Phosphor (P) ist ein elementarer Baustein des Lebens, der nicht substituierbar ist - vergleichbar mit Wasser. Über die Böden gelangt Phosphat in Pflanzen und somit in Tiere und Menschen. Nachschub für die Ackerböden erfolgt meist über Düngemittel. Das Problem: Sie werden aus fossilen Phosphor-Ressourcen hergestellt, die endlich, nicht erneuerbar und zunehmend verunreinigt sind, etwa mit Cadmium und Uran. Der größte Teil der Vorkommen liegt zudem in nur fünf Ländern, die meisten davon in Afrika. Der Abbau geht darüber hinaus mit Umweltverschmutzung und hohem Energieeinsatz einher.

Ansprechpartner

Dr. Jochen Brellochs
+49 711 78 70-211

Bislang ist die EU auf Importe des kritischen Rohstoffes angewiesen. Das unersetzliche Element ist ein nicht zu unterschätzender Wirtschaftsfaktor, zumal Phosphor auch für andere Produkte genutzt wird, etwa für Lebensmittelzusatzstoffe, Waschmittel oder Flammschutzmaterialien. Um die Importabhängigkeit zu reduzieren und das lebenswichtige Element nicht inertisiert in Deponien oder Baustoffen (wie Zement) zu verlieren, soll Phosphor aus Abfallströmen wie Klärschlamm, Gärreste oder Gülle zurückgewonnen werden. Bis zu 50 Prozent des Bedarfs hierzulande könnte durch das Recycling von Klärschlämmen zurückgewonnen werden.

Phosphor-Recycling

Langfristig wird die Phosphor (P) -Rückgewinnung aus P-reichen Abwässern / Reststoffströmen (z.B. Klärschlamm) für die globale Ernährungssicherheit unverzichtbar sein. In naher Zukunft werden sich die möglichen Entsorgungswege für Klärschlamm deutlich verändern:

a) aufgrund der Anforderungen der novellierten Klärschlammverordnung (AbfKlärV vom 27.09.2017)

b) aufgrund des Ausstiegs aus der Kohlekraft (Wegfall von Mitverbrennungskapazitäten) sowie

c) aufgrund des bei der landwirtschaftlichen Klärschlammausbringung problematischen Eintrags an Nitrat, organischen und/oder pathogenen Schadstoffen in die Umwelt.

Das Problem der Klärschlamm (KS)-Entsorgung wird sowohl national als auch international rasant wachsen.

Die ZSW 10kWth Wirbelschicht Anlage mit Heißgas-Partikelabtrennung

Als Lösungsweg wird aktuell ein Trend zur thermischen Entsorgung von Klärschlamm in zentralen Monoverbrennungsanlagen beobachtet. Besonders vielversprechend erscheint die Errichtung einer Mono-Klärschlamm-Verbrennungsanlage neben einem Müllheizkraftwerk, da hier Synergien bei der Logistik, KWK-Erzeugung, Rauchgasreinigung und schließlich auch beim Anlagenpersonal sinnvoll genutzt werden können. Dies reduziert Aufwand und Kosten.

Wie dabei die Phosphor-Rückgewinnungspflicht gemäß Klärschlammverordnung erfüllt werden soll, scheint in den meisten Fällen noch offen zu sein. Grundsätzlich ermöglicht eine Monoverbrennung von Klärschlamm die P‑Rückgewinnung aus der Asche. Trotz der zahlreichen Prozesse, die im Entwicklungs- oder Pilotstadium sind, hat sich hierfür noch kein Verfahren als zielführend erwiesen. Alle bewegen sich im Spannungsfeld zwischen Machbarkeit, Effektivität, Wirtschaftlichkeit und Umweltauswirkungen.

Zusammen mit Partnern aus Industrie und Forschung entwickelt das ZSW ein neues Verfahren zur Klärschlammverbrennung im Wirbelschichtprozess. Ziel ist, die Eigenschaften der Asche für eine anschließende Nutzung zu optimieren. Im Fokus hierbei steht die Pflanzenverfügbarkeit der P-reichen Asche für deren Einsatz in der Landwirtschaft, um den Phosphor-Kreislauf zu schließen.

Hierfür wurden unter realitätsnahen Bedingungen Klärschlämme unter Zugabe von Kalzium-haltigen Additiven verbrannt. Dabei wurde Asche konstanter Produktqualität erzeugt, die sich durch einen hohen Phosphor-Gehalt bis 10 m.% auszeichnete. Durch begleitende theoretische und experimentelle Untersuchungen im Rahmen der personenbezogenen EU-Förderung ReCaPhos werden günstige Verbrennungsbedingungen und Klärschlammeigenschaften identifiziert und der Prozess grundlegend analysiert. Auf dieser Basis erfolgt die Übertragung in den Wirbelschichtprozess, wofür ein 10 kW Laborwirbelreaktor mit Hochtemperatur-Ascheabtrennung und umfangreicher Messtechnik zur Verfügung steht.

Rheometrische Bestimmung

Bei der Verbrennung nimmt die Gefahr der Ascheerweichung zu, je aschereicher ein Brennstoff ist. Beispielsweise muss für einen stabilen Wirbelschichtprozess eine Ascheerweichung unbedingt vermieden werden, damit das Wirbelschicht-Bettmaterial nicht agglomeriert oder Anbackungen im Reaktor entstehen. Um die Wirbelschicht sicher unterhalb der Ascheerweichungstemperatur zu fahren, wird diese kritische Temperatur vorab am ZSW für Aschegemische rheometrisch bestimmt.

Das Messprinzip beruht auf dem Effekt, dass das Drehmoment eines Rührers ansteigt, wenn sich die Viskosität einer feinen Partikelschüttung erhöht, weil die Partikel infolge der Ascheerweichung miteinander „verkleben“.

Der Teststand besteht aus einem elektrisch beheiztem Ofen, in welchem sich ein Tontiegel mit der zu untersuchenden Partikelschüttung befindet. Diese wird mit definierter Drehzahl gerührt.  Die Temperatur des Ofens wird kontinuierlich bis maximal 1300°C erhöht. Der Versuch bricht ab, wenn das Drehmoment den Abbruchwert überschritten hat.

Teststand zur rheometrischen Bestimmung der Ascheerweichungstemperatur.
Partikelgrößenverteilung

Die Partikelgrößenverteilung von Feststoffen ist ein grundlegendes, charakteristisches Merkmal, das das Materialverhalten beeinflusst (z.B. Reaktivität) und Anforderungen an den Prozess stellt (z.B. Fluidisierung, Gas-Fest-Trennung). Neben einem Siebturm steht am ZSW ein Laserbeugungsgerät zur Verfügung, mit welchem Proben von 2 µm bis ca. 2 mm vergleichsweise schnell analysiert werden können. Mittels Probenteiler wird die Probe in 10 vergleichbare Einzelproben aufgeteilt und dann mit drei Optiken verschiedener Größenbereiche vermessen. Die dazugehörige Software erlaubt die sofortige Auswertung und Darstellung der Messungen. Nebenstehendes Bild zeigt den Versuchsaufbau zur Partikelgrößenbestimmung mittels Laserbeugung.

Partikelgrößenanalysator der Firma Sympatec (Gerätename: HELOS KR mit RODOS Dispergiereinheit) zur Bestimmung der Partikelgrößenverteilung von Feststoffproben. Die Partikel werden in Luft dispergiert und mittels Laserbeugung analysiert.