Die Phosphorrückgewinnung stellt Betreiber von Kläranlagen und Verbrenner von Klärschlamm vor große technische, wirtschaftliche und strategische Herausforderungen.
Durch die ab dem 01.01.2029 in Deutschland geltende Verpflichtung zur thermischen Behandlung von Klärschlämmen und zur Rückgewinnung von Phosphor ändern sich die Rahmenbedingungen der Klärschlammverwertung grundlegend. Zum einen ist ab 2029 die landwirtschaftliche bzw. landbauliche Verwertung nicht mehr möglich und zum anderen entfällt auch die Mitverbrennung als Verwertungsweg, die bislang den größten Anteil an der thermischen Entsorgung ausmacht.
Welche Optionen zur Phosphorrückgewinnung gibt es?
Grundsätzlich kann die künftige Verpflichtung zur Phosphorrückgewinnung auf oder nach der Kläranlage realisiert werden. Mit PARFORCE sind beide Wege auf Grund der Flexibilität der Technologie möglich.
Phosphorrückgewinnung auf der Kläranlage
Soll die Phosphorrückgewinnung auf der Kläranlage realisiert werden, so muss der Phosphorgehalt im Klärschlamm so weit reduziert werden, dass weniger als 2% P (20g/kg TM) in der Klärschlammtrockenmasse verbleibt. Hiernach lastet nach Abfallrecht keine P-Rückgewinnungsverpflichtung mehr auf dem Klärschlamm und der Klärschlamm kann in der Co-Verbrennung (z.B. Zementwerk) als biogener Brennstoff genutzt werden.
Diese Option besteht, wenn auf der Kläranlage Phosphor aus dem Abwasser durch biologische Prozesse (Bio-P) eliminiert wird – oder durch Verfahrensumstellung durchgehend eliminiert werden kann. Phosphor kann dann im Zuge der Schlammbehandlung z.B. als Struvit (auch MAP – Magnesiumammoniumphosphat genannt) aus der Biomasse abgeschieden werden. Mit dem „Erweiterten PARFORCE-Ansatz“ ist diese Option realisierbar.
Durch Adaption und Kombination bekannter Verfahrensprinzipen kann mit dem „Erweiterten PARFORCE-Ansatz“ bis zu 2/3 des im Schlamm enthaltenen Phosphors – meist als Struvit – abgeschieden werden. Das abgeschiedene Struvit lässt sich anschließend der PARFORCE-Technologie® zu Phosphorsäure veredeln. Auf Grund der klar definierten Kristallstruktur von Struvit, das nur äußerst geringe Anteile an Fehlelementen in die Gitterstrukturen aufnimmt, ist eine Veredelung zu Phosphorsäure mit der PARFORCE-Technologie® unkompliziert. Die bei der Veredelung von Struvit entstehende Salzlösung (MgCl2) kann direkt wieder als Magnesiumquelle für die Struviterzeugung auf der Kläranlage eingesetzt werden. Dieser Verfahrensansatz der P-Rückgewinnung ist vollständig reststofffrei.
Phosphorrückgewinnung nach der Kläranlage
Wird die Phosphor-Rückgewinnungsverpflichtung nach Abfallrecht realisiert, so wird der Klärschlamm zunächst in Mono-Verbrennungsanlagen verbrannt. Die Rückgewinnungsverpflichtung geht dann auf den Verbrenner über, aber die Kläranlage bleibt in der Nachweispflicht, dass Phosphor entsprechend der gesetzlichen Vorgaben zurückgewonnen wurde. Aus den Klärschlammaschen sind 80% des in der Asche enthalten Phosphors zurückzugewinnen. Mit der PARFORCE-Technologie® wird die Einhaltung der Mindestrückgewinnungsquote sicher erreichbar. Da die PARFORCE-Technologie® Phosphorsäure aus den Aschen gewinnt, ergeben sich keine Zulassungsprobleme hinsichtlich des erzeugten Rezyklats.
