Phosphorrückgewinnung

Rechtlicher Rahmen

Mit Inkrafttreten der Verordnung zur Neuordnung der Klärschlammverwertung (AbfKlärV) am 3. Oktober 2017 hat das Gebot zur Phosphorrückgewinnung Rechtsverbindlichkeit erhalten. Bis zum Jahr 2029 müssen Betreiber von Kläranlagen mit über 100.000 Einwohnergleichwerten (EW) (und die Betreiber von Klärschlammverbrennungsanlagen) die Rückgewinnung von Phosphor aus Klärschlamm, beziehungsweise der Klärschlammasche sicherstellen. Ab dem Jahr 2032 gilt dies auch für Kläranlagen mit über 50.000 EW. Die Pflicht zur Rückgewinnung besteht, sobald der Phosphorgehalt in der Klärschlammtrockenmasse 2 % oder mehr beträgt. Wird der Schlamm direkt behandelt, muss der Phosphor bis unter 2 % abgereichert werden, um der Verordnung zu genügen. Enthält der Klärschlamm mehr als 4 %, reicht es, 50 % des Phosphors wiederzugewinnen. Wird die Klärschlammasche behandelt, müssen 80 % des in der Asche enthaltenen Phosphors wiedergewonnen werden. Die AbfKlärV sieht ab dem 01. Januar 2023 zudem vor, dass die Kläranlagenbetreiber bis zum Ende des Jahres der zuständigen Behörde ein Konzept vorlegen, aus dem hervorgeht, in welcher Weise (mit welchem Verfahren) der Phosphor zurückgewonnen werden soll.

Beratungsstelle Phosphorrückgewinnung aus Klärschlamm in Bayern

Zum 1. Januar 2020 hat die Beratungsstelle am Bayerischen Landesamt für Umwelt ihre Arbeit aufgenommen. Die Einrichtung begleitet zukünftig die Umsetzung der Phosphorrückgewinnung in Bayern. Insbesondere wird die Beratungsstelle Kommunen, Abwasserverbände, Betreiber kommunaler Kläranlagen und auch Betreiber von Klärschlammmonoverbrennungsanlagen fachlich unterstützen. Die Beratung erfolgt im Rahmen

  • der Unterstützung bei interkommunaler Zusammenarbeit,
  • der Entwicklung von Konzepten zur regionalen Trocknung dezentral anfallender Klärschlämme,
  • der energetischen Verwertung von Klärschlämmen,
  • der Verfahrensauswahl unter Berücksichtigung der örtlichen Gegebenheiten.
  • E-Mail: klaerschlamm

Phosphor als Baustein des Lebens

Als Baustein der DNS und Bestandteil von ATP, dem universellen Energieträger in lebenden Zellen, ist das Element Phosphor Voraussetzung für jegliches Leben auf der Erde und nicht durch andere Elemente substituierbar. Dies hat zur Konsequenz, dass der Mensch Phosphor als Nährstoff für die Produktion von Nahrungs- und Futtermitteln gewinnen muss, um die Ernährung der Weltbevölkerung sicherzustellen. Heute werden mehr als 80 % des überwiegend bergmännisch gewonnenen Phosphors für Düngemittel eingesetzt. Nur ein kleiner Teil wird für die industrielle Nutzung benötigt. Hier finden Phosphate unter anderem in Pestiziden, Flammschutzmitteln, Lebensmitteln oder in der Galvanikindustrie Anwendung.

Phosphor als kritische Ressource

Wenngleich für einige hundert Jahre und darüber hinaus ausreichend abbauwürdige Lagerstätten vorhanden sind, beziehungsweise erschlossen werden, existieren einige Faktoren, die langfristig die Preisstabilität oder gar die Versorgungssicherheit in Bezug auf Phosphatdünger gefährden könnten. Dies sind:

  • Die geografische Konzentration der Lagerstätten auf wenige Länder (allein 75 % der Reserven sind in Marokko und der Westlichen Sahara lokalisiert)
  • Die bereits vorhandenen und zukünftig steigenden Gehalte an Schwermetallen in den Rohphosphaten
  • Negative Umweltauswirkungen beim Abbau der Rohphosphate in den Gewinnungsländern
  • Zunehmende Weltbevölkerung und damit steigende Nachfrage nach Düngemitteln

