Phosphor ist essentiell für alle Lebensformen. Es wird benötigt für den Stoffwechsel-Prozess und ist Bestandteil der DNA. Aus diesem Grund wird Phosphor in Form von Phosphaten in der Düngemittelindustrie eingesetzt. Früher würden dafür Düngemittel auf der Basis von Rohphosphaten verwendet. Heutzutage, mit schwindenden Rohphosphat-Ressourcen, gewinnen Recycling-Phosphatdüngemittel aus Abwasserströmen an Bedeutung. In diesem Forschungsprojekt sollen die Phosphat-Formen im Boden mittels Mikro-Raman und Synchrotron-Strahlung Infrarot Mikrospektroskopie für eine ressourcenschonende Düngung in der Zukunft bestimmt werden. Des Weiteren sollen ebenfalls Dünger-Boden Reaktionen der Recycling-Phosphate analysiert werden um die Eigenschaften der zukünftigen Düngemittel zu verbessern. Die Resultate dieser Forschung sind wichtig, da neben den Phosphatformen im Düngemittel auch die des Bodens für ein gutes Wachstum der Pflanzen von Bedeutung ist. Dadurch leistet dieses Forschungsvorhaben einen Beitrag dazu, dass die Düngemittelindustrie nicht mehr von Rohphosphat exportierenden Ländern abhängig ist da Recycling-Phosphate aus den lokalen Kläranlagen gewonnen werden können. Im Gegensatz zu den neuen Recycling-Phosphaten enthalten Dünger auf der Basis von Rohphosphaten Uran, Thorium und Chrom (VI) welche über die Nahrungskette in den menschlichen Körper gelangen können. Um Verbindungen dieser Elemente zu bestimmen sind schnelle Analysenmethoden nötig die in diesem Projekt auf der Basis von Schwingungsspektroskopie entwickelt werden.
Der Anbau von Leguminosen stellt besonders in der Bio-Landwirtschaft ein wesentliches Element dar. Zum einen sind Leguminosen ein wichtiger Bestandteil der Fruchtfolge, speziell in viehlosen Ackerbaubetrieben, da sie durch ihre Fähigkeit, Stickstoff in Symbiose mit Knöllchenbakterien zu binden und somit den Mangel an diesem Nährstoff ausgleichen können und ihn für Folgekulturen nutzbar machen. Jedoch bedingen sie größere Fruchtfolgeabstände als zum Beispiel Getreide. Darüber hinaus spielen Körnerleguminosen als qualitativ hochwertige Quellen für Protein und Fett im Futter speziell von Monogastriern eine tragende Rolle und tragen somit zur geschlossenen Kreislaufwirtschaft bei. Durch die verbreitete Kultivierung von Körnerleguminosen soll eine vollständige Eigenversorgung mit Protein in Österreich angestrebt werden, und so eine Unabhängigkeit von Importen erreicht werden. Die durch inländische Produktion abdeckbare Versorgung erreicht derzeit maximal dreiviertel des Bedarfs. Daneben sind die Kulturen Sojabohne und Lupine auch für die menschliche Ernährung sehr gut einsetzbar und Lieferanten von qualitativem Eiweiß.
Für das Wachstum, die Qualität und einen dementsprechenden Ertrag sowie effizienter Nutzung von Stickstoff sind Phosphor und Schwefel sehr bedeutend. Phosphor ist ein essentielles Element für alle Lebewesen und wird auch in der Biologischen Landwirtschaft als Dünger angewendet, welcher derzeit aus endlichen mineralischen Ressourcen gewonnen wird. Im Boden beziehungsweise in den meisten verfügbaren Düngern liegt es in Form von Phosphaten vor und wird in dieser Form über die Wurzeln aus dem Boden aufgenommen. Eine wesentliche Rolle spielt dabei hier die Symbiose mit Mykorrhizapilzen. Ein weiterer wichtiger Weg zur Aufschließung von Phosphat in pflanzenverfügbare Form spielt Schwefelsäure. Der als Elementarschwefel ausgebrachte Dünger wird über Thiobakterien in pflanzenverfügbare Form umgebaut. Die Schwefelsäure ermöglicht auch einen besseren und schnelleren Aufschluss des Phosphors, damit dieser besser für die Pflanzen verfügbar ist. Phosphor spielt im Energietransfer der Pflanze eine sehr grundlegende Rolle und behindert bei einem Mangel das über- und unterirdische Wachstum sowie Bestocken der Pflanzen, den Prozess der Photosynthese, Ein- und Verlagerung von Zucker sowie vieles mehr. Ein Mangel kann sich weiters auch in rötlicher Verfärbung der Blätter zeigen, hervorgerufen durch Anthocyane. Andererseits wird bei manchen Pflanzen das Wurzelwachstum durch Phosphormangel teils sogar verstärkt. Speziell bei Leguminosen ist der Bedarf an Phosphor für die Wurzelentwicklung und den Energiehaushalt erhöht gegenüber zum Beispiel Pflanzen aus der Familie der Süßgräser. Phosphor liegt im Boden in beträchtlicher Menge häufig gebunden vor und obwohl Pflanzen spezielle Strategien haben ihn zu lösen, ist nur ein kleiner Teil davon direkt für das Wachstum verfügbar. (Text gekürzt)
