Projekt 35207/01

Phosphorrückgewinnung auf Kläranlagen durch eine gezielte Phosphornachfällung und anschließende Fällschlammseparation

Projektdurchführung

Zielsetzung

Mit der 2017 novellierten Klärschlammverordnung (AbfKlärV) wurden in Deutschland konkrete Anforderungen an die Rückgewinnung von Phosphor (P) aus dem Abwasser eingeführt. Die meisten in der Entwicklung befindlichen Verfahren für kommunale Kläranlagen konzentrieren sich auf die P-Rückgewinnung aus der Klärschlammasche. Diese sind mit hohem Energie- und Betriebsmittelbedarf verbunden. Im vorliegenden Projekt sollte dagegen eine Lösung zur P-Rückgewinnung direkt über den Schlammpfad in der Kläranlage aufgezeigt werden. Die Phosphorrückgewinnung ist dabei Bestandteil der Abwasser- bzw. Schlammbehandlung.

Arbeitsschritte

Das Projekt geht zurück auf schon länger bestehende Überlegungen zur Phosphorrückgewinnung auf Kläranlagen aus einem separaten, gezielt abgetrennten Schlammstrom. Dazu wird durch Verlagerung von Phosphor-Stoffströmen aus der biologischen Stufe der Kläranlage in eine gezielte Phosphor-Nachfällung ein P-angereicherter Fällschlamm erzeugt. Die Abscheidung dieses Fällschlamms erfolgt über Filteranlagen.

Zur Lösungsfindung erfolgte zunächst die Ausarbeitung des Verfahrenskonzepts aufbauend auf der theoretischen Betrachtung der einzelnen Phosphor-Stoffströme in der Abwasser- und Schlammbehandlung und unter Berücksichtigung der Anforderungen einerseits an die Abwasserreinigung (P-Elimination) und andererseits an die Phosphorrückgewinnung (verbleibender P-Gehalt im Klärschlamm).

Das von der Emscher Wassertechnik GmbH erarbeitete Verfahrenskonzept wurde dann gemeinsam mit der Emschergenossenschaft in deren Technikum auf der Kläranlage Emschermündung (KLEM) in Dinslaken erprobt. Dort stand eine zweistraßige Belebungsanlage für ca. 1.000 EW inklusive Filteranlagen zur Verfügung. Für die Nachfällung wurden unterschiedliche Fällstrategien und Fällmittel getestet. Als Filteranlagen wurden ein Raumfilter und ein Flächenfilter eingesetzt.

Um das originäre Ziel der Abwasserreinigung sicher zu stellen, war mit der Technikumsanlage im ersten Schritt die grundsätzliche Funktion der Nachfällung praktisch nachzuweisen. Im Hinblick auf die Phosphorrückgewinnung war dann eine ausreichende Abreicherung von Phosphor in dem zu entsorgenden Schlamm auf die gemäß AbfKlärV geforderten Phosphorgehalte von < 20 g P/kg Trockenmasse (TM) zu zeigen.

Zur Klärung der Verwertung sollte der anfallende Fällschlamm auf seine Eignung für Düngezwecke untersucht werden. Durch die HaGoTECH GmbH (einer Ausgründung des Instituts für Nutzpflanzenwissenschaften und Ressourcenschutz der Universität Bonn) wurden dazu umfassende Bewertungen des Fällprodukts vorgenommen, insbesondere über praktische Untersuchungen zur Pflanzenverfügbarkeit des Phosphors im erzeugten Fällschlamm.

Ergebnisse

Im vorliegenden Projekt wurde das Verfahrenskonzept zur Gewinnung eines mit Phosphor angereicherten Fällschlamms als separater Stoffstrom einer Nachfällung ausgearbeitet und erprobt. Es zeigte sich, dass auch bei Verlagerung von Phosphorfrachten aus der Biologie mit einer alleinigen Nachfällung eine gute P-Elimination möglich ist: so wurden beim Einsatz von verschiedenen Fällmitteln (Eisen-III-chloridsulfat und Aluminiumsulfat) auch weitergehende Anforderungen sicher eingehalten, bspw. für einen Zielwert von 0,1 mg/l Orthophosphat.

