Lars Günther
Großtechnische Nährstoffrückgewinnung und Schadstoffausschleusung aus kommunalen Klärschlämmen
Zusammenfassung
Phosphor ist als essentieller Nährstoff nicht substituierbar. Die globalen Phosphorreserven sind jedoch endlich, so dass ein Recycling dieses Wertstoffes unentbehrlich ist.
Die Verwertung von Nährstoffen aus Klärschlämmen erfolgte bislang durch den Einsatz von Klärschlamm als Düngemittel in der Landwirtschaft. Da Klärschlamm aber neben Nährstoffen auch Schadstoffe enthält, wird der Gesetzgeber mit hoher Wahrscheinlichkeit zukünftig diesen Verwertungsweg erschweren. Um die Nutzung des im Klärschlamm enthaltenen Phosphors trotzdem sicherzustellen und gleichsam den Betreibern von Kläranlagen einen alternativen Klärschlammentsorgungspfad aufzuzeigen, wurde von der Firma Seaborne zur Nährstoffrückgewinnung und Schadstoffausschleusung die sogenannte Seaborne-Technologie entwickelt. In Deutschland wurde eine Pilotanlage in Owschlag (Schleswig-Holstein, ca. 10.000 EW) und in mo-difizierter Form eine erste großtechnische Anlage auf der Kläranlage Gifhorn (Nie-dersachsen, 56.000 EW) umgesetzt. In drei aufeinander folgenden Prozessstufen werden die im Klärschlamm enthaltenen Nährstoffe und Schwermetalle über eine pH-Wert-Absenkung gelöst und anschließend separat unter Zugabe weiterer Chemikalien gefällt. In einer letzten Verfahrensstufe wird überschüssiger Stickstoff mittels Strippung zurückgewonnen. Als Produkte fallen phosphor- und ammoniumhaltiger Dünger, Ammoniumsulfatdünger sowie hochbelasteter Schwermetallschlamm und Asche an.
Über die praktische Anwendbarkeit und großtechnische Eignung des Seaborne-Verfahrens liegen derzeit nur wenige Erfahrungen vor. Vor diesem Hintergrund ist es das Ziel der vorliegenden Arbeit, die Einflüsse der Seaborne-Technologie auf das Ab-wasserreinigungs- und Schlamm¬be¬hand¬lungs¬system einer kommunalen Kläranlage ausführlich darzustellen und zu bewerten. Hierzu wurden auf der Grundlage von Untersuchungen an der Pilotanlage in Owschlag Nährstoff- und Schwermetallbilanzen der einzelnen Verfahrensstufen aufgestellt und somit Optimierungsbedarf identifiziert. In ergänzenden Laborversuchen wurden verschiedene Randbedingungen erprobt und somit weitere Möglichkeiten zur Verfahrensoptimierung aufgezeigt. Die Ergebnisse der Versuche in der Pilotanlage wurden auf die großtechnische Anlage am Standort Gifhorn übertragen und verifiziert.
Die Ergebnisse zeigen, dass rechnerisch mit dem modifizierten Seaborne-Verfahren derzeit ca. 41 % des Stickstoffs aus dem Klärschlamm extrahiert und zurückgewon-nen werden können. Phosphor kann rechnerisch zu ca. 33 % aus dem Klärschlamm bzw. zu ca. 32 % (ca. 29 kgPO4-P/d) bei Bezugnahme der Zulauffracht auf der Klär-anlage Gifhorn recycelt werden. Die Nährstoffbilanzen legen offen, dass nach derzei-tigem Stand in Bezug zur Kläranlagenzulauffracht Phosphorverluste von ca. 26 % in der Extraktionsstufe und ca. 34 % in der Schwermetallfällung zu erwarten sind. Für eine weitest gehende Phosphorrückgewinnung besteht somit an diesen Stellen des Gesamtsystems Optimierungspotential.
Begleitende Laborversuche zeigten, dass die Verfahrensführung in der Extraktion möglicherweise hin zu sehr kurzen Aufenthaltszeiten verändert werden kann. Ferner konnte festgestellt werden, dass die Dosierung von H2O2, wie sie derzeit in der Extraktion zur weiterführenden Lösung von Schwermetallen vorgenommen wird, einen positiven Effekt nur auf die Lösung weniger Schwermetalle ausübt. Vielmehr scheint eine vorzeitige Ausfällung von Phosphat begünstigt zu werden. Eine exakte Abstimmung beider Effekte ist hier erforderlich.
Die Dosierung eines Komplexbildners, wie z.B. Oxalsäure, kann in der Schwermetall-fällung vorab ein Ausfällen reaktiver Metalle als Metalloxalate bewirken und somit deren Reaktion zu Metallphosphaten verhindern. Auch hierdurch könnte ein Anstieg des recycelbaren Phosphoranteils herbeigeführt werden. Zudem kann die Qualität des in der Nährstofffällung anfallenden Düngers aufgrund eines geringeren Anteils weniger düngewirksamer Calciumphosphate verbessert und zudem Calciumablagerungen in der Strippung vermieden werden. An dieser Stelle des Systems besteht weiterer Forschungsbedarf.
Neben diesen sich aus der Nährstoff- und Schwermetallbilanzierung ergebenden Optimierungsansätzen wurden die verfahrenstechnischen Auswirkungen der Implemen-tierung der Seaborne-Technologie auf den Betrieb der Kläranlage Gifhorn bestimmt. Hierzu wurde eine Nachbemessung der biologischen Behandlungsstufe vorgenommen. Aufgrund verringerter Rückbelastungen von Stickstoff und Phosphor werden eine verringerte Überschussschlammproduktion, ein kleineres erforderliches Belebungsbeckenvolumen sowie eine verringerte Luftzufuhr errechnet. Darüber hinaus ergibt sich ggf. eine Einsparung an Fällmittel zur P-Elimination. Eine Energiebilanz zeigt eine Steigerung des Energieverbrauchs auf der Kläranlage um ca. 37 % bezogen auf den Energieverbrauch ohne Seaborne-Anlage. In Gifhorn kann dieser Mehrverbrauch durch die Co-Vergärung zusätzlicher Fette abgedeckt werden. Dennoch sollte das Ziel weiterer Untersuchungen eine Reduzierung des hohen Energiebedarfs sein.
Mit der großtechnischen Umsetzung der Seaborne-Technologie in Gifhorn ist ein erster wichtiger Schritt unternommen, praxisnahe Erfahrungen und Erkenntnisse im Be-trieb einer P-Recyclinganlage aus Klärschlämmen zu sammeln. Anhand von Nährstoff- und Schwermetallbilanzen konnte Optimierungsbedarf identifiziert werden. Zukünftig gilt es den Betrieb der Anlage in Richtung einer Steigerung der Nährstoffrückgewinnung bei gleichzeitig kontrollierter Schadstoffausschleusung weiter zu optimieren.