Phosphat-Verbindungen wachsen.

Eine Einstellung des pH-Werts für die P-Eliminierung und eine gesonderte Entfernung von

im Abwasser entstehendem Carbonat entfallen durch die Implementierung des Prozesses

auf der Kläranlage (PETZET ET AL. 2011). Die Struktur dieses Verfahrens ist einfach, eine

Integration in eine bestehende Kläranlage ist gut umsetzbar, da das Verfahren mit nur

einem Behälter für die durchzuführende Reaktion auskommt. Der Aufwand beschränkt

sich außerdem dadurch, dass keine gesonderte Schwermetallentfrachtung und keine zu-

sätzliche P-Rücklösung im Substrat stattfinden (EGLE ET AL. 2014, PINNEKAMP ET AL.

2007). Die Komplexität von P-RoC ist somit gering und damit im Vergleich sehr positiv zu

bewerten.

Das P-RoC-Verfahren ist bereits großtechnisch umgesetzt und erprobt (PINNEKAMP ET AL.

2013). Dies wird positiv bewertet.

Eine biologische P-Elimination auf der Kläranlage ist zwar keine Voraussetzung für die

Durchführung des Verfahrens, jedoch werden nur dadurch relevante P-Konzentrationen

im Schlammwasser erreicht (EGLE ET AL. 2014). Im Vergleich kann P-RoC hier nur eine

neutrale Bewertung erzielen, da die biologische P-Elimination bislang noch nicht auf vie-

len Kläranlagen eingesetzt wird (PINNEKAMP ET AL. 2007).

Das ASH DEC-Verfahren ist ein thermochemisches Verfahren zur Rückgewinnung von

Phosphor aus Klärschlammaschen. Dabei sollen durch hohe Temperaturen und den Ein-

satz von Chloriden der enthaltene Phosphor in eine pflanzenverfügbare Form umgewan-

delt und gleichzeitig die Schwermetallgehalte der Asche abgesenkt werden. Das Verfah-

ren umfasst neben der Aschebehandlung im Drehrohrofen eine dreistufige Rauchgasrei-

nigung für die Entfernung der Schwermetallchloride; die Komplexität ist im Vergleich der

Verfahren im Mittelfeld einzuordnen, dies entspricht einer neutralen Bewertung.

Eingesetzt werden nur Aschen aus der Monoverbrennung des Klärschlamms. Da der Pro-

zess vollständig nachgeschaltet ist, ist eine Integration in eine Kläranlage kein ausschlag-

gebendes Kriterium für eine positive Bewertung. Vielmehr kann das Verfahren an einem

zentralen Ort, an dem Aschen aus der Monoverbrennung gesammelt werden können,

implementiert werden. Es ergeben sich entsprechend auch keine Effekte auf die Abwas-

serreinigung (EGLE ET AL. 2014).

Das Verfahren ist auf einer Pilotanlage in Österreich umgesetzt worden, die Entwicklung

und Optimierung war außerdem Teil eines EU-Projekts (siehe Kapitel 4.1.2). Da das Ver-

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4 Untersuchung ausgewählter Recyclingverfahren 28

fahren noch nicht im großtechnischen Maßstab umgesetzt wurde erfolgt eine neutrale

Bewertung (VON HORN ET AL. 2010).

Das MEPHREC-Verfahren ist ein metallurgischer Prozess zur Rückgewinnung von

Phosphor aus verschiedenen Abfallstoffen, wie Klärschlamm, Klärschlammasche oder

Tiermehl. Bei der Schmelzvergasung dieser Substrate entstehen eine P-haltige Schlacke

und ein Brenngas. Der Vorgang ist technologisch und ressourcenspezifisch sehr komplex

(EGLE ET AL. 2014). Im Vergleich der Verfahren schneidet MEPHREC damit sehr negativ

ab.

Durch den nachgelagerten Ansatzpunkt des Verfahrens hat es keinen Einfluss auf die

bestehende Abwasserreinigung in der Kläranlage, es kann durch die Implementierung in

eine Anlage allerdings eine Alternative zur herkömmlichen Schlammverwertung darstellen

(SCHEIDIG 2009b). Dies lässt eine positive Bewertung zu.

Die Umsetzung ist bereits im Pilotmaßstab erfolgt, eine großtechnische Umsetzung in der

Stadt Nürnberg ist in Planung, dafür wurde eine Machbarkeitsstudie durchgeführt (SCHEI-

DIG ET AL. 2011). Hier erfolgt eine neutrale Bewertung.

4.3.2 Wirtschaftlichkeit

Eine Kostenkalkulation für das Seaborne-Verfahren wurde von verschiedenen Autoren

durchgeführt. EGLE ET AL. (2014) geben Verfahrenskosten von ~13 €/kg P an und zusätz-

liche Kosten im Vergleich zur herkömmlichen Schlammbehandlung ohne von Phosphor in

Höhe von 25 bis 30 %. BAYERLE (2009) kalkulierte spezifische Kosten von 15,70 €/kg P,

bei HERMANUSSEN ET AL. (2012) ergaben sich ~8 €/kg P. Bei diesen Kosten fallen vor al-

lem die hohen Betriebsmittelkosten ins Gewicht, hier besteht dementsprechend auch das

höchste Einsparungspotenzial. Allerdings unterliegen Kosten mit einem hohen Betriebs-

mittelanteil großen Schwankungen durch die Preisentwicklungen der eingesetzten Res-

sourcen (EGLE ET AL. 2014, HERMANUSSEN ET AL. 2012). Hinsichtlich der Kosten ist Se-

aborne im Vergleich der fünf Verfahren negativ zu bewerten. Für die allgemeine Wirt-

schaftlichkeit des Verfahrens schlagen die bereits realisierte Vermarktung des Düngepro-

dukts, sowie positive Nebeneffekte wie ein geringerer Schlammanfall und eine verbesser-

te Entwässerung positiv zu Buche (SARTORIUS & TETTENBORN 2011).

Dem vergleichsweise hohen Kostenaufwand steht eine Rückgewinnungsrate des Phos-

phors bezogen auf den Kläranlagenzulauf von 40 bis 60 % gegenüber. Diese Rate ist

maßgeblich abhängig vom vorherrschenden pH-Wert bei der P-Rücklösung am Anfang

des Prozesses (EGLE ET AL. 2014). Mit diesem Rückgewinnungspotenzial liegt Seaborne

im Vergleich der Verfahren im mittleren Bereich und wird in dieser Kategorie neutral be-

wertet.

Im Vergleich der Verfahren schneidet das AirPrex-Verfahren hinsichtlich der Kosten im

oberen Mittelfeld (positive Bewertung) ab. EGLE ET AL. (2014) berechnen Verfahrenskos-

ten von ca. 7 €/kg P, im Vergleich zu einem Referenzwert für die Abwasserreinigung und

Entsorgung des Klärschlamms im herkömmlichen Betrieb entstehen bei der Implementie-

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4 Untersuchung ausgewählter Recyclingverfahren 29

rung der Rückgewinnungstechnologie bis zu 5 % zusätzliche Kosten. Das Produkt ist al-

lerdings bereits als Düngemittel zugelassen (EGLE ET AL. 2014) und wird erfolgreich als

„Berliner Pflanze“3 durch die Berliner Wasserbetriebe vermarktet (KABBE 2013). Des Wei-

teren nimmt der Prozess durch die Verbesserung der Entwässerbarkeit einen positiven

Einfluss auf die nachfolgende Schlammbehandlung, sodass hier Kosten eingespart wer-

den können. Dies wiederum hat einen positiven Effekt auf die Gesamtwirtschaftlichkeit

des Verfahrens (VON HORN ET AL. 2010, EGLE ET AL. 2014).

Da das Verfahren ursprünglich als Lösungsansatz für die negativen Auswirkungen der

spontanen MAP-Kristallisation auf der Kläranlage entstanden ist, stellt die Phosphorrück-

gewinnung gewissermaßen ein Nebeneffekt dar. Dadurch, dass keine gesonderte Rück-

lösung des Phosphors im Ausgangssubstrat stattfindet, kann nur der bereits gelöste Anteil

überhaupt rückgewonnen werden. Dies führt zu einer vergleichsweise geringen Rückge-

winnungsrate von unter 20 % (EGLE ET AL. 2014).

Die geringe tatsächliche Rückgewinnung des abwasserbürtigen Phosphors durch AirPrex

ist für sich betrachtet im Vergleich sehr negativ zu bewerten. Die Rate steht jedoch in an-

gemessenem Verhältnis zu Aufwand und Kosten, die ursprüngliche Aufgabe wird durch

das Verfahren erfolgreich bewältigt (STUMPF 2007).

Die Kosten des P-RoC-Verfahrens belaufen sich laut EGLE ET AL. (2014) auf rund 6 €/kg

P, wenn es in eine Kläranlage mit 100 000 Einwohnerwerten implementiert ist. Zusätzliche

Kosten zum normalen Kläranlagenbetrieb entstehen in Höhe von bis zu 12 %, aber auch

Einsparungen von bis zu 2 % sind unter bestimmten Bedingungen möglich. EVERDING &

PINNEKAMP (2011) berechneten ca. 12 €/kg P bei der gleichen Anlagengröße und ca. 4 €

bei 1 Mio. Einwohnerwerten. Die Autorin gibt an, dass die Kosten infolge anderer Phos-

phorkonzentrationen im Abwasser deutlich variieren können.

Den genannten Kosten steht eine Rückgewinnungsrate von 15 bis 25 % gegenüber (EGLE

ET AL. 2014), diese ist gering und der geringen Phosphorkonzentration im Zulaufstrom des

Verfahrens geschuldet. Wird auf der Kläranlage der Phosphor durch herkömmliche Fäl-

lung eliminiert, gelangen nur 5 % des im Klärschlamm enthaltenen Phosphors in den Zu-

laufstrom des P-RoC-Verfahrens, durch eine biologische P-Elimination erhöht sich diese

Konzentration auf bis zu 40 % (FEHRENBACH & REINHARDT 2011).

Durch die in Kapitel 4.1.4 angesprochene Kombination von P-RoC mit der biologischen P-

Elimination im Phostrip-Verfahren kann eine Aufkonzentrierung des Phosphors im Zulauf-

strom erzielt werden. Dies würde die tatsächliche Rückgewinnungsrate erhöhen. Die ge-

zieltere P-Elimination kann Kostenvorteile für den Kläranlagenbetrieb bringen, was wiede-

rum dem Wirtschaftlichkeit des Verfahrens zuträglich wäre (KASCHKA & DONNERT 2002).

3 Langzeitdünger, derzeit in 1 bis 2 kg Einheiten für den Gartenbedarf bei den BWB erhältlich (www.bwb.de).

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4 Untersuchung ausgewählter Recyclingverfahren 30

Auch eine gezielte Rücklösung des gebundenen Phosphors im Rahmen der Schlammbe-

handlung kann die Rückgewinnungsrate erhöhen, da so mehr Phosphor im Zulauf des

Verfahrens vorhanden wäre. Positiv auf die Wirtschaftlichkeit auswirken können sich

ebenfalls die durch P-RoC begünstigte Vermeidung von Inkrustationen sowie die verrin-

gerte Nährstoffrückbelastung in den Prozesswässern oder dem Ablauf der Kläranlage

(EGLE ET AL. 2014).

Die berechneten Kosten liegen im Mittelfeld der Verfahren (neutrale Bewertung), die

Rückgewinnungsrate ist eher gering, was in einer negativen Bewertung resultiert.

Die Kosten des ASH DEC-Verfahrens belaufen sich laut EGLE ET AL. (2014) beim Betrieb

in einer Anlage mit einer Jahreskapazität von 30 000 t Asche auf ~2 €/kg P. Der Entwick-

ler gibt Kosten von 2,20 €/kg P in Anlagen mit 25 000 t Asche Jahreskapazität an (HER-

MANN 2010, zit. in SARTORIUS & TETTENBORN 2011). Zusätzliche entstehende Kosten zum

Referenzsystem (herkömmliche Klärschlammverbrennung und Ascheentsorgung) liegen

laut EGLE ET AL. (2014) zwischen 10 und 15 %. Insgesamt ist das Verfahren damit das

Günstigste im Vergleich, was eine sehr positive Bewertung ermöglicht.

Eine Vermarktung des Produkts findet seit 2007 statt (WAIDA & WEINFURTNER 2011), al-

lerdings wird nicht die entfrachtete Asche allein als Düngemittel angeboten sondern mit

anderen Nährstoffen angereichert als Produkt PhosKraft®, welches in Pelletform erhältlich

ist (HERMANN 2009).

Die Rückgewinnungsrate von >80 % ist sehr hoch. Im Vergleich der Verfahren schneidet

das ASH DEC-Verfahren am besten ab, dies wird sehr positiv bewertet.

Die Datengrundlage für eine Kostenkalkulation für das MEPHREC-Verfahren ist bislang

nur auf der Basis eines jährlichen Durchsatzes von 16 000 t Klärschlamm, was einer An-

lagengröße von 1 Mio. Einwohnerwerten entspricht, gegeben. Ein kleinerer Maßstab er-

scheint aufgrund der hohen Investitionskosten nicht sinnvoll (EGLE ET AL. 2014).

Die Jahreskosten des Verfahrens belaufen sich auf dieser Grundlage auf 13 – 14 €/kg P.

In Betrachtung der gesamten Prozesskette bei Integration von MEPHREC auf einer ent-

sprechenden Kläranlage ergibt sich ein großes Einsparungspotenzial von diesen, zu-

nächst hohen, Kosten. Es sind zum einen Einsparungen durch die vollständige Klär-

schlammverwertung zu erzielen, eine anderweitige Entsorgung und die damit einherge-

henden Kosten würden entfallen. Für das Verfahren allein ist die Annahme des „Abfall-

stoffs“ Klärschlamm als Erlös zu verbuchen, 60 % der Kosten des Verfahrens könnten

damit gedeckt werden (EGLE ET AL. 2014).

