Unterwegs in die Kreislaufwirtschaft: Phosphor-Recycling aus Klärschlamm
Phosphor ist ein kritischer strategischer Rohstoff ohne den Landwirtschaft auf Dauer nicht möglich ist. Trotzdem gehen wir sehr verschwenderisch mit dem wertvollen Nährstoff um. Eine neue Recycling-Pflicht soll das nun ändern.
Phosphor-Recycling passiert in der Natur jeden Tag und ist ganz normal. Phosphatgestein verwittert, der Phosphor gelangt in den Boden, Pflanzen nehmen ihn auf und wenn sie verrotten, geben sie ihn wieder ab. Nach und nach wird er in die Gewässer ausgewaschen, sinkt dort ins Sediment und wird wieder zu Phosphatgestein.
Der Haken: Dieses Recycling ist sehr langsam. Jahrmillionen-langsam. So langsam, dass der natürliche Phosphorkreislauf für uns Menschen praktisch eine Einbahnstraße ist. Wir bauen den hochkonzentrierten Phosphor im Bergwerk ab, bringen ihn als Düngemittel aufs Feld und von dort wird er immer weiter verteilt. In Pflanzen und Tieren, im Boden, in der Landschaft, im Wasser. Und damit ist er für uns verloren, denn bisher hat niemand ein technisches Verfahren entwickelt, mit dem man Phosphor effizient aus niedrigen Konzentrationen gewinnen kann.
Doch es gibt ein paar Stationen auf diesem Weg an denen sich der Phosphor noch einmal sammelt. In der Gülle zum Beispiel. Zusammen mit anderen Wirtschaftsdüngern wie Gärresten aus der Biogasanlage wird sie wieder auf den Äckern ausgebracht und ihre Nährstoffe gelangen zurück ins System, wenn auch nicht immer in der richtigen Dosierung, zum idealen Zeitpunkt oder frei von unerwünschten Begleitstoffen.
Ein anderer Stoff, in dem sich der Phosphor sammelt, ist Klärschlamm.
Nun ist Gülle bei vielen schon unbeliebt. Aber Klärschlamm gilt als Abfall schlechthin – buchstäblich der letzte Dreck. Und es ist wahr: In industrialisierten Gesellschaften ist die Kläranlage die Sammelgrube für nahezu alles, überschüssige Nährstoffe ebenso wie giftige Schwermetalle (wobei man auch anerkennen muss: lieber in der Sammelgrube als frei in der Landschaft).
Auf der Kläranlage durchläuft Abwasser verschiedene Reinigungsstufen und kommt als weitgehend sauberes Wasser wieder heraus. Der Klärschlamm ist der schmutzige Rest, ein „Vielstoffgemisch“, wie die Fachleute sagen, aus chemischen Fällungsmitteln wie Eisen und Aluminium, die benutzt werden, um Schadstoffe aus dem Wasser zu lösen, aus abgestorbenen Bakterien aus dem Reinigungsprozess, aus Schwermetallen, die unter anderem mit dem Regenwasser von den Straßen in die Kanalisation gewaschen werden, aus Medikamentenrückständen, Krankheitserregern und vielem mehr.
Bisher wird Klärschlamm meist verbrannt und die Asche kommt auf die Deponie. In ländlichen Gegenden kommt er auch als Dünger wieder auf den Acker, denn neben all den schädlichen Resten enthält er eben auch wichtige Nährstoffe, unter anderem wertvollen Phosphor.
Dieser Phosphor ist weit gereist. Aus reichen Minen in Russland, Israel, der Sahara, über die Weltmeere verschifft, über die Äcker verstreut. Dort von Pilzen und haarfeinen Wurzeln aus dem Boden gezogen, von Sojasprossen in Brasilien wie von Weizenkeimen in der Uckermark. Dann verzehrt von Kühen, Hühnern, Schweinen, und schließlich ausgeschieden von Menschen bei jedem Besuch auf dem Wasserklosett.
