Weitergehende Abklärungen zum REALphos-Gesamtprozess auf der erzo

• Forschungsstelle: BAFU
• Projektnummer: UTF 728.02.24

Schlüsselwörter (Deutsch)

Phosphor, Klärschlamm, Asche, Rückgewinnung, Dünger, REALphos, P-Säure, Monoverbrennung, Klärschlammtrocknung, Leaching

Kurzbeschreibung (Deutsch)

Seit dem Verbot der Klärschlammausbringung in der Landwirtschaft 2006 wird Klärschlamm in sogenannten zentralen Monoverbrennungsanlagen (Schlammverbrennungsanlagen), in Zementwerken oder in normalen KVA verbrannt. Seit ein paar Jahren ist die Rückgewinnung von Phosphor aus Abwasser, Tier- und Knochenmehl in der Abfallverordnung (VVEA) gesetzlich verankert und soll innerhalb der nächsten Jahre umgesetzt werden. Das ist im Sinne der Kreislaufwirtschaft, vermindert aber auch den Eintrag von Schwermetallen in die Umwelt, v.a. Cadmium, die mit P-haltigen Handelsdüngern in die Schweiz gelangen. Schweizweit sind an drei Standorten Anlagen zur P-Rückgewinnung mit unterschiedlichen Verfahren projektiert: Phos4Life in Emmenspitz, die Anlage des Zweckverbands Abfallverwertung Bazenheid (ZAB) und das Ascheleaching-Verfahren der erzo (Entsorgung Region Zofingen) AG in Oftringen basierend auf dem REALphos-Verfahren. Das REALphos-Verfahren wurde von Recycling, Entsorgung, Abwasser Luzern (REAL) entwickelt. Bei der Umsetzung dieses Verfahrens auf der erzo wird der getrocknete Klärschlamm auf einer Anlage zur Zementherstellung von Holcim verbrannt. Die Asche geht anschliessend zurück zur erzo, wo sie mit verdünnter Schwefelsäure geleacht und anschliessend gefiltert wird. Bei geeigneter Prozesssteuerung verbleiben alle Schwermetalle bis auf Kupfer in der geleachten Asche. Die mineralischen Reststoffe aus der Filtration (Asche und Filterkuchen) gehen in die Zementindustrie zurück. Im Filtrat wird das Kupfer durch sulfidische Fällung abgeschieden. Als neuer Schritt und zentrales Element sollen im vorliegenden Projekt Eisen (Fe) und Aluminium (Al) mit Hilfe eines IEX-Ionentauschers entfernt werden. Damit werden auch die Anforderungen von Agricura erfüllt, die als Vertreterin der Düngerindustrie Grenzwerte definiert hat, die für bestimmte Metalle strenger als die gesetzlichen Grenzwerte für mineralische Recyclingdünger sind. Als letzter Schritt wird die schwachkonzentrierte Produktsäure aus dem Filtrat mit einem Verdampfer aufkonzentriert und liegt dann als P-Säure vor. Diese wird an die ZAB geliefert und dort je nach Qualität zu unterschiedlichen Düngerprodukten Dünger verarbeitet. Am Standort der erzo wird eine KS-Trocknung gebaut, Holcim pilotiert den Parallelprozess.

Innovativ ist die Optimierung und Überprüfung des Gesamtprozesses im industriellen Massstab, die Einbindung der Zementindustrie, der zusätzliche Verfahrensschritt des IEX-Ionentauschers zur Fe- und Al-Ausschleusung und die Möglichkeit, unterschiedliche P-Säure- Qualitäten herzustellen. Das Team ist mit Umsetzungspartner, Technologieentwickler und Wissenschaftspartner breit aufgestellt.

Das Projekt wurde aufgrund des Beitragsgesuchs vom 05.05.2023 an der Sitzung der Koko UT vom 31.05.2023 genehmigt.

Ergebnisse gemäss Vertrag (Deutsch)

1. Der IEX-Ionentauscher ist in Betrieb und seine Funktionsweise verstanden. Die optimalen Bedingungen für das Leaching (Temperatur, Solid/ Liquid-Verhältnis, Verfahren zur Adsorption unerwünschter Verunreinigungen, Verfahrensführung, Test mit Schweizer Klärschlammaschen – wenn möglich von Holcim) und den Betrieb des IEX-Ionentauschers (Auswahl Harz, Konzentration HCl zur Regeneration des Ionentauschers mit der Alternative NaCl, Optimierung der Trennschärfe, Tests mit MionTec-IEX-Pilotierungsanlage) sind identifiziert.
   