Ein weiterer Einsparungsposten ist der mögliche Energieerlös. Durch die Nutzung des

energetischen Potenzials des Klärschlamms mittels der Erzeugung eines Brenngases

entsteht ein weiteres Produkt für den Verkauf bzw. für die Nutzung im Kläranlagenbetrieb,

dies trägt zur Kostendeckung bei (SCHEIDIG ET AL. 2011, EGLE ET AL. 2014). Des Weiteren

kann das Verfahren auf einer bereits existierenden Schlammverbrennungsanlage inte-

griert werden (Bypass-System), wobei bestehende technische Komponenten (z. B. Gas-

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4 Untersuchung ausgewählter Recyclingverfahren 31

reinigung und –speicherung) genutzt werden können, was wiederum die Investitionskos-

ten senken würde (SCHEIDIG 2009a).

Die Einsparungen entfallen, wenn anstelle von Klärschlamm Klärschlammasche als Aus-

gangssubstrat für das Verfahren eingesetzt wird (EGLE ET AL. 2014).

Im Vergleich der Verfahren ist MEPHREC momentan noch das teuerste und wird damit

sehr negativ bewertet, die oben genannten Einsparungen zeigen allerdings ein großes

Potenzial für eine deutliche Kostenreduzierung und damit für eine wirtschaftliche Umset-

zung auf.

Mittels des MEPHREC-Verfahrens kann eine Rückgewinnungsrate von 50 bis 70 % erzielt

werden (SCHEIDIG ET AL. 2011, EGLE ET AL. 2014), damit schneidet es in der vergleichen-

den Bewertung positiv ab.

4.3.3 Ökologie & Nachhaltigkeit

Bereits angesprochen wurde bei der Wirtschaftlichkeitsbetrachtung der hohe Anteil an

erforderlichen Ressourcen für die Prozessdurchführung im Seaborne-Verfahren. Der

hohe Chemikalienaufwand wird unter ökologischen Gesichtspunkten ebenfalls als negativ

bewertet, und auch im Vergleich der Verfahren schneidet Seaborne hier schlecht ab. Be-

sonders kritisch ist der Einsatz von Schwefelsäure zu sehen, der Bedarf ist abhängig vom

pH-Wert und Wassergehalt des Schlamms, dies hat große Schwankungen im Säurever-

brauch zur Folge.

Allerdings konnte der Chemikalieneinsatz im Laufe der Forschungszeit bereits deutlich

verringert werden, einige Stoffe werden gar nicht mehr eingesetzt (EGLE ET AL. 2014). Der

Ressourcenaufwand ist im Vergleich der Verfahren dennoch negativ zu bewerten.

Der energetische Input für das Seaborne-Verfahren selbst beschränkt sich auf den Strom,

der für die Prozesstechnik, z. B. Lüftung und Rührwerk, benötigt wird. Wird der Energie-

aufwand für die Erzeugung der Betriebsmittel mit eingerechnet, also die gesamte Pro-

zesskette betrachtet, steigt der gesamte Aufwand stark an. Er liegt dann deutlich über

dem der herkömmlichen Düngemittelherstellung und beträgt 455 % des Energiever-

brauchs des normalen Kläranlagenbetriebs (EGLE ET AL. 2014). Im Vergleich der Verfah-

ren schneidet Seaborne hier am schlechtesten ab.

In der Studie von EGLE ET AL. (2014) wurden für die einzelnen Rückgewinnungsverfahren

auch entstehende gasförmige Emissionen erhoben. Hinsichtlich der CO2-Emissionen

schneidet das Seaborne-Verfahren im Vergleich mit der Herstellung herkömmlicher Dün-

gemittel deutlich schlechter ab. Dies hat seine Ursache vor allem im Schwefelsäureein-

satz. Bei der Erzeugung von Schwefelsäure wird ebenfalls CO2 freigesetzt, dies wird in die

Betrachtung des gesamten Rückgewinnungsprozesses mit einbezogen. Bezogen auf 1 kg

rückgewonnenem Phosphor mit dem Seaborne-Verfahren werden ca. 4 kg CO2 zusätzlich

zum Referenzsystem Kläranlage (100 000 EW, Abwasserreinigung, Schlammbehandlung

und -entsorgung (EGLE ET AL. 2014)) emittiert.

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4 Untersuchung ausgewählter Recyclingverfahren 32

Der Einsatz von Schwefelsäure resultiert indirekt in hohen Schwefeldioxid-Emissionen bei

Betrachtung der gesamten Prozesskette, da bei der Herstellung von Schwefelsäure in

einem ersten Schritt Schwefel verbrannt wird, wodurch SO2 emittiert. Auch im Vergleich

zum Referenzsystem Kläranlage fallen deutlich mehr SO2-Emissionen an. Es sind zusätz-

lich ca. 98 g SO2/kg P nötig (EGLE ET AL. 2014).

Schwermetallemissionen entstehen beim Verfahren nicht bzw. in vernachlässigbarer

Menge. Bezüglich der Emissionen ist Seaborne negativ zu bewerten.

Nach der Phosphorrückgewinnung verbleibt durch den Einsatz von Schwefelsäure ein

stark angesäuerter, schwefelhaltiger Schlamm. Die Entsorgung des Schlamms ist deshalb

problematisch, da eine thermische Behandlung aufgrund der korrosiven Wirkung von

Schwefel erschwert wird und der niedrige pH-Wert der Substanz die Entsorgungspfade

einschränkt. Positiv ist lediglich die Schlammreduktion und Verbesserung der Entwässer-

barkeit durch Ansäuerung zu sehen, wodurch bei der Schlammbehandlung weniger Be-

triebsmittel gebraucht werden (EGLE ET AL. 2014). In dieser Kategorie erfolgt dennoch im

Vergleich der Verfahren eine negative Bewertung.

Im AirPrex-Prozess wird als einziges Betriebsmittel Magnesiumchlorid eingesetzt. Hin-

sichtlich des Chemikalieneinsatzes ist das Verfahren als positiv zu bewerten.

Der Energieaufwand beschränkt sich auf den Einsatz von Strom für die Prozesstechnik, in

Relation zum Referenzsystem Kläranlage werden 26 % zusätzliche Energie benötigt. Dies

ist ebenfalls positiv zu bewerten.

CO2- und SO2-Emissionen fallen bei dem Verfahren kaum mehr an als bei der herkömmli-

chen Düngemittelherstellung und teilweise weniger als beim normalen Kläranlagenbetrieb.

Schwermetallemissionen in die Luft oder die Gewässer sind nicht zu erwarten (EGLE ET

AL. 2014). Bei Betrachtung der gesamten Prozesskette werden, bezogen auf das von EG-

LE ET AL. (2014) definierte Referenzsystem, 3 kg CO2 und 16 g SO2/ kg P zusätzlich aus-

gestoßen. AirPrex schneidet hier insgesamt positiv ab.

Besondere Reststoffe entstehen bei dem Prozess keine, was als sehr positiv zu bewerten

ist.

Ein Chemikalieneinsatz ist bei P-RoC nicht nötig, das eingesetzte CSH übernimmt sowohl

die Funktion des Kristallisationsmittels als auch die des pH-Wert-Regulators. Durch den

Einsatz von CSH aus der Bauindustrie wird ein Abfallprodukt und kein zusätzlicher Roh-

stoff genutzt (EGLE ET AL. 2014), dies ermöglich eine sehr positive Bewertung.

Als energetischer Input wird lediglich Strom für die Prozessführung benötigt. Der Bedarf

ist hier allerdings vergleichsweise hoch, da der bearbeitete Stoffstrom Abwasser groß ist

(FEHRENBACH & REINHARDT 2011). EGLE ET AL. (2014) geben an, dass der Energieauf-

wand für die gesamte Prozesskette, wenn P-RoC integriert ist jedoch leicht unter dem

Aufwand des normalen Kläranlagenbetriebs mit Abwasserreinigung, Schlammbehandlung

und Entsorgung liegt. Dies wird sehr positiv bewertet, im Vergleich der Verfahren schnei-

det P-RoC am besten ab.

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4 Untersuchung ausgewählter Recyclingverfahren 33

Die CO2-Emissionen betragen ca. 5 kg/kg P und die SO2-Emissionen ca. 6,5 g/kg P zu-

sätzlich zum von EGLE ET AL. (2014) definierten und oben genannten Referenzsystem. Im

Vergleich der Verfahren schneidet P-RoC neutral ab.

Reststoffe entstehen keine, dies wird sehr positiv bewertet.

Beim ASH DEC-Verfahren kommen verschiedene Chloride für die Schwermetallentfer-

nung zum Einsatz, sowie Natriumhydrogencarbonat (NaHCO3) für die pH-Wert-

Regulierung und Sauerstoff (O2) (HERMANN 2009). Im Vergleich der Verfahren schneidet

ASH DEC in Bezug auf den Ressourcenaufwand negativ ab.

Der Energiebedarf teilt sich auf in Strom und Primärenergie in Form von Gas und liegt

deutlich über dem Bedarf zur Herstellung herkömmlicher Düngemittel. In Relation zum

Energieaufwand einer Kläranlage liegt der des ASH DEC-Verfahrens allerdings bei nur

60 – 120 %. Für die gesamte Prozesskette entsteht ein zusätzlicher Energieaufwand von

64 – 103 %. Damit liegt das Verfahren im Mittelfeld, der Energiebedarf wird somit als

neutral bewertet.

Der CO2-Ausstoß pro kg Phosphor beträgt 2 bis 3 kg zusätzlich zum Referenzsystem.

Schwefeldioxidemissionen fallen sogar weniger an (-8 g/kg P).

Schwermetallemissionen sind mengenmäßig zu vernachlässigen (EGLE ET AL. 2014). In

der Kategorie Emissionen ist das Verfahren damit als sehr positiv zu bewerten, es

schneidet besser ab als die anderen untersuchten Verfahren. Diese Ergebnisse sind mit

der hohen Rückgewinnungsrate zu erklären, da die Emissionen auf den wertgebenden

Nährstoff Phosphor bezogen werden.

Mittels der teilweise unzureichenden Schwermetallentfrachtung gelangen einige Schwer-

metalle durch das Endprodukt auf die landwirtschaftlichen Böden, was negativ bewertet

werden muss. Als Reststoffe entstehen Filterstäube in der Rauchgasreinigung die unter-

tage deponiert werden müssen, die Deponierung der Klärschlammasche entfällt allerdings

durch den ASH DEC-Prozess, da das Endprodukt nahezu vollständig aus der Asche be-

steht. Im Vergleich der Verfahren ist der Reststoffanfall negativ zu bewerten.

Der Ressourcenaufwand des MEPHREC-Verfahrens umfasst die Betriebsmittel Zement,

Koks, Eisen und Sauerstoff (EGLE ET AL. 2014). Insgesamt ist der Aufwand im Vergleich

der Verfahren sehr hoch und damit sehr negativ zu bewerten.

Der Einsatz von Koks ist aus ökologischer Sicht fragwürdig. Der Betreiber gibt an, dass

Koks, das einzige Material ist, was bei den hohen Einsatztemperaturen seinen festen Zu-

stand beibehält (SCHEIDIG ET AL. 2011). Der Koks stellt neben Strom den nötigen Energie-

input für den metallurgischen Vorgang dar, er liegt mit 32,7 kWh/kg P deutlich höher als

der Strombedarf (0,25 kWh/kg P).

Für die gesamte Prozesskette entsteht ein zusätzlicher Energiebedarf von 152 %, in Ab-

gleich zum Referenzsystem Kläranlage. Die Erzeugung eines Brenngases, welches als

Page 38: Untersuchung ausgewählter Phosphorrück ... · MAP Magnesium-Ammonium-Phosphat mg Milligramm Mg Magnesium MgCl 2 Magnesiumchlorid NAC Neutrales Ammoncitrat NaOH Natronlauge O 2 Sauerstoff

4 Untersuchung ausgewählter Recyclingverfahren 34

Energiequelle genutzt werden kann, wurde hier berücksichtigt (EGLE ET AL. 2014). Im Ver-

gleich der Verfahren wird der Energiebedarf von MEPHREC negativ bewertet.

Einhergehend mit dem hohen Ressourcenbedarf (Koks und Eisen) werden durch das

MEPHREC-Verfahren beträchtliche Mengen an Schadstoffen emittiert. Der CO2-Ausstoß

beträgt 27 kg/ kg P für die gesamte Prozesskette, darin sind etwaige Gutschriften für die

Erzeugung des Brenngases berücksichtigt. Die SO2-Emissionen betragen 157 g/kg P

(EGLE ET AL. 2014). In beiden Fällen schneidet MEPHREC im Vergleich am schlechtesten

ab. Die Kategorie Emissionen wird demnach sehr negativ bewertet.

Da im Prozess die organische Substanz des Ausgangssubstrats vollständig zerstört wird,

können die entstehenden Reststoffe direkt auf einer Deponie abgelagert werden. Die in

der Rauchgasreinigung anfallenden Filterstäube müssen untertage gelagert werden (EG-

LE ET AL. 2014). Hier erfolgt eine negative Bewertung.

4.3.4 Produktqualität

Beim modifizierten Seaborne-Prozess auf der Gifhorner Kläranlage entstehen Magnesi-

um-Ammonium-Phosphat (MAP) und Calciumphosphat. Der Phosphorgehalt des MAP

wird von EGLE ET AL. (2014) mit 120 g/kg Trockensubstanz (TS) angegeben, dies ent-

spricht 12 %. Andere Angaben beziffern den P-Gehalt des Produkts auf 15 % (SEVERIN ET

AL. 2013) bzw. 175 g/kg (17,5 %) (WAIDA & WEINFURTNER 2011). Im Vergleich zu den an-

deren Verfahren liegt der P-Gehalt im Seaborne-Produkt am höchsten, dies wird sehr

positiv bewertet.

