Nassschlamm-Verfahren zur P-Rückgewinnung arabern(Pilotierung des Nassschlamm-Verfahrens zur Rückgewinnung von Phosphor aus Klärschlamm auf der arabern)

• Unité de recherche: OFEV
• Numéro de projet: UTF 613.25.19

Mots-clé (Allemand)

Phosphor, Rückgewinnung, Klärschlamm, Nassschlamm, Budenheim, arabern

Description succincte (Allemand)

Phosphor ist gemäss neuer Abfallverordnung ab 2026 aus Abwasser zurückzugewinnen und stofflich zu verwerten. In dem von der Firma Budenheim entwickelte ExtraPhos®-Verfahren wird Phosphor im nassen Faulschlamm in Lösung gebracht, indem dieser mit CO₂ angesäuert wird. Das dafür nötige CO₂ stammt aus der biologischen Phase der Abwasserbehandlung in der ARA. Anschliessend werden die Feststoffe in einer Zentrifuge abgetrennt und der gelöste Phosphor ausgefällt. Das Verfahren nutzt die vorhandene Infrastruktur und ist deshalb auch als dezentrale Lösung geeignet. Um die P-Rückgewinnungsrate zu erhöhen und so den gesetzlichen Anforderungen zu entsprechen, müssen zusätzliche Konditionierungsmittel eingesetzt werden. Das in Zusammenarbeit mit Budenheim entwickelte neue Verfahren entspricht damit nicht mehr dem patentrechtlich geschützten ExtraPhos®-Verfahren und soll auch nicht geschützt werden. Im vorliegenden Projekt soll das Verfahren auf der arabern pilotiert werden. Das anfallende Restmaterial soll weiterhin in der Zementindustrie verwertet werden. Das Verfahren wird mit den Schlämmen verschiedener ARAs getestet. Diese ARA-Betreiber sind ebenfalls Projektpartner. Weitere Partner wie regionale Abwasserverbände, eine Kehrichtverbrennungsanlage, der Schweizerische Verein Kommunale Infrastruktur, Vertreter der Zementindustrie und die Umweltschutzämter der Kantone Bern und Aargau garantieren eine breite Abstützung des Projektes. Das Projekt ist ein wichtiger Schritt für die Realisierung der P-Rückgewinnung in der Schweiz, da bis heute noch kein Verfahren zur Verfügung steht, dass grosstechnisch erprobt ist. Gleichzeitig liefert es Grundlagedaten für die P-Recyclingstrategien der einzelnen Kantone.

Noch unklar ist die Anwendung des entstehenden Produktes, einem P-haltigen Sediment. Dieser Phosphor ist für das Pflanzenwachstum nur langsam verfügbar. Deshalb soll in einem zusätzlichen, parallellaufenden Projekt die Eignung des P-Sedimentes als Dünger für landwirtschaftliche oder gartenbauliche Anwendungen geprüft werden.

 

Das Projekt wurde aufgrund des Beitragsgesuchs vom 26.04.2019 an der Sitzung der Koko UT vom 28.05.2019 genehmigt.

Résultats selon le contrat (Allemand)

1. Anhand von Laborversuchen wurden das Konditionierungsmittel für die Rücklösung des Phosphats und das Fällungsmittel zur abschliessenden Ausfällung bestimmt und mit Schlämmen verschiedener ARAs getestet. Die Pilotanlage ist installiert und in Betrieb genommen. Meilenstein 1

    

2. Auf der Pilotanlage wurden die optimalen Betriebsbedingungen ermittelt für die CO₂-Einbringung (Druck, Menge, Reaktionszeit), das Konditionierungsmittel (Mittelauswahl, Dosierung, Ort der Einbringung) und die P-Fällung (Einfluss des Fällungsmittels und dessen Dosierung auf Qualität und Ausbeute der Endprodukte). Die Auswirkungen des Nassschlamm-Verfahrens auf den Kläranlagenprozess sind bekannt und allfällige Optimierungsmassnahmen getroffen. Meilenstein 2

    

3. Die Eigenschaften der entstehenden Endprodukte wurden im Labor untersucht. Das P-haltige Sediment ist charakterisiert und seine Eignung für die landwirtschaftliche Verwertung eingeschätzt. Meilenstein 3

    

4. Eine Vollkostenrechnung und eine Ökobilanz durch ein externes Fachgremium sind erstellt. Sie können als Entscheidungsgrundlage für andere Abwasserreinigungsanlagen mit ähnlicher Ausgangslage verwendet werden.

    

5. Ein Schlussbericht mit Darstellung der Ergebnisse aus 1 bis 4 und dem weiteren Vorgehen ist redigiert und dem BAFU abgegeben.

    

6. Textbausteine, Illustrationen und mindestens 3 Fotografien
   (genauere Angaben s. Beilage 3) für die Verwendung in öffentlichen Publikationen sind bereitgestellt und dem BAFU abgegeben.

    

7. Eine Präsentation der Ergebnisse mit entsprechender Power-Point Darstellung ist dem BAFU abgegeben und kann auf Nachfrage beim BAFU vorgetragen werden.

Objectifs du projet (Allemand)

Die Pilotanlage läuft und kann vom Betriebspersonal der ARA betrieben werden. Die Betriebsbedingungen für eine wirtschaftlich und verfahrenstechnisch optimale P-Rückgewinnung sind bekannt. Mögliche Optimierungen des Prozesses wie die Kreislaufführung des CO₂ sind aufgezeigt. Die Wirtschaftlichkeit und der Einfluss des Nassschlamm-Verfahrens auf andere Prozessschritte auf der ARA, insbesondere die biologische Stufe und die Klärschlammbehandlung, sind untersucht. Erste Ergebnisse zur Produktequalität und Anwendung des P-haltigen Sedimentes liegen vor.