Soll hingegen aus den Aschen ein Phosphatdünger erzeugt werden, so ist dies nach Düngerecht nur zulässig, wenn die Klärschlämme einerseits vor der Verbrennung so geringe organische und anorganische Schadstoffe enthalten, dass eine landwirtschaftliche Nutzung prinzipiell erlaubt wäre und die Aschen andererseits auch nach Konzentrierung der anorganischen Schadstoffe durch Veraschung die strengen Grenzwerte der Düngemittelverordnung einhalten. Dies ist selten der Fall. Die hohen Schadstoffgehalte im Klärschlamm haben den Gesetzgeber dazu bewogen, die Abfallklärschlammverordnung im Jahr 2017 zu reformieren und die verpflichtende thermische Behandlung ab 2029 generell vorzuschreiben, um die Böden vor weiteren Schadstoffeinträgen zu schützen.
Klärschlammaschen bestehen aus einer großen Anzahl verschiedener, komplexer Material- und Mineralphasen, die durch die Verbrennung gebildet werden. Der Phosphor ist in einigen dieser Material- und Mineralphasen eingebettet und muss aufwendig herausgelöst werden.
Die PARFORCE-Technologie® ist ein nass-chemisches Verfahren, das die meisten Schadstoffe und Verunreinigungen in wenigen Verfahrensschritten abtrennt und hochwertige Phosphorsäure erzeugt.
Jede Klärschlammasche weist individuelle chemische und physikalische Eigenschaften auf. Dies liegt zum einen an den sehr unterschiedlichen Zusammensetzungen der Klärschlämme und zum anderen an der Art, wie die Klärschlämme verbrannt werden.
Die PARFORCE-Technologie® wird jeweils auf spezifische Aschen bzw. auf bestimme Schwankungsbreiten von Aschecharakteristika ausgelegt. Aus diesem Grund wird vor jeder Planung einer PARFORCE-Anlage eine umfangreiche Voruntersuchung durchgeführt, um das Verfahren passgenau auszulegen. Aus den Erkenntnissen der Voruntersuchung wird ein Umsetzungskonzept entwickelt, das mit Labor- und Demonstrationsversuchen untersetzt wird. Zum Umsetzungskonzept gehört stets eine qualifizierte technisch-wirtschaftliche Machbarkeitsstudie, die eine sichere Investitionsentscheidung ermöglicht.
Wie ist unsere Vorgehensweise zur Errichtung einer Anlage zur Phosphorrückgewinnung?
Unseren Konzepten geht stets eine solide Analyse Ihrer Ausgangsbedingungen und Zielsetzung voraus, um alle Optionen für die Erfüllung der AbfKlärV zu erfassen und zu bewerten.
Unsere Konzepte – unabhängig davon, ob Sie eine Phosphatabtrennung im Zuge der Schlammbehandlung oder eine Rückgewinnung aus Klärschlammaschen favorisieren – werden durch Labor- und Demonstrationsversuche nachgewiesen und bilden die Ausgangsbasis für technisch-wirtschaftliche Machbarkeitsstudien, die Ihnen eine sichere Investitionsentscheidung ermöglicht.
Wir planen und errichten für Sie Ihre Lösung zur Rückgewinnung von Phosphor und übernehmen auch den Betrieb der Anlage, wenn dies gewünscht wird.
Voruntersuchung
Selbst wenn Sie Ihre Klärschlämme in einer Kooperation oder durch einen Dienstleister thermisch verwerten lassen, ist es von strategischer Bedeutung, die Auswirkungen der geänderten Gesetzlage auf den Klärwerksbetrieb zu kennen und optimierende Konzepte und Strategien zu entwickeln.
Mittels modernster Methoden (RFA, ICP-OES, ICP-MS, Brennwertanalyse, Rheometer etc.) ermitteln wir die relevanten Schlamm- und Ascheparameter, die für die künftige Mono-Verbrennung und P-Rückgewinnung von Bedeutung sind. Sofern keine Aschen vorliegen, können Aschen aus den Schlammparametern und unter Zugrundelegung des voraussichtlichen Verbrennungsregimes modelliert werden.