Das auf der Kläranlage eingesetzte Eisen zur P-Elimination bei der Abwasserreinigung

befindet sich laut Angaben von HERMANUSSEN ET AL. (2012) nicht im Endprodukt, was in

Versuchen von CABEZA ET AL. (2011) widerlegt wird. Die Autoren geben Eisengehalte von

bis zu 5,5 % an. Neben den MA-Phosphaten sind im Gifhorner Produkt also auch Eisen-

phosphate und zudem Calciumphosphate enthalten, was die Löslichkeit des gesamten P-

Gehalts verändert.

Wichtig für die agronomische Bewertung eines Düngeprodukts sind diese Löslichkeit des

enthaltenen Phosphors und die damit einhergehende Pflanzenverfügbarkeit. Laut SE-

VERIN ET AL. (2013) sind beim Seaborne-Produkt 95 % des Phosphors in neutralem Am-

moncitrat (NAC) löslich, dies wurde mit der Fresenius-Neubauer-Methode ermittelt. KRATZ

ET AL. (2010) ermittelten im Extrakt NAC eine relative Löslichkeit von rund 88 %, in alkali-

schem Ammoncitrat (AAC) 80 % und in Wasser 0,4 %. EGLE ET AL. (2014) ermittelten eine

Zitronensäurelöslichkeit von >60 % und eine 80 %ige Lösung in AAC und eine sehr gerin-

ge Wasserlöslichkeit (<5 %). Eine 47 %ige Löslichkeit des Produkts in Zitronensäure und

0,8 % in Wasser wurde von CABEZA ET AL. (2011) ermittelt. Die Autoren gaben an, dass es

sich beim getesteten Produkt um eine Version aus der frühen Phase der Implementierung

im Klärwerk Gifhorn handelt.

In Düngeversuchen konnten hohe P-Aufnahmen der Pflanzen über die ganze Vegetati-

onsperiode beobachtet werden, die teilweise sogar höher lagen als die Aufnahmen in mit

Page 39: Untersuchung ausgewählter Phosphorrück ... · MAP Magnesium-Ammonium-Phosphat mg Milligramm Mg Magnesium MgCl 2 Magnesiumchlorid NAC Neutrales Ammoncitrat NaOH Natronlauge O 2 Sauerstoff

4 Untersuchung ausgewählter Recyclingverfahren 35

herkömmlichen Mineraldüngern gedüngten Varianten (EGLE ET AL. 2014). In anderen Ver-

suchen ermittelte CABEZA (2010) auf drei verschiedenen Böden nur 50 bis 90 %ige Auf-

nahmen im Vergleich zu Triple-Superphosphat (TSP). Versuche von WAIDA & WEIN-

FURTNER (2011) ergaben nur eine Aufnahme von 45 % auf einem Sandboden im Ver-

gleich zu TSP. Im Vergleich zu anderen MAP-Produkten schnitt das MAP aus Gifhorn

schlechter ab. Dies wird von RÖMER (2013) mit dem Eisengehalt des MAP-Produkts aus

Gifhorn erklärt, der höher lag als bei anderen MAP. Auf einem Lehmboden stellten aller-

dings auch WAIDA & WEINFURTNER (2011) mit TSP vergleichbare Aufnahmen in der Erst-

vor allem aber in der Nachfrucht fest. Zudem ergaben sich Mehrerträge im Vergleich zu

TSP von bis zu 45 %.

Das MAP-Produkt aus Gifhorn zeichnet sich generell durch eine gute Langzeitwirkung

und eine bessere Verfügbarkeit als Rohphosphat aus (WAIDA & WEINFURTNER 2011). Die

Düngewirkung schneidet im Vergleich der Verfahren positiv ab.

Die Schwermetallgehalte liegen deutlich unter den Vorgaben der Düngemittelverordnung

(DüMV) (EGLE ET AL. 2014). Dies ist sehr positiv zu bewerten.

Das Produkt des AirPrex-Verfahrens ist ebenfalls MAP. Der P-Gehalt beträgt ca. 10 bis

12 % (RÖMER 2006, KRATZ ET AL. 2010). Damit lieg der Gehalt des Produkts im Mittelfeld

der Verfahren und wird demnach neutral bewertet.

Die P-Fraktionen des Produkts sind zu über 90 % löslich in Zitronensäure und bis zu

100 % löslich in AAC. Die Wasserlöslichkeit liegt bei unter 5 % (EGLE ET AL. 2014). KRATZ

ET AL. (2010) ermittelten eine Löslichkeit in NAC von 92 % und 0,73 % in Wasser.

Die Düngewirkung ist mit Triplesuperphosphat vergleichbar, die P-Aufnahme durch die

Pflanze erfolgt zu ca. 100 %. Besonders gute Wirkung zeigt das Produkt auf sauren Bö-

den (EGLE ET AL. 2014). RÖMER (2006) ermittelte in einem Keimpflanzenversuch eine P-

Aufnahme durch die Pflanzen, die vergleichbar war mit der Aufnahme durch Varianten,

die mit herkömmlichen Mineraldüngern versehen wurden und deutlich höher lag als die

der Rohphosphatvarianten.

KRATZ ET AL. (2010) ermittelten für MAP-Produkt aus den Kläranlagen der Berliner Was-

serbetriebe im Vergleich zu anderen Recyclingdüngemitteln die höchsten Aufnahmen

durch die Pflanzen. Im Vergleich zu herkömmlichen Mineraldüngern schnitt es etwas je-

doch schlechter ab.

Weitere Feld- oder Topfversuche, in denen das Produkt getestet wurde, konnten nicht

gefunden werden. Generell wird in der Literatur deutlich, dass MAP-Produkte zumeist im

Vergleich der Recyclingdünger am besten abschneiden. Jedoch unterscheiden sie sich

auch untereinander in ihrer Reinheit, die wiederum einen Einfluss auf die Wirksamkeit hat

(RÖMER 2013). Die Düngewirkung des Produkts des AirPrex-Verfahrens ist insgesamt

sehr positiv zu bewerten.

Die Schwermetallgehalte des MAP-Produkts liegen deutlich unter den Vorgaben der Dün-

gemittelverordnung (PINNEKAMP ET AL. 2007). Auch im Vergleich zu herkömmlichen mine-

Page 40: Untersuchung ausgewählter Phosphorrück ... · MAP Magnesium-Ammonium-Phosphat mg Milligramm Mg Magnesium MgCl 2 Magnesiumchlorid NAC Neutrales Ammoncitrat NaOH Natronlauge O 2 Sauerstoff

4 Untersuchung ausgewählter Recyclingverfahren 36

ralischen Phosphatdüngern (z. B. Superphosphat) sind die Gehalte klar niedriger. Eine

Ausnahme bildet lediglich der Quecksilber (Hg)-Gehalt, der bei 5 mg/kg P im AirPrex-

Produkt liegt. Im Superphosphat waren dagegen keine Hg-Gehalte nachweisbar (EGLE ET

AL. 2014).

Das Produkt ist als Düngemittel seit 2008 zugelassen. Hinsichtlich der Qualität und land-

wirtschaftlichen Verwendungsmöglichkeit ist es als positiv einzuordnen, durch die kleine

Datengrundlage ist die Bewertung allerdings nur unter Vorbehalt zu treffen.

Das Produkt des P-RoC-Verfahrens ist ein Calciumphosphat. Der P-Gehalt schwankt

zwischen 9 und 14 % (SCHUHMANN ET AL. 2011), der Calciumgehalt ist mit 25 % mehr als

doppelt so hoch (EGLE ET AL. 2014). In dieser Kategorie erfolgt eine positive Bewertung.

Der wasserlösliche Anteil des im Produkt enthaltenen Phosphors liegt unter 5 %. In Zitro-

nensäure ist über 80 % löslich, in AAC immerhin über 50 % (EGLE ET AL. 2014). CABEZA

ET AL. (2011) ermittelten eine Zitronensäurelöslichkeit von rund 50 %, die Wasserlöslich-

keit betrug 4 %.

Die P-Aufnahme durch die Pflanze ist allerdings auf sauren Böden nur zu 50 % gegeben

und auf alkalischen Böden nur zu ca. 20 %. Auf Böden mit höheren pH-Werten ist das

Produkt demnach nur eingeschränkt empfehlenswert (EGLE ET AL. 2014). Diese Angaben

werden auch durch die in RÖMER (2013) aufgeführten Ergebnisse von CABEZA (2010) be-

stätigt. Auf einem sauren Böden konnten Aufnahmen von bis zu 87 % erzielt werden,

während auf einem schwach sauren bis neutralen Boden, im Vergleich zu TSP-

Aufnahmen von 15 – 25 % ermittelt wurden. Die Wirkung war dennoch besser als die von

Rohphosphat. WAIDA & WEINFURTNER (2011) ermittelten Aufnahmewerte von lediglich

34 % auf Sand und 0 % auf Lehm.

Die geringe Wirkung des Produkts kann damit erklärt werden, dass die Verfügbarkeit des

Phosphors mit Zunahme des Calciumgehalts in der Verbindung abnimmt (RÖMER 2013).

Die Ergebnisse lassen lediglich eine neutrale Bewertung des P-RoC-Produkts hinsichtlich

der direkten Weiterverwendung in der Landwirtschaft zu. Als Ausgangssubstrat für die

Düngemittelherstellung eignet es sich jedoch, da es in seiner Zusammensetzung

Rohphosphat gleicht (RÖMER 2013).

Die Schwermetallgehalte des Endprodukts liegen deutlich unter den Richtwerten der

Düngemittelverordnung und sehr deutlich unter den Gehalten herkömmlicher Mineraldün-

ger (EGLE ET AL. 2014). Insgesamt ist das Produkt hinsichtlich der Schadstoffgehalte somit

im Vergleich positiv zu bewerten.

Das Endprodukt des ASH DEC-Verfahrens ist eine schwermetallentfrachtete Asche, die

als solche noch nicht für die Ausbringung geeignet ist, erst durch eine Anreicherung mit

anderen Nährstoffen und eine Aufbereitung der Form durch Pelletierung, entsteht ein ein-

satzfähiger Dünger für die Landwirtschaft (HERMANN 2009). Der Phosphorgehalt des Ver-

fahrensprodukts schwankt zwischen 5 und 9,5 % (EGLE ET AL. 2014, ADAM 2009, SCHICK

Page 41: Untersuchung ausgewählter Phosphorrück ... · MAP Magnesium-Ammonium-Phosphat mg Milligramm Mg Magnesium MgCl 2 Magnesiumchlorid NAC Neutrales Ammoncitrat NaOH Natronlauge O 2 Sauerstoff

4 Untersuchung ausgewählter Recyclingverfahren 37

2010, SEVERIN ET AL. 2013, WAIDA & WEINFURTNER 2011). Im Vergleich der Verfahren

ermöglichen diese Werte nur eine neutrale Bewertung.

Die entfrachtete Asche ist nur gering bis kaum wasserlöslich (<5 %: EGLE ET AL. 2014;

<1 %: SEVERIN ET AL. 2013). CABEZA (2010) ermittelte eine Wasserlöslichkeit von 6,4 %.

Diese Unterschiede resultieren aus unterschiedlichen Versuchsdurchführungen und un-

tersuchten Produkten. Deutlich unterscheiden sich auch die Ergebnisse von Löslichkeits-

versuchen mit anderen Extraktionsmitteln, wie Zitronensäure, AAC und NAC. EGLE ET AL.

(2014) und WAIDA & WEINFURTNER (2011) ermittelten einen in Zitronensäure löslichen P-

Anteil von 40 - 45 %, gleiche Werte ergaben sich auch für den in AAC löslichen Anteil.

Andere Autoren geben eine 100 %ige Zitronensäurelöslichkeit (HERMANN 2009), sowie

eine 85 %ige Löslichkeit in NAC (SEVERIN ET AL. 2013) an.

Die Düngewirkung des Produkts wird als mäßig, also neutral eingestuft. EGLE ET AL.

(2014), ermittelten eine P-Aufnahme von max. 50 % auf sauren und alkalischen Böden. In

anderen Versuchen ergaben sich auf sauren Böden Aufnahmen, die nur geringfügig die

von Rohphosphat überstiegen, auf neutralen bis schwach alkalischen Böden dagegen

Aufnahmen, die mit Triplesuperphosphat zu vergleichen sind. Besonders angemerkt wird

die Langzeitwirkung des Produkts (WAIDA & WEINFURTNER 2011).

Deutlich wird in den verschiedenen Versuchen die Überlegenheit von mit Magnesiumchlo-

riden behandelten Aschen (KUDERNA & NANZER 2009). Der Magnesiumanteil hat einen

positiven Einfluss auf die Ertragswirkung des Produkts (ADAM ET AL. 2009).

Die Schwermetallentfrachtung im ASH DEC-Prozess gelingt nur teilweise, sodass im

Endprodukt einige Metalle deutlich nachweisbar sind. Die Entfernung von Cadmium, Kup-

fer, Quecksilber und Zinn erfolgt in ausreichendem Maße, sodass die Grenzwerte der

Düngemittelverordnung deutlich unterschritten werden. Die Arsen-, Chrom- und Nickel-

gehalte werden kaum reduziert. Die Schwermetallgehalte sind in Relation zu herkömmli-

chen Phosphordüngemitteln nur als teilweise besser zu bewerten (EGLE ET AL. 2014). Für

Nickel konnten WAIDA & WEINFURTNER (2011) Überschreitungen der Grenzwerte feststel-

len.

Organische Schadstoffe können durch den Verbrennungsprozess nahezu vollständig eli-

miniert werden, sodass hier keine Rückstände zu ermitteln sind (EGLE ET AL. 2014). Eine

neutrale Bewertung hinsichtlich der Schwermetallgehalte erfolgt hier.