Rein rechnerisch könnte man in Deutschland um die 50.000 Tonnen Phosphor im Jahr aus dem Klärschlamm zurückholen und damit etwa 40% des heute eingesetzten mineralischen Phosphordüngers in Deutschland ersetzen.
Das heißt, der Klärschlamm ist nicht nur Abfall. Er ist auch eine ungewöhnlich reiche Phosphorquelle. Und wenn man die Idee der Kreislaufwirtschaft ernst nimmt, dann kann man eine solche Ressource nicht ignorieren.
Darum hat die Bundesregierung 2017 nicht nur das Düngerecht verschärft, um Böden und Grundwasser zu entlasten, sondern auch die Klärschlammverwertung neu geregelt.
Von 2029 an darf Klärschlamm aus großen kommunalen Kläranlagen mit mehr als 100.000 Einwohnerwerten (EW) nicht mehr auf landwirtschaftlich genutzten Flächen ausgebracht werden. Ab 2032 gilt das auch für Anlagen mit mehr als 50.000 EW. Gleichzeitig müssen diese Anlagen sicherstellen, dass der Phosphor aus dem Klärschlamm oder aus der Klärschlammasche zurückgewonnen und recycelt wird. Die Pflicht zum Phosphor-Recycling gilt auch für kleine Anlagen (unter 50.000 EW), falls der Phosphorgehalt in deren Klärschlamm einen Grenzwert überschreitet.
Zusammen mit der Schweiz, wo das Phosphor-Recycling aus Klärschlamm schon 2026 Pflicht wird, ist Deutschland damit Vorreiter in Europa.
Nutzen und Kosten des Phosphor-Recyclings
Die Rückgewinnung von Rohstoffen aus Abfall ist an sich kein neuer Gedanke. Doch die bisherigen Konzepte zu Kreislaufwirtschaft oder Urban Mining hatten meist Edelmetalle oder seltene Erden im Blick, wichtige Materialien, aber relativ kleine Stoffströme. Die Rückgewinnung von Phosphor im großen Stil ist neu.
Die Vorteile sind klar: Man schützt die Böden vor Schadstoffen aus dem Klärschlamm, erhält aber gleichzeitig einen wesentlichen Teil seiner wertvollen Düngeeigenschaften, wenn auch nicht alle, denn Nährstoffe wie Stickstoff oder Kalium oder organisches Material zur Humusbildung werden in den meisten Verfahren bisher nicht zurückgewonnen.
Durch die Rückgewinnung können regionale Verwertungsketten entstehen und man wird weniger abhängig von Düngemittelimporten. Die Recyclingphosphate enthalten außerdem weniger Schadstoffe (vor allem Cadmium und Uran) als die meisten mineralischen Dünger. Und die Ökobilanz des recycelten Phosphors ist für einige Verfahren besser als für Phosphor aus konventionellem Abbau, die anderen Verfahren sind zumindest nicht schädlicher, denn Abbau und Aufbereitung von Phosphor in Minen und den dazugehörigen chemischen Anlagen verursachen zum Teil große Umweltschäden und die Arbeitsbedingungen sind häufig schlecht. Aufgrund dieser Vorteile wird für einige Recyclingprodukte sogar eine Zulassung für den Ökolandbau erwogen, wo mineralischer Phosphordünger bisher nur sehr eingeschränkt eingesetzt werden darf. (Video)
Die Mehrkosten für die Klärschlammentsorgung, die entstehen, wenn der Klärschlamm nicht länger aufs Feld gebracht werden kann, werden nach einer Modellrechnung des Umweltbundesamtes etwa drei Cent pro Kubikmeter betragen. Für einen Vierpersonenhaushalt wären das sieben bis acht Euro pro Jahr.
Dazu kommen die Kosten für die Phosphorrückgewinnung. Sie sollen nach Schätzungen des Umweltbundesamtes zwischen drei und elf Euro pro Einwohner und Jahr liegen. Dieser Betrag ist abhängig von den eingesetzten Verfahren, Transportwegen und anderen Faktoren. Bei manchen Verfahren ist auch eine Verringerung der Kosten möglich, etwa weil durch bestimmte Fällungsreaktionen Anlagenteile geschont werden und dadurch weniger Reparatur- und Instandhaltungskosten anfallen.