Mit den Ergebnissen zeigen wir Ihnen Optionen auf, die es Ihnen ermöglichen, Ihre Klärschlammverwertung und Phosphorrückgewinnung zu optimieren.
Konzeptentwicklung
Unsere Konzepte basieren auf den Analysen Ihrer konkreten oder modellierten Aschen und werden im Labor-und Demonstrationsmaßstab nachgewiesen. Die Versuche dienen zur Bestimmung von Stoffströmen sowie Chemikalien- und Energieverbräuchen, die Aufsatzpunkt für technisch-wirtschaftliche Machbarkeitsstudien sind.
Die Machbarkeitsstudien, in denen neben der jeweiligen verfahrenstechnischen Detaillierung auch erste qualifizierte Schätzungen der Investitions- und Betriebskosten enthalten sind, erhärten die Investitionsentscheidungen und mindern Investitionsrisiken.
Planung
Unsere erfahrenen Ingenieure stehen für eine professionelle Planung und Abwicklung Ihres Investitionsvorhabens. Aufsatzpunkt jeder Planung ist die vorherige Machbarkeitsstudie mit der auf den konkreten Anwendungsfall zugeschnittenen, verfahrenstechnischen Lösung.
Modernste CAD-Programme und professionelles Projektmanagement gehören ebenso zu unseren Stärken wie ein hochmotiviertes und bestens ausgebildetes Team.
Herausfordernde Aufgaben gehören zu unserem täglichen Geschäft und spornen uns an.
Bau
Höchste Präzision und Sorgfalt stehen für uns an oberster Stelle.
Die Zertifizierung unseres Qualitätsmanagements nach ISO 9001 ist für uns genauso selbstverständlich wie die Zertifizierung nach ISO 45001 (Arbeitsschutz) und ISO 14001 (Umweltschutz).
Wir sind erst dann zufrieden, wenn alles erledigt ist und reibungslos funktioniert.
Der spätere Service der Anlagen bei Wartung und Instandhaltung wird von uns ebenso angeboten wie ein Entstörungsdienst mit Anlagenfernüberwachung.
Betrieb
Wir übernehmen Verantwortung für unsere Konzepte und Leistungen. Wir beteiligen uns auf Wunsch an der Umsetzung großtechnischer Phosphorrückgewinnungsanlagen oder betreiben diese für Sie.
Kooperations- oder Betreibermodellen stehen wir offen gegenüber.
Warum ist eine solide Vorbereitung der Investitionsentscheidung wichtig?
Klärschlammaschen sind komplexe mineralische Verbindungen mit einer Vielzahl problematischer Inhaltsstoffe. Letztlich sind Klärschlammaschen die aufkonzentrierte, anorganische Schadstoffsenke der Abwasserreinigung. Durch die Verbrennung werden die mineralischen Bestandteile des Klärschlammes umgewandelt und es entstehen unterschiedliche phosphathaltige Material- und Mineralphasen, aus welchen der Phosphor herauszulösen ist.
Das Verbrennungsregime (Verbrennungsart, Temperatur, Zuschlagsstoffe, etc.) hat erheblichen Einfluss auf die Phasenumwandlung. Die Zusammensetzung sowie die chemischen und physikalischen Eigenschaften bestimmen die Verfahrensführung und Prozessstufen, die notwendig sind, um die gesetzlich geforderte Rückgewinnungsquote zu erfüllen.
Solide Analysen und Machbarkeitsstudien, auf denen die Planungen beruhen, senken maßgeblich die Investitionsrisiken.
Was macht die PARFORCE-Technologie® besonders?
