Erfahrungen und Überlegungen zur
Phosphorrückgewinnung aus Klärschlamm
Dr. Lars Zeggel
© Fraunhofer
AGENDA
Einleitung
Übersicht über die Rückgewinnungstechnologien im Bereich Klärschlamm
Klärschlammaufkommen in Hessen
Zusammenfassung
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FRAUNHOFER ISC - PROJEKTGRUPPE IWKS
Gründung im Jahr 2011
Aufbauphase von 2012-2017
Mutterinstitut:
Fraunhofer ISC - Institut für Silicatforschung
in Würzburg
Mit zwei Standorten:
Hanau (Hessen)
Alzenau (Bayern)
Hanau
Alzenau
gefördert vom Bayerischen Staatsministerium für Wirtschaft und Medien, Energie und Technologie
und Hessischen Ministerium für Wissenschaft und Kunst
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FORSCHUNGSANSATZ DER FRAUNHOFER-PROJEKTGRUPPE
IWKS
Entwicklung einer tragfähigen Ressourcenstrategie
Ressourceneffizienz
Wertstoffkreisläufe
Strategie- und Kritikalitätskonzepte
Entwicklung und Umsetzung wirtschaftlicher Recyclingkonzepte
Funktionales Recycling für Wertstoffe
Trenn- und Sortiertechnologien
Recyclinggerechtes Design
Erweiterung der Chancen durch Substitution
Substitution kritischer Rohstoffe
Entwicklung innovativer Substitute
Magnete, Magnetokalorik, Leuchtmittel, Energiematerialien
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ABWASSERBEHANDLUNG UND P-ELIMINATION
Zulauf
P-Vorfällung P-Simultanfällung P-Nachfällung
Belebungsbecken Nachklärung Sand-/Fettfang
Vorklärung
Maschinelle Entwässerung
Faulturm
Abgabe in
Vorfluter
Verbrennung
PS RS
ÜS
SW
FS
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AIRPREX
Fact sheets, P-Rex-
Projekt (2015)
Air
pre
x
+ Einfache Technologie
+ An etlichen Kläranalgen erprobt
+ Neben MgCl2 keine weiteren Chemikalien
- Bio-P Fällung erforderlich
- Geringes Rückgewinnungspotenzial
- Mikrobiolog. Unbendklichkeit nicht eindeutig
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PEARL
Fact sheets, P-Rex-
Projekt (2015)
PE
AR
L
+ Einfache Technologie
+ An etlichen Kläranalgen erprobt
+ Geringe Anzahl an Chemikalien
- Bio-P Fällung erforderlich
- Geringes Rückgewinnungspotenzial
- Spezielles Betreibermodell
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STUTTGARTER VERFAHREN
Fact sheets, P-Rex-
Projekt (2015)
Stu
ttg
art
er
Verf
.
+ Einfache Technologie
+ Rückgewinnungspotenzial
+ Bio-P Fällung nicht erforderlich
- Hoher Einsatz verschiedener Chemikalien
- Citronensäure kostenintensiv
- Entsorgung der Reststoffe ungeklärt
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GIFHORN-PROZESS
Fact sheets, P-Rex-
Projekt (2015)
Gif
ho
rn
+ Modulartiger Aufbau
+ Verfahren erprobt
+ Rückgewinnungsgrad und SM-Abtrennung
steuerbar
- Hoher verfahrenstechnischer Aufwand
- Hoher Einsatz verschiedener Chemikalien
- Keine Abtrennung des MAP
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EXTRAPHOS (BUDENHEIM)
Extr
aP
ho
s
+ Einfache Technologie
+ Rückgewinnungsrate
+ Geringer Chemikalieneinsatz
+ Energet. Potenzial bleibt erhalten
- Großtechnische Erprobung steht noch aus
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MEPHREC
Mep
hre
c
+ Hohe Rückgewinnungsrate
+ Energetische Nutzung des Synthesegases
- Komplexe Hochtemperaturtechnologie
- Hoher Energieeinsatz (Koks, O2)
- Nachweis der großtechn. Machbarkeit steht aus
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EPHOS
Fraunhofer IGB
eP
ho
s
+ Einfache Technologie
+ Nur metallisches Mg erforderlich
- Hoher Platzbedarf
- Wirtschaftlichkeit stark abhängig vom Mg-Preis
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P-ROC
P-R
oC
+ Direkt an bestehende Klärtechnik adaptierbar
+ Einfache Technologie insb. Für kleine KA
+ CSH gängiges Material aus der Baustoffindustríe
- Geringe Rückgewinnungsrate
- Kristallisationsprodukt abh. von Zentratchemie
- Verfahren bislang nur manuell im Teilstrom erprobt
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REDOX-VERFAHREN (EUPHORE)
Thermische Behandlung von Klärschlamm in einem Drehrohr
Zuerst Pyrolyse unter reduzierenden Bedingungen dann oxidative
Nachverbrennung
Zugabe von KCl zur Verbesserung der P-Verfügbarkeit und Eliminierung von
Schwermetallen
Red
ox
+ Geringer Chemikalieneinsatz
+ Geringe Mengen an Reststoffen (SM)
+ Hohe Rückgewinnungsrate
+ Rückgewinnugsprodukt als Dünger geeignet
- Verfahrenstechnisch erhöhter Aufwand
- Für kleine KA nur bedingt geeignet
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AVA-CO2
AV
A-C
O2
+ Hohe Rückgewinnungsrate
+ Nutzung der HTC-Kohle in der Mitverbrennung
+ Recycling der Fe- und Al-Sulfate als Fällungsmittel
- Hoher verfahrenstechnischer Aufwand
- Evtl. Entstehung organ. Schadstoffe
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P-RÜCKGEWINNUNG DURCH MAGNETPARTIKEL
Fraunhofer ISC/IWKS
Mag
netp
art
ikel
+ Wiederverwendbares Adsorptionsmaterial
+ Selektive P-Adsorption
+ Geringer Chemikalieneinsatz (für Regenerierung)
- Verfahrenstechnisches Neuland
- Partikelherstellung aufwändig
- Großtechnisch noch nicht erprobt
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GRAD DER UMSETZUNG DER P-RECYCLINGVERFAHREN
Verfahren
Labor- halbtechnischer Voll-
Maßstab
Airprex
PEARL
Stuttgarter Verf.
