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Complete survey of German sewage sludge ashes - phosphorous and technology metal recovery potential
(2014)
Sewage sludge ashes (SSA) are a possible source for recovery of phosphorous (P) and technology metals. Phosphorous is essential for all animate beings. So far, its sole external source is rock phosphate, which is a finite resource. The EU import dependency on P from regions with high domestic demands or political instabilities is almost complete. Furthermore, rock phosphate often contains high amounts of heavy metals like Cd and U that might lead to health and environmetal hazards. P recovered from SSA might diminish these problems. We analyzed SSA from German mono incineration facilities in terms of their elemental composition and respective recovery potential. More than 97% of the emerging SSA is monitored, enabling the determination of complete mass flows of the ashes and their components. Results indicate a P recovery potential of 19,000 t/a (more than 12% of the annual P demands for fertilizer production). The concentrations of Cd and U in SSA are significantly lower than in rock phosphate and thus might help to reduce possible envrionmental and health hazards.
Über den derzeitigen und zukünftigen Umgang mit Klärschlamm wird in Deutschland seit Jahren kontrovers diskutiert. Zum einen enthalten kommunale Klärschlamme Nährstoffe, die sinnvoller Weise wieder in die landwirtschaftliche Nahrungsmittelproduktion eingebracht werden sollten. In diesem Zusammenhang steht Phosphor im Vordergrund, da diese Ressource begrenzt ist und deren zukünftig zu erwartende Knappheit neben der geringen Anzahl an Exportländern für Rohphosphate zu unberechenbaren Preissprüngen am Weltmarkt führen können. Zum anderen stellt Klärschlamm die Schadstoffsenke in der Abwasserreinigung dar, was den direkten landwirtschaftlichen Einsatz dieses Abfalls bedenklich macht. Zwar nahm die Konzentration der umweltrelevanten Schwermetalle in Klärschlämmen in den vergangenen Jahren deutlich ab (Wiechmann, Dienemann et al. 2012), die Belastung mit organischen Schadstoffen (z.B. Pharmazeutika, endokrin wirksame Substanzen, persistente organische Stoffe etc.) ist jedoch unüberschaubar und dürfte sich einem sinnvollen „Monitoring“ weitgehend entziehen. Das daraus resultierende Risiko für Mensch und Umwelt ist schwer einschätzbar und wird aufgrund der Beschaffenheit der diffusen Schadstoffquellen (z.B. Eintrag von Pharmaka und deren Metabolite über menschliche Ausscheidungen) unkalkulierbar bleiben.
Die europäische Kommission (Generaldirektion Unternehmen und Industrie) hat kürzlich die Auswirkungen einer harmonisierten europäischen Düngemittelverordnung, einschließlich der technischen Durchführbarkeit und den umweltbezogenen, wirtschaftlichen und sozialen Auswirkungen einer solchen Gesetzgebung untersuchen lassen. Basierend auf diesen Ergebnissen soll nun die EU-Düngemittelverordnung (EG) 2003/2003 revidiert werden. Neben der Vielzahl von bestehenden und neuen Düngemitteltypen wie z.B. Phosphor-Recyclingdüngern soll die neue Verordnung auch organische Düngemittel und somit Matrices wie Klärschlamm, Gärrückstände und Wirtschaftsdünger regeln. Dies bedeutet, dass Parameter und Grenzwerte, die bisher in verschiedenen Verordnungen für verschiedene Matrices geregelt wurden, künftig gemeinschaftlich geregelt werden (Klärschlamm, Düngemittel) und weitere Matrices zusätzlich geregelt werden müssen (Phosphor-Recycling-Produkte, Produkte aus Klärschlamm/-aschen).
Resultierend aus den aktuellen nationalen Entwicklungen insbesondere bezüglich des Ausstiegs aus der landwirtschaftlichen Klärschlammverwertung und im Hinblick auf die Bestrebungen hinsichtlich der Schonung natürlicher Ressourcen (z.B. ProgRess) ist zu erwarten, dass die Anzahl an Düngemitteln, die aus Recyclingmaterialien gewonnen werden, stark zunehmen wird. Recyclingdünger aus dem Stoffstrom Klärschlamm- bzw. Klärschlammasche werden zukünftig einen großen Anteil an diesen neuen Produkten ausmachen.
Vor den angeführten Hintergründen ist es notwendig relevante und insbesondere bereits genormte Verfahren hinsichtlich ihrer Anwendbarkeit auf z.B. Klärschlamm/-aschen und daraus gewonnenen Recycling-Düngern sowie auf kommerzielle P-Düngemittel zu prüfen.