Zur Feststoffabscheidung des Fällschlamms wurden parallel ein Raumfilter (DynaSand-Filter) und ein Flächenfilter (Polstofffilter/Trommelfilter) eingesetzt. Der Fällschlamm erwies sich als gut abscheidbar. Es wurde ein grundsätzlich guter Rückhalt des Fällschlamms mit den eingesetzten Filteranlagen und damit auch eine gute Elimination von Gesamt-Phosphor (Pges) erzielt.

Von besonderem Interesse ist bei dem entwickelten Verfahren die P-Abreicherung im zu entsorgenden Schlamm im Vergleich zur geforderten Reduzierung der Phosphorgehalte auf < 20 g P/kg Trockenmasse (TM) gemäß AbfKlärV (2017). Die rechnerische Bilanzierung der Feststoffe und des Phosphors für zwei mögliche Anlagenkonstellationen des entwickelten Verfahrenskonzeptes ergab eine deutliche Unterschreitung der Anforderung. Bei den praktischen Versuchen lagen die Werte des feststoffbezogenen Phosphorgehaltes im Überschussschlamm bei störungsfreiem Anlagenbetrieb um 20 g P / kg TR; nach Inbetriebnahme einer anaeroben Stabilisierung und einer Umstellung des Zulaufs der Technikumsanlage lagen die Werte im Faulschlamm unter 20 g P / kg TM.

Zur Beurteilung der Verwertungspotentiale des gewonnenen Stoffstroms wurden u. a. die Möglichkeit zur Aufkonzentrierung, die düngemittelrechtlichen Anforderungen und die Pflanzenverfügbarkeit des Phosphors untersucht. Der P-angereicherten Stoffstrom besteht aus dem Fällschlamm der Nachfällung bzw. dem Spülwasser der Filteranlage. Mit einem Dekanter konnte einstufig eine gute Aufkonzentrierung des Stoffstroms auf bis zu 32 % erreicht werden.

Im P-angereicherten Stoffstrom zur Phosphorrückgewinnung wurden hohe Phosphorgehalte von im Mittel 109 g P / kg TR erreicht. Zur Untersuchung der Pflanzenverfügbarkeit des enthaltenen Phosphats wurden standardisierte Pflanzenversuche mit verschiedenen Pflanzenarten durchgeführt. Der Fällschlamm zeigte dabei insbesondere bei Fällung mit Aluminiumsulfat eine gute Pflanzenverfügbarkeit.

Öffentlichkeitsarbeit

Die Ergebnisse des Projekts wurden im Rahmen eines Workshops im Mai 2023 bei der DBU vorab vorgestellt. Sie sind u. a. in die DWA-Aktivitäten der Projektpartner eingeflossen und sollen auch über eine Fachpublikation weiterverbreitet werden.

Fazit

Im vorliegenden Projekt „P-Rec“ wurde ein Verfahren zur Phosphorrückgewinnung als direkter Bestandteil der Abwasserreinigung bzw. Schlammbehandlung auf Kläranlagen aufgezeigt. Für dieses liegt ein Verfahrenskonzept zur Gewinnung eines mit Phosphor angereicherten Fällschlamms als separater Stoffstrom einer Nachfällung vor, das auf einer Technikumsanlage praktisch erprobt wurde.

Das entwickelte Verfahren zeigt ein großes Potential als alternatives Verfahren zur Phosphorrückgewinnung. Mit der praktischen Erprobung wurden gute Ergebnisse zur grundsätzlichen Funktion der alleinigen Nachfällung und der Separation des Fällschlamms gezeigt. Es wurde eine Phosphorelimination für weitergehende Anforderungen erreicht. Die Verlagerung des Phosphors in den separaten Stoffstrom aus der Nachfällung ist gegeben. Mit dem Einsatz von Aluminiumfällmittel wurde eine sehr gute P-Pflanzenverfügbarkeit und damit Verwertbarkeit des Fällprodukts als Düngemittel aufgezeigt.

Das Verfahren beinhaltet mit dem Einsatz der Filteranlagen auch Synergieeffekte mit der vierten Reinigungsstufe zur Mikroschadstoffelimination und z. B. auch mit weitergehenden Zielen der Mikroplastikentfernung.

Zur Weiterentwicklung und Etablierung des Verfahrens werden weitere praktische Untersuchungen empfohlen, um Wissenslücken zu schließen und die Ergebnisse auf einer großtechnischen Anlage inkl. Vorklärung und Faulung mit weiteren Analysen im Roh- und Faulschlamm zu verifizieren.