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09 | 2017

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Special Kreislaufwirtschaft & Recycling Phosphorrückgewinnung mittels Kristallisationsverfahren Umweltbelastungen durch Schwermetalle verbunden“, so der Experte. Prinzipiell gibt es im Bereich der kommunalen Abwasserbehandlung verschiedene Wege, Phosphor zu recyceln, um ein Produkt zu generieren, das landwirtschaftlich als Dünger verwendet oder der Düngemittel- oder der Phosphorindustrie zugeführt werden kann. Der Vorteil der Rückgewinnung aus dem Zentratwasser der Schlammentwässerung besteht, verglichen mit der Rückgewinnung aus Faul- oder Klärschlammasche, in einem deutlich geringeren Energieaufwand. „Dies lässt sich damit begründen, dass im Zentratwasser Phosphor als Orthophosphat in gelöster Form, in Klärschlamm oder Klärschlammasche jedoch in chemisch und biochemisch gebundener Form vorliegt“, so Mitsdoerffer. Darüber hinaus weisen die Produkte des Kristallisationsverfahrens, laut einer Studie des Landesamtes für Umwelt (LfU) Bayern, eine deutlich höhere Reinheit als die Recyclingprodukte der Klärschlämme und Klärschlammaschen auf, da beispielsweise eine geringere Belastung mit Schwermetallen vorliegt. Die bisher durchgeführten halbtechnischen Versuche haben gezeigt, dass sich rund 60 % des im Zentratwasser vorliegenden Phosphors recyceln lassen. Bezogen auf den Gehalt im Kläranlagenzulauf entspricht dies einer Rückgewinnungsrate von bis zu 12 %. Die Stoffströme der kommunalen Kläranlagen in Deutschland bergen ein großes Rückgewinnungspotenzial, da die Klärschlämme rund 60 000 Mg P/a beinhalten; laut DWA entspricht dies etwa 48 % der jährlichen Importe von mineralischem Phosphatdünger. Bislang wurde das Recycling aufgrund des Aufwands nicht großtechnisch umgesetzt. Die Stadt Neuburg an der Donau hat sich entschieden, Phosphor mittels einer Kristallisationsanlage zu recyceln. Das Projekt, für das die GFM Beratende Ingenieure GmbH, München, die Vorplanung übernommen hat, spart 60 % Phosphat aus dem Prozesswasser der kommunalen Kläranlage sowie Energie ein. Phosphor wird in Deutschland bisher nur in wenigen Kläranlagen recycelt. „In einigen Anlagen wird der Klärschlamm in einer Monoverbrennungsanlage verbrannt. Die Asche, in welcher der Phosphor je nach Verfahren mehr oder weniger gebunden und damit nur teilweise pflanzenverfügbar ist, wird in der Landwirtschaft zur Düngeunterstützung eingesetzt“, sagt der geschäftsführende Gesellschafter der GFM Beratende Ingenieure, Dr.-Ing. Ralf Mitsdoerffer. Ein echtes Recycling zu Rein-Phosphor ist jedoch aufwendig und erfolgt daher noch nicht im großtechnischen Maßstab. „Mittelfristig wäre es allerdings sinnvoll, ein entsprechendes Verfahren häufiger einzusetzen. Schließlich liegen die meisten Lagerstätten in Konfliktstaaten wie Marokko oder Saudi-Arabien, und die Förderung und Weiterverarbeitung ist mit Kristallisation an Calcium-Silikat-Hydrat-Phasen In nahezu jeder Kläranlage mit anaerober Schlammstabilisierung fällt Zentratwasser an, das stark phosphathaltig und daher potenziell für ein Phosphorrecycling geeignet ist. Um die Umwelt zu schonen, und das Rückgewinnungspotenzial der eigenen Kläranlage zu nutzen, hat sich die Stadt Neuburg an der Donau daher entschieden, das P-Kristallisationsverfahren erstmals großtechnisch umzusetzen. Das kommunale Klärwerk, in dem das Vorhaben realisiert wird, ist auf eine sedimentierte BSB 5 -Fracht von 3 000 kg/d, entsprechend 67 000 EW der Größenklasse 4 ausgelegt und wird als einstufige Belebungsanlage mit anaerober Schlammstabilisierung betrieben. Die weitergehende Stickstoffelimination erfolgt nach dem Verfahren der vorgeschalteten Denitrifikation. Im Jahresmittel fallen täglich zirka 120 m 3 Rohschlamm an, der über eine Zentrifuge im Mittel auf 6 m 3 /d entwässert wird. Das Zentrat – durchschnittlich 114 m 3 /d – wird dem Zulauf der Kläranlage zugeführt. Für die Umsetzung des Kristallisationsverfahrens in diesem Klärwerk wurde zunächst anhand von Laborversuchen eine Machbarkeitsstudie zur Nährstoffentfrachtung des Zentratstroms durchgeführt, dann das Verfahren anhand von Pilotanlagen validiert sowie unterschiedliche Konfigurationen hinsichtlich Rückgewinnungs- und Energieeffizienz verglichen. Daraus ergab sich eine Handlungsempfehlung zur Verfahrensanwendung sowie eine Dimensionierung der großtechnischen Anlage, auf deren Basis GFM einen Vorentwurf erarbeitete. „Bei dem in Neuburg geplanten Verfahren werden die in der Wasserphase gelösten Phosphate mittels Kristallisation an Calcium-Silikat-Hydrat-Phasen (CSH) zurückge- 18 UmweltMagazin September 2017