Vor diesem Hintergrund wurde die BAM (FB 4.4) vom UBA mit einer Untersuchung beauftragt:
UFOPLAN FKZ: 3714263200
„Untersuchung der Anwendbarkeit der im Rahmen des CEN-Projekts HORIZONTAL entwickelten Analyseverfahren auf Düngemittel und Klärschlamm/ -aschen“
Laufzeit: 01.07.2014 – 31.01.2017
In Deutschland werden gegenwärtig etwa 53 % der kommunalen Klärschlämme in Mono- und Müllverbrennungsanlagen sowie Kraft- und Zementwerken thermisch und 47 % stofflich, d.h. landwirtschaftlich (30 %) oder in landschaftsbaulichen Maßnahmen u.ä. verwertet (17 %). Bezogen auf die etwa 9,4 Mrd Kubikmeter Abwasser, die pro Jahr in Deutschland anfallen, kann von einem Potenzial von 75000 t Phosphor/a (davon ca. 67500 t P/a im Klärschlamm) ausgegangen werden. Bislang werden in der Literatur ca. 37 Verfahren zur abwasserseitigen Rückgewinnung von Phosphor beschrieben, die im Labor, im Technikumsmaßstab oder in Pilotanlagen erprobt worden sind. Weltweit wurden bisher ca. 12 davon großtechnisch umgesetzt. Etwa vier verschiedene Verfahrenstechniken lassen sich derzeit in Deutschland finden. Einige Verfahren arbeiten mit Ionenaustauschern, zum überwiegenden Teil handelt es sich jedoch um Fällungs- oder Kristallisationsverfahren, bei denen Magnesium-Ammonium-Phosphat (MAP, Struvit) entweder aus den Haupt- oder Nebenströmen einer Kläranlage oder aus dem Schlamm bzw. Schlammwasser gewonnen wird. Für den Nährstoff Phosphor konnte in den Klärschlammaschen ein Gehalt von durchschnittlich 7 % ermittelt werden. Daraus ergibt sich ein Potenzial von etwa 17500 t P/a (Tendenz steigend). Je nach Verfahren kann mit einem Rückgewinnungspotenzial von etwa 60 bis 90 % Phosphor aus der Asche (ca. 55 bis 80 % Pges bezogen auf den Kläranlagenzulauf) gerechnet werden
Phosphorus fertilizer from sewage sludge ashes by thermochemical treatment - Benefits and challenges
(2015)
Mineral phosphorus (P) fertilizers are solely produced from phosphate rock. Europe completely depends on imports since there are no relevant phosphate rock deposits on the continent. Furthermore, phosphate rock is contaminated with heavy metals such as Cd and U that pollute the farmlands and pose environmental risks. Sewage sludge ash (SSA) might be a promising source for recycling fertilizer since it contains large amounts of P (up to 13 %). However, fertilizer from SSA has to comply with the respective ordinances, particularly the heavy metal limit values stated in the fertilizer ordinance, and requires sufficient P bioavailability. Thus, we conducted a complete survey of SSA from German mono-incineration facilities and developed a thermochemical treatment for SSA to reduce toxic elements and increase P bioavailability.
Phosphorus (P) is essential for all forms of life and cannot be substituted. It is one of the macro nutrients applied in form of mineral or organic fertilizers in agricultural crop production. Mineral P fertilizers are generally based on phosphate rock, a limited resource. Western Europe completely depends on imports as it has no own relevant phosphate mines. The most abundant phosphate deposits are located only in a few countries such as Morocco, China, South Africa and the United States of America. Furthermore, phosphate rock and as a consequence mineral P fertilizers are often contaminated with the toxic elements cadmium and uranium. In Order to substitute phosphate rock P-bearing waste streams are investigated for their potential to be recyded as fertilizers. Wastewater is one of the important P-bearing waste streams that were in the focus of research in the last 10 years. German wastewater is e.g. a carrier of approx. 70,000 t of phosphorus per year.
In Europa fallen jedes Jahr mehr als 10 Millionen Tonnen Klärschlamm an (Trockenmasse), etwa 2 Millionen davon in Deutschland, Bild 1 zeigt die Entwicklung der Klärschlammentsorgung in Deutschland. Nach dem Deponierungsverbot hat die Verbrennung des Klärschlamms stetig zugenommen. Die Verwendung im Landschaftsbau bzw. als Düngemittel ist nach einem Maximum um die Jahrtausendwende herum zugunsten der Verbrennung zurückgegangen, so dass heute jeweils etwa die Hälfte des Klärschlamms verbrannt und in der Landwirtschaft genutzt wird. Der Anteil an verbranntem Klärschlamm wird in Zukunft vermutlich weiter steigen. Ein wesentlicher Grund dafür ist die zunehmende Besorgnis über Schadstoffe im Klärschlamm, die Mensch und Umwelt schädigen könnten. Neben verschiedenen organischen und anorganischen Schadstoffen handelt es sich insbesondere um Emerging Pollutants of Concern (EMPOC) wie Antibiotika und Kosmetika.
Sewage sludge ashes (SSA) contain considerable mass fractions of phosphorus (5-10 w-% P) suitable for fertiliser production. Unfortunately, also most of the heavy metals remain in the ashes. A thermochemical process was developed for the treatment of SSA to i) remove heavy metals and ii) transform phosphates into bio-available mineral phases. The technology was already demonstrated in technical scale (capacity of 300 kg/h) and the company OUTOTEC is currently planning the first industrial plant. In order to manufacture a marketable multi-nutrient fertiliser from the thermochemically treated SSA further wastes and industrial by-products were taken into account. Ammonium sulphate occurs as a by-product of the caprolactam production and was chosen as N-carrier (21 w-% N). Straw ash was tested as potassium carrier (11-15 w-% K). Granulation campaigns were carried out with intensive mixers in lab-, medium-and technical scale. NPS-and NPKS-fertilisers were produced that were characterised by suitable particle size distributions and strength.
The number of different secondary raw materials used for fertilizer production is expected to increase in the future due to newly developed recycling procedures. Thus, more and more different matrices have to be analyzed. Furthermore, the respective legislation and analytical methodology is nonuniform throughout Europe. Therefore, a harmonization of the the regulations and Standards is desirable. We conduct a research project to test the existing analytical methods on their applicability to a broad variety of matrices to support the harmonization process. The project is scheduled tili late spring 2017. Initial results will be presented.