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Wertvoller Abfall – Klärschlamm und Urin als Phosphorquellen

Jede und jeder von uns produziert Urin, jeden Tag aufs Neue. Und möglicherweise kann unser flüssiges Ausscheidungsprodukt bald als wichtige Rohstoffquelle für Phosphor und Phosphatdünger genutzt werden.

Entdeckung von Phosphor im Urin

Dass im Urin Phosphor steckt, erkannte schon vor über 350 Jahren Hennig Brand, allerdings zufällig. Der Alchemist war auf der Suche nach dem "Stein der Weisen", also jenem Material, das jedes Metall in Gold verwandeln soll. Dazu kochte er 1669 tagelang große Mengen Urin in einem Topf. Am Ende erhielt er einen Rückstand, der geheimnisvoll glühte. Dieses Glühen bzw. kalte Feuer führte zum Namen „Phosphor“ (griechisch phosphorus = Lichtträger). Phosphor gilt auch als erstes chemisches Element, dessen Entdecker namentlich bekannt war (Abb. 1).

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Abb. 1. Die berühmte ikonische Darstellung von Joseph Wright of Derby „The Alchemist Discovering Phosphorus“ zeigt den Alchemisten Hennig Brand bei seiner Entdeckung des weißen Phosphors im Jahre 1669. (Foto: Joseph Wright of DerbyHennig Brand (Joseph Wright), Wikimedia Commons, gemeinfrei)

Phosphor – ein unverzichtbarer Rohstoff

Zwar sind wir heute nicht mehr auf der Suche nach dem Stein der Weisen. Aber die Gewinnung von Phosphor aus Urin oder anderen Quellen ist ein zunehmend interessantes Thema für Industrieländer. Und das hat einen wichtigen Grund: Die natürlichen Quellen von Phosphor werden weltweit zunehmend knapp.

Gewonnen wird das lebenswichtige Element fast ausschließlich aus Primärquellen, die nur in wenigen, (geo)politisch kritischen Ländern wie Russland, Marokko, China, Algerien oder Syrien liegen. Die Europäische Kommission nahm Phosphor daher in die Liste der 20 kritischen Rohstoffe auf.

Der Rohstoff Urin fällt als heimische Ressource ganzjährig mit gleichmäßig über die Nahrung aufgenommenem und ausgeschiedenem Phosphatgehalt an. Er hat den Vorteil, dass er aus unbedenklichen Bestandteilen wie Wasser, Harnstoff, Mineralien und organischen Komponenten besteht. Über die Toilettenspülung gelangt er ins Abwasser und in die örtlichen Kläranlagen.

Klärschlamm als wichtige Phosphorquelle

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Abb. 2: Kläranlage (Foto: Bohdan Melnyk/stock.adobe)

Eine wichtige Phosphorquelle kann daher Klärschlamm bilden, also der Rückstand, der in Kläranlagen übrigbleibt, wenn dort das Abwasser gereinigt und aufbereitet wurde. Bisher wird der Klärschlamm überwiegend zu Asche verbrannt. Aber vor dem Hintergrund der Phosphor-Knappheit gewinnt die Implementierung einer nachhaltigen Phosphor-Kreislaufwirtschaft mit sekundären Rohstoffquellen zunehmend an Bedeutung. 

Der kommunale Klärschlamm aus rund 9600 deutschen Kläranlagen bietet ein großes Recycling-Potenzial. Über 1,7 Millionen Tonnen Klärschlammtrockenmasse fielen allein 2019 in deutschen Kläranlagen an. Darunter wären pro Jahr potenziell rund 65.000 Tonnen Phosphor, die einen großen Teil der CO2-intensiven Phosphorimporte aus den bereits genannten Ländern ersetzen könnten.

Handlungsbedarf durch neue Gesetzgebung

Die Gemeinden in Deutschland sind zudem durch eine neue Klärschlammverordnung zum Handeln gezwungen. Ab 2023 müssen Betreiber großer Kläranlagen ein Konzept vorlegen, wie der Phosphor zurückzugewinnen ist [1]. Ab 2029 sind Städte ab 100.000 Einwohnern zur Rückgewinnung von Phosphor aus Klärschlamm verpflichtet. Dann muss ein technisches Verfahren vorliegen, der Klärschlamm darf dann nicht mehr landwirtschaftlich verwertet werden. Städte ab 50.000 Einwohnern haben noch Zeit bis 2032. 

Derzeit überwiegt die klassische Methode der Klärschlammverbrennung. Klärschlamm darf noch auf die Felder ausgebracht werden, innerhalb von drei Jahren dürfen beispielsweise aber maximal fünf Tonnen getrockneter Klärschlamm pro Hektar ausgebracht werden [2]. Ein weiteres Problem: Klärschlamm enthält oft Schadstoffe wie Schwermetalle, und die sollten nicht auf Äcker gelangen, sonst finden sich diese bald wieder im Grundwasser oder in der Nahrung. 