Kreislaufwirtschaft & Recycling Special wonnen“, erklärt Mitsdoerffer. Sobald das CSH-Substrat mit neutralem Wasser beziehungsweise Zentratwasser in Kontakt kommt, reagiert es mit dessen phosphathaltigen Bestandteilen. Im Anschluss liegt ein phosphathaltiges Produkt vor, das sich voraussichtlich sogar direkt als Düngemittel weiterverwenden lässt. Kostenersparnis und Vorteile für die Umwelt Die bisher durchgeführten halbtechnischen Versuche haben gezeigt, dass sich so rund 60 % des im Zentratwasser vorliegenden Phosphors recyceln lassen. Bezogen auf den Gehalt im Kläranlagenzulauf entspricht dies einer Rückgewinnungsrate von bis zu 12 %. Das Kristallisationsprodukt erzielt ausgehend von der LfU- Studie im Vergleich zu Referenzdüngern gute bis sehr gute Düngewirkungen sowie eine gute Pflanzenverfügbarkeit. Darüber hinaus ist beim Phosphor-Recycling mit deutlich geringeren CO 2 -Emissionen als bei der Gewinnung des Rohphosphates aus natürlichen Lagerstätten zu rechnen. Durch das Recycling vor Ort beziehungsweise die regionale Düngerverwendung entfällt außerdem der CO 2 -Ausstoß, der beim Transport des Rohstoffes von entfernten Phosphorlagerstätten nach Europa anfallen würde. Das Kristallisationsprodukt hat einen weiteren Vorteil: Phosphordünger aus sedimentären Lagerstätten weisen eine vergleichsweise hohe Konzentration an Uran auf. Durch die Herstellung von Düngemitteln aus dem recycelten Phosphor von Kläranlagen wird die radioaktive Belastung der Ackerböden und die damit einhergehende Kontaminierung von Oberflächenund Grundwasser reduziert. Bei dem geplanten Verfahren werden gelöste Phosphate mittels Kristallisation an Calcium-Silikat-Hydrat-Phasen (CSH) zurückgewonnen. Sobald das CSH-Substrat mit neutralem Wasser oder Zentratwasser in Kontakt kommt, reagiert es mit dessen phosphathaltigen Bestandteilen. Im Anschluss liegt ein phosphathaltiges Produkt vor, das als Düngemittel verwendet werden kann. Gleichzeitig hat die gesunkene Phosphorkonzentration im Zentratwasser in der Praxis positive Auswirkungen auf den Kläranlagenbetrieb: Zur Phosphorentfernung aus der Flüssigphase ist zum einen, bezogen auf den gesamten Abwasserstrom, ein geringerer Fällmitteleinsatz notwendig. Es kommt zu geringeren Überschussschlammmengen, und die Entsorgungskosten sinken. Zum anderen wird auch die Anreicherung des Überschussschlamms mit Phosphor verringert, was bei dessen Weiternutzung Vorteile hat. „Derzeit wird der ausgefaulte Klärschlamm der Neuburger Kläranlage als Ersatz-Brennstoff für die Zementklinkerherstellung entsorgt. Phosphor in hohen Konzentrationen im Brennstoff erhöht den Produktionsaufwand für eine optimale Qualität des Produktes. Ein P-abgereicherter, getrockneter Klärschlamm ist deutlich besser geeignet“, so Mitsdoerffer. Durch den Bau der Phosphorrückgewinnungsanlage ergeben sich in der Kläranlage geringere Entsorgungskosten. Abwasser-Innovationspreis Das Bayerische Staatsministerium für Umwelt und Verbraucherschutz hat das Projekt mit dem Abwasser-Innovationspreis 2016 ausgezeichnet und unterstützt es mit bis zu 530 000 €. Für die Ingenieure steht die größte Herausforderung jedoch noch bevor: die Übertragung der Ergebnisse und Randbedingungen der Versuchs- auf die großtechnische Anlage. Mit der Inbetriebnahme ist im Jahr 2018 zu rechnen. Das Verfahren eignet sich auch für kleinere Kläranlagen und hat somit eine Signalwirkung für andere Kommunen. GFM Beratende Ingenieure GmbH, München, Dr.-Ing. Ralf Mitsdoerffer, geschäftsführender Gesellschafter, info@gfm.com Bilder: GFM Beratende Ingenieure Machen Sie Abfall zu Wertstoff - mit HSM! HSM Ballenpressen sind immer Spezialisten, wenn es darum geht, Abfallmaterialien zu verdichten. Egal welches Material Sie verarbeiten müssen, welche Volumina und örtlichen Gegebenheiten Sie haben – bei HSM finden Sie das geeignete Produkt „Made in Germany“. www.hsm.eu MADE IN G E R M A N Y

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