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Phosphorus recovery from wastewater and sludge
concept for different regional conditions
Zhou, Kuangxin
Phosphor ist eine essentielle, aber begrenzte Ressource. Technologien zur Phosphorrückgewinnung wurden in den vergangenen Jahren weiter entwickelt und zum Teil großtechnisch umgesetzt, wodurch kommunales Abwasser und Klärschlamm als eine vielversprechende sekundäre Phosphorquelle angesehen werden kann. Deutschland ist bei Phosphor nahezu vollständig vom Import abhängig. Die neue, 2017 beschlossene Klärschlammverordnung verpflichtet zur Rückgewinnung von Phosphor aus Klärschlamm großer Anlagen nach einer Übergangsfrist. China ist der größte Phosphatproduzent (Bergbau und Verarbeitung) und Konsument weltweit mit großen mineralischen Phosphorvorkommen. Verschiedene Rahmenbedingungen erfordern unterschiedliche Ansätze zur Phosphorrückgewinnung. Diese Arbeit konzentriert sich auf unterschiedliche regionale Optionen zum Phosphorrecycling in der Landwirtschaft und Rückgewinnung aus Klärschlamm als Struvit und Düngemittelindustrieabwasser.
Die landwirtschaftliche Nutzung von Klärschlamm ist in mehreren Ländern gesetzlich eingeschränkt oder sogar verboten. Zum Beispiel verlangt in Deutschland die neue Regelung der Düngemittelverordnung, dass ab dem Jahr 2017 synthetische Polymere bei der Herstellung von Düngemitteln nur noch eingesetzt werden dürfen, soweit diese sich mindestens um 20 % innerhalb von zwei Jahren abbauen. Vor diesem Hintergrund wurde in dieser Studie die großtechnische Anwendbarkeit der stärkebasierten biologisch abbaubaren Polymere in der Schlammeindickung und Entwässerung untersucht. Ergebnisse zeigen, dass die Substitution von 20-30% des Polyacrylamid-basierten Polymers eine ähnliche Trockensubstanz bei der Schlammentwässerung erreicht.
Die Phosphorrückgewinnung durch Struvit-Fällung ist bereits sowohl technisch als auch wirtschaftlich machbar. Dies belegen die mehr als 40 großtechnischen Anlagen weltweit. Bei der Auslegung und Umsetzung dieser Verfahren sollten auch die Umweltauswirkungen berücksichtigt werden. Eine Ökobilanz wurde in dieser Studie durchgeführt. Sie vergleicht zwei Generationen des AirPrex® Reaktors auf der Kläranlage Waßmannsdorf und der Kläranlage Amsterdam West. Die Ergebnisse zeigen, dass der neue Reaktor energieeffizienter ist, weniger Treibhausgasemissionen generiert und ein geringeres Eutrophierungspotential hat. Diese Verbesserungen resultieren vor allem aus optimierter Struvitfällung und –ernte und zeigen, dass sich die Technologie vor allem im Betrieb und nicht nur im Labor oder Technikum weiterentwickeln lässt.
Die Phosphorrückgewinnung aus dem kommunalen Abwasser in China ist eingeschränkt durch niedrige Phosphatkonzentration im kommunalen Klärschlamm und die unsachgemäße Schlammentsorgung. Die Rückgewinnung aus industriellen Abwässern mit höherer Phosphatkonzentration zeigt ein höheres Potential aufgrund eines leichten Marktzugangs und der Vorteile für den Betreiber. Deshalb wurde das Potential der Phosphorrückgewinnung in Düngermittelindustrieabwasser im Rahmen einer Machbarkeitsstudie untersucht. Die Ergebnisse des Laborversuchs zeigen, dass mit einem neuen Konzept durch Mischung von Phosphat-Abwasser und Ammonium-Abwasser aus Düngemittelproduktionsanlagen, etwa 95% Orthophosphat und 30% Ammonium-Stickstoff entfernet werden können. Die wirtschaftliche Machbarkeit der Phosphorrückgewinnung als Struvit an dieser Anlage ist ebenfalls bewiesen.
Obwohl die technische Machbarkeit der Phosphorrückgewinnung bereits gezeigt werden konnte, sollte die Gesetzgebung und die nationale Politik mit der technologischen Entwicklung Schritt halten. Es sollten mehr Anstrengungen unternommen werden, um nicht nur ein einziges Element rückzugewinnen, sondern sowohl die Ressourcen- als auch die Energieeffizienz in Kläranlagen zu verbessern.
Phosphorus (P) is an essential but limited resource. In recent years, technologies for phosphorus recovery have been developed further and some of them have been implemented on a large scale, making municipal wastewater and sludge promising secondary phosphorus sources. Germany is almost completely dependent on phosphorus imports. The newly adopted sewage sludge ordinance in 2017 requires, after a transitional period, the recovery of phosphorus from sewage sludge in large WWTP plants. China has abundant phosphate rock deposits and is the world's largest producer (mining and processing) and consumer of phosphate rock. Different frameworks require different approaches to the recovery of phosphorus. This paper focuses on different regional options for phosphorus recycling in agriculture and recovery from sewage sludge via struvite and wastewater from the fertilizer industry.
The agricultural use of sewage sludge is restricted by legislation or even prohibited in several countries. In Germany, for example, a new and more stringent regulation of German fertilizer ordinance, effective from 2017, requires the degradation of 20% of synthetic additives such as polymeric substances within two years. Against this background, the general feasibility of applying starch-based biodegradable polymers in full-scale thickening and centrifugation was demonstrated in this study. Results show that a substitution of 20-30% of the polyacrylamide-based polymer was capable of achieving similar total solids of the dewatered sludge.
P-recovery through struvite is already both technically and economically feasible. This has been proved by more than 40 large-scale plants worldwide. However, when designing and implement these P-recovery technologies, the environmental effects need to be considered. Therefore, a comparative environmental life cycle assessment of phosphorus recovery with different generations of the Airprex® reactors at WWTP Wassmannsdorf and Amsterdam West was carried out in this study. Results show that the new reactor is more energy efficient and has a lower greenhouse gas (GHG) footprint and eutrophication potential. These improvements are mainly due to optimized struvite precipitation and harvesting, and show that technology can be developed further, especially in plant operation and not only in the laboratory or pilot plant.
P-recovery from municipal wastewater in China is limited to the low P concentration in sludge and improper sludge disposal. The recovery from industrial wastewater with a high concentration of phosphorus shows higher potential due to easier market access and benefits to its operators. For this reason, the potential of P-recovery from fertilizer industry wastewater was investigated in this study. The results of the lab experiment show that about 95% orthophosphate and 30% ammonium nitrogen can be recovered using a new treatment where of phosphate and ammonia wastewater from fertilizer plants are mixed. The economic feasibility of phosphorus recovery via struvite has also been proved at this plant.
Although the full-scale P-recovery techniques have proved to be technologically feasible, legislation and national policies need to keep up with the development of technology. More efforts are required taken to recover not only one single element, but also to improve both the energy and resource efficiency in WWTPs.