Gifhorn
ExtraPhos
Mephrec
ePhos
P-RoC
Redox-Verfahren
AVA-CO2
Magnetpartikel
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Rückgewinnungsprodukt Rückgewinnungsrate
Airprex MAP (NH4MgPO4*6H2O) 10 – 20 %
PEARL MAP 20 – 30 %
Stuttgrter Verf. MAP Bis zu 50 %
Gifhorn MAP (o. Abtrennung von KS) 10 -20 %
ExtraPhos CaP 50 %
Mephrec Calciumsilicatphosphat 60 %
ePhos MAP unbekannt
P-RoC CaP/MAP 10 -20 %
Redox-Verfahren K-Phosphat 80 %
AVA-CO2 CaP > 50 %
Magnetpartikel variabel unbekannt
ART DES SEKUNDÄRPHOSPHATS UND RÜÜCKGEWINNUNGSRATE
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Laugung P-Abtrennung SM-
Abtrennung Weitere
Airprex - MgCl2
PEARL - MgCl2, NaOH
Stuttgrter Verf. H2SO4 NaOH, MgO C6H8O7
Gifhorn Na2S
ExtraPhos CO2 Ca(OH)2
Mephrec Koks, O2,
Ca(OH)2
ePhos Mg (metallisch)
P-RoC CSH
Redox-Verfahren KCl
KCl
AVA-CO2 H2SO4 Ca(OH)2
Magnetpartikel Synthetisierte Partikel
ÜBERSICHT ÜBER DIE EINGESETZTEN BETRIEBSSTOFFE
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PFLANZENVERFÜGBARKEIT VON P-RECYCLATEN
LfU (2015)
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ANTEIL DER EW IN GK4 UND GK5 IN HESSEN
EW Anzahl
GK5 3.735.000 10
GK4b 1.923.400 26
GK4a 3.435.343 135
GK3-GK1 1.279.947 541
36%
20%
32%
12%
GK5
GK4b
GK4a
GK3-GK1
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KLÄRSCHLAMMENTSORGUNG IN HESSEN
Montag et al., RWTH Aachen (2016)
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ZUSAMMENFASSUNG
Wesentliche Prozesse der Rückgewinnung sind
Rücklösung des Phosphors durch Ansäuerung (mit H2SO4, HCl oder CO2)
Abtrennung der Schwermetalle (mit Sulfiden, Chloriden, Zitronensäure oder organischen Lösungsmitteln)
Fällung der Phosphate (mit NaOH und Calcium- oder Magnesiumverbindungen)
Im Wesentlichen sind die MAP-Verfahren großtechnisch etabliert
wirtschaftlich durch Nutzung der Begleiteffekte
Bessere Entwässerbarkeit
Verhinderung von Struvit-Ausfällungen
Geringere Rückbelastung
Hohe Rückgewinnungsraten bedeuten höheren Aufwand bei Technologie, Betriebsstoffen und Personal
Behandlung bzw. Vermeidung der Reststoffe nicht zu vernachlässigen
SM-Gehalte vor allem bei den in wässrigen Phasen gewonnen Produkten unproblematisch
Erhöhte Gehalte vor allem bei Zink und Kupfer (Spurennährstoffe)
Rückgewinnung ist nur der erste Schritt, bis zur Zulassung als Düngemittel ist es unter Umständen ein weiter Weg (Einhaltung der DüMV)
Durch die Einführung einer GK 4a und 4b wird das Rückgewinnungspotenzial (in Hessen) erheblich eingeschränkt
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Dr. Lars Zeggel
Fraunhofer-Projektgruppe IWKS
Tel.: +49 (0) 6023 32039-858
E-Mail: [email protected]