Das Endprodukt des MEPHREC-Verfahrens ist eine P-haltige Schlacke. Der Phosphor-

gehalt schwankt zwischen 2 und 5 % (SCHEIDIG 2009a). Auffallend hoch ist der Calcium-

gehalt, der 300 g/kg TS beträgt (EGLE ET AL. 2014). Die Phosphorfraktionen liegen als

Calcium-Siliko-Phosphate vor, diese liegen auch im Thomasphosphat vor, weswegen das

MEPHREC®-Produkt mit diesem verglichen wird (SCHEIDIG ET AL. 2011).

Calcium-Siliko-Phosphate sind leichtlösliche P-Verbindungen. Das Vorhandensein von

Silicium-Ionen hemmt die Verbindung von Phosphat und Calcium, sodass es zu einer

reduzierten Apatitbildung und damit zu einer leichteren Löslichkeit der P-Fraktion im Pro-

Page 42: Untersuchung ausgewählter Phosphorrück ... · MAP Magnesium-Ammonium-Phosphat mg Milligramm Mg Magnesium MgCl 2 Magnesiumchlorid NAC Neutrales Ammoncitrat NaOH Natronlauge O 2 Sauerstoff

4 Untersuchung ausgewählter Recyclingverfahren 38

dukt kommt. Hinsichtlich des P-Gehalts schneidet das Produkt im Vergleich der Verfahren

am schlechtesten ab und wird deshalb sehr negativ bewertet.

Die Löslichkeit in Zitronensäure wurde in mehreren Versuchen mit >90 % ermittelt, diese

Löslichkeit wird auch bei Thomasphosphat angegeben (EGLE ET AL. 2014, SCHEIDIG

2009a). SEVERIN ET AL. (2013) ermittelten darüber hinaus eine Löslichkeit in NAC von

23 %, die Wasserlöslichkeit liegt bei <1 %.

Trotz der hohen Löslichkeit in Zitronensäure versagt das Produkt als P-Dünger auch Bö-

den mit pH-Werten unter 6, also im sauren Bereich. Die Aufnahme in einem Pflanzenver-

such von CABEZA 2010 betrug lediglich 24 %. Auch bei pH 6 konnten nur Aufnahmen, die

zwar die Null-Variante überstiegen, jedoch weit unter TSP lagen ermittelt werden (SE-

VERIN ET AL. 2013). Auf neutralen bis schwach alkalischen Böden werden hingegen Auf-

nahmen von 75 – 100 % (EGLE ET AL. 2014) erzielt. Im Vergleich mit dem konventionellen

Mineraldünger Triple-Superphosphat schneidet es auf diesen Böden mit einer Düngewir-

kung von 121 %, bei TSP = 100 %, sogar besser ab (CABEZA 2010).

HEINITZ ET AL. (2013) stellen zudem eine bessere Düngewirkung eines gemahlenen Pro-

dukts gegenüber einer granulierten Form heraus, ebenfalls besser scheint die Wirkung bei

Produkten, die aus einer Mischung verschiedener Ausgangssubstrate (Klärschlamm,

Klärschlammasche & Tiermehl) entstanden sind. Die Düngewirkung wird insgesamt neut-

ral bewertet.

Die Schermetallgehalte in der Schlacke sind nur geringfügig besser als die herkömmlicher

Phosphordüngemittel. Die Metalle Arsen, Cadmium, Chrom und Kupfer sind teilweise zu

20 – 60 % des Gehalts im Ausgangssubstrat im Endprodukt vorhanden, eine genaue Er-

fassung ist bislang jedoch schwierig. Alle Schwermetallgehalte liegen aber unter den

Grenzwerten der Düngemittelverordnung. Organische Schadstoffe sind durch die hohen

Temperaturen im Prozess vollständig eliminiert (EGLE ET AL. 2014).

Die Schwermetallkonzentrationen sind im Vergleich der Verfahren negativ einzustufen.

Die Schwermetallgehalte aller Recyclingdüngemittel sowie Rohphosphat und Thomas-

phosphat sind in der folgenden Tabelle 1 aufgelistet.

Page 43: Untersuchung ausgewählter Phosphorrück ... · MAP Magnesium-Ammonium-Phosphat mg Milligramm Mg Magnesium MgCl 2 Magnesiumchlorid NAC Neutrales Ammoncitrat NaOH Natronlauge O 2 Sauerstoff

4 Untersuchung ausgewählter Recyclingverfahren 39

Tabelle 2: Schwermetallgehalte der Düngemittel

Angaben in mg/kg TS, bei Cadmium wie angeben

Arsen (As)

Blei (Pb)

Chrom (Cr)

Kupfer (Cu) Nickel (Ni)

Cadmium (Cd)

(in mg/kg P)

Queck-silber (Hg)

Zink (Zn) Uran Quellen

AirPrex 0 4 4 40 6 2,5 0 70 EGLE ET AL. 2014

P-RoC 2,46 2,4 4,74 2,8 5,23 < 0,10 mg/kg TS 21,42 WAIDA & WEINFURTNER 2011

1,6 EGLE ET AL. 2014

Seaborne 1,42 5,4 9,42 55,47 12,36 < 0,33 mg/kg TS 93,12 WAIDA & WEINFURTNER 2011

0,8 EGLE ET AL. 2014

ASH DEC

0,7 EGLE ET AL. 2014

3,98 4,8 120,67 254,97 111,77 0,10 mg/kg TS;

1,37 117,73 WAIDA & WEINFURTNER 2011

MEPHREC 6 4 85 105 20 6,1 0 10 EGLE ET AL. 2014

Rohphosphat

20,6 – 655 MÖLLER & SCHULTHEIß 2014

5,26 4,95 150,8 14,49 22,27 5,44 mg/kg TS;

29,7 207,26 WAIDA & WEINFURTNER 2011

1,6 160 15,9 15,5 11,4 mg/kg TS 214 BOYSEN 1992

11,7 50,2 KÖRDEL ET AL. 2007

Thomasphosphat

0,3 – 7,1 MÖLLER & SCHULTHEIß 2014

5,6 1759 33 6 < 0,1mg/kg TS 67 BOYSEN 1992

7,3 1545 23,5 6,6 0,5 mg/kg TS 48 KÜHNEN & GOLDBACH 2004

Grenzwert DüMV (2012)

40 150 Kennzeich-

nung ab 300

Kennzeichnung ab 0,02 %

80 1,5 mg/kg TS bzw.

114,5 1

Kennzeichnung ab 0,02 %

MÖLLER & SCHULTHEIß 2014

Grenzwert

ÖKO-VO - 45 70 70 25

0,7 mg/kg TS bzw. 206 mg/kg P (für Rohphosphat)

0,4 200 MÖLLER & SCHULTHEIß 2014

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4 Untersuchung ausgewählter Recyclingverfahren 40

4.3.5 Bewertungsübersicht

Nachfolgend werden die Bewertungsergebnisse in Form einer Tabelle angezeigt. Die Ein-

ordnungen bilden einen Vergleich der Verfahren untereinander ab und sind keine allge-

meingültigen Einschätzungen. Die Kategorie Löslichkeit wurde nicht vergleichend bewer-

tet. Eine Vergleichbarkeit der verschiedenen in der Literatur verwendeten Extraktionsme-

thoden war nicht gegeben (siehe Kapitel 4.2).

Tabelle 3: Bewertung der Verfahren

Kriterium* Kategorie** Seaborne AirPrex P-RoC ASH DEC MEPHREC

1

Komplexität - + ++ 0 --

Integrations-potenzial

+ 0 0

+

Umsetzungsstand ++ ++ + 0 0

2

Verfahrenskosten - + 0 ++ --

Rückgewinnungs-rate

0 -- - ++ +

3

Ressourcenbedarf - + ++ - --

Energiebedarf -- + ++ 0 -

Emissionen - + 0 ++ --

Reststoffe - ++ ++ - -

4

P-Gehalt ++ 0 + - --

Löslichkeit***

Düngewirkung + ++ 0 - 0

Schwermetall-belastung

++ + + 0 -

*) 1 = Struktur & Komplexität; 2 = Wirtschaftlichkeit; 3 = Ökologie & Nachhaltigkeit; 4 = Produktqualität

**) Die Bewertung erfolgte anhand einer fünfstufigen Skala von sehr positiv (++), positiv (+), neutral (0) bis

negativ (-) und sehr negativ (--)

***) Vergleichbarkeit war nicht gegeben

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5 Diskussion 41

5 Diskussion

Der strukturelle Wandel der Landwirtschaft, das heißt die Intensivierung der Produktion

und die Trennung von Marktfruchtanbau und Tierhaltung, zeigt sich immer deutlicher auch

im ökologischen Landbau. Dem Kreislaufgedanken, einem elementaren Grundsatz der

ökologischen Landwirtschaft, kann so immer schwieriger entsprochen werden. Ein hoher

Export von Nährstoffen durch den Verkauf der Ernteprodukte ließ sich noch nie aus-

schließlich mit betriebseigenen Ressourcen ausgleichen. Daher ist eine Zufuhr externer

Nährstoffe notwendig. Durch die Zulassungsbeschränkungen für Düngemittel im ökologi-

schen Landbau ergeben sich daraus besonders für die gezielte und ausreichende Versor-

gung der Kulturen mit Phosphor einige Schwierigkeiten.

Da auch der Einsatz des einzig zugelassenen mineralischen Phosphordüngemittels, des

weicherdigen Rohphosphats, aus landwirtschaftlicher Sicht, aber auch aus Umwelt-

schutzgründen bedenklich ist und zudem die Reserven der weltweiten Lagerstätten zur

Neige gehen, ist es angezeigt, besonders für den ökologischen Landbau alternative

Phosphorquellen zu ermitteln und zu beurteilen.

In der vorliegenden Arbeit wurde der Versuch unternommen, anhand von vier verschiede-

nen Kriterien, fünf ausgewählte Phosphorrecyclingverfahren und die dazugehörigen Re-

cyclingprodukte zu charakterisieren und vergleichend zu bewerten. Ausgehend von dieser

Charakterisierung soll im Folgenden der eingangs formulierten Fragestellung nachgegan-

gen werden, ob sich diese Produkte für den Einsatz im ökologischen Landbau im Rahmen

der derzeit geltenden Richtlinien eignen.

5.1 Rahmenbedingungen der Diskussion

Für die Diskussion der Bewertungsergebnisse der vorangegangenen Untersuchung wird

der Fokus auf die Kriterien Ökologie & Nachhaltigkeit und Produktqualität gelegt, da hier

die größten Unterschiede zwischen einer Bewertung aus konventioneller oder ökologi-

scher Sicht gegeben sind.

Die Wirtschaftlichkeit und die Verfahrenstruktur, die zwei weiteren Untersuchungskriterien,

sind Bewertungsaspekte, die für beide landwirtschaftlichen Ausrichtungen gleichermaßen

zu berücksichtigen sind. An ihnen lässt sich also keine besondere Eignung für die ökolo-

gische Landwirtschaft festmachen. Darüber hinaus ist besonders die Datengrundlage für

die Wirtschaftlichkeitsbewertung für alle Verfahren noch mit großen Unsicherheiten behaf-

tet. Die Faktoren, die eine wirtschaftliche P-Rückgewinnung ermöglichen würden, sind

außerdem nicht ausschließlich verfahrensspezifisch sondern setzen politische Unterstüt-

zungsmaßnahmen, wie finanzielle Förderung oder rechtliche Vorgaben, voraus (VON

HORN ET AL. 2010). Eine Diskussion dieser Aspekte würde im Rahmen dieser Arbeit aber

zu weit führen.

Schwierigkeiten ergaben sich bei der Charakterisierung der Recyclingprodukte hinsichtlich

der Bewertung der Kategorien Löslichkeit und Düngewirkung:

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5 Diskussion 42

Die Löslichkeit der P-Verbindungen in Düngemitteln wird mittels verschiedener Extrakti-

onsmethoden ermittelt. Zurzeit sind dafür elf verschiedene Methoden in der Düngemittel-

verordnung aufgeführt. In der Literatur wird in Frage gestellt, ob diese Methoden zu ver-

gleichen sind (vgl. Kapitel 4.2). Für die Untersuchung im Rahmen dieser Arbeit konnten

zudem nur für die Extrakte Wasser und Zitronensäure für alle fünf Recyclingprodukte Er-

gebnisse gefunden werden. Lediglich für die beiden MAP-Produkte aus AirPrex und Se-

aborne sowie die Schlacke aus dem MEPHREC-Verfahren konnten auch Werte für die

Extraktion in NAC angegeben werden. Für das Extrakt AAC gab es Ergebnisse für alle

Recyclingprodukte außer für die Schlacke.

Zusätzlich ergaben diese Löslichkeitsermittlungen der verschiedenen Autoren teilweise

unterschiedliche Ergebnisse für die gleichen Recyclingprodukte. Dies ist damit zu erklä-

ren, dass bei der Erzeugung eines Düngemittels durch ein Rückgewinnungsverfahren

keine gleichbleibende Beschaffenheit gewährleistet werden kann. So resultieren die diffe-

rierenden Werte verschiedener Autoren daher, dass nicht exakt das gleiche Produkt un-

tersucht wurde. Zudem ist davon auszugehen, dass sich die Produkte auch im Laufe der

Entwicklungszeit der Verfahren verändern, sodass Werte aus verschiedenen Jahren da-

her unterschiedlich ausfallen können. Dementsprechend konnte die Kategorie Löslichkeit

im Rahmen der Untersuchung dieser Arbeit nicht analog zu den anderen Kriterien verglei-

chend bewertet werden.