Rasche Technologieentwicklung
Als im Jahr 2013 die damaligen Regierungsparteien die Pflicht zum Phosphor-Recycling in den Koalitionsvertrag aufnahmen, waren die Technologien zur Phosphorrückgewinnung noch in einem sehr frühen Stadium.
Viele gab es nur im Labormaßstab oder als kleine Pilotanlagen. Von einer großtechnischen Umsetzung waren sie weit entfernt. Seitdem gab es diverse Forschungs- und Förderprogramme sowohl auf EU- und Bundesebene, als auch in einigen Bundesländern, vor allem in Hessen und Baden-Württemberg. Die Entwicklungsarbeit ist noch immer nicht abgeschlossen, doch es zeichnet sich allmählich ein Bild der geeigneten Verfahren ab.
Grundsätzlich kann Phosphor aus Klärschlamm auf zwei Routen zurückgewonnen werden. Die eine sind verschiedene nasschemische Fällungsreaktionen direkt auf der Kläranlage, bei denen zum Beispiel das phosphorhaltige Kristall Struvit entsteht, weshalb diese Route auch häufig „Struvit-Schiene“ genannt wird. Die Umsetzung ist relativ einfach und preisgünstig, die Produkte sind arm an Schadstoffen und der zurückgewonnene Phosphor kann von Pflanzen gut aufgenommen werden. Die Rückgewinnungsraten für Phosphor liegen bei diesen Verfahren derzeit zwischen fünf und dreißig Prozent und sind damit relativ niedrig. Mit neuen Methoden sollen sie jedoch deutlich gesteigert werden können.
Nach oder neben der Ausfällung des Phosphats können weitere Stoffe aus dem Klärschlamm zurückgewonnen werden, Kalium zum Beispiel, oder auch Eisen und Magnesium, die direkt wieder als Fällungsmittel eingesetzt werden können. Nach ausreichender Phosphatabreicherung kann der Restschlamm in Zementwerken, Kohlekraftwerken und anderen Anlagen mit verbrannt werden.
Bei der Verbrennungs-Route wird der Klärschlamm zunächst komplett verbrannt und der Phosphor dann in einem zweiten Schritt aus der Asche zurückgewonnen. Die Verbrennung muss in Monoverbrennungsanlagen stattfinden, also in Anlagen, in denen ausschließlich Klärschlämme verbrannt werden. Je nach Verfahren kann die Asche direkt als Dünger eingesetzt werden oder es wird aus der Asche ein Zwischenprodukt gewonnen, aus dem dann Düngemittel hergestellt werden können. Sowohl die Investitions-, als auch die Betriebskosten sind für diese Route relativ hoch, doch auch die Rückgewinnungsraten sind hoch. Je nach Verfahren liegen sie bei bis zu über 90 Prozent. Bei der Verbrennung werden sämtliche Schadstoffe vernichtet. Die Pflanzenverfügbarkeit und damit die Düngewirkung ist je nach Produkt sehr unterschiedlich. Die erste großtechnische Anlage zum Phosphor-Recycling hat im Januar in Hamburg den Betrieb aufgenommen.
Zentral oder dezentral?
Angesichts der Vielzahl an Verfahren ist für es Kommunen und Anlagenbetreiber nicht leicht, den für sie besten Weg zum Phosphor-Recycling zu finden. Über das neue Förderprogramm „Regionales Phosphor-Recycling“ (RePhoR) will das Bundesministerium für Bildung und Forschung anhand von sieben Modellprojekten praktische Erfahrungen unter realen Bedingungen sammeln. Die Projekte wurden beim 6. Kongress „Phosphor – Ein kritischer Rohstoff mit Zukunft“ vorgestellt, der Ende November 2020 online stattfand.
