Das Verbundprojekt setzte auf der grundlegenden Verfahrensentwicklung zu einem neuartigen P-Recyclingverfahren zur Nutzbarmachung von Phosphat aus Klärschlammaschen durch die Verbundpartner auf. Dieses Verfahren bietet gegenüber bestehenden Verfahren erhebliche technische, wirtschaftliche und umweltökologische Vorteile.
Besonders umweltproblematisch ist bei konventionellen aber auch Recycling-Düngern, dass heute typischerweise 70 – 90 % des mit den Düngern zugeführten Phosphates ausgewaschen oder im Erdboden adsorbiert und somit nicht von den Pflanzen aufgenommen werden, was keiner nachhaltigen Nutzung von Rohstoffen entspricht. Vor diesem Hintergrund verfolgte das Vorhaben neuartige Ansätze zur direkten Überführung phosphathaltiger Reststoffe in für die Pflanzen erstmals hochverfügbare und spezifisch bedarfsabgestimmte Nährstoffdünger. Die Pflanzenverfügbarkeit des Phosphors sollte durch den „Einbau“ organischer Säuren als Lösungsmatrix und Resorptions-Katalysatoren (Huminsäuren) in die Düngermatrix deutlich verbessert werden. Der Phosphorumsatz an der Pflanzenwurzel sollte dadurch mit dem Ziel optimiert werden, den Düngereinsatz zu reduzieren, Auswaschungen und Anreicherungen im Boden im Sinne eines nachhaltigeren Boden- und Grundwasserschutzes drastisch zu vermindern und Erträge zu verbessern. Ziel war es, eine im Vergleich zu konventionellen Düngern um mindestens 20 – 30 % höhere Effizienz bei der P-Nährstoffaufnahme zu erreichen.
Basis der im Projekt verfolgten Verfahrensentwicklung ist ein Phosphor-Rückgewinnungsverfahren der pontes pabuli GmbH. Dessen Grundidee ist, dass das weitgehend unlösliche, nicht-pflanzenverfügbare Phosphat in Klärschlammasche mit Mineralsäure aufgeschlossen wird. Durch den Aufschluss wird die Löslichkeit des Phosphates erhöht, wobei durch die Art und Konzentration der eingesetzten Säure sowie der Prozess-führung die Löslichkeit an die Erfordernisse der Nährstoffaufnahme der Pflanzen angepasst werden kann. Dieser technologische Basisansatz sollte im Vorhaben neu ausgerichtet werden, indem der Aufschluss der Klärschlammimmanenten Phosphate erstmals mit organischen Säuren erfolgen sollte. Hierfür waren geeignete Prozessparameter und Verfahrensabfolgen, auch insbesondere zur anteiligen Schwermetallabtrennung zu entwickeln. Zudem sollten Wege gefunden werden, den im finalen Dünger verbleibenden organischen Rest-Säureanteil so einzustellen, dass er an die Bedingungen der Böden optimal angepasst ist und keine negativen, sondern einen fördernden Einfluss auf deren Besatz mit Mikroorganismen hat.
Für die geplante Verfahrensentwicklung für das anvisierte neuartige P-Rückgewinnungsverfahren musste zunächst das Löseverhalten mit organischen Säuren untersucht werden. Es waren geeignete Parameter und Verfahrensabfolgen zu entwickeln, die eine gezielte Aufkonzentration bzw. Stabilisierung des Phosphors in einer Suspension erlauben. Ziel dabei war die Erarbeitung einer Rohstoff- und Parametermatrix, aus der das spezifische Löseverhalten bei unterschiedlichen Rezepturen und Prozessparametern und die entsprechenden Verarbeitungsvorgaben hervorgehen.
Neben dem Löseverhalten von Phosphat mit organischen Säuren galt es auch das Löseverhalten der Schwermetallkomponenten zu detektieren. Dazu erfolgen Untersuchungen bei unterschiedlichen Rezepturen und Prozessparametern. Auf dieser Basis wurden anschließend geeignete Methoden zur selektiven Schwermetallabtrennung unter den spezifischen Stoff- und Prozessbedingungen eruiert. Dabei soll eine geeignete Trennungsprozedur entwickelt werden, die einen hohen Schwermetallgehalt abtrennt und prozesstechnisch realisierbar ist.
Anschließend sollte in entwickelten Modellsubstanzen mit spezifisch eingestellter Nährstoffzusammen¬setzung Huminsäure integriert werden. Dazu musste eine technische Lösung erarbeitet werden, wie die Huminsäure wirksam eingearbeitet und gegebenenfalls aktiviert werden kann. Neben der laborativen analytischen Prüfung werden die erzeugten Modellsubstanzen hinsichtlich der Düngewirkung durch Topfversuche geprüft. Abschließend war eine energetische, stoffliche und wirtschaftliche Bilanz und daraus abgeleitet ein Grundkonzept für die technische Umsetzung aufzustellen.
Im Hinblick auf die Überführung der Aschen in verarbeitbare Lösungen konnten für jeden der untersuchten Säuretypen eine geeignete Parametermatrix zum Lösen des Phosphates aus der Klärschlammasche ermittelt und auf die Kreislaufversuche übertragen werden. In diesen Versuchen selbst konnte ein stabiler Zyklen-Kreislaufbetrieb erreicht werden, wobei ein sehr hoher Anteil an Phosphor allein mit organischen Säuren aus der Asche von über 90 % gelöst wurde. Dies galt als grundlegende Voraussetzung für die Wirksamkeit des Verfahrens, um die schlecht pflanzenverfügbaren Phosphate in der Asche in hochwirksame Düngeprodukte umzuwandeln. Die Analyse der resultierenden Reaktionsprodukte zeigte eine Neutral-Ammoniumcitratlöslichkeit von größer 90 %. Dies impliziert eine hervorragende Pflanzenverfügbarkeit des Phosphates nach der Reaktion mit der organischen Säure und übertraf die gesteckte Zielsetzung von ≥80 % deutlich.
