Kläranlagen für Kreislaufwirtschaft und Klimaschutz

Auf der Kläranlage der Stadt Erbach (Donau) haben zehn Projektpartner sieben Pilotanlagen betrieben, um Phosphor- und Stickstoffverbindungen für die Düngemittelproduktion zurückzugewinnen, CO2 aus dem Faulgas als Rohstoff für neue Produkte zu nutzen und Lachgasemissionen auf der Kläranlage zu reduzieren.

Kläranlagen reinigen unser Abwasser – in Deutschland über 9 Milliarden Kubikmeter pro Jahr. Dabei entfernen sie nicht nur organische Verunreinigungen, sondern auch große Mengen an Nährstoffen wie Stickstoff und Phosphor. So sorgen sie dafür, dass natürliche Gewässer intakt bleiben, wenn das gereinigte Abwasser eingeleitet wird.

Doch mit der konventionellen Abwasserreinigung gehen wichtige Pflanzennährstoffe verloren: Stickstoffverbindungen werden unter hohem Energieverbrauch zu molekularem Stickstoff umgewandelt, der dann als Gas in die Atmosphäre entweicht.

Phosphor wird zumeist in Form von nicht pflanzenverfügbaren Eisen- oder Aluminiumphosphaten gefällt und mit dem Klärschlamm entsorgt – obwohl die natürlichen Phosphatvorkommen für die Produktion von Düngemitteln immer knapper werden.

Nährstoffverluste und Umweltbelastungen minimieren

Dass Kläranlagen nicht nur Abwasser reinigen, sondern auch zu einer klimaschonenden Kreislaufwirtschaft beitragen können, zeigt nach drei Jahren Forschung, Entwicklung und Betrieb das Projekt „RoKKa – Rohstoffquelle Klärschlamm und Klimaschutz auf Kläranlagen".

RoKKa macht sich die Klärschlammfaulung zunutze, bei der organische Stoffe aus dem Abwasser vergärt werden, um Biogas als erneuerbaren Energieträger zu produzieren. Seit 2016 setzt auf der Kläranlage Erbach eine Hochlastfaulung den anfallenden Schlamm schneller und effizienter zu Faulgas um als herkömmliche Verfahren.

Nach der Faulung wird der Schlamm entwässert, um sein Volumen zu verringern. Bei diesem Filtrationsschritt entsteht ein Schlammwasser, das reich an den Pflanzennährstoffen Phosphor und Stickstoff ist.

„Da sich Stoffe umso besser zurückgewinnen lassen, je höher sie konzentriert sind, setzen wir genau hier in RoKKa an", erklärt Dr.-Ing. Marius Mohr, Projektleiter von RoKKa und Leiter der Abteilung Wassertechnologien, Wertstoffgewinnung und Scale-up am Fraunhofer IGB. 

Erhöhter Energieverbrauch und Lachgasemissionen durch Stickstoff-Rückbelastung

Üblicherweise wird das nährstoffreiche Filtrat der Schlammentwässerung zurück in die Belebungsbecken der Kläranlage geleitet. „Doch diese Nährstoff-Rückbelastung steigert bekanntermaßen den Energieverbrauch für die Belüftung der biologischen Reinigungsstufen", erläutert Jürgen Schmidtke, Gesamtprojektleiter Wasserwirtschaft bei der baden-württembergischen Landesagentur Umwelttechnik BW und Koordinator von RoKKa.

In den Belebungsbecken bauen Mikroorganismen unter Verbrauch von Sauerstoff nicht nur die organischen Kohlenstoffsubstanzen zu Kohlenstoffdioxid (CO2) und Biomasse um, sondern auch die Stickstoffverbindungen. Häufig führt die Stickstoff-Rückbelastung zu einer erhöhten Emission von Lachgas (N2O), dessen klimaschädliche Wirkung rund 265-mal so stark ist wie die von CO2.Zudem wächst das Risiko, dass die Konzentration von Ammonium oder Nitrat im Ablauf der Kläranlage steigt, was die Umweltbelastung erhöht.

Mittels großtechnischer Messungen konnte die Universität Kassel in RoKKa nun aufzeigen, dass eine Rückgewinnung von Stickstoff aus dem Schlammwasser sowie die daraus resultierende Verringerung der Stickstoff-Rückbelastung in den Hauptstrom der Kläranlage eine Minderung der Lachgasemissionen bei der biologischen Stickstoffelimination bewirkt.

Produkte der Kläranlagen-Bioraffinerie: Düngemittel, Pflanzenstärkungsmittel und Grundstoffe

Anstatt zurück ins Belebungsbecken gelangt das nährstoffreiche Filtratwasser in RoKKa daher nach einer Feststoffabtrennung zunächst in die "ePhos-Anlage", einem vom Fraunhofer IGB entwickelten Verfahrensmodul zur Rückgewinnung von Phosphor und Stickstoff.

„Mit ePhos wird Phosphor elektrochemisch als Magnesium-Ammonium-Phosphat ausgefällt, auch Struvit genannt. Das hierfür benötigte Magnesium wird in einer Elektrolysezelle über eine Opferanode aus Magnesium zudosiert, welche sich im fortwährenden Prozess verbraucht", erklärt Mohr das innovative Prinzip.

Das Produkt Struvit kann als regional erzeugter Phosphordünger in der Landwirtschaft genutzt werden. Voraussetzung für den effizienten Einsatz dieses Verfahrens sind möglichst hohe Konzentrationen an gelöstem Phosphat im Schlammwasser. Dies ist durch den Betrieb einer biologischen Phosphorelimination (Bio-P) auf der Kläranlage gewährleistet.

Um weiteren Stickstoff aus dem Schlammwasser zurückzugewinnen, kamen zwei Membranverfahren zum Einsatz. Ein Verfahren wurde vom Fraunhofer IGB entwickelt, ein weiteres von der Firma SolarSpring GmbH.

Auch das hierbei entstehende Ammoniumsulfat kann direkt als regionaler Dünger Verwendung finden. In den RoKKa-Pilotanlagen waren die in der Produktlösung erreichten Ammoniumkonzentrationen zwar noch gering. „Wir konnten jedoch zeigen, dass sich die Ammoniumsulfat-Lösung weiter aufkonzentrieren lässt, um ein wirtschaftlich nutzbares Produkt zu erhalten", so Mohr.

CO2-Nutzung für eine geschlossene Kreislaufwirtschaft

Alternativ wurden die Nährstoffe mit dem Schlammwasser einem neuartigen Flachplatten-Airlift-Photobioreaktorsystem des Fraunhofer IGB zur Mikroalgenkultivierung zugeführt. Neben Stickstoff und Phosphor benötigen diese photosynthetischen Einzeller Licht und CO2, um wachsen zu können.