Die PARFORCE-Technologie® ist ein nass-chemisches, Power-to-Chemicals Verfahren, das Phosphorsäure aus verschiedensten phosphathaltigen primären und sekundären Rohstoffen erzeugt. Einsatzstoffe können Phosphaterze (Apatit/Rock Phosphate) oder phosphathaltige Produktions- und Klärwerksrückstände wie beispielsweise Struvit/Magnesiumammoniumphosphat (MAP), Tri-/Di-Calciumphosphate, Klärschlammaschen sowie Tier- und Knochenmehlaschen etc. sein.
Die PARFORCE-Technologie® wurde nicht ausschließlich im Hinblick auf die Phosphorrückgewinnung nach AbfKlärV entwickelt, sondern ist Ergebnis der Forschung zur sogenannten Wertstoffchemie. Die Wertstoffchemie entwickelt Verfahren und Technologien, die die Energie- und Rohstoffwende ermöglicht. Die wesentlichen Verfahrenseigenschaften von PARFORCE sind:
- Hohe Flexibilität bei den Einsatzstoffen und der Verfahrensausrichtung zur Erzeugung von unterschiedlichen Nebenprodukten
- Erzeugung von hochwertiger Phosphorsäure
- Erfüllung der AbfKlärV auch bei Aschen mit niedrigem P2O5-Gehalt und großen Schwankungsbreiten in der Zusammensetzung
- Abtrennen von Schwermetallen
- Keine Erzeugung von zusätzlichen Reststoffen wie Gips oder gefährlichen Abfällen
- zuverlässiges, erprobtes Verfahren
Wie funktioniert unsere Technologie?
Die PARFORCE-Technologie® besteht aus einer Kerntechnologie „PARFORCE-Core“ mit vier Kernprozessen und aus einer oder mehreren weiteren vor- oder nachgelagerten bzw. integrierten zusätzlichen Verfahrenskomponenten – je nach Verfahrensausrichtung und zu verarbeitendem Einsatzstoff.
Im ersten Prozessschritt wird mittels Salz- oder Salpetersäure der zu verarbeitende phosphathaltige Primär- oder Sekundärrohstoff in einem Aufschlussreaktor chemisch aufgeschlossen – die Phosphate werden aus dem Feststoff mobilisiert und in eine Flüssigphase (Aufschlusssuspension) überführt.
Die Aufschlusssuspension enthält die Phosphorsäure und wird in einem zweiten Schritt filtriert und die Phosphorsäure in einem dritten Prozessschritt durch einen Membranprozess aufgereinigt. Im Anschluss erfolgt als vierter Schritt die Konzentration der Phosphorsäure auf 75% bis 85% (handelsüblicher Standard).
Zentraler Prozessschritt ist die Elektrodialyse, mit dem die Roh-Phosphorsäure gereinigt wird. Vorteil dieses innovativen Ansatzes ist, dass nahezu alle unerwünschten Bestandteile (Schwermetalle, Calcium, Magnesium, Kalium, Natrium etc.) aus der Roh-Phosphorsäure in einem Verfahrensschritt abgetrennt und in eine Salzlösung überführt werden. Anders als beim klassischen Schwefelsäure-Verfahren, das nur wenige Verunreinigungen (hauptsächlich Calcium) entfernt, entsteht kein Calciumsulfat (Gips) als Reststoff. Bei Klärschlammaschen werden vor der Elektrodialyse als zusätzlicher Verfahrensschritt Eisen- und Aluminiumionen abgetrennt.
Die bei dem Verfahren anfallende Salzlösung kann weiter aufbereitet werden, um nützliche Nebenprodukte zu erhalten oder die Aufschlusssäure zurückzugewinnen. Schwermetalle, die in die Salzlösung überführt werden, werden gezielt ausgeschleust. Als Nebenprodukte kann TL-Streu konformes Taumittel für den Winterdienst oder Calciumnitrat (bei Aufschluss mit Salpetersäure) gewonnen werden. Calciumnitrat wird unter anderem als Grundstoff in der Düngemittelherstellung verwendet.
