Technische Machbarkeitsstudie zur Rückgewinnung von Phosphat aus ausgefaultem Klärschlamm mit Hilfe einer mikrobiellen Brennstoffzelle (Phosphatrückgewinnung aus Klärschlamm)

• Forschungsstelle: BAFU
• Projektnummer: UTF 284.09.09

Schlüsselwörter (Deutsch)

Phosphatrückgewinnung, Klärschlamm, mikrobielle Brennstoffzelle, ARA

Kurzbeschreibung (Deutsch)

Um eine Eutrophierung der Gewässer zu verhindern, wird Phosphat heute in Kläranlagen mit FeCl3 als unlösliches Salz ausgefällt und im Klärschlamm eingeschlossen. Weil ausgefaulter Klärschlamm auch Schwermetalle enthält, kann er nicht als Dünger verwendet werden, sondern muss meistens ohne weitere Behandlung verbrannt oder deponiert werden. Damit geht Phosphat als wertvoller Rohstoff für die Düngung der Landwirtschaftsböden verloren.

Im vorliegenden Projekt soll mit einer mikrobiellen Brennstoffzelle Phosphat aus dem Klärschlamm zurückgewonnen und für die Düngerproduktion eingesetzt werden. In der Brennstoffzelle sollen gleichzeitig auch die Schwermetalle abgeschieden werden, sodass die verbleibende Biomasse direkt als Dünger in der Landwirtschaft genutzt werden kann.

Da es bei diesem Projekt ebenfalls um Fragen der Energie-Effizienz bei der Rückgewinnung von Phosphat geht, finanziert das Bundesamt für Energie ebenfalls das Projekt mit einem Beitrag von 15'000 CHF.

Ergebnisse gemäss Vertrag (Deutsch)

1. Zwei betriebstüchtige mikrobielle Brennstoffzellen (à 2.5 L) zur Remobilisierung von ausgefälltem Eisenphosphat aus ausgefaultem Klärschlamm.

2. In Bezug auf Fe3+PO4-Auflösung, Elektronentransferrate, Leitfähigkeit und Remobilisierung von Phosphat optimiertes Modellsystem.

3. Kenntnisse zum Verbleib der Schwermetallionen nach der Remobilisierung.

4. Kenntnisse zu den Ausfällungsbedingungen des Rohdüngers.

5. Katalog der Betriebsanforderungen mit Handlungsempfehlungen als Entscheidungsgrundlage für die Weiterführung des Projekts.

Projektziele (Deutsch)

Betrieb einer mikrobiellen Brennstoffzelle zur Rückgewinnung von Phosphat aus ausgefaultem Klärschlamm.

Beschreibung der Resultate (Deutsch)

Die Studie zeigt, dass aus ausgefaultem Klärschlamm mit erneuerbarer Energie Phosphat extrahiert werden kann. Dazu produzierte eine Mikrobielle Brennstoffzelle Elektronen und Protonen, um das im Klärschlamm enthaltene Eisenphosphat zu reduzieren, und in Lösung zu bringen. Die Prozessentwicklung wurde im Labormasstab erarbeitet. In einer ersten Versuchsreihe diente ein Modelsystem zur Methodenentwicklung. Basierend auf den erarbeiteten  Protokollen wurde ausgefaulter Klärschlamm behandelt. Es zeigte sich, dass die Phosphatextraktion aus ausgefaultem Klärschlamm gleich oder besser funktioniert als mit dem Modelsystem. Die Zerkleinerung des Klärschlammes in Mikropartikel und der Einsatz von Mediatoren verbesserten die Effizienz der Mobilisierung. Die Konzentration des isolierten Phosphors wurde mit hochauflösender Flammenabsorptions-Spektroskopie bestimmt. Ein Phosphor Nuclear Magnetic Resonance Spektrum zeigte ausschliesslich Orthophosphat, was eine direkte Düngerproduktion mit Standardmethoden erlaubte. Es wurde insbesondere Struvit hergestellt, der nach Zugabe von Magnesiumchlorid und Amoniumhydroxid spontan ausfiel. Eine Elementaranalyse zeigte, dass ein Dünger von handelsüblicher Qualität entstand und bemerkenswerterweise keine giftigen Schwermetalle enthielt.   

Umsetzung und Anwendungen (Deutsch)

Die Phosphatrückgewinnung aus Klärschlamm ist von wachsender Aktualität, weil die Phosphatreserven bald erschöpft sind. Der entwickelte Mobilisierungsprozess aus ausgefaultem Klärschlamm ist für grosse und kleine Abwasser-Kläranlagen eine Option und könnte in bestehende Anlagen integriert werden. Der Prozess erlaubt die Herstellung von relativ reinem Phosphat zur Düngerproduktion, und die Abwesenheit von Schwermetallen erlaubt die Verwendung in weiteren Produkten. Phosphat kann nach der erarbeiteten Konzeption an seiner Quelle einer Wiederverwendung zugeführt werden. Kläranlagen würden so zu regionalen Phosphat bzw. Düngerproduzenten. Das Projekt zeigt zudem das Potential der mikrobiellen Brennstoffzellen als Energiequelle in einer denkbar einfachen Implementation. Die erarbeitete Phosphatmobilisierung ist eine Prozessoption für die moderne Abwasserbehandlung, wo neben der Abwasserreinigung, Energie, Phosphat und andere Grundstoffe gewonnen werden.

Weiteres Vorgehen (Deutsch)

Die Projektresultate erlauben das Konzept der Remobilisierung von Phosphat aus ausgefaultem Klärschlamm bis zur Düngerformulierung weiter zu entwickeln. Der Prozess empfiehlt sich als  Baustein des Abwasser-Refinings, das zunehmend an Bedeutung gewinnt. Die Projektpartner planen die gewonnen Erkenntnisse in einer Pilotanlage zu vertiefen. Diese Arbeiten werden zeigen, ob eine industrielle Phosphatrückgewinnung durch die entwickelte Mobilisierungs-Technologie machbar ist.

Publikationen / Ergebnisse (Deutsch)

Publikation in Vorbereitung