Der Bedarf an neuen Verfahren ist somit groß, das zeigt sich auch daran, dass zahlreiche Forschungseinrichtungen und mittelständische Unternehmen individuelle Verfahren zum Phosphorrecycling entwickeln. Zu diesem Zweck werden verschiedene Technologien zur Phosphor-Rückgewinnung aus Abwasser, Klärschlamm oder Klärschlammverbrennungsasche entwickelt und umgesetzt.

BAM setzt innovatives Verfahren in Demonstrationsanlage ein

Auch die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) beschäftigt sich seit Jahren mit der Thematik. „Die ersten Symposien über den Aufbau einer solchen Kreislauf-Wirtschaft gab es schon in den 1990er-Jahren. Das Thema wurde dann ab dem Jahr 2007 wichtiger, als die Preise für Phosphatgestein auf dem Weltmarkt plötzlich stark anstiegen“, erinnert sich Dr.-Ing. Christian Adam, Leiter Thermochemische Reststoffbehandlung und Wertstoffrückgewinnung bei der BAM. 

Adam erkannte früh das Potenzial des Phosphorrecyclings, daher kann die BAM mit AshDec® jetzt ein patentiertes Verfahren anbieten [3]. Adams Team verwendet dafür die Asche, die bei der bisher üblichen Verbrennung von Klärschlämmen entsteht, und schickt sie zunächst noch einmal bei 1000 °C in einen Drehrohrofen. Diese Hitzebehandlung zerstört Rückstände von Haushaltschemikalien und Arzneimitteln und entfernt größtenteils giftige Schwermetalle wie Arsen, Cadmium, Quecksilber und Blei.

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Abb. 3: Im Drehrohrofen werden bei bis zu 1000 Grad Celsius Schadstoffe aus Klärschlammasche abgetrennt. (Foto: BAM)

Für den entscheidenden Schritt auf dem Weg zum Düngemittel nutzen die BAM-Forscher eine seit Jahrhunderten bekannte chemische Reaktion. Sie geben Alkalien, unter anderem Soda, zur heißen Asche und erzeugen dadurch Calciumalkaliphosphate. „Das ist ein guter Ausgangsstoff für Düngemittel, denn er ist zu 100 Prozent pflanzenverfügbar, aber kaum wasserlöslich“, erklärt Christian Adam und verweist auf die hohe Effizienz des Verfahrens, an dem er und sein Team seit rund zehn Jahren forschen: "Wir gewinnen über 90 Prozent des Phosphors, der in die Kläranlage hineingeht, wieder zurück. Das recycelte Phosphat entlastet nicht nur die Umwelt, sondern könnte auch etwa ein Viertel des in Deutschland verwendeten Düngers ersetzen.“ 

Zudem sind die natürlichen Phosphatgesteine teilweise mit den giftigen Schwermetallen Cadmium, Uran und Thorium belastet, die durch den Einsatz des Düngers auch das Grundwasser erreichen können. Auch das ist mit dem recycelten Phosphordünger dann kein Thema mehr.

 

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Abb. 4: Dr. Christian Adam arbeitet an technischen Lösungen für die Rückgewinnung und Rückführung von Phosphor in den Stoffkreislauf (Foto: BAM)

Produktion von Recyclingdünger aus Klärschlamm ab 2024

Der Betreiber der Klärschlammverbrennungsanlage im bayrischen Altenstadt (Emter GmbH) errichtet aktuell eine AshDec®-Demonstrationsanlage basierend auf den Entwicklungen der BAM. Der Düngemittelhersteller sePura GmbH wird den entstehenden Recyclingdünger vermarkten. Die Anlage ist für eine Produktion von 15.000 Jahrestonnen Recyclingdünger ausgelegt. Die Demonstrations-Anlage soll 2024 den Betrieb aufnehmen, um den Klärschlamm zu veredeln. 

Die Hitzebehandlung erfolgt dabei integriert und energieautark in der Verbrennungsanlage, so dass kein zusätzlicher fossiler Brennstoff wie etwa Erdgas benötigt wird. Ziel der vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Maßnahme „Regionales Phosphor-Recycling (RePhoR)“ ist es, durch innovative wirtschaftliche Lösungen zum regionalen Phosphor-Recycling einen Beitrag zur Umsetzung der neuen Klärschlammverordnung zu leisten [4].

Alternativer Ansatz: Bakterien nutzen

Einen alternativen Ansatz verfolgt die P-bac Technologie, die Expert:innen der Firma Fritzmeier Umwelttechnik GmbH & Co. KG entwickelt haben. „Phosphorrecycling – vom Rezyklat zum intelligenten langzeitverfügbaren Düngemittel – PRil“ heißt das Projekt, das sie gemeinsam mit der Fraunhofer-Einrichtung für Wertstoffkreisläufe und Ressourcenstrategie IWKS in Alzenau und der ICL Fertilizers Deutschland GmbH vom Labormaßstab in den Technikumsmaßstab übertragen haben. [5].