Sie spiegeln verschiedene strategische Ansätze wider, mit denen man ein effizientes und wirtschaftliches Phosphor-Recycling erreichen will. Einige sind dezentral organisiert, andere zielen auf Einsparungen durch Zentralisierung. Einige sind in Ballungsräumen angesiedelt, andere in ländlichen Regionen. Entsprechend unterschiedlich sind die anfallenden Klärschlämme, sowohl in der Zusammensetzung, als auch in der Menge, und je nach Beschaffenheit und Menge unterscheiden sich auch die Technologien für Phosphor-Rückgewinnung und -Recycling. Vier der Projekte sind Anlagen, die im großtechnischen Maßstab arbeiten werden, die anderen sind noch in früheren Entwicklungsstadien.
Zu den Großprojekten zählen zum Beispiel das Projekt RePhoRM, das eine Anlage im Industriepark Höchst in Frankfurt vorsieht und Düngemittel direkt aus der Asche produzieren soll, und das Projekt AMPHORE des Ruhrverbands Essen mit einem Industriepartner. Hier soll aus den Klärschlammaschen Phosphorsäure gewonnen werden, ein gängiges Ausgangsprodukt in der Düngemittelherstellung.
Das Projekt DreiSATS ist dezentral angelegt im mitteldeutschen Dreiländereck Sachsen-Anhalt, Thüringen und Sachsen. Auch hier setzt man auf die Verbrennung von Klärschlämmen. In diesem Projekt, das vom Entsorgungsunternehmen Veolia koordiniert wird, soll aus der Asche ein gebrauchsfertiger Dünger hergestellt werden.
Im Verbund SATELLITE in der Region Südliches Niedersachsen liegt der Fokus auf den Verfahrensschritten vor und nach der Verbrennung, einschließlich eines möglichst flexiblen Logistik-Konzepts. P-Net, das von der TU Braunschweig koordiniert wird, verfolgt anders als die meisten anderen Projekte nicht die Verbrennung von Klärschlamm, sondern das Phosphor-Recycling auf der Struvit-Schiene.
Die Zeit für die Umsetzung drängt. Die Klärschlammverordnung sieht vor, dass Kommunen und Anlagenbetreiber ihre Planungen für das Phosphor-Recycling bis 2023 vorlegen. Einige Kongressteilnehmer befürchteten daher, dass die Ergebnisse aus den RePhoR-Projekten zu spät kommen werden. Der wissenschaftliche Leiter, Professor Johannes Pinnekamp von der RWTH Aachen, bestätigte, dass der Zeitdruck bestehe, sagte aber auch, dass in dem breit aufgestellten Projekt schon vor Projektende relevante Zwischenergebnisse zu erwarten seien.
Die Projektleiterin des Verbunds SATELLITE, Dr. Maike Beier von der Leibniz Universität Hannover, sagte, dass der Zeitdruck für die Kommunen sogar noch höher sei. „Es müssen für Planungen und Investitionen auch die Haushalte vorbereitet werden. Da sind die Gemeinden schon seit Jahren dran. Jetzt geht es um die verfahrenstechnische Ausführung.“ Claudyn Kidsun von DreiSATS wies darauf hin, dass man neben den vielen technischen Fragen auch rechtzeitig einen Absatzmarkt für die Düngeprodukte aus der Rückgewinnung schaffen müsse. Nötig seien einheitliche Vorgaben, auch auf EU-Ebene.
Phosphor aus der Asche?
Nach einer Umfrage in Baden-Württemberg, an der gut die Hälfte aller Kläranlagenbetreiber im Land teilgenommen hatte, kommt der Landesverband der Deutschen Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall (DWA) zu dem Schluss, dass „die künftige Klärschlammbehandlung durch die Einführung der P-Rückgewinnungspflicht eine zunehmende Zentralisierung erforderlich macht“. Der Schwerpunkt werde dabei auf der thermischen Verwertung des Klärschlamms liegen. Bereits jetzt werden in Baden-Württemberg 99 Prozent des Klärschlamms thermisch verwertet, zum größten Teil allerdings durch Mitverbrennung in Zementwerken und Kohleheizkraftwerken. Um die neuen Anforderungen zu erfüllen, sei daher der Bau neuer Monoverbrennungsanlagen notwendig, in denen ausschließlich Klärschlamm verbrannt wird.