Phosphorsenken in Bayern

Der bayerische kommunale Klärschlamm enthält im Mittel ca. 3,1 % Phosphor in der Trockenmasse (TM). Bei einer anfallenden Klärschlammmenge von ca. 262.000 Mg TM/a (Stand 2018) ergibt sich hiermit im Klärschlamm eine Phosphormenge von ca. 8.000 Mg P/Jahr (18.600 Mg P2O5/Jahr). Der bayerische Klärschlamm wird derzeit in erheblichem Umfang in Kohlekraftwerken, Müllheizkraftwerken oder Zementwerken mitverbrannt (vgl. die Unterseite "Thermische Behandlung"). Eine weitere relevante Menge an Phosphor (1.450 Mg P/Jahr beziehungsweise 3.300 Mg P2O5/Jahr) ist in tierischen Nebenprodukten (Tiermehl, Fleischknochenmehl) der Kategorie 1 enthalten. Dieses Tiermehl wird derzeit in Zementwerken mitverbrannt, wobei der enthaltene Phosphor in den Zement eingebunden wird und somit nicht mehr als Dünger zur Verfügung steht. Die Anteile aus der Kategorie 3 werden bereits als Zusatz in Heimtierfutter oder Düngemitteln verwertet. Bedeutend geringere Phosphormengen sind in Bio- und Grünabfällen enthalten. Da diese derzeit bereits in Bayern gesammelt und einer Verwertung zugeführten werden, stellen sie kein zusätzliches Potenzial dar.
Zum Vergleich: Über Mineraldünger wurden den bayerischen Böden im Wirtschaftsjahr 2018/2019 (Juli – Juni) ca. 10.300  Mg P zugeführt (vgl. Abb. 1).

Phosphormengen in verschiedenen Abfällen und Reststoffen im Vergleich mit der Phosphorzufuhr durch Mineraldünger auf bayerischen Böden. Mineraldünger 18.000 Tonnen im Jahr, Klärschlamm 7.800 Tonnen im Jahr, tierische Nebenprodukte 4.000 Tonnen im Jahr, Bioabfall und Grünabfall 1.000 Tonnen im Jahr, Biomasseaschen 800 Tonnen im Jahr, Biertreber und Mühlenreststoffe 500 Tonnen im Jahr.
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Abbildung 1: Phosphormengen in verschiedenen Abfällen und Reststoffen Bayerns im Vergleich mit der Phosphorzufuhr durch Mineraldünger auf die bayerischen Böden Stand 2019

Ein erheblicher Anteil der konventionellen Phosphatdünger (bis ca. 50 %) könnte durch eine weitgehende Monoverbrennung des bayerischen Klärschlamms und eine anschließende Phosphorrückgewinnung aus den Aschen ersetzt werden. Eine Nutzung der Phosphorfrachten im Tiermehl ist hierbei noch nicht berücksichtigt.

Die größte Rolle unter den phosphorhaltigen Düngemitteln spielen die Wirtschaftsdünger (insbesondere Gülle). Über sie gelangt mehr als die Hälfte der gesamten Phosphorzufuhr auf die landwirtschaftlich genutzten Flächen Deutschlands. Dies kann besonders in viehreichen Regionen zu überversorgten Böden führen, sofern die Aufbringung hinsichtlich der Nährstoffversorgung nicht rein bedarfsorientiert erfolgt.

Aktivitäten zur Phosphorrückgewinnung in Bayern

Das Bayerische Staatsministerium für Umwelt und Verbraucherschutz (StMUV) hatte das Fraunhofer-Institut UMSICHT - Institutsteil Sulzbach-Rosenberg mit der Erstellung einer "Initialstudie Phosphor-Strategie für Bayern - Erarbeitung von Entscheidungsgrundlagen und Empfehlungen"8 beauftragt. Neben der Ermittlung der Phosphor-Potenziale in Bayern (Abwasser, Klärschlamm, Tiermehl, Bioabfall, usw.) wurden ein Phosphor-Stoffflussdiagramm und Modellszenarien für eine bayernweite Phosphorrückgewinnung entwickelt. Darüber hinaus wurden Handlungsempfehlungen für eine zukünftige Phosphorrückgewinnung und ein Phosphor-Management erarbeitet. Die Studie wurde 2012 abgeschlossen und diente als erste Grundlage zur Bewertung der Möglichkeiten einer Phosphorrückgewinnung in Bayern.

Die technologische Umsetzung der Phosphorrückgewinnung in Bayern

Grundsätzlich lässt sich Phosphor aus dem Abwasser, aus Klärschlamm, aus Prozesswässern der Schlammbehandlung sowie aus Klärschlammaschen zurückgewinnen. Hierzu gibt es eine Reihe von technischen Verfahren, von denen sich die ersten von einem Forschungs- und Entwicklungsstadium hin zum großtechnischen Maßstab bewegen. Eine staatliche Unterstützung großtechnischer Umsetzungen erfolgt ab der zweiten Jahreshälfte 2020 im Rahmen der RePhoR-Fördermaßnahme des BMBF.