Das Projekt wurde vom Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft gefördert. Der Clou: Statt Chemikalien wie Schwefelsäure zur Klärschlammasche zu geben, überlassen die Experten Bakterien das Feld. Diese nehmen Kohlenstoffdioxid aus der Luft auf und stellen unter Zugabe von elementarem Schwefel selbst Schwefelsäure her, mit dem sie den Phosphor aus der Asche lösen. Andere Bakterien nehmen den Phosphor auf, reichern ihn an und geben ihn wieder ab. Aus dem Phosphor-Rezyklat kann dann mittels eines physikalisch-chemischen Verfahrens ein für die Landwirtschaft einsetzbares Düngemittel hergestellt werden.

Phosphor direkt aus Urin gewinnen

Auf den Spuren des oben erwähnten Hennig Brands, der aus Urin etwas Wertvolles herausholen wollte, wandelt gewissermaßen das Forscherteam „KaPURe – Phosphate Fertilizer from Urine“ vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT) (Abb.5.). Das Team überzeugte die Jury des Studierenden-Wettbewerbs ChemPLANT der VDI-Gesellschaft Verfahrenstechnik und Chemieingenieurwesen (GVC) mit einem Recycling-Konzept für Phosphor [6]. KaPURe (Karlsruher-Phosphat-aus-Urin-Recycling) will auf Basis der Sekundärquelle Urin eine unabhängige Versorgung Deutschlands mit Phosphatdünger ermöglichen. 

Beim KaPURe-Verfahren könnte – so die Idee – menschlicher Urin u.a. bei Großveranstaltungen wie Fußballspielen, Festivals oder in großen Büro- und öffentlichen Gebäuden gesammelt werden. Ergänzt mit Rinderurin könnte die Menge in dezentralen Anlagen vorbehandelt und anschließend an zwei zentralen Standorten zu Phosphatdünger weiterverarbeitet werden. Urin, der sonst als Abfallprodukt in Kläranlagen geschleust wird, könnte so nachhaltig und wertschöpfend direkt als Phosphatquelle genutzt werden. 

Eine ganz ähnliche Idee haben auch Schweizer Forscher, die mit einem Urin-Express als mobile Kläranlage bereits aus 1000 Liter Urin innerhalb von drei Tagen rund 70 Liter Phosphat-Düngern gewinnen können [7]. Der technischen Umsetzung für KaPURe stehen allerdings noch viele Hürden im Weg. Geringe Phosphatgehalte im Urin erfordern einen hohen Energie- und Kostenaufwand beim Aufkonzentrieren der anfallenden Urinmengen. Und die herkömmlichen sanitären Anlagen sind noch nicht auf das getrennte Auffangen von Urin ausgelegt. Es bleibt also noch viel zu tun, bis das Projekt "marktreif" ist.

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Abb. 5. Das Siegerteam „KaPURe – Phosphate Fertilizer from Urine“ (Foto: Philipp Gräfe/KIT)

Fazit:

Ob direkt aus Urin oder Klärschlamm: Es gibt viele Ideen und noch mehr technologische Verfahren für Phosphor-Recycling, die unsere Versorgung mit dem wichtigen Element in den nächsten Jahren sicherstellen können – unabhängig von kritischen primären Quellen.

Titelbild: Klärschlammaschen können eine hohe Phosphatkonzentration aufweisen und stellen damit einen geeigneten Sekundärrohstoff für die Produktion von Phosphatdüngemitteln dar (Foto: BAM). 

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Dr. Jörg Wetterau

Labor für Kommunikation, Linsengericht

http://www.labor-fuer-kommunikation.de/

Quellen

[1] Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz, nukleare Sicherheit und Verbraucherschutz (BMUV): Verordnung zur Neuordnung der Klärschlammverwertung

[2] Umweltbundesamt: Kompost und Klärschlamm Kompost und Klärschlamm https://www.umweltbundesamt.de/themen/boden-landwirtschaft/umweltbelastungen-der-landwirtschaft/kompost-klaerschlamm#einfuhrung
[3] Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM): Dünger aus Klärschlamm schützt Korallenriffe

[4] BMBF: Modifiziertes Rhenania Phosphat aus Klärschlammasche für Bayern

[5] Fraunhofer-Gesellschaft: Dünger aus Klärschlamm

[6] VDI: KIT gewinnt chemPLANT-Wettbewerb 2022 des VDI

[7] Deutsche Welle: Phosphor aus Urin - das neue Gold?

 

 

 

Dieser Artikel erschien zuerst auf faszinationchemie.de.

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