Die Seraplant GmbH wurde 2016 als Projektgesellschaft mit dem Ziel gegründet, Düngemittel aus Sekundärrohstoffen wie Klärschlammasche und Gärresten herzustellen. Potenzielle Abnehmer sind die Fort- und Landwirtschaft, Gärtnereien sowie Industriebetriebe. Ziel des Vorhabens ist es, Phosphor aus der Klärschlammasche in eine pflanzenverfügbare Form zu überführen und dadurch mineralischen Phosphordünger zu ersetzen. Geplant ist, jährlich ca. 60.000 Tonnen Düngemittel zu produzieren. Dabei wird zunächst aus Klärschlammasche, Mineralsäure (insbesondere Phosphorsäure) und weiteren Nährstoffkomponenten eine Suspension erzeugt. Der hergestellten Suspension, ein (Phosphor)Säure-Wassergemisch, können je nach gewünschtem Endprodukt, weitere Nährstoffkomponenten zugegeben werden. Als Nährstoffkomponenten sind Stoffe zu verstehen, die das Nährstoffangebot für die angebaute Pflanze liefert oder ergänzt, um das Wachstum der Pflanze zu steuern (z.B. Stickstoff, Schwefel, Kalium). Die so erzeugte Suspension wird anschließend zur Sprühgranulation in einer Wirbelschichtanlage weitergeleitet und dort zu Düngemittelgranulate verarbeitet. Die Innovation des Vorhabens besteht daran, die beschriebenen Prozesse der Suspensionsherstellung und der Granulation voneinander zu trennen. Bei der Zusammenführung von Mineralsäure und phosphorhaltiger Klärschlammasche findet eine exotherme Reaktion statt, bei der sich die Suspension auf bis zu 60°C erwärmt. Diese Wärmeenergie soll beim Trocknungs- und Granulationsprozess nutzbar gemacht werden, wodurch sich eine Energieeinsparung von 10 Prozent ergibt. Die Rückgewinnung von Phosphor aus Klärschlamm wird laut der neuen Klärschlammverordnung für die nach thermischer Behandlung anfallenden Aschen ab 2029 bzw. 2032 zwingend vorgeschrieben. Techniken für die gezielte Rückgewinnung oder Nutzbarmachung von Phosphor aus Klärschlammaschen haben sich bisher am Markt noch nicht etabliert. Mit der neuen Anlage sollen bei der Seraplant GmbH zunächst zwei Sorten Dünger hergestellt werden: P39-Phosphordünger aus Klärschlammasche und Phosphorsäure sowie NP-Dünger aus Stickstoff, Phosphor und Schwefel. Grundsätzlich können mit der Technologie jedoch je nach verwendeter Asche und zugeführten Nährstoffkomponenten auch andere Düngemitteltypen hergestellt werden. Das Verfahren ist auf alle Klärschlammaschen übertragbar, die einen ausreichend hohen Phosphorgehalt aufweisen und die gesetzlichen Schadstoffgrenzen der Düngemittelaufbereitung einhalten.
Branche: Wasser, Abwasser- und Abfallentsorgung, Beseitigung von Umweltverschmutzungen
Umweltbereich: Ressourcen
Fördernehmer: Seraplant GmbH
Bundesland: Sachsen-Anhalt
Laufzeit: seit 2019
Status: Laufend
Das Hauptziel der Abwasserbehandlung ist, Gewässerbelastungen weitgehend zu reduzieren. Dabei fällt Klärschlamm an, der inzwischen zumeist in getrockneter Form thermisch verwertet wird. Die Rückgewinnung und Wiederverwertung von Stoffen wie Phosphor aus Abwasser und Klärschlamm trägt dazu bei Nährstoffkreisläufe zu schließen. Rund 10 Milliarden Kubikmeter Abwasser jährlich 8.659 öffentliche Kläranlagen haben im Jahr 2022 nach Erhebungen des Statistischen Bundesamtes über 8,33 Milliarden Kubikmeter (Mrd. m³) Abwasser behandelt und anschließend in Oberflächengewässer eingeleitet. Die behandelte Abwassermenge sank damit gegenüber der Erhebung im Jahr 2019 um 0.72 Mrd m³. Diese Abwassermenge setzte sich aus rund 4,82 Mrd. m³ Schmutz-, 1,49 Mrd. m³ Fremd- und 2,02 Mrd m³ Niederschlagswasser zusammen (siehe Tab. „In öffentlichen Kläranlagen behandelte Abwassermenge“). Schmutzwasser