Auch die Ergebnisse der Düngewirkungsversuche, die von den zitierten Autoren angege-

ben wurden, sind nur bedingt vergleichbar. Eine Untersuchung der tatsächlichen Dünge-

wirkung der Recyclingprodukte durch die P-Aufnahme der Pflanzen wurde von verschie-

denen Autoren bislang nur in Gefäßversuchen durchgeführt, Düngeversuche im Feld lie-

gen bislang nicht vor (vgl. Kapitel 4.3.4). Die Daten aus den Gefäßversuchen sind deshalb

schwierig zu vergleichen, weil sie mittels variierender Versuchsparameter ermittelt wur-

den. So unterschieden sich zum einen die Untersuchungszeiträume, die Böden, die

Pflanzenarten sowie die Versuchsmaßstäbe. Zum anderen muss auch hier davon ausge-

gangen werden, dass sich die in den unterschiedlichen Versuchen getesteten Produkte

der gleichen Verfahren unterschieden, da durch die Rückgewinnungsverfahren keine

gleichbleibende Beschaffenheit jeder Charge gewährleistet werden kann. Hier beeinflusst

also ebenfalls der Untersuchungszeitpunkt die Ergebnisse, weil, wie oben dargestellt, der

Entwicklungsstand der jeweiligen Technologien und somit auch die Eigenschaften der

Produkte sich über die Zeit verändern.

5.2 Ergebnisse der Kriterien Ökologie & Nachhaltigkeit und Produkt-qualität

Um anhand des in dieser Arbeit durchgeführten Charakterisierungsversuchs einschätzen

zu können, ob sich die betrachteten Recyclingprodukte für den Einsatz im ökologischen

Landbau im Rahmen der derzeit geltenden Richtlinien eignen, ist zunächst noch zwischen

den Ergebnissen der beiden Kriterien zu unterscheiden.

Page 47: Untersuchung ausgewählter Phosphorrück ... · MAP Magnesium-Ammonium-Phosphat mg Milligramm Mg Magnesium MgCl 2 Magnesiumchlorid NAC Neutrales Ammoncitrat NaOH Natronlauge O 2 Sauerstoff

5 Diskussion 43

Im Kriterium Ökologie & Nachhaltigkeit stand die Beurteilung der Rückgewinnungsverfah-

ren im Fokus, im Kriterium Produktqualität wurden die Eigenschaften der erzeugten Re-

cyclingprodukte betrachtet. Allein auf Basis von positiven Ergebnissen hinsichtlich Ökolo-

gie und Nachhaltigkeit kann zunächst keine Einschätzung für die Eignung eines der Pro-

dukte erfolgen, denn für den landwirtschaftlichen Einsatz sind die Produkteigenschaften

entscheidend. Im Umkehrschluss kann zwar allein auf der Basis der Ergebnisse im Krite-

rium Produktqualität die Eignung für den Einsatz in der Landwirtschaft beurteilt werden,

da sich die Produkte aber speziell für die Verwendung im ökologischen Landbau bewäh-

ren sollen, müssen auch die Produktionsbedingungen geprüft werden. Denn nachhaltig

und ressourcenschonend zu wirtschaften, ist ein Anspruch des ökologischen Landbaus.

Ein Produkt also nur aufgrund seiner günstigen Düngeeigenschaften als geeignet zu er-

klären, obwohl die Herstellung z. B. hochgradig energieintensiv ist oder ihrerseits einen

hohen Ressourcenbedarf hat, wäre im Hinblick auf die Grundsätze und Ziele des ökologi-

schen Landbaus zu kurz gedacht.

Kriterium Ökologie & Nachhaltigkeit

Die Richtlinien der EG-Öko-Basisverordnung oder der Anbauverbände enthalten keine

spezifischen Regelungen bezüglich des Herstellungsprozesses eines Düngemittels. Als

Rahmenbedingungen für die Produktionsbedingungen können also lediglich die in den

Grundsätzen der ökologischen Landwirtschaft aufgeführten Vorgaben herangezogen wer-

den. Des Weiteren können die Herstellungsverfahren der zurzeit schon zugelassenen

Einnährstoffdüngemittel Rohphosphat und Thomasphosphat für einen Vergleich dienlich

sein. Mit dem weicherdigen Rohphosphat ist ein Produkt zugelassen, dass aus fossilen

Lagerstätten gewonnen wird. Die Nachhaltigkeit einer derartigen Gewinnung ist in Frage

zu stellen. Das zugelassene, aber nicht mehr anfallende Thomasphosphat entstand als

Nebenprodukt bei der Stahlerzeugung. Diese uneinheitliche Herkunft gibt ebenfalls keinen

Aufschluss über mögliche Einschränkungen für die Gewinnung oder Erzeugung eines

Phosphordüngemittels durch Vorgaben des ökologischen Landbaus.

Die fünf Recyclingprodukte haben gegenüber dem aktuell einzig verbleibenden Referenz-

düngemittel Rohphosphat unter ökologischen Gesichtspunkten den herausstechenden

Vorteil, dass sie einem Recyclingverfahren entstammen. Die Wiederverwendung von

Ressourcen und Abfallstoffen, sowie auch der Erhalt von möglichst geschlossenen Nähr-

stoffkreisläufen werden zu den grundsätzlichen Zielen der ökologischen Landwirtschaft

gezählt (IFOAM 2012). Diesem Anspruch kann durch die Verwendung der Recyclingpro-

dukte besser entsprochen werden als durch den Einsatz von Rohphosphat. Die Recyc-

lingprodukte werden darüber hinaus nicht nur im Inland erzeugt, sondern auch an ver-

schiedenen Standorten innerhalb Deutschlands, sodass eine lokale Versorgung der

Landwirte mit den Düngemitteln ohne lange Transportwege möglich wäre. Der Import von

Rohphosphat aus Lagerstätten, die über die ganze Welt verteilt liegen, ist auch unter die-

sem Aspekt als nicht nachhaltig zu bezeichnen.

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5 Diskussion 44

Doch auch unter den betrachteten Verfahren ergeben sich Unterschiede hinsichtlich der

ökologischen und nachhaltigen Bewertungsaspekte, auch wenn sie die oben genannten

Vorteile gemeinsam haben. Zu diesen Aspekten gehörten in der Untersuchung sowohl der

Ressourcenbedarf, der Energieaufwand, der Schadstoffausstoß als auch der Anfall von

Reststoffen. Die recherchierten Ergebnisse der Betrachtung dieser Kategorien ergaben

folgende Reihung der Verfahren: P-RoC > AirPrex > ASH DEC > Seaborne > MEPHREC.

Aus der Gesamtbetrachtung der ökologischen Parameter ergibt sich eine deutliche Vor-

züglichkeit des P-RoC-Verfahrens gegenüber den anderen untersuchten Rückgewin-

nungsverfahren. AirPrex schneidet ebenfalls gut ab und ist unter diesen Umständen wie

P-RoC als ein ökologisches und nachhaltiges Verfahren einzustufen. ASH DEC liegt auf-

grund des vergleichsweise hohen Ressourcenbedarfs und der anfallenden Reststoffe in

Form von Filterstäuben, die untertage deponiert werden müssen, hinter AirPrex und P-

RoC. Vorteilhaft im ASH DEC-Prozess ist, dass die von Schwermetallen entfrachtete

Asche das Endprodukt darstellt und somit die Deponierung der Asche entfallen kann. Die

Annahme der Klärschlammasche für die thermochemische Behandlung kann also auch

als Entsorgungsweg gewertet werden, gleichzeitig kann durch das Verfahren der enthal-

tene Phosphor landwirtschaftlich wiederverwendet werden. Dieser Doppelnutzen ist ein

positiver ökologischer Effekt, der, trotz des schlechteren Abschneidens im Vergleich zu P-

RoC und AirPrex zu berücksichtigen ist.

MEPHREC und Seaborne können aufgrund ihrer negativen Bewertung im Kriterium Öko-

logie & Nachhaltigkeit zurzeit nicht als ökologische Verfahren eingestuft werden. Für das

MEPHREC-Verfahren liegt allerdings ein Nachhaltigkeitspotenzial in der Erzeugung eines

Gases für die Energiegewinnung. Momentan ist dies noch ein Alleinstellungsmerkmal des

Verfahrens (SCHEIDIG 2009a). Das gesamte Verfahren kann zudem als alternative Klär-

schlammentsorgung mit gleichzeitiger Düngemittelgewinnung betrachtet werden. Dies

kommt eher einer Klärschlammverwertung als einer bloßen Entsorgung gleich und kann

daher im Hinblick auf den Ressourcenschutz als eine nachhaltigere Variante angesehen

werden.

Kriterium Produktqualität

Die Produktqualität der fünf Recyclingprodukte MAP (AirPrex und Seaborne), Ca-

Phosphat (P-RoC), entfrachtete Asche (ASH DEC) und P-reiche Schlacke (MEPHREC)

wurde anhand der Parameter Phosphorgehalt, Löslichkeit, Düngewirkung und Schwerme-

tallbelastung charakterisiert. In den Richtlinien des ökologischen Landbaus ergaben sich

für einen Abgleich der Untersuchungsergebnisse im Kriterium Produktqualität nur wenig

Anhaltspunkte.

In erster Linie ist die Zulassung eines Phosphordüngemittels, wie in Kapitel 2.1 beschrie-

ben, beschränkt über das Löslichkeitsverhalten der enthaltenen P-Verbindungen. Wäh-

rend die EG-Öko-Basisverordnung den Terminus „schwer löslich“ als Bedingung für die

Zulassung von mineralischen Düngemitteln verwendet, wird in den Richtlinien des Anbau-

verbands Bioland der Einsatz von „leicht löslichen“ Phosphaten explizit verboten (EG-

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5 Diskussion 45

ÖKO-BASISVERORDNUNG 2007, BIOLAND 2013). Die unterschiedlich formulierten Vorgaben

haben dennoch dieselbe Bedeutung. Weiter ausgeführt werden diese Angaben in den

Richtlinien allerdings nicht. Es kann davon ausgegangen werden, dass, wie allgemein

gültig, mit der Löslichkeit die Pflanzenverfügbarkeit des im Produkt enthaltenen Phos-

phors beschrieben werden soll. Ein schwer lösliches Produkt ist nur langsam für die

Pflanzen verfügbar. Damit wird dem Prinzip der ökologischen Düngung, also der Pflanze-

nernährung über die Mobilisierung von Nährstoffen aus dem belebten Boden anstatt di-

rekter Nährstoffversorgung, entsprochen. Unbestritten ist, dass die Wasserlöslichkeit ei-

nes Düngemittels, also die sofortige Verfügbarkeit des enthaltenen Phosphors für die

Pflanzen, nicht den Vorgaben des ökologischen Landbaus entsprechen kann.

Einen weiteren Ansatzpunkt für die Einordnung der Recyclingprodukte bietet die Betrach-

tung der Düngemitteleigenschaften des im ökologischen Landbau zugelassenen

Rohphosphats und Thomasphosphats.

Die Löslichkeit eines Düngemittels hängt von den enthaltenen P-Verbindungen ab. Wie in

Kapitel 2.1 beschrieben, besteht Rohphosphat hauptsächlich aus der schwerlöslichen

Verbindung Apatit. Zur Beschreibung der Verfügbarkeit des in Rohphosphat enthaltenen

Phosphors wird deshalb die Extraktion in dem starken Extraktionsmittel Ameisensäure

durchgeführt. Anhand der gewonnenen Informationen und in zahlreichen Düngeversu-

chen wurde ermittelt, dass Rohphosphat ein langsam wirkendes, also schwer lösliches

Düngemittel ist.

Die Wirksamkeit von Thomasphosphat wird über die Löslichkeit des Produkts in Zitronen-

säure, einem weniger starken Extraktionsmittel, beschrieben. Es kann demnach davon

ausgegangen werden, dass die enthaltenen P-Verbindungen schneller verfügbar werden

als die des Rohphosphats. Es handelt sich somit bei Thomasphosphat nicht um ein ver-

gleichsweise schwer lösliches Düngemittel. Dennoch ist es im ökologischen Landbau zu-

gelassen.

Sollten sich die Beschränkungen jedoch ausschließlich auf die Löslichkeitsergebnisse der

Düngemittel beziehen, etwas anderes konnte nicht aus den Richtlinien abgeleitet werden,

lässt dies den Schluss zu, dass ein vergleichbar lösliches Recyclingdüngemittel ebenfalls

zugelassen werden könnte.

Die fünf Recyclingprodukte waren alle nicht in Wasser löslich, es kann also ausgeschlos-

sen werden, dass der enthaltene Phosphor sofort für die Pflanzen verfügbar ist. Im Falle

anderer Extraktionsmittel kann nicht genau gesagt werden, inwieweit eine Löslichkeit, die

durch sie ermittelt wurde, „schwer“ oder „leicht“ ist.

Die Ergebnisse aus den Gefäßversuchen, in denen die bewirkte P-Aufnahme durch die

Produkte getestet wurde, ergaben, trotz der nur eingeschränkt vergleichbaren Daten, ein

vorläufiges Bild der tatsächlichen Düngewirkung der Recyclingdüngemittel. In den Versu-

chen wurden die P-Aufnahmen meist in Relation zur Wirkung eines herkömmlichen was-

serlöslichen Düngemittels wie Triple-Superphosphat (TSP) sowie von Rohphosphat ge-

setzt. Dies ergab für die beiden MAP-Produkte in den von verschiedenen Autoren durch-

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5 Diskussion 46

geführten Versuchen oftmals mit TSP vergleichbare Ergebnisse. Auch wenn die Produkte

nicht wasser-, also sehr leicht löslich sind, scheinen sie ähnlich wie wasserlösliche Dün-

ger zu wirken.

Das Ca-Phosphat aus dem P-RoC-Verfahren erreicht nur auf sehr sauren Böden in Rela-

tion zu TSP ähnliche Ergebnisse. Auf entsprechenden Böden kann auch Rohphosphat

gute P-Aufnahmen bewirken. Dies kann ein Hinweis auf eine mit Rohphosphat vergleich-

bare Düngewirkung des Ca-Phosphats sein. Das Produkt zeigte zudem eine hohe Lös-

lichkeit in Zitronensäure, was wiederum einen Vergleich mit Thomasphosphat möglich

machen könnte.

