Phosphatrückgewinnung aus Klärschlamm, Phase 3 (Pilot scale microbial electrolysis cell stack for waste water refining into: recycling fertilizer, chemical base, and phosphate free sewage sludge )

• Forschungsstelle: BAFU
• Projektnummer: UTF 508.11.15
• Projekttitel Englisch: Phosphatrückgewinnung aus Klärschlamm, Phase 3 (Pilot scale microbial electrolysis cell stack for waste water refining into: recycling fertilizer, chemical base, and phosphate free sewage sludge )

Schlüsselwörter (Deutsch)

Phosphatrückgewinnung, Klärschlamm, mikrobielle Elektrolyse Zelle, Struvit

Kurzbeschreibung (Deutsch)

Die vergangenen zwei Projekt-Phasen haben gezeigt, dass die Mikrobielle Elektrolyse Zelle (MEC; d.h. Elektrolyse-Durchflussreaktor nach dem Prinzip der mikrobiellen Brennstoffzelle) im Kleinmassstab von 3l bzw. 12 l funktioniert. Bei diesem Prozess entstehen aus ausgefaultem Klärschlamm Phosphat, P-freier Schlamm, Lauge und Wasserstoff. Phosphat wird in Form von Struvit zurückgewonnen. Dieses ist zehnmal reiner als gesetzlich vorgeschrieben. Ziel der jetzigen Phase ist die Verbesserung und das up-scaling der MEC bis zur transportierbaren Pilotanlage. Drei solche Pilotanlagen sollen im Praxisbetrieb auf den ARAs Sion, Martigny und Worblental mit unterschiedlich zusammengesetzten Abwässern getestet werden. Für die spätere kommerzielle Anlage sollen mehrere Zellen in einem Modul zusammengehängt und automatisiert werden. Die Module können auf den ARA‘s in bestehende Becken gehängt werden, vorausgesetzt dass dort die für die Mikroorganismen benötigten anoxischen Bedingungen herrschen.

 

Das Projekt wurde aufgrund des Beitragsgesuchs vom 22.05.2015 (Beilage 1) an der Sitzung der Koko UT vom 18.06.2015 (Entscheid: Beilage 2) genehmigt.

Ergebnisse gemäss Vertrag (Deutsch)

1. Die Pläne für die Pilot-MEC mit Beschreibung der zu verwendenden Materialien stehen. Meilenstein 1

 

2. Die erste der drei Pilot-MEC ist gebaut und ihre Leistung ist mit der Leistung der Reaktoren im Kleinmassstab aus den bisherigen Phasen verglichen (pH der Lösung, produzierte Laugenmenge und dafür benötigter Strom). Das Funktionsmuster ist bekannt. Meilenstein 2

 

3. Die Pilot-MEC ist auf der ARA Sion im Praxisbetrieb getestet. Die beiden anderen Pilot-MEC sind unter Einbezug der Erfahrungen aus dem Pilotversuch in Sion gebaut und auf den ARA Martigny und Worblental im Versuchsbetrieb. Die Bildung und Zusammensetzung des Biofilms auf der Anode ist auf die Präsenz von spezifischen Mikroben untersucht. Faulschlammproben sind für Versuche zur Phosphor-Rückgewinnung aufbereitet. Meilenstein 3

 

4. Zwischenbericht per Ende 2017 mit Beschreibung der bisherigen Resultate zur Laugengewinnung, Wasserstoffproduktion, Schwermetallabtrennung und Phosphor-Rückgewinnung bei Veränderung verschiedener Prozessparametern. Zudem ist die Effizienz der verschiedenen Prozesse, die Qualität des entstehenden Struvits und die Wirtschaftlichkeit des gesamten Verfahrens bewertet. Meilenstein 4

 

5. Redaktion eines Schlussberichtes mit Darstellung der Ergebnisse aus 1. bis 4, insbesondere zu den unter 4 genannten Punkten...

 

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

 

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

Projektziele (Deutsch)

Eine Pilot-MEC mit einer Grösse von 240 l Anode bzw. 10 l/h Durchlaufleistung (semikontinuierlich) ist im Betrieb auf drei ARA‘s getestet. Für die Rückgewinnung des Phosphors und die Produktion der dafür benötigten Lauge sind die optimalen Prozessbedingungen im Labor ermittelt und die Eignung des Struvits als Dünger überprüft. Ebenso ist gemessen, wieviel Wasserstoff als Nebenprodukt entsteht.

Beschreibung der Resultate (Deutsch)

Drei Pilotreaktoren vom Typ der Mikrobiellen Elektrolysezelle von je 168 Litern wurden aus Polyester gebaut und in drei Kläranlagen installiert. Die Elektrolyseenergie entstammte aus der Co-Produktion mikrobieller elektrischer Energie und Netzstrom, der im Konzept aus erneuerbaren Quellen stammt. Unter diesen Reaktionsbedingungen wurde aus Abwasser eine erneuerbare Chemische Base mit hohem pH hergestellt.  Diese Base wurde in einer zweiten Etappe zur Rückgewinnung von Phosphat aus ausgefaultem Klärschlamm eingesetzt. Und damit wurde ein Dünger (Struvite) produziert.