ist jenes Wasser aus privaten Haushalten sowie aus gewerblichen und industriellen Betrieben, das in die Kanalisation eingeleitet wird. Als Fremdwasser wird jenes Wasser bezeichnet, das nicht gezielt in die Kanalisation eingeleitet wird, also etwa in diese aus dem Boden einsickert. Fast 100 Prozent biologisch gereinigt Die rund 8.700 Kläranlagen haben im Jahr 2022 rund 99,99 % des Abwassers biologisch und weniger als 0,005 % ausschließlich mechanisch behandelt (siehe Tabelle). In einem Großteil der Anlagen wird Stickstoff in zwei Schritten entfernt. Nitrifizierung: Dabei werden Ammonium-Ionen mit Hilfe von Bakterien in Nitrat-Ionen umgewandelt. Denitrifizierung: Dabei werden Nitrat-Ionen mit Hilfe von Bakterien in molekularen Stickstoff umgewandelt. Bei einem Großteil des Abwassers erfolgt darüber hinaus die Entfernung von Phosphor. Hierbei werden Phosphat-Ionen entweder durch Zugabe von Salzen ausgefällt oder mit Hilfe von Bakterien ausgetragen und in den Klärschlamm überführt. Bei 3,7 % des Abwassers wurde in 2022 zusätzlich eine Elemination von Spurenstoffen durchgeführt. Als weitere zusätzliche Verfahrensstufen kamen Filtration und Desinfektion des Abwassers zur Anwendung. Klärschlamm aus öffentlichen Kläranlagen Auf Kläranlagen fiel im Jahr 2023 Klärschlamm mit einer Trockenmasse von etwa 1,63 Millionen Tonnen an (siehe Tabelle Destatis , abgerufen am 31.03.2025). Rund 81 % des Klärschlamms wurde 2023 thermisch verwertet (2013: 58 %). Nur noch rund 18 % des Klärschlamms wurde stofflich verwertet (2013: 42 %). Knapp 13 % wurden aufgrund der enthaltenen Nährstoffe landwirtschaftlich verwertet (2013: 27 %). Rund 0,6 % wurde bei landschaftsbaulichen Maßnahmen wie z. B. Rekultivierung eingesetzt (2013: 11 %). Die Deponierung unbehandelter Klärschlämme ist seit 2005 untersagt. Rohstoffquelle Abwasser und Klärschlamm Abwasser enthält neben einer Vielzahl von anthropogenen Spurenstoffen auch viele Stoffe, die es lohnt aus dem Abwasser zu recyceln. Dies betrifft vor allem die Rückgewinnung von Nährstoffen. Phosphor ist ein wichtiger Nährstoff in der Pflanzenernährung. Der weltweite Phosphorverbrauch vor allem in Form von Mineraldünger ist in den letzten Jahren deutlich angestiegen an. Deutschland und die EU sind bei mineralischen Phosphatdüngemitteln vollständig von Einfuhren z. B. aus Russland abhängig, während derzeit immer noch phosphatreiche Abfälle und Abwässer meist ohne Nutzung der Nährstoffe entsorgt werden. Deshalb schränkt die 2017 novellierte Klärschlammverordnung ab 2029 die bodenbezogene Klärschlammverwertung gegenüber einer thermischen Vorbehandlung und anschließendem Phosphorrecycling erheblich ein. Gleichzeit wird damit der unerwünschte Eintrag von anthropogenen Spurenstoffen, wie Arzneimittel oder Bioziden, weiter eingeschränkt. Klärschlamm aus großen Kläranlagen und Klärschlamm, welcher die Grenzwerte für eine bodenbezogene Nutzung nicht einhält muss ab einem Phosphor-Gehalt von 20 g/kg Klärschlamm Trockenmasse einer technischen Phosphorrückgewinnung zugeführt werden. Die Rückgewinnung des Nährstoffes Phosphor hilft Stoffkreisläufe im Sinne nachhaltiger Ressourcennutzung und -schonung zu schließen. Phosphor aus Abwasser und Klärschlamm Allein das kommunale Abwasser Deutschlands birgt ein jährliches Reservoir von mehr als 70.000 Tonnen (t) Phosphor. Zirka 65.000 t Phosphor finden sich im Klärschlamm wieder. In den letzten Jahren führt Deutschland im Schnitt jährlich mehr als 100.000 t Phosphor in Form von Mineraldüngern ein. Große Anteile kommen hiervon aus Russland. In den letzten Jahren wurden verschiedene Verfahren zur Rückgewinnung von Phosphor aus Abwasser, Klärschlamm oder Klärschlammasche entwickelt. Das Bundesumweltministerium fördert im Rahmen des Umweltinnovationsprogrammes die großtechnische Umsetzung innovativer Verfahren zur Phosphorrückgewinnung. Erste großtechnische Anlage zur Produktion zur Rückgewinnung von Phosphor – z. B. Herstellung von Phosphorsäure aus Klärschlammasche – werden aktuell umgesetzt.