   
2. Die gesamte Pilotanlage mit Leaching und IEX-Ionentauscher ist in Betrieb. Eine Prozessmodellierung zur Bilanzierung des Gesamtprozesses, die Darstellung der Stoffströme (P, Asche, Waschwasser) im Senkediagramm und ein Verfahrensfliessbild des finalen Prozesses liegen vor. Der Gesamtprozess ist dokumentiert. Die Ökobilanzierung zum Vergleich mit dem Verfahren Phos4Life sowie eine Gegenüberstellung von Monoverbrennung und Klärschlammtrocknung liegen vor.
   
   
3. Ein Schlussbericht mit Darstellung der Ergebnisse aus 3.1 bis 3.3 und dem weiteren Vorgehen ist redigiert und dem BAFU abgegeben.
   
   
4. Textbausteine, Illustrationen und mindestens 3 Fotografien für die Verwendung in öffentlichen Publikationen sind bereitgestellt und dem BAFU abgegeben.
   
   
5. Eine Präsentation der Ergebnisse mit entsprechender Power-Point Darstellung wird am Schluss des Projektes für interessierte Personen aus dem BAFU durchgeführt.

Projektziele (Deutsch)

Der Gesamtprozess basierend auf dem REALphos-Verfahren auf der erzo ist pilotiert und mit Kennzahlen charakterisiert. Der Wirkungsgrad zur Abscheidung von Fe- und Al und die Integrierbarkeit des IEX-Ionentauschers sind bekannt. Der Gesamtprozess ist anhand einer Ökobilanzierung mit dem ebenfalls P-Säure produzierenden Verfahren Phos4Life verglichen. Die Verwertung von Klärschlamm mit Monoverbrennung und Klärschlammtrocknung sind einander ökobilanziell gegenübergestellt.

Beschreibung der Resultate (Deutsch)

Der Gesamtprozess auf der erzo (Ascheleaching und Ionentausch) wurde erfolgreich pilotiert und mit Kennzahlen charakterisiert. Optimale Laugungsparameter (Temperatur, Fest-Flüssig-Verhältnis) sowie Ionentausch-Parameter (Harzwahl, Salzsäurekonzentration) wurden ermittelt. Der Wirkungsgrad für die Abscheidung von Eisen und Aluminium ist bekannt, und die Integrierbarkeit des Ionentauschers wurde bewertet.

 

Eine Phosphorsäureproduktion mit Rückgewinnungsquoten an Phosphor von 70–75 % ist technisch möglich, wirtschaftlich jedoch mit hohen Betriebsmittel- und Energieaufwänden verbunden. Die hohen Energieaufwände entstehen primär durch die Aufkonzentrierung der verdünnten Phosphorsäure aus dem Ionentauscherprozess.

 

Die gemachten Ökobilanzen zeigen, dass das Ascheleaching gegenüber dem Phos4life-Verfahren, unter Einbezug der vorgeschalteten Klärschlammtrocknung weniger Umweltbelastungen erzeugt als gegenüber einer Monoverbrennung von Klärschlamm.

 

Es wurden keine Patentanmeldungen vorgenommen.

Umsetzung und Anwendungen (Deutsch)

Die Ergebnisse des Projekts bilden die Grundlage für die Umsetzung einer effizienten Phosphorrückgewinnung. Die identifizierten optimalen Prozess- und Ionentausch-Bedingungen ermöglichen eine Produktion von Phosphorsäure mit Einhaltung der Grenzwerte von Agricura sowie den gesetzlichen Rahmenbedingungen. Die vollständige Prozessdokumentation, Stoffstrom- und Flussbilder sowie die Ökobilanzierung unterstützen die betriebliche Integration und Entscheidungsfindung.

Weiteres Vorgehen (Deutsch)

Im Rahmen eines Umwelttechnologieförderungsprojekt vom Bundesamt für Umwelt hat erzo ARA ein Projekt im Rahmen der Phosphorrückgewinnung durchgeführt. Bis zur Klärung der bundesrechtlich abgestützten Finanzierung der Phosphorrückgewinnung werden keine weiteren Schritte im Bereich Phosphorrückgewinnung seitens erzo ARA unternommen.

Der Vorstand erzo ARA ist der Überzeugung, dass ein solches Projekt nicht zu einem finanziellen Risiko für die Verbandsgemeinden werden darf, solange die Rahmenbedingungen auf eidgenössischer Ebene nicht abschliessend definiert sind.

Die Vision einer ökologisch wie technisch sinnvollen Rückgewinnung von Phosphor aus Klärschlamm bleibt bestehen. Sobald verlässliche gesetzliche und finanzielle Grundlagen geschaffen sind, soll der eingeschlagene Weg fortgesetzt werden – basierend auf dem bereits erarbeiteten, technisch machbaren Prozess.