In Bayern wurden bereits frühzeitig an einigen Kläranlagenstandorten Rückgewinnungsverfahren im Pilotmaßstab realisiert. Auf der Kläranlage Neuburg a.d.D. wurde ab dem Jahr 2011 ein Pilotprojekt zur Rückgewinnung von Phosphor aus Schlammwässern nach dem P-RoC®-Verfahren durchgeführt. Das Verfahren setzt bei der P-Rückgewinnung im Schlammwasser an. Durch die Zugabe von Calciumsilikathydraten (CSH) kristallisiert das Phosphat auf den CSH-Oberflächen Calciumphosphat aus. Nach der Abtrennung der P-beladenen CSH-Partikel können diese direkt als Dünger eingesetzt werden. Für das Jahr 2021 ist der Bau einer großtechnischen Anlage zur Phosphorrückgewinnung geplant.

In Nürnberg wurde das Mephrec®-Verfahren im Rahmen einer Pilotanlage (KRN-Mephrec) installiert. Das KRN-Mephrec-Verfahren basiert auf dem metallurgischen Prozess der Schmelzvergasung in einem Schachtofen. Die Versuche wurden 2018 abgeschlossen und in einem Bericht veröffentlicht. Grundsätzlich konnte dabei eine Phosphoranreicherung nachgewiesen werden. Die Phosphoranreicherung in der Schlacke war dabei allerdings nicht zufriedenstellend. Dagegen reicherte sich eine größere Menge Phosphor im Staub der Rauchgasreinigung an, wo sie nicht direkt nutzbar ist. Eine großtechnische Umsetzung im Dauerbetrieb ist nicht mehr geplant.

Eine Zusammenstellung und kurze Beschreibung von ausgewählten Verfahrensentwicklungen findet sich in der Broschüre des LfU "Klärschlammentsorgung in Bayern - Planungshilfe für Kommunen" Weitergehende Informationen enthält das UmweltSpezial des LfU "Rückholbarkeit von Phosphor aus kommunalen Klärschlämmen"(siehe Kapitel 5, S. 27. ff).

Aktuelles aus Bund und Länder

Die Länder Bayern und Baden-Württemberg haben im Jahr 2008 eine Bund-Länder-Strategie zum Phosphor-Recycling initiiert und zusammen mit dem Bund sowie den Ländern Berlin, Nordrhein-Westfalen und Rheinland-Pfalz der Umweltministerkonferenz (UMK) einen ersten Bericht vorgelegt. Die UMK hat daraufhin die Länderarbeitsgemeinschaft Abfall (LAGA) beauftragt, verschiedene Handlungsoptionen zum Phosphor-Recycling (zum Beispiel Rückgewinnungsgebot, Rückgewinnungsquote, Beimischungsquote, Verdünnungsverbot) sowie den Entwicklungsstand von Rückgewinnungsverfahren und deren Produkte zu bewerten. Der LAGA-Arbeitskreis "Bewertung von Handlungsoptionen zur nachhaltigen Nutzung sekundärer Phosphorreserven" hat Anfang 2012 die Ergebnisse seiner Prüfung in einem Bericht veröffentlicht. Auf Basis dieses Berichts wurde auf der 80. UMK am 7. Juni 2013 beschlossen, eine "Phosphorstrategie unter besonderer Berücksichtigung der Phosphorrückgewinnung" auszuarbeiten. Dazu wurde auf der 101. LAGA-Vollversammlung am 17. September 2013 die Gründung einer Ad-hoc-Arbeitsgruppe "Ressourcenschonung durch Phosphorrückgewinnung" unter der Leitung Baden-Württembergs beschlossen. Die Ergebnisse dieser Arbeitsgruppe mündeten im LAGA-Bericht "Ressourcenschonung durch Phosphor-Rückgewinnung" vom Juli 2015. Im Umlaufbeschluss 4/2016 der UMK wird die LAGA gebeten, den Bericht zur Entwicklung der Phosphorrückgewinnung in Deutschland in zweijährigem Abstand fortzuschreiben. Daraufhin wurde im Mai 2018 der Bericht der LAGA Ad-hoc-AG veröffentlicht, und nun liegt bereits der aktualisierte Bericht Stand Dezember 2019 vor. Die Veröffentlichung erfolgt in Kürze.