Projekt 33960/01

On-demand Produktion von Phosphatdünger aus Reststoffen von Brauerei und Kläranlage

Projektträger

Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung GmbH - UFZ Department Umweltmikrobiologie
Permoserstr. 15
04318 Leipzig
Telefon: +49 341 235 1318

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Phosphor (P) ist eine nicht-erneuerbare Ressource, die weltweit knapp wird. Sein Einsatz erfolgt hauptsächlich in der Landwirtschaft als Dünger. Je nach Modell reichen die P-Reserven noch 50-330 Jahre. Die Qualität des geförderten Phosphors sinkt zunehmend, da der Anteil von Uran, Cadmium und anderen Schwermetallen zunimmt. Deshalb ist es das Ziel des Projektes, eine Pilotanlage zur Rückgewinnung von Phosphor aus dem Klärschlamm einer Kläranlage aufzubauen, und ihren Betrieb zu optimieren. Dabei sollen Hefen aus Endführungen einer Brauerei als Phosphatakkumulierer eingesetzt werden. Die mit Phosphor angereicherten, schadstoffarmen Hefen können als biologischer Phosphatdünger und zur Verbesserung der Bodenqualität eingesetzt werden.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenFür eine Rückgewinnung des Phosphates aus der Kläranlage muss eine Pilotanlage, bestehend aus 2 Einheiten, aufgebaut werden. Beide Einheiten bestehen aus IPC-Tanks mit 1 m³ Volumen. Der erste Tank enthält ein Rührwerk und dient der Rücklösung von Phosphor aus Schlämmen und Prozesswässern. Der rückgelöste Phosphor wird dann mit der zellarmen Flüssigkeit in den Tank 2 transportiert, wo eine Belüftungseinheit dafür sorgt, dass die zugesetzten Hefen den Phosphor aus der wässrigen Lösung aufnehmen. Nach Beendigung des Aufnahmevorganges wird die Hefe geerntet und hinsichtlich ihrer Eignung als Dünger untersucht. Der Aufbau der Pilotanlage und deren initiale Tests waren Bestandteil von Arbeitspaket (AP) 1 und 2. Die Hochskalierung und Untersuchung des Rückgewinnungsprozesses war Bestandteil von AP 3 - 5. Die Optimierung des Betriebes mittels Tests verschiedener Schlämme und Prozesswässer stand in den APs 7 - 11 im Vordergrund. P-Bilanzen (AP13) sollten sowohl zur Auswahl P-reicher Schlämme befähigen, den Einfluss von Fällungsmitteln auf den stabilen Betrieb der Anlage (AP 12) verfolgen und beurteilen, ob sich Strukturen und Funktionen von mikrobiellen Gemeinschaften in den verschiedenen Becken und Reaktoren der Abwasseranlage sich verändern (AP 14). Das entstandene Produkt wurde in den APs 15 und 16 untersucht. Parallel zu den Versuchen an der Pilotanlage sollten ein Dichte- und ein Ultraschallsensor der Firma Centec den Phosphorgehalt im Medium und den Hefezellen überwachen(AP6).


