on_Grossanlagen-Phosphor aus Guelle-Foto1-Guelleausbringung
Wolfgang Rudolph | am

Den Phosphor aus der Gülle holen

Gülle und Gärprodukte gelten als potenzielle Phosphorquellen. Ein Verbund will dafür ab 2021 mehrere Großanlagen errichten. Gleichzeitig wäre dies eine Lösung zur Minderung der Gülleüberschüsse in einigen deutschen Regionen.

Weltweit verbraucht die Landwirtschaft nach Berechnungen des Fraunhofer-Instituts für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik (Umsicht) jährlich rund 46 Mio. t Phosphat (P2O5) und 46 Mio. t Stickstoff. Vor dem Hintergrund des Bedarfs einer wachsenden Weltbevölkerung an Agrarprodukten gehen die Wissenschaftler davon aus, dass der Verbrauch jährlich um zwei bis drei Prozent ansteigt. Doch die Gewinnung des für alle Organismen lebenswichtigen und als Pflanzennährstoff unabdingbaren Phosphors wird zusehends schwieriger.

EU-Klassifizierung als "kritischer Rohstoff"

Da Europa für die Herstellung von Phosphordünger nahezu vollständig auf den Import angewiesen ist, klassifiziert die EU Phosphor inzwischen als "kritischen Rohstoff" und fordert dazu auf, Phosphor im Kreislauf zurückzugewinnen.

Dies ist im Prinzip tatsächlich möglich. Denn der größte Teil des von Mensch und Tier mit der Nahrung aufgenommenen Phosphors wird ausgeschieden. Damit sind die bei der Abwasserreinigung verbleibenden Klärschlämme als auch Exkremente von Nutztieren für die landwirtschaftliche Düngung an sich gut geeignet.

on_Grossanlagen-Phosphor aus Guelle-Foto2-Biogasanlage

Zumal sie mit Stickstoff einen weiteren wertvollen Pflanzennährstoff enthalten, dessen Rückgewinnung wegen der konventionellen Herstellung mit dem energieintensiven Haber-Bosch-Verfahren ebenfalls unter ökologischen und volkswirtschaftlichen Aspekten an Bedeutung gewinnt.

In der Praxis ist dies jedoch, nicht nur wegen der verkürzten Ausbringzeiten gemäß Düngeverordnung, mit Schwierigkeiten verbunden. Bei Klärschlämmen mindert etwa die Diskussion um Mikroplastik und Arzneimittelrückstände zusehends die Akzeptanz. Die Ausbringung tierischer Exkremente wiederum stößt wegen der territorialen Unausgewogenheit an Grenzen. Besonders in den Veredlungsgebieten ist Gülle wegen des hohen Aufkommens und der damit verbundenen Gefahr einer Nährstoffüberversorgung der Böden ein Entsorgungsproblem.

Modulares Verfahren zum Phosphor-Recyclen

on_Grossanlagen-Phosphor aus Guelle-Foto4-Naehrstoffrecycling

An diesem Punkt setzten die Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB in Stuttgart mit dem von ihnen entwickelten BioEcoSIM-Verfahren an. Als Produkte bei der vollständigen Aufbereitung von Gülle und Gärresten entstehen hier Phosphorsalz, Stickstoffdünger in Form von Ammoniumsulfatlösung (ASL) und nährstoffarmes organisches Material als Bodenhilfsstoff für den Humusaufbau. Es verbleibt Wasser, das eingeleitet oder zur Bewässerung eingesetzt werden kann.

"Unser patentiertes Verfahren basiert auf der in dieser Form erstmaligen Verknüpfung mehrerer, zum Teil bereits bewährter Technologien. Das modulare Konzept ergänzen darüber hinaus eigene Innovationen, die einen kontinuierlichen Betrieb mit unterschiedlich Inputqualitäten ermöglichen", erläutert Siegfried Egner, Leiter Technologieentwicklung am IGB.

Zweistufige Fest-Flüssig-Trennung

Um Gülle und Gärreste vollständig aufzubereiten, werde der in der Regel neutrale bis leicht basische Input zunächst durch die Zugabe von Säure konditioniert. Die Absenkung des ph-Wertes bewirke die Herauslösung des Phosphors, der zu 90 Prozent in den Feststoffen gebunden ist. Ein nützlicher Nebeneffekt der Konditionierung sei die Vermeidung von Stickstoffemissionen, da ein saures Milieu die Ammoniakbildung bremst.

