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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
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
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
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
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.
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.
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.
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).
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).
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).
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
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-
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.
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.
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)
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.
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).
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-
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.
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.
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)
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
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).
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.)
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
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.
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.
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-
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.
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-
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-
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-
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).
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-
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.
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.
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
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
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-
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
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-
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.
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
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
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:
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.
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.
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-
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-
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
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.
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
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.
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-
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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Anhang 56
Anhang
Anhang 1: EG-Öko-Basisverordnung Anhang I
Anhang 57
Anhang 2: Extraktionsmethoden Phosphorlöslichkeit
(Quelle: KRATZ & SCHNUG (2009) in: SCHICK 2010)
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
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)