500 Grad Hitze und Kalium, Hochschule für Life Sciences FHNW

Bei der Reinigung von Abwässern fällt Klärschlamm an. Neben Biomasse und Schadstoffen enthält er auch gefällten Phosphor. Dieser wichtige Stoff für Düngemittel muss per Gesetz ab 2026 zurückgewonnen werden. Das soll die Schweiz unabhängiger von Phosphorimporten machen.

In einem Prozess zur direkten Verarbeitung von Klärschlamm zu Dünger setzen Forschende der Hochschule für Life Sciences FHNW auf Pyrolyse. Das thermische Verfahren unter Sauerstoffausschluss produziert Dünger von hoher Qualität, lässt sich gut in bestehende Kläranlagen integrieren und geht in Kürze in die Pilotphase.

Es gibt mehrere Gründe, weshalb Schweizer Landwirte Klärschlamm nicht auf ihre Felder aufbringen dürfen. Er ist mit schwer abbaubaren Chemikalien, Arzneimittelresten und giftigen Schwermetallen belastet, die versickern und für Lebensräume in Gewässern so zur Gefahr werden. Deshalb gilt die thermische Verwertung des Klärschlamms heute als Standard – er wird verbrannt. Der Nachteil des Verfahrens ist, dass der enthaltene Phosphor dabei verloren geht, der als Dünger grosse landwirtschaftliche Bedeutung hat.

Die Umwelttechnologiegruppe vom Institut für Ecopreneurship hat in Zusammenarbeit mit Industrie und Wissenschaft eine Technologie entwickelt, die den Klärschlamm tauglich für die landwirtschaftliche Nutzung macht. «Der Schwerpunkt des Projekts liegt auf der Integration des Verfahrens als Systembaustein in die bestehende Klärschlammverarbeitung. Damit soll eine möglichst breite Anwendbarkeit erreicht werden», sagt der Leiter der Gruppe, Thomas Wintgens. Die am Projekt beteiligten Firmen und Forschungseinrichtungen haben praktische Erfahrungen, welche die gesamte Wertschöpfungskette von der Kläranlage bis zum Düngemitteleinsatz in der Landwirtschaft abdecken.

Hohe Temperaturen vernichten organische Schadstoffe

Der Kern des innovativen Verfahrens ist die sogenannte Pyrolyse. Wie die Verbrennung ist die Pyrolyse in der Chemie eine Methode zum Aufbrechen organischer Verbindungen unter hohen Temperaturen. Doch es gibt einen wichtigen Unterschied, wie der Projektleiter Anders Nättorp erklärt: «Bei der Verbrennung wird viel Sauerstoff zugesetzt, damit sich der Kohlenstoff vollständig zu CO2 umwandelt. Bei der Pyrolyse hingegen geben wir wenig Sauerstoff zu, um andere thermische Umsetzungsprodukte zu erhalten. Wir sprechen dabei von einem reduktiven Prozess.»

Das neue Verfahren sieht auch eine Verbrennungsstufe vor, die selbst die letzten organischen Bestandteile vollständig umsetzt. Die Betriebstemperaturen jenseits von 500 Grad Celsius zerstören nicht nur sämtliche organischen Schadstoffe, sondern verdampfen auch Schwermetalle, die aus der Abluft des Verfahrens isoliert werden können. Der Forschungsverbund konnte mit dieser Technologie schon Erfahrungen im Bereich industrieller und kommunaler Abfälle sammeln.

Obwohl Vorstudien gezeigt haben, dass sich das Konzept gut zur Behandlung von getrocknetem Klärschlamm eignet, hatten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler eine andere Herausforderung zu meistern: Pflanzen konnten den Phosphor aus der Pyrolyseasche nicht so gut aufnehmen. «Bei der Pyrolyse entstehen unterschiedliche mineralische Verbindungen von Phosphor. Manche davon sind so stabil, dass sie nicht einmal die Zitronensäure auflösen kann, die von den Wurzeln einiger Pflanzen abgesondert wird», sagt Nättorp.

Kalium macht Pyrolyse-Schlamm zum Dünger

Erfolg hatten die Forschenden, indem sie zur Pyrolyse Kaliumverbindungen hinzugaben. Das Metall sorgt für die Entstehung anderer mineralischer Verbindungen, die für die Pflanzen besser verfügbar sind. «Mit dem Dünger aus der Pyrolyse erzielen wir in Topfversuchen eine agronomische Effizienz von 90 Prozent», berichtet Nättorp. «Die Pflanzen wuchsen also mit dem neuen Dünger fast genauso gut, wie Pflanzen, welche die gleiche Menge künstlich hergestellten Phosphordünger erhielten.» Das Verfahren hat der Forschungsverbund patentieren lassen und auch schon einen Namen für den Dünger gefunden: Pyrophos.

Bevor der pyrolysierte Klärschlamm seinen Weg als Dünger in den Handel findet, muss er in einem letzten Verfahrensschritt für den effektiven Einsatz in der Landwirtschaft aufbereitet werden. Das betrifft sowohl die genaue Zusammensetzung des Düngers als auch dessen äussere Form. Dünger als Streugut hat standardisierte Granulatgrössen und enthält je nach Feldfrucht unterschiedliche Bestandteile, vor allem Kalium, Stickstoff und Phosphor. Indem sich der Forschungsverbund für Kalium als Zusatzreagenz in der Pyrolyse entschieden hat, deckt der Pyrophos-Dünger zwei der drei wichtigsten Elemente des Nährstoffbedarfs von Pflanzen ab. Wenn zusätzlich noch Stickstoff gebraucht wird, kann dieser einfach dem Pyrophos-Dünger beigemengt werden.

Kreislaufwirtschaft auf der Kläranlage

Die Kläranlage des Abwasserverbands Altenrhein dient den Forschenden als Testgelände für das Pyrophos-Verfahren: Dort werden Klärschlamm und Lebensmittelabfälle von 300 000 Einwohnern vergärt und anschliessend getrocknet. Die Kläranlage beliefert die benachbarte Zementindustrie mit Trockenschlamm als Brennstoff – wobei Phosphor in Zement eingebunden wird und verloren geht. Die Pyrophos-Projektgruppe prüft nun, ob diese Kläran- lage als erste Anlage für das neue Verfahren geeignet ist. «Bisher haben wir im Kilomassstab produziert», sagt Wintgens, «jetzt skalieren wir auf den Tonnenmassstab. Damit wollen wir zeigen, dass unser Verfahren nicht nur den Phosphor rückgewinnen kann, sondern auch wirtschaftlich ist, und dies bei deutlich kleineren Ausbaugrössen verglichen mit konventioneller Klärschlammverwertung.»

Methoden

• Kalzinierung
• Nasschemie (Königswasser- und andere Aufschlüsse)

Infrastruktur

• Röntgenpulverdiffraktometrie (XRD)
• Optische Emissionsspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma (ICP-OES)
• Massenspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma (ICP-MS)

Förderung

• Innosuisse

Zusammenarbeit

• Abwasserverband Altenrhein
• CTU Clean Technology Universe AG
• Landor fenaco Genossenschaft
• Forschungsinstitut für biologischen Landbau (FiBL)