Phosphatrückgewinnung aus Klärschlamm Phase 2 (Nachhaltige Phosphatextraktion aus ausgefaultem Klärschlamm und Düngerproduktion)

• Forschungsstelle: BAFU
• Projektnummer: UTF 393.27.11

Schlüsselwörter (Deutsch)

Phosphat, Dünger, Rückgewinnung, Klärschlamm, Schwermetalle,  mikrobielle Brennstoffzelle, Phosphat-Mobilisierung, Reaktor-Massstab

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. Angesichts der schwindenden Phosphat­reserven ist die Rückgewinnung von Phosphat aus Abfällen von grosser Relevanz. Eine Analyse der Phosphorflüsse der Schweiz hat gezeigt, dass Klärschlamm das mengenmässig grösste Phosphatpotenzial in der Abfallwirtschaft darstellt.

In einer Machbarkeitsstudie (UTF 284.09.09) wurde im Labormassstab nachgewiesen, dass Phosphat mit erneuerbarer Energie aus einer mikrobiellen Brennstoffzelle aus Klärschlamm extrahiert werden kann. Das mobilisierte Phosphat enthält keine Schwermetalle und kann zur Herstellung von Dünger von handelsüblicher Qualität genutzt werden. Der Prozess benötigt keine Chemikalien, und die Energie dazu stammt aus der Kläranlage und verursacht keine Zusatzkosten. Im vorliegenden Projekt soll das Verfahren nun im Reaktormassstab getestet und optimiert werden.

Ergebnisse gemäss Vertrag (Deutsch)

1.     Zweikammeriger Elektrolyse-Durchflussreaktor nach dem Prinzip der mikrobiellen Brennstoffzelle zur Remobilisierung von Phosphat aus ausgefaultem Klärschlamm (Meilenstein 1)

 

2.     Resultate der Validierung des neuen Reaktors, insbesondere Durchfluss­geschwindigkeit, Remobilisierungsgrad, Coulomb-Effizienz und Protonentransfer (Meilenstein 2)

 

3.     Allgemein gültiges Protokoll für das Verfahren und Kenntnis der Remobili­sierungsparameter, mit denen eine genügend hohe Phosphatkonzentration für die direkte Düngerherstellung erzielt werden kann, inkl. Kultivierungsmethode für verschiedene Stämme von E. coli und weitere auf anaerobe Bedingungen spezialisierte Bakterien (Meilenstein 3)

 

4.     Phosphatmobilisierungspotenzial im Echtbetrieb in den ARA Sion und Worblaufen (Meilenstein 4)

 

5.     Prozessparameter für die Produktion von Dünger (Struvite, Superphosphat, Triple Superphosphat, Ammoniumphosphate) sowie Resultate der toxikologischen Auswertungen, insbesondere zum Verbleib der Schwermetallkationen (Meilenstein 5)

 

6.     Anforderungsprofil an eine wirtschaftlich rentable Anlage inkl. Investitionskosten, Unterhalts- und Betriebskosten, Durchsatz (je nach Grösse der Anlage), Prozessstabilität sowie Verwendung und Entsorgung der Reststoffe (Meilenstein 6)

 

7.     Redaktion eines Schlussberichtes mit Darstellung der Ergebnisse aus 1. bis 6.

 

8.     Bereitstellung von Textbausteinen und Illustrationen für die Erstellung eines Publikums-Factsheets

 

9.    Präsentation der Ergebnisse an einem wissenschaftlichen Kolloquium beim BAFU mit entsprechender Power-Point Darstellung

Projektziele (Deutsch)

In diesem Projekt sollen das Konzept zur Remobilisierung von Phosphat aus ausgefaultem Klärschlamm bis zur Düngerformulierung weiter entwickelt und die Grundlagen für die industrielle Anwendung erarbeitet werden.

Beschreibung der Resultate (Deutsch)

In diesem Projekt wurde der Scale-up eines Phosphat-Remobilisierungsprozesses studiert. Dazu wurden zwei 3 Liter und ein 12 Liter MFC-Reaktor gebaut. Daneben wurde auch die Frage nach der Prozessführung studiert. Man stellte fest, dass von allen Parametern, vor allem der mikrobielle Elektrolysemodus die besten Resultate liefert. Es konnten praktisch quantitative Ausbeuten (95%) signifikant schneller produziert werden. Im 3 Liter Scale-up Reaktor konnte eine Remobilisierung von 67% erreicht werden. Kinetische Analysen zeigen, dass sogar extrem hohe Werte von bis zu 98% erreichbar sind. Eine wichtige Erkenntnis ist der Nachweis der Reaktionsmechanismen der Remobilisierung. Es zeigte sich, dass der reduktive Mechanismus nur bei einer langsamen Remobilisierung von Bedeutung ist. Ein wichtiger Effekt ist hingegen dem vorherrschenden pH Wert zuzuordnen. Dieser ermöglicht einen raschen Substitutionsmechanismus und ist vor allem bei Elektrolyse-Bedingungen sehr ausgeprägt. Neben der starken pH Abhängigkeit wurde auch ein Temperatureffekt verzeichnet, der den Prozess bei leicht erhöhter Temperatur ebenfalls beschleunigt. Der hergestellte Struvitdünger wurde mit ICP-MS analysiert und es zeigte sich, dass die gesetzlichen Grenzwerte für Recyclingdünger in Bezug auf Cadmium, Blei und andere Schwermetalle sehr gut eingehalten wurden.

Umsetzung und Anwendungen (Deutsch)

Der neue Remobilisierungs-Prozess ermöglicht einerseits die vollständige Rückgewinnung von Phosphor aus ausgefaultem Klärschlamm. Er ermöglicht die Herstellung eines Phosphatfreien Klärschalms für die Verbrennung in der Kehrrichtverbrennung oder bei der Zementherstellung, was vom Gesetzgeber demnächst verlangt wird. Daneben wird davon ausgegangen, dass die chemische Base auch für andere Zwecke verwendet werden kann. Zum Beispiel kann diese zur Neutralisation von sauren Industrieabwässern eingesetzt werden.

Weiteres Vorgehen (Deutsch)

Die erhaltenen Resultate erlauben einen grösseren Reaktor zu bauen.  Das Konsortium besteht weiter und wird einen oder mehrere neue Industriepartner integrieren. Eine Pilotanlage ist geplant, um grössere Mengen an Dünger zu produzieren und weitere Erfahrungen mit dem System zu gewinnen.

Publikationen / Ergebnisse (Deutsch)

Fabian Fischer, Invited Lecture: „Scale-Up Phosphate Extraction from Sewage Sludge with a Microbial Fuel Cell“. Am 65^th Annual Meeting of the International Scoiety of Electrochemistry, Section 11: Electrochemical Technology: Crossroad for Energy and Environment. SwissTech Convention Center EPFL, Lausanne 2014. 

Fabian Fischer, Invited Lectrue at the Chemical Engineering Day (EPFL) “Frontiers in bio-chemical engineering”, Microbial fuel cells toward real world applications, November 18, 2014.

Fabian Fischer, Géraldine Zufferey, Marc Sugnaux and Manuel Happe, Microbial electrolysis cell accelerates phosphate remobilisation from iron phosphate contained in sewage sludge, Environ. Sci.: Processes Impacts 2015, accepted; DOI: 10.1039/c4em00536h.

Weiterer Artikel in Vorbereitung.