Ergebnisse und Diskussion

Im Projektverlauf wurde die Pilotanlage zur P-Rückgewinnung geplant und aufgebaut. Das Betreiben der Pilotanlage zeigte, dass diese in wesentlichen Parametern funktioniert und alle Grundvoraussetzungen für einen erfolgreichen Betrieb vorliegen. Anfängliche Probleme wie die starke Schaumentwicklung und Hefeverluste bei der Ernte konnten gelöst werden. Nach umfangreichen Untersuchungen zu (i) den P-Bilanzen in den Becken und Reaktoren der Abwasseranlage, zu (ii) dem Einfluss von Phosphor-Fällungsmitteln auf die P-Bilanz und zu (iii) den Veränderungen von Strukturen und Funktionen der 16 beteiligten mikrobiellen Gemeinschaften nach Änderung des Regimes bezüglich Phosphor-Fällung und Zeit (1,5 Jahre Datenerhebung zur P-Bilanz) wurden Überschuss- bzw. Rücklaufschlamm, Trübwasser, Faulschlamm und Klärschlamm als vielversprechende Substrate für die P-Rückgewinnung ausgewählt (Vucic et al. 2021a). Bis auf den Überschuss- und Klärschlamm liegt bei allen Substraten der Anteil des gelöst vorliegenden Phosphors über der ökonomisch wichtigen Konzentrationsgrenze von 0.05 kg P/m³ (Vucic et al 2021a). Aus dem Überschuss- und Klärschlamm kann eine entsprechend hohe Konzentration an Phosphor freigesetzt werden.
Die vorhandenen Konzentrationen an gelöstem Phosphor in Tank 1 des Moduls waren generell ausreichend für eine Rückgewinnung mittels Brauhefen. Die höchsten Werte an rückgelöstem Phosphor aus Überschussschlamm, Faulschlamm, Klärschlamm, Trübwasser lagen bei jeweils 0,086, 0,219, 0,068 und 0,061 kg free P/m³. Der Wert des gelöst vorliegenden Phosphors innerhalb eines Versuchsdurchganges von 4 h kann um bis zu 75% des anfänglichen Wertes reduziert werden. Die durchschnittliche Effizienz in der Reduktion liegt bei 53.85%. Die Aufnahme in Hefen ist bei Trübwasser und Überschussschlamm deutlich besser (54-75%) als bei Faulschlamm und Extrakt aus Klärschlamm (34-60%). Damit können durch einen entweder dauerhaften bzw. mehrfachen Einsatz des Moduls oder ein up-scaling der Anlage die Vorgaben der Klärschlammverordnung von P < 20 g/kg TM für den Klärschlamm eingehalten werden (AbfKlärV, 2017). Der in den Hefen akkumulierte Phosphor wurde bezüglich seiner Eignung als Düngemittel untersucht und ist besonders auf Verwitterungsboden gut Pflanzen-verfügbar, wie der Vergleich des Hefedüngers mit einem mineralischen Dünger zeigt. Bis auf die Keimzahl sind die Ergebnisse der Hefevarianten denen des mineralischen Düngers ebenbürtig bzw. liegen in den Nährstoffgehalten teils deutlich darüber. Die Qualitätsuntersuchungen ergaben ebenfalls ein positives Bild. In keiner der getesteten Proben konnten Salmonellen oder Schadstoffe in signifikanter Konzentration nachgewiesen werden. Die Arzneimittel Ciprofloxacin, Levofloxacin, Clarithromycin, Carbamazepin, Diclofenac, Cefuroxim, Sulfamethoxazol, Metoprolol und Bezafibrat wurden ebenfalls in den Substraten und dem Produkt untersucht. Sowohl die Susbtrate, als auch die Produkte (Faulschlamm, Klärschlamm und Überschussschlamm) zeigen sehr geringe Konzentrationen von Clarithromycin, Carbamazepin, Diclofenac und Metoprolol. In den geernteten Hefen konnte nur bei einem Produkt aus Klärschlamm Ciprofloxacin und Metoprolol nachgewiesen werden. Die von der Centec GmbH zur Verfügung gestellten Sensoren (Dichte und Ultraschallsensor) wurden in einem Bypass am Tank 2 installiert und haben die Versuche in Tank 2 soweit möglich begleitet. Dabei zeigte sich, dass besonders die Bestimmung des free P sehr nah an den mit einer chemischen Methode bestimmten Werten liegt (Abweichung 0,002-0,004 kg/m³). Auch das bound P kann gut dargestellt werden, jedoch mit einer höheren Abweichung zu den chemisch gemessenen Werten (Abweichung 0,006-0,037 kg/m³). Eine Reduzierung des Eintrages von Luftblasen kann zu einer weiteren Erhöhung der Bestimmungsgenauigkeit beitragen und die Einsetzbarkeit auch an anderen Stellen der Kläranlage, die bisher von chemischen Messsystemen überwacht werden (Zulauf, Ablauf) erlauben.



Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Im Rahmen des Projektes wurde eine Veröffentlichung in der Zeitschrift Science of the Total Environment publiziert (Vucic et al. 2021a). Zwei weitere Publikationen wurden zum Thema Allgemeine – P Rückgewinnungsmethoden (Günther et al., 2018) und Biologische P Rückgewinnungsmethoden (Vucic und Müller, 2021b) in der Zeitschrift Engineering in Life Sciences veröffentlicht. Die Daten der Pilotanlage sind ein Teil einer weiteren, in Vorbereitung befindlichen Veröffentlichung. Zudem wurden 4 Artikel in regionalen Zeitschriften veröffentlicht (2x Leipziger Volkszeitung, 1x Dresdner Morgenpost, 1x Tag24). Die Artikel in der Zeitschrift Science of the Total Environment und in Engineering in Life Sciences sowie die Links zu den regionalen Zeitschriften sind dem Abschlussbericht beigefügt.


Fazit

Eine Rückgewinnung von gelöstem Phosphor unter Einsatz von Resthefen aus der Brauerei ist aus wissenschaftlicher Sicht machbar. Jedoch bedarf es ingenieurstechnischer Weiterentwicklungen im Bereich des up-scalings der Prozessführung sowie der Produkternte, um den Rückgewinnungsprozess weniger arbeitsaufwendig und zunehmend rentabel zu gestalten. Schwerpunkt der weiteren Entwicklung sollte eine semi-kontinuierliche Rückgewinnung gekoppelt mit einer schonenden und schnellen Trocknung des Produktes sein.