Das ASH DEC-Produkt zeigte ebenfalls teilweise eine hohe Löslichkeit in Zitronensäure,

konnte aber auf sauren und neutralen Böden nur eine ähnliche oder leicht höhere P-

Aufnahme bewirken als Rohphosphat. Unter diesen Umständen scheint das Produkt hin-

sichtlich der Düngewirkung diesem zu ähneln. Die P-Aufnahmen konnten noch gesteigert

werden, wenn im Zuge des thermochemischen Verfahrens Magnesiumchlorid anstatt Cal-

ciumchlorid eingesetzt wurde. Dies lässt die Annahme zu, dass Verbindungen aus Mag-

nesium und Phosphat besser pflanzenverfügbar sind.

Die Schlacke aus dem MEPHREC-Verfahren war zu einem sehr hohen Anteil löslich in

Zitronensäure. Für andere Extraktionsmittel ergaben sich keine oder sehr geringe Löslich-

keiten. In diesem Punkt ist das Produkt also wahrscheinlich ebenfalls mit Thomasphos-

phat vergleichbar. Trotz der ausgeprägten Zitronensäure-Löslichkeit wurden in den Dün-

geversuchen nur nennenswerte P-Aufnahmen auf neutralen Böden ermittelt. Diese über-

stiegen dort sogar teilweise die von TSP. Bei Betrachtung der Löslichkeit kann die Schla-

cke zwar unter Vorbehalt mit der Thomasphosphatschlacke verglichen werden, letztere

wirkt allerdings auf eher sauren Böden besser (RÖMER 2013). Dieser Befund stützt den

Vergleich wiederum nicht. Für das MEPHREC-Produkt lagen in der Untersuchung die

wenigsten Ergebnisse aus Düngeversuchen vor. Eine gesicherte Einschätzung der Pro-

dukteigenschaften ist daher zusätzlich erschwert.

Neben den Parametern Löslichkeit und Düngewirkung wurde auch die Schwermetall-

belastung der Recyclingprodukte betrachtet. Die Schwermetallgehalte der Produkte sowie

die von Roh- und Thomasphosphat sind ebenso wie die Grenzwerte der Düngemittel-

verordnung und der EG-Öko-Verordnung in Tabelle 2 aufgeführt.

Was die potenzielle Eignung der Produkte für den Einsatz im ökologischen Landbau be-

trifft, sollten die Grenzwerte der EG-Öko-Verordnung unterschritten werden. Dies ist bei

den Produkten der Verfahren AirPrex, Seaborne und P-RoC für alle aufgeführten

Schwermetalle der Fall. Das ASH DEC-Produkt überschreitet die Grenzwerte für Chrom,

Kupfer und Nickel. Der Zinkgehalt ist nahe dem Grenzwert. Das MEPHREC-Produkt

übersteigt die Grenzwerte für Chrom und Kupfer. Zusätzlich ist hier der Nickelgehalt na-

hezu auf dem Niveau des Grenzwerts.

In Bezug auf Rohphosphat ist besonders die Cadmium- und Uranbelastung in den Fokus

gerückt (vgl. Kapitel 2.1). Die Cadmiumgehalte der Recyclingdüngemittel sind allesamt

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5 Diskussion 47

deutlich niedriger als die in der Literatur für Rohphosphat angegebenen Gehalte. Der

Urangehalt der Recyclingdüngemittel wurde in der, in dieser Arbeit herangezogenen, Lite-

ratur nicht ermittelt, da davon ausgegangen wird, dass die Ausgangsubstrate der Produk-

te nicht uranbelastet sind und somit auch keine Gefahr der Belastung für die Recycling-

produkte besteht (EGLE ET AL. 2014).

Hinsichtlich der Schwermetallbelastung können die MAP-Produkte und das Ca-Phosphat

als für den ökologischen Landbau geeignet eingestuft werden. Für das ASH DEC- und

das MEPHREC-Produkt gilt dies nicht, da einige Überschreitungen ermittelt wurden.

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6 Schlussfolgerung und Ausblick 48

6 Schlussfolgerung und Ausblick

In der Diskussion wurden einige Aspekte angesprochen, die eine abschließende Beant-

wortung der zu Anfang der Arbeit formulierten Fragestellung nur schwer möglich machen.

Dennoch wird deutlich, welches Potenzial die Recyclingverfahren und besonders ihre

Produkte besitzen, sich für die Zulassung im ökologischen Landbau zu eignen. Die Dün-

gewirksamkeit der MAP-Produkte erscheint insgesamt höher und vom pH-Wert des Bo-

dens unabhängiger zu sein als die der anderen Recyclingdünger. Insgesamt wird aber

allen Produkten eine langsamere Wirkung im Vergleich zu den konventionellen Düngemit-

teln TSP oder SSP bescheinigt. Mit Rohphosphat sind die Produkte hinsichtlich ihrer

Wirksamkeit immer mindestens vergleichbar gewesen. Oft hatten sie aber einen besseren

Düngeeffekt. Die Schwermetallbelastungen sind insgesamt sehr gering und entsprechen

so mit den zwei genannten Ausnahmen (ASH DEC und MEPHREC) den Vorgaben des

ökologischen Landbaus. Dies kann anhand einer ausreichenden Datenlage gut beurteilt

werden.

Als größte Schwierigkeit stellte sich die Aussagekraft der Zulassungsbedingungen in den

Richtlinien der ökologischen Landwirtschaft heraus. Es lässt sich nur sehr eingeschränkt

herausarbeiten, welche Vorgaben allgemeingültig für die Einschätzung der Eignung von

Düngemitteln herangezogen werden können. Es ist erkennbar, dass vonseiten der ökolo-

gischen Landwirtschaft hier deutlichere und umfassendere Zulassungskriterien formuliert

werden müssen, damit eine Einordnung neuer Düngemittel überhaupt möglich wird. Im

Hinblick darauf, dass der Einsatz von Rohphosphat besonders auch aus landwirtschaftli-

cher Sicht, also bezüglich der geringen Düngewirkung des Produktes, kritisch zu sehen

ist, sollte überlegt werden, die Zulassungsbeschränkungen so zu gestalten, dass auch

Produkte eingesetzt werden können, die über einen angemessenen Zeitraum pflanzen-

verfügbar werden und somit einen Düngeeffekt erzeugen. Die Verwendung eines Dünge-

mittels, das aus fossilen Lagerstätten stammt und zudem bei der Ausbringung auf den

meisten landwirtschaftlichen Böden keinen oder einen nur sehr geringen Anteil zur Phos-

phorversorgung der Pflanzen beitragen kann, lässt sich im ökologischen Landbau kaum

rechtfertigen.

Insgesamt tragen alle fünf Phosphorrückgewinnungsverfahren zur Schonung der fossilen

Ressource Phosphor bei. Mit der Verwendung eines Recyclingdüngemittels kann

Rohphosphat in der Düngemittelherstellung oder im direkten landwirtschaftlichen Einsatz

substituiert werden. Im Vergleich zur Ausbeutung von fossilen Lagerstätten kann jegliche

Form des Recyclings von Phosphor als nachhaltiger und ökologisch sinnvoller betrachtet

werden. Hinzu kommt der regionale Aspekt der Phosphorrückgewinnung. Als Landbewirt-

schaftungsform, die es sich zum Grundsatz gemacht hat, einen schonenden Umgang mit

Ressourcen über Recycling und weitestgehend geschlossene Betriebskreisläufe, zu errei-

chen, ist der ökologische Landbau in der Pflicht, alternativen, durch Recycling gewonne-

nen Rohstoffen den Vorrang gegenüber fossilen zu geben. Die Produkte sind im weiteren

Sinne Bestandteil des Lebensmittelkreislaufes, da sie aus menschlichen Ausscheidungen

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6 Schlussfolgerung und Ausblick 49

gewonnen werden und als Düngemittel der landwirtschaftlichen Lebensmittelerzeugung

zurückgeführt werden können. Mit ihrem Einsatz könnte somit ein Beitrag zur Schließung

des Phosphorkreislaufs geleistet werden. Die mithilfe der Recyclingprodukte realisierbare

Substitution des Rohphosphateinsatzes würde zudem der Schonung der fossilen Phos-

phorressourcen dienen.

Die Akteure des ökologischen Landbaus sollten das Potenzial der Recyclingdüngemittel

anerkennen und Untersuchungen der Produkte unter ökologischen Voraussetzungen

durchführen. Des Weiteren sollten die Zulassungskriterien überarbeitet und vor allem

spezifiziert werden, sodass eine einheitliche Bewertung von Düngemitteln möglich wird.

Überlegenswert wäre es auch, ob zusätzlich zu den Düngemitteleigenschaften auch die

Nachhaltigkeit der Erzeugungsverfahren in eine Bewertung mit einfließen sollte. So könn-

te den Grundsätzen des ökologischen Landbaus in Bezug auf die Nutzung betriebsexter-

ner Düngemittel in einem noch umfassenderen Maß entsprochen werden.

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7 Zusammenfassung 50

7 Zusammenfassung

In der vorliegenden Arbeit wurden mittels einer Literaturrecherche fünf ausgewählte

Phosphorrückgewinnungsverfahren (AirPrex (Berliner)-Verfahren, P-RoC-Verfahren, Se-

aborne (Gifhorner)-Verfahren, ASH DEC-Verfahren und MEPHREC-Verfahren) und ihre

erzeugten Produkte anhand von vier eigens entwickelten Bewertungskriterien untersucht.

Das Ziel der Arbeit war es, die Recyclingprodukte zu charakterisieren und die Frage zu

diskutieren, ob sich die Verfahren und Produkte im Rahmen der bisherigen Richtlinien für

den Einsatz im ökologischen Landbau eignen.

Im AirPrex-Verfahren wird mittels eines Fällungsprozesses Magnesium-Ammonium (MAP)

aus ausgefaultem Klärschlamm (Faulschlamm) gewonnen. Das Seaborne-Verfahren fällt

mittels eines nasschemischen Prozesses ebenfalls MAP aus Faulschlamm, der Phosphor

wird vorher zusätzlich unter Einsatz von Säure rückgelöst. Im P-RoC-Verfahren entsteht

durch Kristallisation an Calcium-Hydrat-Phasen eine Ca-Phosphatverbindung. Das ASH-

DEC-Verfahren behandelt monoverbrannte Klärschlammasche mithilfe des Einsatzes von

Mg- oder Ca-Chloriden thermochemisch. Auf diese Weise wird die Asche schwerme-

tallentfrachtet und mit Phosphor angereichert. Eine P-reiche Schlacke entsteht im

Schmelzvergasungsprozess des MEPHREC-Verfahrens. Zusätzlich wird ein Brenngas

erzeugt, das für die Energiegewinnung nutzbar ist.

Mittels der Bewertungskriterien Struktur & Komplexität, Wirtschaftlichkeit, Ökologie &

Nachhaltigkeit und Produktqualität konnten die fünf Verfahren und die dazugehörigen

Produkte im Vergleich untereinander anhand eines fünfstufigen Rasters (++ = sehr posi-

tiv, + = positiv, 0 = neutral, - = negativ, -- = sehr negativ), nach allgemeinem bzw. konven-

tionellem Maßstab, bewertet werden. Es ergaben sich folgende Reihungen:

Struktur & Komplexität: P-RoC = AirPrex > Seaborne > ASH DEC = MEPHREC

Wirtschaftlichkeit: ASH DEC > AirPrex > P-RoC > MEPHREC = Seaborne

Ökologie & Nachhaltigkeit: P-RoC > AirPrex > ASH DEC > Seaborne > MEPHREC

Produktqualität: Seaborne = AirPrex >P-RoC > ASH DEC > MEPHREC

In dem der Untersuchung vorangestellten Literaturteil werden die rechtlichen Bestimmun-

gen zur Zulassung von Düngemitteln im ökologischen Landbau erläutert sowie die beiden

als Referenzdüngemittel angeführten Einnährstoffdünger weicherdiges Rohphosphat und

Thomasphosphat vorgestellt. Für die Beantwortung der Fragestellung wurden diese In-

formationen und die Ergebnisse der Untersuchungskriterien Ökologie & Nachhaltigkeit

und Produktqualität abgeglichen. Die anderen Bewertungskriterien wurden in der Diskus-

sion nicht berücksichtigt, da die entsprechenden Ergebnisse keine Hinweise geben be-

züglich der Eignung hinsichtlich einer bestimmten Bewirtschaftungsform.

Für die Einschätzung der Zulassung der Produkte im Hinblick auf ihren Herstellungspro-

zess anhand der ökologischen und nachhaltigkeitsspezifischen Parameter konnten in den

Richtlinien nur vage Vorgaben ermittelt werden. Die Ergebnisse der Untersuchung erga-

ben eine Vorzüglichkeit der technologisch einfachen Verfahren, da hier der Ressourcen-

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7 Zusammenfassung 51

und Energiebedarf sowie auch der jeweilige Schadstoffausstoß besonders niedrig waren.

Zudem fielen im Zuge dieser Verfahren keine zusätzlichen Reststoffe an. Die Verfahren

AirPrex und P-RoC konnten somit als ökologische und nachhaltige Verfahren einge-

schätzt werden, die im Sinne der Grundsätze und Ziele des ökologischen Landbaus sind.

Herauszustellen ist für alle Verfahren der Vorteil der nachhaltigen Düngemittelerzeugung

durch Recycling gegenüber der Gewinnung von Rohphosphat aus fossilen Lagerstätten.