Im nachfolgenden Modul erfolgt die Separation der festen Phase zunächst mittels groben Filtern auf einen Feststoffgehalt von etwa 5 % und in einer zweiten Phase durch Mikrofiltration. "Die zweistufige Fest-Flüssig-Trennung war eine der verfahrenstechnisch größten Herausforderungen, weil es sich zum Teil um sehr feine Partikel handelt und mikrobielle Verunreinigungen im Feststoff vermieden werden müssen", bemerkt Egner.

Die Verwendung von Flockungsmitteln habe man aber von vornherein ausgeschlossen. Diese würden zwar ein Verklumpen der Schwebeteilchen bewirken und so deren Separation erleichtern, aber die abgetrennte Organik könnte dann wegen der mitgeschleppten Zusätze nicht als Bodenhilfsstoff zum Einsatz kommen. Für die optional mögliche Trocknung der entwässerten festen Phase, entwickelten die Wissenschaftler am Fraunhofer IGB ein Verfahren, das mit überhitztem Wasserdampf in einem geschlossenen System und daher besonders energieeffizient arbeitet.

Nährstoffe konzentrieren sich in Flüssigkeit

on_Grossanlagen-Phosphor aus Guelle-Foto5-Phosphatgranulat

Während die feste organische Matrix durch die Vorbehandlung weitgehend nährstofffrei ist und sich so ohne Gefahr für die Stickstoff- und Phosphorbilanz auf Ackerböden als humusbildendes Substrat einsetzen lässt, enthält die flüssige Fraktion reichlich gelöste Pflanzennährstoffe.

Eine Fällungsreaktion (Prezipitation), ausgelöst durch die Zugabe von Lauge, bewirkt in der nachfolgenden Verfahrensstufe die Herauslösung des Phosphors. Bei der Filtrierung des Sediments, das dabei entsteht, kommt ebenfalls eine Innovation des Frauenhofer IGB zur Anwendung.

Egner erklärt, worum es dabei geht: "Die Partikelgröße des als Calciumphosphat und Kaliumphosphat gefällten Rohstoffs liegt üblicherweise bei zehn bis 30 Mikrometer (μm). In unserem Verfahren wachsen die Partikel auf eine Größe von mindestens 50 μm. Dies vereinfacht die Weiterverarbeitung des recycelten Phosphors beim Düngemittelhersteller."

Bundesweit sollen sechs Anlagen entstehen

Abschließend wird Stickstoff zurückgewonnen. Hierfür erprobten die Wissenschaftler am Fraunhofer IGB in Kooperation mit der in Wesseling (NRW) ansässigen SUEZ Deutschland GmbH als Praxispartner verschiedene Technologien. Am praktikabelsten erwies sich schließlich ein für die speziellen Anforderungen modifiziertes Strippingverfahren, an dessen Ende eine Ammoniumsulfatlösung entsteht. Übrig bleibt Wasser, das nur noch Spuren von Phosphor und Stickstoff, aber viel Kalium, enthält und optimal zur Bewässerung eingesetzt werden kann.

"An unseren Technikumsanlagen in Kupferzell gelang es, 90 % des im Input enthaltenen Phosphors und Stickstoffs zu recyclen, nämlich aus 1,2 t Input 83 kg Feststoff, 7 kg Phosphatsalze und 21 kg Ammoniumsulfat", informiert Egner.

Hochgerechnet ließen sich aus der Aufbereitung von 2 Mio. t Gülle oder Gärresten, das entspricht knapp 1 % der Menge, die Landwirte in Deutschland jährlich auf Feldern und Wiesen ausbringen, 14.000 t Phosphorsalze zurückgewinnen. Das wären neun Prozent des Imports an mineralischem Phosphor.

on_Grossanlagen-Phosphor aus Guelle-Foto3-Guellepellets

SUEZ Deutschland erwarb die exklusive Lizenz für das BioEcoSIM-Verfahren. "Dass Phosphor und Stickstoff getrennt zurückgewonnen werden und nahezu nichts im Feststoff verbleibt, ist ein Alleinstellungsmerkmal dieser Technologie", betont Kai Bastuck, der bei dem Entsorgungsunternehmen die Geschäftsfeldentwicklung Recycling und Recovery leitet.

Da das Verfahren gleichzeitig die Möglichkeit bietet, territorial bestehenden Überkapazitäten bei Gülle und Gärprodukten entgegenzuwirken, plant SUEZ großtechnische Anlagen mit einer Verarbeitungskapazität von 15 bis 20 m³/h in Regionen zu errichten, wo infolge der Viehdichte das Interesse an einer Gülleaufbereitung besonders groß ist.