Die Prozesse, wie Basenproduktion und Phosphat-Rückgewinnung aus ausgefaultem Klärschlamm, wurden modelliert und dann im Pilotmassstab anwendungsnah durchgeführt. Es konnte gezeigt werden, dass bis zu 99% des Phosphates, das im ausgefaulten Klärschlamm als Eisenphosphat enthalten ist befreit werden kann. Der damit hergestellte Dünger war in Bezug und auf toxische Metalle wie Quecksilber, Cadmium, Blei, Chrom und Anderen Elementen rein und erfüllte die Auflagen der schweizerischen Verordnung über Recyclingdünger. Die Kontaminierung mit Mikroben wurde mit einer DNA Analyse untersucht. Es wurden in 50% der Proben keine und den anderen kleine mikrobielle Verunreinigungen gefunden. Eine Analyse der zwölf empfohlenen Mikroverunreinigungen ergab ein deutliche Verringerung in Bezug auf Klärschlammwerte aus verschiedenen Szenarien.

Umsetzung und Anwendungen (Deutsch)

Der Phosphatrückgewinnungs-Prozess wurde in drei Stufen unterteilt. Dies erlaubte die einzelnen Prozesse genauer zu studieren und eine mögliche Industrialisierung zu prüfen. In der ersten Stufe wurde eine erneuerbare chemische Base aus Abwasser mit einem hohen pH produziert. In der zweiten Stufe wurde diese starke Base mit eisenphosphathaltigem Klärschlamm versetzt und Phosphat remobilisiert. Mit diesen Prozessstufen konnte gezeigt werden, dass Phosphat mit 92-100% remobilisiert werden kann. Dabei muss ein pH von mindestens 12 eingehalten werden und Spuren von Calcium sollten vor der Phosphatremobilisierung entfernt werden. Die erhaltene Phosphat Lösung enthielt zudem extrahiertes Ammonium aus dem Abwasser. Es wurde in der ersten Prozess-Stufe als Nebenprodukt bei der Basenproduktion angereichert. Diese Nebenproduktgewinnung führte dazu, dass kein zugekauftes Ammonium benötigt wurde, und nach der Zugabe von Magnesiumchlorid Struvite ausfiel. Die Prozessstufen II und III lassen sich bereits heute grosstechnisch Anwenden, wenn käufliche Base verwendet wird.

Weiteres Vorgehen (Deutsch)

• Der hergestellte Struvite- Dünger kann in bestehende Dünger eingemischt werden und so können neue Produkte für den Markt hergestellt werden. 
• Die Arbeiten zeigten, dass mit der bioelektrischen Phosphatremobilisierung auch andere Chemikalien und Produkte produziert werden können. Zur Hauptsache ist dies erneuerbare chemische Base. Sie ist ein Ersatzprodukt zur heute erhältlichen chemischen Base, welche aus dem Grosstechnischen Chlorinierungsprozess entstammt.
• Der Prozess wird künftig weitere Produkte liefern: Calcium, Magnesium, Kalium, Ammonium, reines Wasser und phosphatfreier Klärschlamm als Brennstoff für die Zementindustrie sowie Wasserstoff.
• Es gilt herauszufinden, ob der Remobilisierungsprozess von Phosphat ausser mit FeCl₃ mit Aluminium- und anderen Fällungssalzen funktioniert, und wie man diese allfällig aufreinigen und wiederverwenden kann.
• Es ist geplant den Prozess zur Phosphatrückgewinnung zu intensivieren und weiter hoch zu skalieren.

Publikationen / Ergebnisse (Deutsch)

Blatter, M., Vermeille, M., Furrer, C., Pouget, G., & Fischer, F. (2019). Mechanisms and Model Process Parameters in Bioelectrochemical Wet Phosphate Recovery from Iron Phosphate Sewage Sludge. ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 7(6), 5856-5866.

 

Extraire le phosphate des boues d'épuration avec les microbes des eaux usées, Hémisphères N° 15, 37, (2018).

 

HESSO Communiqué de presse: le phosphore en mode recyclage (2017).

 

Des chercheurs recouvrent le phosphate des boues d'épuration (2017).

https://www.rts.ch/play/tv/19h30/video/vs-des-chercheurs-recuperent-le-phosphate-des-boues-depuration?id=8901548

Phosphorus, chemical base and other renewables from wastewater with microbial electrolysis cells, Chemical Engineering Journal 390 (2020) 124502

https://doi.org/10.1016/j.cej.2020.124502

Phosphate recovery from wet sewage sludge with microbial electrolysis cell (Arbeitstitel, in Vorbereitung).