Bei der Beurteilung der Zulassung anhand der Produkteigenschaften ergaben sich erneut

Schwierigkeiten bezüglich der Richtlinien. Diese beschränken sich hinsichtlich der Einord-

nung der Düngereigenschaften auf die Einschränkung der Löslichkeit. Es sind nur „schwer

lösliche“ Düngemittel zugelassen. Eine weitergehende Definition dieses Terminus oder

sonstige Ausführungen hierzu konnten nicht gefunden werden. Auch ein Vergleich mit den

bereits zugelassenen Düngemitteln Roh- und Thomasphosphat war nur eingeschränkt

möglich, da es besonders für letzteres keine Erläuterung der Zulassung gibt. Es ergab

sich so keine Vorzüglichkeit eines bestimmten Produkts. Alle Produkte waren in ihrer

Düngewirkung besser oder vergleichbar mit Rohphosphat. Teilweise ergaben sich Ein-

schränkung für die Verwendung auf Böden mit bestimmten pH-Werten. So können be-

sonders auf neutralen Böden wirksame Düngemittel eine Ergänzung zu Rohphosphat

darstellen. Bezüglich der Löslichkeit konnte keine Einschätzung erfolgen, da die Extrakti-

onsmethoden schlecht vergleichbar waren. Zudem waren in den Richtlinien keine für öko-

logische Düngemittel geeigneten Methoden angegeben. Sicher ist, dass keins der Pro-

dukte wasserlöslich ist, somit also nicht sehr schnell pflanzenverfügbar.

Für die Beurteilung der Schwermetallbelastung der fünf Produkte konnten die Grenzwerte

der Düngemittelverordnung sowie die der EG-Durchführungsverordnung Nr. 889/2008

herangezogen werden. Die Produkte unterschreiten für die betrachteten Schwermetalle

deutlich beide Grenzwerte, eine Ausnahme bilden die Produkte ASH DEC und ME-

PHREC. Hier werden teilweise die Werte für Chrom, Kupfer und Nickel überschritten. Die

Cadmiumbelastung aller Produkte ist im Vergleich zu Rohphosphat deutlich geringer.

Die Recyclingverfahren und die Verwendung der durch sie erzeugten Produkte können

einen Beitrag zur Schonung der Ressource Phosphor sowie zur Schließung des P-

Kreislaufes leisten. Zur umfassenderen Einschätzung der Produkte sind Versuche unter

ökologischen Bedingungen unerlässlich. Der ökologische Landbau sollte dieser Phos-

phorquelle in Zukunft unbedingt eine umfassendere Beachtung schenken.

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Literaturverzeichnis 52

Literaturverzeichnis

ADAM, C. (2009): Susan - Sustainable and Safe Re-use of Municipal Sewage Sludge for Nutrient Recovery – Final Activity Report. BAM.

BARJENBRUCH, M. & EXNER, E. (2009): Leitfaden zur Verminderung des Phosphoreintrags aus Kläranlagen. Thüringer Ministerium für Landwirtschaft, Naturschutz. Thüringer Ministerium für Landwirtschaft, Naturschutz (Hrsg.), Erfurt.

BAYERLE, N. (2009): P-Recycling in Gifhorn mit dem modifizierten Seaborne-Prozess. Vortrag: BALTIC 21 - Phosphorus Recycling and Good Agricultural Management Practice, 28.-30. Septem-ber 2009, Berlin.

BERG, U.; KNOLL, G.; KASCHKA, E.; KREUTZER, V.; WEIDLER, P.G. & NÜESCH R. (2007): P-RoC - Phosphorus Recovery from Wastewater by Crystallisation of Calcium Phosphate Compounds. In: J. Res. Sci. & Tech. 4 (3), 117–122.

BIOLAND (2013) Bioland-Richtlinien [online]. URL: http://www.bioland.de/fileadmin/dateien/HP_Dokumente/Richtlinien/2013_11_26_Bioland-Richtlinien.pdf, (Stand: 13.06.14).

CABEZA, R. (2010): Phosphorus dynamics in soil and plant availability of fertilizers from phosphorus recycling evaluated in field and pot experiments. Dissertation, Cuvillier Verlag, Göttingen.

CABEZA, R.; STEINGROBE, B.; RÖMER, W. & CLAASSEN, N. (2011): Effectiveness of recycled P prod-ucts as P fertiliziers, as evaluated in pot experiments. Nutr Cycl Agroecosyst, 91, 173-184.

CLAASSEN, N.; STEINGROBE, B. & CABEZA, R. (2010): Phosphorrecycling – Charakterisierung der Düngewirkung recyclierter Phosphatdünger in Feld- und Gefäßversuchen. Wissenschaftlicher Ab-schlussbericht (Förderkennz. 02WA0786), Georg-August-Universität, Göttingen.

DOCKHORN, T. 2009: About the economy of phosphorus recovery. In: International Conference on Nutrient Recovery from Wastewater Streams: May 10-13, 2009, Vancouver, Canada. Ashley, K.I., Mavinic, D.S., Koch, F.A. (Hrsg.).

EGLE, L.; RECHBERGER, H. & ZESSNER, M. (2014): Endbericht Phosphorrückgewinnung aus dem Abwasser. Bundesministerium für Land- und Forstwirtschaft, Umwelt und Wasserwirtschaft, Sekti-on VII Wasser & TU Wien (Hrsg.), Wien.

EG-ÖKO-BASISVERORDNUNG (2007): Verordnung (EG) Nr. 834/2007 des Rates vom 28.Juni 2007 über die ökologische/biologische Produktion und die Kennzeichnung von ökologi-schen/biologischen Erzeugnissen und zur Aufhebung der Verordnung (EWG) Nr. 2092/91, Amts-blatt der Europäischen Union, Nr. L189 vom 20.07.2007.

EG-DURCHFÜHRUNGSVERORDNUNG (2008): Verordnung (EG) Nr. 889/2008 der Komission vom 5. September 2008 mit Durchführungsvorschriften zur Verordnung (EG) Nr. 834/2007 des Rates über die ökologische/biologische Produktion und die Kennzeichnung von ökologischen/biologischen Erzeugnissen, Amtsblatt der Europäischen Union, Nr. L 250 vom 18.09.2008.

EHBRECHT, A. (2010): Schlussbericht BMBF/BMU-Förderinitiative "Kreislaufwirtschaft von Pflan-zennährstoffen - insbesondere Phosphor. Verbundprojekt ProPhos. Teilprojekt A2: Rückgewinnung von Phosphor aus Abwasser - Kristallisation im Pilotmaßstab. KIT (Hrsg.), Karlsruhe.

EVERDING, W. & PINNEKAMP, J. (2011): Kostenabschätzung von ausgewählten Phosphorrückge-winnungsverfahren. In: : Pinnekamp, J. (Hrsg.): Phosphorrecycling – Ökologische und wirtschaftli-che Bewertung verschiedener Verfahren und Entwicklung eines strategischen Verwertungskon-zepts für Deutschland (PhoBe) – Abschlussbericht des Teilvorhabens der BMBF/BMU Förderinitia-tive „Kreislaufwirtschaft für Pflanzennährstoffe, insbesondere Phosphor“, Aachen.

FELBER, H. & FISCHER, M. (2010): Klärwärter-Taschenbuch. 16. Aufl., F. Hirthammer Verlag, Mün-chen.

FEHRENBACH, H. & REINHARDT, J. (2011): Ökobilanzielle Bewertung der in der Förderinitiative ent-wickelten Verfahren. In: : Pinnekamp, J. (Hrsg.): Phosphorrecycling – Ökologische und wirtschaftli-che Bewertung verschiedener Verfahren und Entwicklung eines strategischen Verwertungskon-zepts für Deutschland (PhoBe) – Abschlussbericht des Teilvorhabens der BMBF/BMU Förderinitia-tive „Kreislaufwirtschaft für Pflanzennährstoffe, insbesondere Phosphor“, Aachen.

Page 57: Untersuchung ausgewählter Phosphorrück ... · MAP Magnesium-Ammonium-Phosphat mg Milligramm Mg Magnesium MgCl 2 Magnesiumchlorid NAC Neutrales Ammoncitrat NaOH Natronlauge O 2 Sauerstoff

Literaturverzeichnis 53

FINCK, A. (1992): Dünger und Düngung – Grundlagen und Anleitung zur Düngung der Kulturpflan-zen. 2. Aufl., VCH Verlag, Weinheim.

GETHKE, K. (2012): Verfahren zur Gewinnung von Sekundärphosphaten aus flüssigen Stoffströmen und deren Einfluss auf die deutsche Phosphorbilanz. Dissertation. RWTH Aachen.

HEINITZ, F.; FARACK, K. & ALBERT, E. (2013): Verbesserung der P-Effizienz im Pflanzenbau. Schrif-tenreihe des LfULG Sachsen, Heft 9. Sächsisches Landesamt für Umwelt, Landwirtschaft und Geologie (Hrsg.).

HEINZMANN, B. & LENGEMANN, A. (2012): Vom Betriebsproblem zum marktfähigen Produkt - Phos-phorrückgewinnung in der Kläranlage Waßmannsdorf. Vortrag: 31. Berliner Wasserwerkstatt - Klärschlamm und Verwertung. Berliner Wasserbetriebe, Berlin.

HERMANN, L. (2009): Rückgewinnung von Phosphor aus der Abwasserreinigung. Eine Bestands-aufnahme. Bundesamt für Umwelt (BAFU) (Hrsg.), Bern.

HERMANUSSEN, O.; MÜLLER-SCHAPER, J.; HAUN, E.; WEICHGREBE, D. ROSENWINKEL, K.-H.; ESEMEN, T.; DOCKHORN, T. & DICHTL, N. (2012): Abschlussbericht - Zusammenfassung der durchgeführten Untersuchungen und technisch-wirtschaftliche Bewertung der Verfahrenstechnik. Wissenschaftli-che Begleitung der großtechnischen Anwendung der Seaborne-Technologie auf der KA Gifhorn. PFI Planungsgemeinschaft Hannover; ISAH; Leibniz Universität Hannover; ISW; TU Braun-schweig.

IFOAM (2012): Norms for Organic Production and Processing. URL: http://www.ifoam.org/sites/default/files/page/files/ifoam_norms_version_august_2012_with_cover.pdf (Stand: 13.06.14)

KABBE, C. (2013): Übersicht der Umsetzung von Verfahren in Europa - Erfahrungen aus P-REX. Vortrag: Kompetenzzentrum Wasser, Berlin.

KASCHKA, E. & DONNERT, D. (2002): Das Phostrip-Verfahren in Kombination mit „Aktivfiltration“, ein

Wirtschaftlicher Weg zur P-Rückgewinnung. Schriftenreihe WAR, TU Darmstadt, Band 147.

KASCHKA, E.; KNOLL, G.; BERG, U. & DONNERT, D. (2005): Anwendung der tobermorit-induzierten Kristallisation zur P-Elimination und P-Rückgewinnung aus kommunalem Abwasser. KA Abwasser, Abfall 52 (11), 1236–125.

KRATZ S. & SCHNUG, E. (2005) Schwermetalle in P-Düngern. Landbauforsch Völkenrode, SH 286, 37-45.

KRATZ, S. & SCHNUG, E. (2009):Zur Frage der Löslichkeit und Pflanzenverfügbarkeit von Phosphor in Düngemitteln. Journal für Kulturpflanzen, 61 (1), 2-8.

KRATZ, S.; HANEKLAUS, S. & SCHNUG, E. (2010): Chemical solubility and agricultural performance of P-containing recycling fertilizers. Landbauforschung Völkenrode, 60, 227-240.

KUDERNA, M. & NANZER, S. (2009): Fertilizers made of thermochemically treated sewage sludge ash. Selected results from past and ongoing R&D projects (SUSAN, SUSYPHOS; PHOSKRAFT). Vortrag: ETH Zürich.

LESCHBER, R. & LOLL, U. (Schriftleitung) (1996): ATV-Handbuch Klärschlamm. 4. Aufl., Ernst & Sohn Verlag, Berlin.

MÖLLER, K. & SCHULTHEIß, U. (2014): Organische Handelsdünger im ökologischen Landbau. KTBL-Schrift 499, Kuratorium für Technik und Bauwesen in der Landwirtschaft e. V. (KTBL) (Hrsg.), Darmstadt.

MONTAG, D.; PLUTA, H.; ROSKOSCH, A.; STEFFENS, D.; KABBE, C.; SEVERIN, K.; REIFENSTUHL, R.; LEIFERT, I.; KEHRES, B.; HECK, A. & WAIDA, C. (2013): Düngemittel mit Recycling-P –Themenpapier. Bundesgütegemeinschaft Kompost e. V. (Hrsg.), Köln.

MÜLLER-SCHAPER, J.; HERMANUSSEN, O.; ESEMEN, T.; DOCKHORN, T.; DICHTL, N.; HAUN, E.; WEICH-

GREBE, D.; ROSENWINKEL, K.-H. & BAYERLE, N.: Seaborne-Verfahren in Gifhorn - Erfahrungen und Ergebnisse. In: Tagungsband der 45. Essener Tagung für Wasser- und Abfallwirtschaft "Wasser-wirtschaft und Energiewende", Bd. 230, S. 23/1-23/14.

Page 58: Untersuchung ausgewählter Phosphorrück ... · MAP Magnesium-Ammonium-Phosphat mg Milligramm Mg Magnesium MgCl 2 Magnesiumchlorid NAC Neutrales Ammoncitrat NaOH Natronlauge O 2 Sauerstoff

Literaturverzeichnis 54

NELSON, N. O. & JANKE, R. R. (2007): Phosphorus Sources and Management in Organic Production Systems. HortTechnology, 17 (4), 442-454.

PETZET, S. & CORNEL, P. (2010) Abschlussbericht des BMBF-Verbundprojektes ProPhos: "Phos-phorrückgewinnung aus Abwasser, Klärschlamm und Rückständen thermischer Klärschlammbe-handlung“, Teilprojekt B Phosphorrückgewinnung aus Klärschlamm und Klärschlammaschen. Insti-tut IWAR, Technische Universität Darmstadt.

PETZET, S.; CORNEL, P.; BEIER, M.; ROSENWINKEL, K.-H.; PIKULA, R.; SPERLICH; V.; EHBRECHT, A.; PATZIG, D.; SCHÖNAUER, S. & SCHUHMANN, R. (2011): BMBF-Verbundprojekt ProPhos: Phosphor-rückgewinnung aus Abwasser, Klärschlamm und Rückständen thermischer Klärschlammbehand-lung. Gewässerschutz – Wasser – Abwasser, Aachen.

