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Klärschlamm als Ressource

Bildvergrößerung: Prozess der gezielten Struvitfällung im Airliftreaktor
Prozess der gezielten Struvitfällung im Airliftreaktor.
Bild: SenUVK

Klärschlamm als Phosphorressource

Neben der Anerkennung von Klärschlamm als regenerativem Energieträger rückt Klärschlamm auch hinsichtlich seiner Inhaltsstoffe in den Fokus. Wurde er früher traditionell in der Landwirtschaft oder dem Landschaftsbau meist unvorbehandeltstofflich verwertet, verlieren diese beiden Verwertungspfade vor allem durch mögliche Schadstoffbelastungen mehr und mehr an Akzeptanz.

Dies kann auch als einer der Gründe angesehen werden, warum die jetzige Bundesregierung in ihrem Koalitionsvertrag für die 18. Legislaturperiode den Ausstieg aus der direkten landwirtschaftlichen Verwertung von Klärschlamm vereinbart hat.
Da im Abwasserpfad und dort insbesondere im Klärschlamm beachtliche Mengen der lebensnotwendigen und durch nichts zu ersetzenden Ressource Phosphor enthalten ist, wird seit gut zehn Jahren in Deutschland bzw. Europa an der Erschließung des Phosphors aus sekundären Quellen gearbeitet.

Mittlerweile existieren Pilotanlagen für das Phosphor-Recycling aus Klärschlamm bzw. Klärschlammasche. Eines dieser Verfahren, ursprünglich zur Vermeidung von ungewollten Inkrustrationen spontan ausgefällten Struvits in Rohrleitungen der Schlammbehandlung auf Kläranlagen mit biologischer Phosphorelimination und Faulung entwickelt, wird seit 2011 erfolgreich auf der Kläranlage Waßmannsdorf im Großmaßstab eingesetzt. Pro Jahr werden so ca. 40 Mg Phosphor zurückgewonnen und als Mineraldünger in den Nährstoffkreislauf zurückgeführt. Das von den Berliner Wasserbetrieben entwickelte und patentierte Verfahren wird global von einem Lizenznehmer unter dem Namen AirPrex® vermarktet.

Der aus dem Faulturm kommende Faulschlamm wird in einem eigens dafür entwickelten Airlift-Reaktor einer pH-Wertanhebung durch CO2-Strippung unterzogen. Das Ausblasen des CO2 erfolgt über Luft, die von unten in den Reaktor gelangt. Bei einem pH-Wert von ca. 8 und durch Dosierung von Magnesiumsalz (MgCl2) fällt bei ausreichender Konzentration von gelöstem ortho-Phosphat und Ammonium das mineralische Struvit (Magnesiumammoniumphosphat, MgNH4PO4 * 6H2O) aus. Was zuvor spontan und unerwünscht in Rohrleitungen passierte, wird nun gezielt und kontrolliert durchgeführt.

Die Reaktorgeometrie mit einer zylindrischen Trennwand ermöglicht ein zirkulierendes Fließbett, im mittleren Bereich von unten nach oben, im äußeren Bereich von oben nach unten. Dies ermöglicht das Wachstum der Struvitkristalle bis zu einer bestimmten Größe, so dass sie groß und damit schwer genug werden, um in den konischen Reaktorboden abzusinken und diesen zu verlassen. Nach einem Wäscher wird das Mineral in Containern gesammelt und der Verwertung als Düngemittel zugeführt.

Bildvergrößerung: AirPrex® Anlage vor den Faultürmen auf der Kläranlage Waßmannsdorf.
AirPrex® Anlage vor den Faultürmen auf der Kläranlage Waßmannsdorf.
Bild: Kabbe, 2012

Die Zulassung als Düngemittel erfolgte gemäß EU Düngemittelverordnung EC 2003/2003. Diese Art der Phosphorrückgewinnung hat auch noch weitere Vorteile. Durch das Ausfällen des Struvits und dessen Ausschleusung wird die Entwässerbarkeit des Faulschlamms erhöht. Dies wirkt sich positiv als Verringerung des Polymerverbrauchs sowie als Erhöhung der Trockensubstanz im entwässerten Schlamm aus. Somit lassen sich gleichzeitig die Kosten für Betriebsmittel und die Schlammentsorgung senken.

Im Zuge der Novelle der Klärschlammverordnung soll dem Ressourcenschutz, insbesondere der Ressource Phosphor Rechnung getragen werden. Es wird erwartet, dass die Novelle ein Phosphorrückgewinnungsgebot für Klärschlämme ab einem bestimmten Phosphorgehalt ausspricht. Je nach Entsorgungsart, sollen weitergehende Anforderungen an die Verwertung der Klärschlämme bzw. Klärschlammaschen geregelt werden.

Zukünftige Entsorgungsoptionen

Die folgende Abbildung stellt eine denkbare Option für eine zukünftige Klärschlammentsorgung unter dem Aspekt einer stärkeren Ressourcenschonung im Fall Phosphor dar. Daneben gibt es aber natürlich auch andere Varianten. Welche es letztlich wird, hängt vor allem von politischen Weichenstellungen ab, die heute noch nicht vollumfänglich vorhersehbar sind.

Bildvergrößerung: Klärschlammmengen und die darin enthaltenen Phosphorfrachten der sechs Kläranlagen.
Klärschlammmengen und die darin enthaltenen Phosphorfrachten der sechs Kläranlagen.
Bild: SenUVK

Klärschlamm als Energieressource

Mit dem Ziel der Verbesserung der Energie-und Klimabilanz sowie zur Hebung des Phosphorrecyclingpotentials bei der Entsorgung von Klärschlämmen des Landes Berlins wurde das “Projekt über die Weiterentwicklung des Klima- und Ressourceneffizienzpotentials durch HTC-Behandlung ausgewählter Berliner Klärschlämme” im Umweltentlastungsprogramm II (UEP II) unter der Projektnummer 11443 UEPII/2 durch die Senatsverwaltung für Umwelt, Verkehr und Klimaschutz gefördert, sowie durch die Europäische Union kofinanziert.

Klärschlamm eignet sich auf Grund des hohen Anteils an organischen Bestandteilen insbesondere als Ersatzbrennstoff in der Kohle- bzw. Zementindustrie und ist zudem der wichtigste sekundäre Phosphorlieferant.
Mit der Erhöhung des Klärschlammtrockensubstanzgehaltes wie z. B. durch Hydrothermale Karbonisierung (HTC) kann die Klärschlammentsorgungsmenge wesentlich reduziert werden bzw. kann der hochentwässerte Klärschlamm wegen seines verbesserten Heizwertes höherwertige Brennstoffe ersetzen.

Die Ergebnisse des Forschungsprojektes zeigen die Möglichkeiten und Grenzen der hydrothermalen Karbonisierung (HTC) von entwässertem Klärschlamm bei der Verbesserung der Energie-, Klima- und Umweltbilanz der Klärschlammentsorgung des Landes Berlin auf.

Es wurden Klärschlämme von 4 Klärwerken in Laborversuchen sowie in einer Pilotanlage untersucht und Aussagen zur Energie- und Klimabilanz, zu den Phosphor- und Schwermetallgehalten der HTC-Produkte bzw. zur Entwicklung des chemischen Sauerstoffbedarfs (CSB-Wert) abgeleitet.

Weiterentwicklung des Klima- und Ressourcen­effizienzpotentials durch HTC-Behandlung ausgewählter Berliner Klärschlämme

Herausgeber: Kompetenzzentrum Wasser Berlin gGmbH

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