Die Phosphor-Philosophie

Wie Rainer Schuhmann und Anke Ehbrecht eine unverzichtbare endliche Ressource zurückgewinnen.

Was haben Milch, Wein und Wurst mit Düngemittel und Klärschlamm gemeinsam? Sie verbindet unter anderem eins: Phosphor. Das chemische Element P ist eine endliche Ressource, ähnlich wie Erdöl. Wenn sie ausgeht, könnten die Folgen noch schlimmer werden, als beim Versiegen der  Erdölquellen. Weil Phosphor für den Organismus von Pflanzen, Tiere und Menschen  unverzichtbar ist und es keine alternativen Möglichkeiten gibt, Phosphor zu  ersetzen, würde das Ende der Ressourcen möglicherweise nicht nur zu Kriegen  führen – letztendlich könnte es das Leben auf der Erde zum Erliegen bringen.

Als rationale Wissenschaftler sind Rainer Schuhmann und Anke Ehbrecht keine Freunde von Endzeitvisionen. Aber sie wissen um die schwindenden Phosphorressourcen. Wer die verbleibende Zeit für die P-Vorkommen schätzen will, muss einberechnen, dass der weltweite Phosphorverbrauch vor allem wegen des Einsatzes als Düngemittel steigt und dass die Qualität des abgebauten Phosphors mit zunehmender Abbautiefe sinkt. Experten schätzen, dass die letzten natürlichen Phosphorvorkommen in 50 bis 250 Jahren aufgebraucht sein werden –eine kurze Zeit, um das Wachstum des Lebens zu sichern.


„Wir können keine neuen Vorkommen schaffen und wir können Phosphor nicht im Labor erzeugen. Unsere Chance ist das Recycling“, sagt der KIT-Forscher  Schuhmann. Phosphor kommt, vor allem in Form von Phosphaten, in vielen  Produkten vor. „Große Phosphatanteile gibt es bei Nahrungsmitteln  wie Milchprodukten, Wein, Fleischwaren, vor allem aber bei Feldprodukten“, erklärt die Geoökologin Anke Ehbrecht. Menschen nehmen dieses Phosphat über die  Nahrungsmittelauf, verwerten aber nicht den kompletten Anteil im Organismus.

 

Der Rest landet dort, wo eigentlich keiner mehr an Recycling denkt: in der Kläranlage. „Abwasser enthält jede Menge Phosphor, das wir rückgewinnen und als Düngemittel einsetzen können. Momentan geht ein großer Teil davon verloren“, so Schuhmann.

Deutschland importiert 100 Prozent des benötigten Rohphosphats, da keine nutzbaren Ressourcen in der Bundesrepublik vorhanden sind. Insgesamt sind das über 100.000 Tonnen pro Jahr, der Großteil davon wird in Düngemitteln verbraucht. Schon innerhalb der vergangenen zehn Jahre ist ein vielfacher Preisanstieg bei Rohphosphaten zu beobachten. „Je weniger Phosphor es geben wird, desto stärker werden wir die Abhängigkeit von Phosphorexportländern wie zum Beispiel China, spüren“, gibt Schuhmann zu bedenken.

„Innovation ist, einen kleinen Beitrag zu leisten, um die Welt zu retten.“

Dr. Rainer Schuhmann

Seit 2007 forscht er gemeinsam mit seiner Kollegin an der Weiterentwicklung einer Technologie zur Rückgewinnung aus Abwässern, mit der etwa zehn Prozent des nach Deutschland importierten Phosphors wiederverwendet werden könnten. Calcium-Silicat-Hydrate (CSH) sorgen dafür, dass im Abwasser gelöste Phosphate in einem zwischengeschalteten Reaktionsschritt separiert werden. CSH wird vor allem für die Produktion von Baustoffen eingesetzt – ein vergleichsweise günstiges Massenprodukt. Bringt man dieses mineralische Material in Kontakt mit Abwasser, kristallisiert das gelöste P als Phosphatmineralam CSH. Das Endprodukt kann ohne weitere Behandlungsschritteals Dünger verwendet werden.


Schematische Darstellung des P-RoC-Verfahrens

 

 

Der Anlagenbauer Alltech GmbH aus dem baden-württembergischen Weingarten erkannte 2011 das Potenzial der patentgeschützten KIT-Technologie. Nun entwickeln KIT und das mittelständische Unternehmen gemeinsam Anlagen, die sich in bestehende Kläranlagen einbauen lassen. Das Projekt bietet Kommunen die Chance zu einem wirtschaftlichen Anfang bei der Phosphorrückgewinnung.

