Phosphor-Rückgewinnung aus Klärschlamm

Phosphor steht als mineralische Ressource nur begrenzt zur Verfügung, ist aber für jedes Lebewesen essentiell. So ist auch in der Landwirtschaft Phosphor als Düngemittel unersetzlich. Aufgrund der Endlichkeit der Ressource und zugunsten von natürlichen Stoffkreisläufen bietet sich eine Nutzung des in Klärschlämmen gebundenen Phosphors an. Problematisch sind dabei allerdings die im Klärschlamm vorhandenen Schadstoffe wie Schwermetalle und organische Spurenschadstoffe.

Es wurden inzwischen verschiedene Verfahren erforscht, um gereinigten und landwirtschaftlich nutzbaren Phosphor aus Klärschlämmen zu gewinnen, wie das Phostripverfahren oder die Rückgewinnung aus Klärschlammaschen.

In dem Phoxnan Projekt soll ein optimiertes Verfahren zur Phosphorrückgewinnung entwickelt werden, indem das eine Niederdruck-Nassoxidation mit einer Membranfiltrationsstufe zu einem Hybridprozeß kombiniert wird. Das Niederdruck-Nassoxidationsverfahren (LOPROX = low pressure wet oxidation) wurde von dem Projektpartner Bayer Technology Services GmbH zur Behandlung von industriellen Abwässern entwickelt. Im LOPROX Prozeß wird ein großer Teil biologischen Substanzen mit reinem Sauerstoff, Temperaturen von 120-220°C und unter sauren Bedingungen oxidiert. Da die Reaktionswärme genutzt werden kann, handelt es sich um einen autothermen Prozeß. Der Phosphor liegt nach der Nassoxidation als Phosphat gelöst vor.

In der zweiten Stufe sollen mit einer Ultrafiltrationsanlage zunächst die restlichen Feststoffe aus dem Klärschlamm abgetrennt werden und mit Nanofiltrationsmembranen die Trennung von Phosphat und Schwermetallen sowie organischen Schadstoffen erfolgen. Nanofiltrationsmembranen sind dichte Membranen, die Ladunsträger enthalten und daher aufgrund von elektrostatischen Wechselwirkungen Ionenselektivität besitzen. Bei dem niedrigen pH-Wert, der nach der LOPROX-Stufe vorliegt, bildet sich in der Nanofiltrationsmembran durch die Anlagerung der H⁺-Ionen an den Poreninnenwänden eine elektrische Doppelschicht aus. Dadurch werden positive Ionen stärker zurückgehalten. Zudem liegt Phosphor im sauren Millieu als H₂PO₄^-, also einwertiges Anion vor, das leichter durch die Membranen permeieren kann als mehrwertige Ionen.

Somit ist es das Ziel, Phosphat im Permeat anzureichern und von den stark zurückgehaltenden Schwermetallen und organischen Schadstoffen zu trennen. Als abschließender Schritt wird eine Fällung mit MgO oder CaO entwickelt, um eine pflanzenverfügbare Form des Phosphors zu erhalten.

Abb. 1: Prinzip der Nanofiltration bei der Phosphorrückgewinnung aus Klärschlämmen