Description des résultats (Allemand)

Durch Kohlendioxidzugabe (CO2) - auch bei erhöhtem Druck (bis 10 bar) - kann nur ein geringer Anteil des gebundenen Phosphors (< 5%) aus dem Faulschlamm (FS) in Lösung gebracht werden. Das Extraphos®-Verfahren ist somit nicht geeignet zur P-Rücklösung aus Faulschlamm der arabern. Für eine P-Rücklösung von > 60% ist ein pH-Wert von 4 — 4.5 notwendig (z.B. 60%ige Schwefelsäure, 9ml/l FS, ca. 8.1 t/d). Eine möglichst eisenfreie Fällung des Düngers Magnesiumammoniumphosphat erwies sich als deutlich komplexer als in der Literatur beschrieben. Durch Zugabe von Magnesiumoxid und Zitronensäure (10kg/m³ FS) als Komplexbildner und Natronlauge zum P-angereicherten Filtrat bei einem pH-Wert von 8.5 — 9, konnten 40% des Phosphats ausgefällt werden. Die partielle Abtrennung der Eisenionen durch Zugabe von Natriumsulfid (sulfidische Fällung) funktionierte im Labor. Eine grosstechnische Umsetzung wurde aber aus sicherheitstechnischen und betrieblichen Gründen verworfen.
Der zu behandelnde Faulschlamm weist einen Chloridgehalt von 300 g/m ³ auf und wirkt bei einem pH-Wert von 4 — 4.5 stark korrosiv. Dies ist insbesondere für die Trocknungsanlage aber auch für die Entwässerung des Schlamms sehr kritisch. Weiter erwies sich auch die Behandlung des P-abgereicherten Filtrats aufgrund der hohen CSB-Konzentration (die Zitronensäurezugabe ergibt eine zusätzliche Fracht von 40'000 Einwohnerwerten) als problematisch.
Die unzureichenden Grundlagen zur P-Fällung, die erwarteten Korrosionsprobleme, der äusserst hohe Ressourcenverbrauch, die hohe CSB-Rückbelastung und die noch nicht definierte Rückgewinnung des Eisens führten dazu, dass auf eine Pilotierung des Verfahrens auf der arabern verzichtet wurde.

Mise en oeuvre et application (Allemand)

Das Extraphos®-Verfahren ist ungeeignet zur P-Rückgewinnung aus FS, weil die P-Elimination auf der arabern durch eine chemische Fällung mit Eisensalzen erfolgt. CO2 ist eine zu schwache Säure zur P-Rücklösung aus FS. Dazu müssen stärkere Säuren eingesetzt werden. Diese Verfahrensänderung ist zusammen mit den hohen Eisengehalten, die bei tiefen pH-Werten ebenfalls gelöst werden, für die arabern ungeeignet, denn sie führt zu potentiellen Korrosionsproblemen bei Schlammentwässerung und Trocknung, einem hohen Ressourcenverbrauch, einer hohen CSB-Rückbelastung und machen erhebliche Anpassungen anderer Prozessstufen nötig. Auf anderen Schweizer ARA sind die Rahmenbedingungen zwar anders (keine eigene Trocknung, keine separate Stickstoffbehandlung), aber die Aufarbeitung des sauren Faulschlamms zu einem Dünger bleibt eine grosse Herausforderung.
Im Rahmen des Projekts konnte kein nasschemisches Verfahren zur P-Rückgewinnung identifiziert werden, welches sich für eine Pilotierung oder für eine grosstechnische Anwendung eignet. Da auf den meisten Schweizer ARA die P-Elimination hauptsächlich chemisch und nicht biologisch (Bio-P) erfolgt, ist davon auszugehen, dass dort ähnliche Herausforderungen zu bewältigen wären. Für ARA mit einem Bio-P Verfahren muss der Sachverhalt separat betrachtet werden, da die P-Rücklösung dort bedeutend einfacher ist.

Suivi (Allemand)

Getrockneter Klärschlamm bleibt ein beliebter und wertvoller Alternativbrennstoff. Der Phosphor konnte im Rahmen dieses Projekts zwar mit relativ hoher Ausbeute zurückgewonnen werden — somit war die Phosphorrückgewinnung aus der Nassphase des Klärschlammes in diesem Sinne auch erfolgreich. Das anfallende FePO4 müsste aber noch weiter aufgeschlossen werden, um einen im grossen Massstab nutzbaren Dünger herstellen zu können. Dessen Aufbereitung zu einem handelbaren Produkt unter anderem in Kombination mit der P-Rückgewinnung aus Asche sollte vertieft überprüft werden. Im Weiteren wurden in der vorliegenden Studie nur chemische Verfahren untersucht, die sich verhältnismässig einfach dezentral realisieren liessen. Thermische Verfahren wurden nicht weiter berücksichtigt, obwohl hier bei zentralen und grösseren Anlagen (z.B. bei der Zementindustrie) durchaus noch Potential zur P-Rückgewinnung gesehen wird. Die zusätzlich nötigen Forschungsarbeiten und Anwendungen waren beim Projektstart nicht absehbar und daher nicht im Projektumfang. Die Zementindustrie zeigt Interesse, die entsprechenden Forschungen weiter zu treiben.

Publications / Résultats (Allemand)

Die Resultate sind in den beiden beigelegten Publikationen beschrieben:

• ara region bern ag, Schlussbericht zu den Untersuchungen bezüglich P-Recycling aus Faulschlamm auf der arabern, August 2020.
• Ammann, B.; Walther, T.; Van der Heijden, T.; Schnee, R.; Opitz, E.; Welsch-Papenbreer, F.; Fux, C.; Stucki, G; P-Recycling aus Faulschlamm. Aqua & Gas Nr. 2/2020, Seiten 36-42.