Keine Amortisierung aus Produkterlös

"Wegen der niedrigen Marktpreise und den relativ geringen Outputmengen, kann sich die Aufbereitung von Gülle und Gärresten nicht allein aus dem Erlös der Produkte amortisieren", konstatiert Bastuck. Bei den Annahmepreisen werde man sich aber in Zusammenarbeit mit den Güllebörsen und Lohnunternehmern für Güllelogistik daran orientieren, was bislang für die Entsorgung gezahlt wird, sodass sich für die Viehhalter schon durch die kürzeren Transportwege ein Vorteil ergebe.

Als möglichen ersten Standort nennt Bastuck den niedersächsischen Landkreis Grafschaft Bentheim, wo es bereits Gespräche mit Kooperationspartnern gebe. Der Baustart soll möglichst noch in diesem Jahr, falls sich durch die Corona-Pandemie Behinderungen ergeben, spätestens Anfang 2021 erfolgen. Insgesamt will SUEZ in den nächsten Jahren bis zu sechs Anlagen mit einer Jahreskapazität von jeweils bis zu 150.000 m³ in Schleswig-Holstein, Ostfriesland, NRW, Niedersachsen und Bayern errichten.

on_Grossanlagen-Phosphor aus Guelle-Foto6-Pilotanlage

Bereits seit Mitte vergangenen Jahres testet SUEZ das Verfahren in einer eigens dafür errichteten Pilotanlage mit einer Kapazität von bis zu 2.000 l/h am Standort Zorbau (Sachsen-Anhalt). "Gegenüber dem Technikum des Fraunhofer IGB, das Durchsatzmengen von maximal 50 l Gülle pro Stunde erreichte, gelang uns nicht nur die Skalierung des Anlagensystems um den Faktor 20, sondern auch eine Vollautomatisierung des Prozessablaufs, einschließlich der für den Regelbetrieb notwendigen Sicherheitskomponenten", verweist der SUEZ-Manager auf jüngste Entwicklungsfortschritte.

Qualität der Produkte entspricht Erwartungen

Bei den Versuchen mit unterschiedlichen Einsatzstoffen habe sich gezeigt, dass Schweinegülle besonders unproblematisch ist. Während Gärreste doch mehr Aufmerksamkeit bei der Anlagensteuerung erforderten, insbesondere wegen der Schwankungen beim Trockensubstanzanteil. Auch spiele der Eisengehalt eine Rolle. Dieser sei beispielsweise in Gärprodukten aus der Bioabfallvergärung mit Fleischanteil besonders hoch. Da Eisen Phosphor bindet, entstehe als Produkt dann eher Langzeitdünger für die Grünlandpflege.

Abgesehen von Kinderkrankheiten, die man inzwischen im Griff habe, arbeite die Pilotanlage stabil und erreiche in etwa die Rückgewinnungsquoten aus den Versuchen in Labor und Technikum. Die Analyse der separierten Feststoffe bestätige, dass sie wie angestrebt nährstoffarm sind. Ein Erdenwerk möchte daraus ein neues Bodensubstrat als Torfersatz auf den Markt bringen.

Anforderungen an marktfähigen Dünger erfüllt

Die zurückgewonnenen Phosphatsalze hätten zwar eine andere Konsistenz als importiertes Rohphosphor, ließen sich aber nach Auskunft der Düngemittelindustrie prinzipiell verarbeiten. ASL habe inputunabhängig einen Stickstoffgehalt von 38 bis 42 % und erfülle somit die Anforderungen an einen marktfähigen Dünger.

"Jetzt müssen nur noch die Behörden vor allem bei der Genehmigung nach dem Bundes-Immissionsschutzgesetz mitspielen, dann kann es los gehen", blickt Bastuck nach vorn und hofft beim Recyclen des "kritischen Rohstoffs" Phosphor auch auf Rückenstärkung durch eine kürzlich gestartete EU-Initiative zur Forcierung von Nährstoffkreisläufen.

Fazit

  • Die EU Phosphor klassifiziert inzwischen als "kritischen Rohstoff" und fordert dazu auf, Phosphor im Kreislauf zurückzugewinnen.
  • Bei den Versuchen mit unterschiedlichen Einsatzstoffen habe sich gezeigt, dass Schweinegülle besonders unproblematisch ist.
  • Abgesehen von Kinderkrankheiten, die man inzwischen im Griff habe, arbeite die Pilotanlage stabil.

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