PINNEKAMP, J.; MONTAG, D.; GETHKE, K.; GOEBEL, S. & HERBST, H. (2007) Rückgewinnung eines schadstofffreien, mineralischen Kombinationsdüngers „Magnesiumammoniumphosphat–MAP“ aus Abwasser und Klärschlamm, Text 25/07. Abschlussbericht für das Umweltbundesamt. Institut für Siedlungswasserwirtschaft RWTH Aachen.

PINNEKAMP, J., MONTAG, D., HEIL, J., GAJIC, D., RATH, W., DITTRICH, C., PFENNIG, A., KRÖCKEL, J., DOTT, W., ZIMMERMANN, J., DOETSCH, P., VAN NORDEN, H., GRÖMPING, M. & SEYFRIED, A. (2011) Rückgewinnung von Pflanzennährstoffen, insbesondere Phosphor aus der Asche von Klär-schlamm. Schlussbericht zur BMBF/BMU Förderinitiative "Kreislaufwirtschaft für Pflanzennährstof-fe, insbesondere Phosphor".

PINNEKAMP, J., BAUMANN, P., CORNEL, P., EVERDING, W., GÖTTLICHER-SCHMIDLE, U., HEINZMANN, B., JARDIN, N., LONDONG, J., MEYER, C., MOCKER, M., MONTAG, D., MÜLLER-SCHAPER, J., PETZET, S. & SCHAUM, C. (2013): Stand und Perspektiven der Phosphorrückgewinnung aus Abwasser und Klär-schlamm – Zweiter Arbeitsbericht der DWA-Arbeitsgruppe KEK-1.1 „Wertstoffrückgewinnung aus Abwasser und Klärschlamm“, Sonderdruck KA – Korrespondenz Abwasser, Abfall, 60 (10/11), 1-11.

RAHMANN, G.; OPPERMANN, R.; PAULSEN, H.-M. & WEISSMANN, F. (2009): Good, but not good enough? Research and development needs in organic farming. Landbauforschung Völkenrode 59(1), 29-40.

RÖMER, W. (2006): Vergleichende Untersuchungen zur Pflanzenverfügbarkeit von Phosphat aus verschiedenen P-Recycling-Produkten im Keimpflanzenversuch. J. Plant Nutr. Soil Sci. 169 (6), 826–832.

RÖMER, W. (2013): Phosphordüngung neuer Phosphatrecyclingprodukte. Berichte über Landwirt-schaft - Zeitschrift für Agrarpolitik und Landwirtschaft, 91 (1), 1-24.

RÖMER, W. (2014): Welche Phosphatprodukte eignen sich für den Ökolandbau? Ökologie & Land-bau, 169 (1), 42-44.

SARTORIUS, C. & TETTENBORN, F. (2011): Zukunftschancen durch Entwicklung von Phosphorrecyc-lingtechnologien in Deutschlan. In: : Pinnekamp, J. (Hrsg.): Phosphorrecycling – Ökologische und wirtschaftliche Bewertung verschiedener Verfahren und Entwicklung eines strategischen Verwer-tungskonzepts für Deutschland (PhoBe) – Abschlussbericht des Teilvorhabens der BMBF/BMU Förderinitiative „Kreislaufwirtschaft für Pflanzennährstoffe, insbesondere Phosphor“, Aachen.

SCHEIDIG, K. (2009a) Metallurgisches Phosphor-Recycling (MEPHREC) aus Klärschlämmen und Filterstäuben als Voraussetzung für die wirtschaftliche Erzeugung eines hochwertigen Phosphor-Düngemittels aus Abfällen. Abschlussbericht "Metallurgisches Phosphor-Recycling" (AZ: 24557 – 23). Ingitec® Ingenieurbüro für Gießereitechnik GmbH (Hrsg.), Leipzig.

SCHEIDIG, K. (2009b). Wirtschaftliche und energetische Aspekte des Phosphor-Recyclings aus Klärschlamm. KA Korrespondenz Abwasser, Abfall, 56 (11), 1138-1146.

SCHEIDIG, K.; MALLON, J. & SCHAAF M. (2011): Klärschlammverwertung nach dem MEPHREC-Verfahren. 11. Klärschlammtage, Fulda.

SCHILLING, G. (2000): Pflanzenernährung und Düngung. Verlag Eugen Ulmer, Stuttgart.

SCHICK, J. (2010): Untersuchung zu P-Düngewirkung und Schwermetallgehalten thermochemisch behandelter Klärschlammaschen. Dissertation. Technische Universität Braunschweig.

Page 59: Untersuchung ausgewählter Phosphorrück ... · MAP Magnesium-Ammonium-Phosphat mg Milligramm Mg Magnesium MgCl 2 Magnesiumchlorid NAC Neutrales Ammoncitrat NaOH Natronlauge O 2 Sauerstoff

Literaturverzeichnis 55

SCHULTHEIß, U.; FREI, T.; BECKER, C. & DÖHLER, H. (2007): Landwirtschaftliche Klärschlammver-wertung – KTBL-Heft 72. KTBL e. V. (Hrsg.), Darmstadt.

SCHÜTZE, G.; DÄMMGEN, U. SCHLUTOW, A.; BECKER, R.; NAGEL, H.-D. & WEIGEL, H.-J. (2003): Risi-koabschätzung der Cadmium-Belastung für Mensch und Umwelt infolge der Anwendung von cad-miumhaltigen Düngemitteln. Landbauforschung Völkenrode 53, 2/3, 63-170.

SEVERIN, M.; AHL, C.; KÜCKE, M.; VAN DEN WEGHE, H. & GREEF, J.-M. (2013): Phosphatlöslichkeiten und Phosphatdüngewirkung von Stoffen aus der Klärschlammaufbereitung – Betrachtung unter-schiedlicher Aufbereitungsverfahren. Landbauforsch, Appl Agric Forestry Res 63 (3), 235-244

STEFFENS, D.; STAMM, R.; YAN, F.; LEITHOLD, G. & SCHUBERT, S. (2005): Rohphosphatmobilisierung von Sommerweizen, Weißlupine und Ackerbohne in einer Fruchtfolge. In: Heß, J. & Rahmann, G. (Hrsg.) Ende der Nische, Beiträge zur 8. Wissenschaftstagung Ökologischer Landbau, kassel uni-versity press GmbH, Kassel.

STUMPF, D. (2007): Phosphorrecycling durch MAP-Fällung im kommunalen Faulschlamm. Publika-tion des Umweltbundesamtes (Hrsg.), Berlin.

STUMPF, D.; Heinzmann, B.; SCHWARZ, R.-J.; GNIRSS, R. & KRAUME, M. (2009): Induced struvite precipitation in an airlift reactor for phosphorus recovery. Proceedings of the International Confer-ence on Nutrient Recovery from Wastewater Streams. Vancouver, Kanada 10.-13- Mai 2009.

VON HORN, J.; SARTORIUS, C. & TETTENBORN, F. (2010): Technologievorausschau für Phosphorre-cyclingtechnologien. In: Pinnekamp, J. (Hrsg.): Phosphorrecycling – Ökologische und wirtschaftli-che Bewertung verschiedener Verfahren und Entwicklung eines strategischen Verwertungskon-zepts für Deutschland (PhoBe) – Abschlussbericht des Teilvorhabens der BMBF/BMU Förderinitia-tive „Kreislaufwirtschaft für Pflanzennährstoffe, insbesondere Phosphor“, Aachen.

WAIDA, C. & WEINFURTNER, K. (2011): Untersuchung der in der Förderinitiative erzeugten Produkte. In: : Pinnekamp, J. (Hrsg.): Phosphorrecycling – Ökologische und wirtschaftliche Bewertung ver-schiedener Verfahren und Entwicklung eines strategischen Verwertungskonzepts für Deutschland (PhoBe) – Abschlussbericht des Teilvorhabens der BMBF/BMU Förderinitiative „Kreislaufwirtschaft für Pflanzennährstoffe, insbesondere Phosphor“, Aachen.

WIECHMANN, B.; DIENEMANN, C.; KABBE, C.; BRANDT, S.; VOGLE, I. & ROSKOSCH, A. (2012): Klär-schlammentsorgung in der Bundesrepublik Deutschland. Umweltbundesamt (UBA) (Hrsg.), Des-sau-Roßlau.

WIGGERT, M. (2014): Bioland-Beratung, Augsburg: mündliche Mitteilung vom 16.05.2014.

Page 60: Untersuchung ausgewählter Phosphorrück ... · MAP Magnesium-Ammonium-Phosphat mg Milligramm Mg Magnesium MgCl 2 Magnesiumchlorid NAC Neutrales Ammoncitrat NaOH Natronlauge O 2 Sauerstoff

Anhang 56

Anhang

Anhang 1: EG-Öko-Basisverordnung Anhang I

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Anhang 57

Anhang 2: Extraktionsmethoden Phosphorlöslichkeit

(Quelle: KRATZ & SCHNUG (2009) in: SCHICK 2010)

Page 62: Untersuchung ausgewählter Phosphorrück ... · MAP Magnesium-Ammonium-Phosphat mg Milligramm Mg Magnesium MgCl 2 Magnesiumchlorid NAC Neutrales Ammoncitrat NaOH Natronlauge O 2 Sauerstoff

Anhang 58

Anhang 3: Produkteigenschaften

MAP 1 Ca-Phosphat

MAP 1 Entfrachtete

Asche Schlacke

weicherdiges

Rohphosphat

Thomas-

phosphat

Verfahren AirPrex P-RoC Seaborne ASH DEC MEPHREC / /

P-Gehalt 10-12 % 9-14 % 3,8-17,5 % 5-9,5 % 2-5 % 10,8-17 % 6,9-7,8 %

Schwermetall-

belastung Gering Gering

Sehr

gering

Teilweise

gering

Teilweise

gering

Teilweise

kritisch 2

Teilweise

kritisch 3

Wirkung in Bodenmilieu

beides nur sauer beides beides nur alkalisch nur sauer eher sauer

H2O-löslich 0,73 - 5 % < 5 % 0,4 - 5 % < 1- 6,4 % < 1% 0 % 0 %

NAC-löslich 92 % 88 - 95 % 23 %

AAC-löslich 100 % > 50 % 6,3; 80 % 40 – 45 %

CA-löslich 90 % 50 - > 80 % 47 - > 60 % 40 – 100 % > 90 % 17- 35,6 % 90 -100 %

Literatur EGLE ET AL. 2014, KRATZ

ET AL. 2010

EGLE ET AL. 2014, CABEZA

ET AL. 2011

EGLE ET AL. 2014,

WAIDA & WEIN-

FURTNER 2011, SE-

VERIN ET AL. 2013, KRATZ ET AL. 2010, CABEZA ET AL. 2011

EGLE ET AL. 2014, CABEZA

2010, WAIDA & WEIN-

FURTNER 2011; HERMANN

2009, SEVERIN ET AL. 2013

EGLE ET AL. 2014;

SCHEIDIG 2009,

SEVERIN ET AL. 2013

CABEZA ET AL. 2011, RÖMER 2006

RÖMER 2006

(Eigene Darstellung)

1) Magnesium-Ammonium-Phosphat 2) Hauptsächlich Cadmium & Uran 3) Hauptsächlich Vanadium & Chrom

Page 63: Untersuchung ausgewählter Phosphorrück ... · MAP Magnesium-Ammonium-Phosphat mg Milligramm Mg Magnesium MgCl 2 Magnesiumchlorid NAC Neutrales Ammoncitrat NaOH Natronlauge O 2 Sauerstoff

Anhang 59

Anhang 4: Technische Daten der Recyclingverfahren

AirPrex P-RoC Seaborne ASH DEC MEPHREC

Standorte Berlin Waßmannsdorf, Neuwerk, Braunschweig-Steinhof

Neuburg Gifhorn Leoben, Königs Wuster-hausen TU Freiberg, Nürnberg

Inbetriebnahme 2001 2011 2007 2008 2004

Entwickler Berliner Wasserbetriebe (BWB)

CMM Seaborne EPM AG ASH DEC Umwelt AG jetzt Outotec

ingitech®

Betreiber BWB, Niersverband, SEIBS/AVB CMM ASG Outotec ingitech®

Input Faulschlamm Schlammwas-ser

Faulschlamm Klärschlammasche Klärschlamm, Tiermehl, Klärschlammasche

Verfahrensprinzip

pH-Wert-Regulierung, Be-lüftung, MAP-Fällung aus Faulschlamm, Recyclat-Abtrennung

Kristallisation an CSH, Recyc-lat-Abtrennung

Säureaufschluss, chem. pH-Wert-Regulierung, Fällung zu MAP, Recyclat-Abtrennung

chlorierende Röstung von Asche im Gleichstrom 950-1000°C

Schmelzvergasung im Ge-genstrom 1450-2000 °C

Durchsatz

5 m3/h, 140 m3/d 300 kg /h, 7 t/d 4 t/h Briketts

Größe 800 m3 (Airliftreaktor)

Ertrag (großtechnisch) 730 t MAP/a

475 t MAP/a 4000 – 10 000 t P-Dünger/a 12 000 t P-Schlacke/a

Mögliche Standorte Kläranlagen Kläranlagen Kläranlagen KS-Monoverbrennungsanlagen

Kläranlagen, KS-Monoverbrennungsanlagen, Müllverbrennungsanlagen, Kraftwerke

Nutzung energetisches Potenzial

nein nein nein nein ja

Technischer Stand Großtechnik Großtechnik Großtechnik Pilot/Technikum Technikum

Quellen DOCKHORN 2012, KABBE 2013 KABBE 2013 SCHEIDIG 2009, ADAM &

SIMON 2010, DOCKHORN 2012;

SCHEIDIG 2009, DOCKHORN 2012,

KABBE 2013, PINNEKAMP ET AL. 2013, HERMANN 2014

PINNEKAMP ET AL. 2011, DOCKHORN 2012, PINNEKAMP ET AL. 2013

(Eigene Darstellung)

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