Diese stoßen häufig auf Widerstand in der Bevölkerung. Doch es gibt auch Fälle, in denen Umweltverbände zu dem Schluss kommen, dass es durchaus gute Argumente für die Nutzung solcher Anlagen geben kann.
Generell scheinen auch in anderen Bundesländern viele Anlagenbetreiber derzeit den Weg über die Monoverbrennung zu bevorzugen. Sie verspricht hohe Phosphor-Rückgewinnungsraten wie sie in der Klärschlammverordnung gefordert werden und auch eine hohe Planungssicherheit für die Betreiber. Auch kann die Klärschlammverwertung für viele Betreiber in „gewohnten“ Strukturen weitergehen, das heißt der Klärschlamm wird abtransportiert und dann außerhalb der Kläranlage weiterbehandelt, während bei der nasschemischen Phosphor-Rückgewinnung häufig eigene Prozesse auf der Kläranlage umgestellt werden müssen.
Für einige der Rückgewinnungsprodukte ist jedoch noch unklar, wie gut sie sich als Düngemittel eignen, vor allem wenn die Asche direkt verwendet werden soll. In diesen Fällen wäre das in der Klärschlammverordnung geforderte Recycling nicht gesichert. Aalke Lida de Jong, die mit der Firma Aquaminerals in den Niederlanden auf die Vermarktung von Phosphor- und anderen Rezyklaten spezialisiert ist, warnte beim Kongress davor, sich bei der Entscheidung allzu früh auf die Verbrennungs-Route festzulegen, auch weil durch die Verbrennung andere nützliche Bestandteile des Klärschlamms, etwa organische Bestandteile, die zur Bodenverbesserung beitragen, nicht mehr verwertet werden könnten.
Die aktuelle Diskussion um die Klärschlammverwertung fokussiert sich auf die bestehenden Abwassersysteme. Langfristig ist es aber mit Blick auf die Ressourceneffizienz auch sinnvoll, grundlegend andere Sanitärsysteme zu entwickeln. In einigen größeren städtischen Neubauprojekten wird das bereits umgesetzt, etwa im Projekt Hamburg Water Cycle, in dem in einem Neubaugebiet verschieden verschmutzte Abwässer in getrennten Wasserkreisläufen geführt werden.
Ein anderes Beispiel sind die Trocken-Toiletten des Eberswalder Startups Finizio. Sie sind im Moment noch ein Nischenprodukt, doch die Kompostierung erlaubt die Rückführung nicht nur von Phosphor, sondern auch anderen nützlichen Bestandteilen in den Boden.
Dennoch ist das Phosphor-Recycling aus Klärschlamm ein wichtiger Schritt, denn es setzt im bestehenden System an einem gut zugänglichen Angriffspunkt an. Allerdings ist Klärschlamm nur einer von mehreren phosphorhaltigen Stoffströmen. Gülle und andere Wirtschaftsdünger und sogenannte diffuse Einträge in Gewässer sind weitere, über die große Mengen an Phosphor verloren gehen.
Für alle Stoffströme gilt: Alle Rückgewinnung nützt nichts, wenn das Produkt nicht wieder auf den Acker kommt. Erst dann ist es Recycling. Und es zeigt sich, dass dieser letzte und wichtigste Schritt nicht nur ein technologisches, sondern auch ein rechtliches, vor allem aber ein gesellschaftliches Problem ist, denn bisher ist die Akzeptanz für die Recyclingprodukte aus Klärschlamm bei Landwirten eher gering.
Das Rechercheprojekt Phosphorama wird durch die Deutsche Bundesstiftung Umwelt gefördert. Die DBU nimmt keinerlei Einfluss auf die Inhalte unserer Berichterstattung. Nähere Informationen finden Sie hier.
Datenquellen der Abbildungen:
*Klärschlammentsorgung aus der öffentlichen Abwasserbehandlung in Deutschland (2013–2018): Destatis 2020
**Klärschlamm-Mengen und Verwertungsarten nach Bundesländern (2019): Destatis