 

Neuburg an der Donau hat die Gelegenheit am Schopf gepackt. Paul Leikam, Leiter des Amts für Abwasserbeseitigung und Hochwasserschutz in Neuburg, erklärt warum: „Der Klärschlamm aus unserer Anlage wird im Zementwerk verbrannt, dabei erfolgt eine thermische und stoffliche Verwertung nach den Grundsätzen der Kreislaufwirtschaft. Die nicht brennbaren, mineralischen Bestandteile des Klärschlamms werden für die Zementherstellung benötigt und fest in den Zementklinker eingebunden. Der darin enthaltene Phosphor wird dafür zwar nicht benötigt, geht somit jedoch für immer verloren. So entstand die Idee, mit einem wissenschaftlichenPartner gemeinsam ein Projekt zum Phosphorrecycling aufzulegen. Die bisherigen Ergebnisse lassen darauf hoffen, dass wir eine Rückgewinnungsanlage zukünftig dauerhaft in die Anlage integrieren und damit eine neue Einnahmequelle schaffen können. Sollten diese guten Ergebnisse bestätigt werden, wäre eine großtechnische Umsetzung ab Mitte 2014 denkbar.“

 

Endprodukt aus der in Neuburg an der Donau eingesetzten Phosphorrückgewinnung.

Das Prototyp-Verfahren funktioniert, nun gilt es, Anlagen für die  verschiedensten Einsatzzwecke zu entwickeln und den breiten Einsatz zu fokussieren: „Es gibt nicht nur unterschiedliche Abwasserqualitäten – vom kommunalen bis zum land-

wirtschaftlichen Abwasser –, aus denen Phosphor rückgewonnen werden kann.  Auch in den Produktionsprozessen für viele Nahrungsmittel fallen Phosphatmengen an, die ein Recycling lohnenswert machen“, sagen Rainer Schuhmann und Anke Ehbrecht. Das Umdenken haben die beiden zur persönlichen Mission gemacht: „Das Phosphorrecycling ist lebenswichtig für die Generationen nach uns. Deshalb soll unsere Forschung nicht graue Theorie bleiben, sondern in der Umsetzung einen Beitrag zur Erhaltung der Lebensgrundlagen für nachfolgende Generationen leisten.“

 

Interview: Phosphor-Recycling am Markt

Ines Weller ist Geschäftsführerin der Alltech Dosieranlagen GmbH. Das mittelständische Anlagenbauunternehmen entwickelt gemeinsam mit dem KIT die Phosphorrück-

gewinnungsanlage, die in Neuburg an der Donau im Pilotbetrieb getestet wurde.

Woher kommt die Motivation für eine solche Pilotentwicklung gemeinsam mit dem KIT?

Ines Weller: Das Thema Phosphorrückgewinnung ist schon seit einigen Jahren in der Presse präsent. Auch in Teilen unserer Bestandskundschaft – Kläranlagen in öffentlicher Hand – hat sich das Interesse daran zunehmend verstärkt. Die Rückgewinnung von Rohstoffen ist umweltpolitisch erwünscht. Außerdem verringert die Herausnahme von Phosphor aus dem Zentrat Magnesium-Ammonium-Phosphatablagerungen, was die Betriebskosten der Kläranlagen senkt.

Wird die Phosphorrückgewinnungsanlage auf den Markt gebracht?

Ines Weller: Unser Ziel ist die Entwicklung einer einfach zu bedienenden, automatisierten Anlage zur Phosphatrückgewinnung. In Großserie würden solche Anlagen wohl nicht produziert werden, aber es wäre für uns eine optimale Ergänzung unserer bestehenden Produktpalette.

Warum haben Sie sich für die Entwicklung mit wissenschaftlichen Partnern zusammengeschlossen?

Ines Weller: Als „kleiner Mittelständler“ haben wir lediglich eine kleine Forschungs- und Entwicklungsabteilung und sehen die Kooperation mit dem KIT als Chance, an vielversprechenden Entwicklungen teilzuhaben. Die Zusammenarbeit mit dem KIT ist sehr erfolgreich verlaufen, sie ermöglicht uns Einblicke in Know-how, die wir sonst wohl kaum erhalten würden. Weitere Kooperationsprojekte sind bereits angedacht.

 

 

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