Phosphorrückgewinnung bei der Abwasserreinigung : Entwicklung eines Verfahrens zur Integration in kommunale Kläranlagen

• Phosphorus recovery during wastewater treatment : development of a process for integration in municipal wastewater treatment plants

Montag, David Markus; Pinnekamp, Johannes (Thesis advisor)

Aachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University (2008)
Doktorarbeit

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2008

Kurzfassung

Die wirtschaftlich ausbeutbaren Phosphaterzlagerstätten der Erde sind endlich und nicht regenerierbar. Weltweit wird der Großteil des Phosphors für die Herstellung von mineralischen Düngemitteln eingesetzt, da Phosphor neben Stickstoff den Hauptnährstoff für Pflanzen darstellt. Aufgrund des starken Wachstums der Erdbevölkerung wird der weltweite Phosphorbedarf weiter ansteigen. Da Phosphat als Pflanzennährstoff nicht durch andere Stoffe substituiert werden kann, ist von einer zunehmenden Verknappung dieses Rohstoffes auszugehen. Bereits heute werden Lagerstätten mit steigenden Schadstoff- und sinkenden Phosphatgehalten erschlossen. In Deutschland wird durch die Düngung mit Klärschlamm bislang zumindest ein Teil des bundesweiten Phosphatbedarfs der Landwirtschaft gedeckt. Allerdings wurde der Anteil dieses Verwertungspfades in den vergangenen Jahren bereits deutlich geringer. Weitere Einschränkungen sind durch die derzeit diskutierte Novellierung der Klärschlammverordnung abzusehen. Hieraus resultiert eine immer größer werdende Differenz zwischen dem landwirtschaftlichen Phosphatbedarf und dem Beitrag zur Deckung dieses Bedarfs aus der Sekundärquelle Klärschlamm. Eine von der Klärschlammentsorgung abgekoppelte Rückführung von Phospat aus dem Klärschlamm in die Landwirtschaft ermöglicht das in dieser Arbeit entwickelte und erprobte PRISA-Verfahren. Es basiert auf gängigen Prozessen kommunaler Kläranlagen und ist geeignet, nachträglich in bestehende Abwasserreinigungsanlagen integriert zu werden. Beim PRISA-Verfahren wird die statische Voreindickung mit dem Überschussschlamm einer Bio-P-Kläranlage beschickt. Die übliche Betriebsweise des Voreindickers wird in der Form verändert, dass die Aufenthaltszeit verlängert und der bereits sedimentierte Schlamm mittels einer Umwälzleitung durchmischt wird. Durch die verlängerte Aufenthaltszeit des Überschussschlammes im Voreindicker wird eine erhöhte biologische Rücklösung von Phosphat im anaeroben Milieu erzielt. Die periodische Durchmischung gewährleistet eine Überführung des rückgelösten Phosphates ins Überstandswasser des Voreindickers. Dieses wird für die Phosphorrückgewinnung mit dem Schlammwasser aus dem Nacheindicker sowie dem Filtrat bzw. Zentrat der maschinellen Schlammentwässerung zusammengeführt. Enthaltene Feststoffe werden aus dem Schlammwasser abgetrennt. In einem Misch-, Kristallisations- und Sedimentationsbecken wird die Magnesiumammoniumphosphat-(MAP)-Kristallisation induziert und so der Phosphor rückgewonnen. Das sedimentierte Sekundärphosphatprodukt wird abgezogen und mittels Beutelfiltration weiter entwässert. Folgende Resultate ergeben sich im Einzelnen aus der wissenschaftlichen Untersuchung des PRISA-Verfahrens im halbtechnischen Maßstab:- Bei einer dreitägigen Aufenthaltszeit im Voreindicker und einer ein- bis zweimal täglichen Durchmischung des Überschussschlammes ist ein Rücklösegrad von 20% bezogen auf die Phosphorfracht des Kläranlagenzulaufs erreichbar.- Insgesamt ist in die Schlammwasser eine Fracht von ca. 0,7 g P/(E•d) überführbar.- Dem Schlammwasser werden für die MAP-Kristallisation mit einem Verhältnis von Mg:P = 1,5:1,0 Magnesiumoxid als Reaktionsmittel sowie Natronlauge zur Einstellung des optimalen pH-Wertes von ca. pH=9,5 zugegeben. Insgesamt sind etwa 60 Minuten Aufenthaltszeit im Misch-, Kristallisations- und Sedimentationsbecken notwendig, um bei optimierten Verfahrenseinstellungen einen Wirkungsgrad von >90% bei der MAP-Kristallisation zu erzielen. 30% des Phosphors aus dem Kläranlagenzulauf sind letztlich mit dem PRISA-Verfahren als Sekundärphosphatprodukt wiederzugewinnen.- Im Sekundärphosphatprodukt sind die Konzentrationen sowohl der untersuchten Schwermetalle Blei, Cadmium, Chrom, Kupfer, Nickel, Zink, Quecksilber und Uran als auch der einschlägigen organischen Schadstoffe (u.a. Moschusverbindungen, Organozinnverbindungen, Tenside und Polyzyklische Aromatische Kohlenwasserstoffe) geringer als im Klärschlamm und halten die derzeit gültigen Grenzwerte sowie die scharfen Grenzwertvorschläge zur Novelle der Klärschlammverordnung ein. Hinsichtlich der im Produkt enthaltenen Schadstoffe bestehen damit keine Hindernisse für einen Düngeeinsatz des Sekundärphosphates in der Landwirtschaft.- Die erforderlichen technischen Anlagen für das PRISA-Verfahren sind für den Kläranlagenbereich als Standardtechnik einzustufen. Ihr Betrieb und der Umgang mit den Einsatzstoffen sind verglichen mit anderen Verfahren der Phosphorrückgewinnung unkompliziert und von Klärwerkspersonal problemlos zu bedienen.- Die Wirtschaftlichkeitsberechnung zeigt die Jahreskosten auf, mit denen bei einer Installation des PRISA-Verfahrens in einer kommunalen Kläranlage mit einer Anschlussgröße von 100.000 E zu rechnen ist. Insgesamt sind nach Anrechnung der Erlöse zwischen 1,34 €/(E•a) und 1,60 €/(E•a) anzusetzen. Die Kosten der Abwasserbehandlung würden sich beim Einsatz des PRISA-Verfahrens um durchschnittlich 4 Cent/m³ Abwasser erhöhen.

Einrichtungen

• Lehrstuhl für Siedlungswasserwirtschaft und Wassergütewirtschaft und Institut für Siedlungswasserwirtschaft [314110]