Neben der Löslichkeit des Phosphates wurde auch die Löslichkeit der Schwermetalle unter den unterschiedlichen Lösebedingungen untersucht. So wurden auch Abhängigkeiten der Löslichkeit der Schwermetalle von den Löseparametern (z. B Art der zugegebenen Säure, der Konzentration der Säure, der Reaktionstemperatur) ermittelt. Mit höherer Säurestärke und Temperatur verbesserte sich die Lösung der Schwermetalle, womit gleichzeitig die Voraussetzung für deren Abtrennung gegeben war. In diesem Zusammenhang konnte nachgewiesen werden, dass durch organische Säuren auch ein umweltrelevanter Anteil von Schwermetallen aus der Asche herausgelöst und in das Prozesswasser überführt werden kann.
Mithilfe der darauf aufbauend entwickelten, auf einer sulfidischen Fällung basierenden Methode zur Schwermetallabscheidung gelang es anschließend, über 90 % des Kupfers, Arsens und Bleis sowie mehr als 50 % des Cadmiums und mehr als 50 % aus dem Prozesswasser zu entfernen. Damit konnten die schwermetallspezifischen Zielvorgaben bestätigt werden. Die ermittelten Abtrennraten der Schwermetalle waren dabei von der verwendeten Säure, dem eingesetzten Fällungsmittel und dessen Zugabemenge sowie den eingestellten Reaktionsparametern abhängig. Mit der ermittelten Parametermatrix können nun jedoch die Schwermetalle gezielt abgetrennt und die Grenzwerte der Düngemittelverordnung eingehalten werden.
Bei der Entwicklung von nährstoffspezifischen Modellsubstanzen mit Huminsäure wurde ermittelt, wie sich unterschiedlich Huminpräparate einarbeiten lassen. Während die Zugabe beim Löseprozess die Lösung des Phosphats und der Schwermetalle behinderte, erwies sich die homogene Zumischung der Huminsubstanzen durch Intensivmischung zum erzeugten Filterkuchen nach dem Löseprozess und der Fest/Flüssig-Trennung als erfolgsversprechender Ansatz.
Die im Projekt nachgewiesen hohe Umwandlung des Phosphates aus der Klärschlammasche in eine besser lösliche Phase (>90 % neutral-ammoniumcitratlöslich) und die Integration von Huminsubstanzen weisen auf eine gegenüber konventionellen Düngern deutlich verbesserte Düngewirkung hin. Diese gilt es jedoch in den laufenden Pflanzversuchen nachzuweisen, die aufgrund der zeitlichen Begrenzung des Projekts aktuell noch andauern und eine abschließende Aussage zur Düngewirkung noch nicht zulassen. Erste vielversprechende Ergebnisse aus diesen Versuchen weisen jedoch in die richtige Richtung.
Die sehr positiven Projektergebnisse werden aktuell für erste Publikationen aufbereitet und sollen in den kommenden Monaten gemeinsam mit den Partnern außenwirksam kommuniziert werden. Neben der wissenschaftlichen Aufarbeitung, die an der MFPA im Mittelpunkt stehen wird, geht es dabei vor allem um die gezielte Adressierung potenzieller Anlagenbetreiber und der Erzeuger von Klärschlamm bzw. Klärschlammasche. Ziel ist es, die in Fachkreisen den neuartigen Ansatz für resorptionsoptimierter Recycling-Dünger für einen hocheffizienten Phosphoreinsatz in der Landwirtschaft darzulegen und anhand der erzielten, beachtlichen Ergebnisse die Potentiale und Möglichkeiten darzustellen. Dafür werden insbesondere aus den noch andauernden Pflanzversuchen überzeugende Argumente durch eine nachgewiesene positive Düngewirkung erwartet.
Wichtiger Ausgangspunkt der Öffentlichkeitsarbeit wird zukünftig vor allem auch die von pontes pabuli und VKD derzeit realisierte Demonstrationsanlage in Markranstädt sein, an der das pontes pabuli Verfahren inklusive der Schwermetallabtrennung erstmals in einem technischen Maßstab gezeigt werden kann. Die hier erzielten Projektergebnisse mit Einsatz organischer Säuren sollen zunächst auf diese Anlage übertragen und verifiziert werden. Anschließend soll die Demonstration der Potentiale der Verfahrensvariante mit organischer Säure für potentielle Anwender mit deren Aschen und weitere Interessierte im Feld des Phosphorrecyclings erfolgen.
Die Ergebnisse des Vorhabens können sehr positiv bewertet werden und deuten sehr stark darauf hin, dass das pontes pabuli-Verfahren unter Einsatz organischer Säuren als effektiver Lösungsmittel für den Phosphataufschluss sowie pflanzendverfügbarkeitsverbessernden Huminzusätzen und einer effektiven Schwermetallabtrennung dazu ertüchtigt werden kann, Klärschlammaschen in völlig neue, „hochperformante“ Düngerqualitäten zu überführen und damit dem Einsatz konventioneller, vielschichtig problembehafteter Düngemittel entgegenzutreten. Insbesondere mit Blick auf den Biolandbau werden so wichtige Voraussetzungen geschaffen, um bisherige Ertragsnachteile nachhaltig zu kompensieren. Vor diesem Hintergrund kann das Vorhaben einen wichtigen Beitrag für die Stärkung des Biolandbaus bzw. den Umbau der landwirtschaftlichen Nahrungsmittelproduktion leisten.