Eine dringend benötigte Ressource aus einem allgemein verfügbaren Abfallstrom gewinnen
Abwasser – eine unerschöpfliche Abfallquelle mit vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten, von denen einige bereits genutzt und andere noch entwickelt werden. Die Gewinnung des im Abwasser enthaltenen Phosphors ist von enormem Interesse. Weißer Phosphor wird in zahlreichen Industriezweigen eingesetzt und findet beispielsweise in verschiedenen Produkten Verwendung, die von pharmazeutischen Anwendungen in Medikamenten über den Einsatz als Flammschutzmittel bis hin zur Herstellung von Batterien für die Automobilindustrie reichen. Hochwertige Phosphorsäure, die aus weißem Phosphor hergestellt wird, kommt zudem bei der Herstellung von Halbleitern oder in der Lebensmittelindustrie als Säureregulator für Erfrischungsgetränke zum Einsatz. Daher besteht großes Interesse an der Entwicklung innovativer Ansätze zur Gewinnung dieses Elements. „Unter der Annahme steigender Klärschlammmengen in Europa und der Fortsetzung der Verpflichtung der EU zur Phosphorrückgewinnung, könnte FlashPhos(öffnet in neuem Fenster) bis 2050 jährlich 1,5 Millionen Tonnen Klärschlamm-Trockenmasse recyceln“, erklärt FlashPhos-Koordinator Christian Schmidberger(öffnet in neuem Fenster) vom Fachbereich Dezentrale Energieumwandlung(öffnet in neuem Fenster) der Universität Stuttgart(öffnet in neuem Fenster).
Ein Drei-Schritte-Verfahren zur Gewinnung von Phosphor aus Abwasser
Das FlashPhos-Verfahren besteht aus drei Schritten, bei denen unterschiedliche Technologien zum Einsatz kommen. In einer neu entwickelten Trocknungs- und Mahlanlage wird der feuchte Klärschlamm gleichzeitig getrocknet und zu einem feinen, trockenen Pulver vermahlen, das für den zweiten Schritt erforderlich ist. Der zweite Schritt beinhaltet einen Flugstromreaktor, in dem das Klärschlammpulver bei hohen Temperaturen in einen gasförmigen Brennstoff und eine phosphorhaltige Schlacke umgewandelt wird. Im letzten Schritt wird der Phosphor aus dem Schlamm reduziert und in die Gasphase überführt, aus der er in Form von weißem Phosphor abgetrennt wird. „Wir haben das Verfahren in drei Pilotstudien erprobt, die – wie ich erfreulicherweise sagen kann – wirklich gut verlaufen sind“, sagt Schmidberger. Insgesamt wurden drei Pilotanlagen entwickelt: eine Trocknungs- und Mahlanlage, eine Flash-Reaktoranlage und eine Raffinerieanlage. Die Trocknungs- und Mahlanlage befand sich zunächst in Straubing und wurde nach geraumer Zeit nach Stuttgart, Deutschland, verlegt. Der Flash-Reaktor und die Raffinerieanlage befinden sich in Leoben, Österreich. Das Team stand vor technischen Herausforderungen, erinnert sich Schmidberger. Der Flash-Reaktor arbeitet bei sehr hohen Temperaturen von etwa 1 500 °C bis 1 600 °C. „Berücksichtigt man die chemischen Eigenschaften der Klärschlammasche und die Hitze, stellt das Verfahren für das Reaktormaterial – insbesondere für die feuerfeste Auskleidung – eine enorme Belastung dar!“ Es wurden verschiedene Prüfungen durchgeführt, um sicherzustellen, dass die schützende, hitzebeständige Schicht im Inneren der Hochtemperatur-Industrieausrüstung – die sogenannte feuerfeste Auskleidung – standhält, und es wurden Simulationen durchgeführt, um die Temperaturregelung im Reaktor zu analysieren.
Phosphor gewinnen und gleichzeitig eine Alternative zu Beton eröffnen
FlashPhos bietet eine technische Lösung für zwei Herausforderungen – die Schaffung eines Entsorgungswegs für Klärschlamm und die Verringerung der europäischen Abhängigkeit von der Phosphoreinfuhr. Wie Schmidberger anmerkt, ist die aktuelle Lage angesichts der weit verbreiteten Nutzung von Phosphor alles andere als ideal: „In Europa gibt es praktisch keine natürlichen Phosphorquellen, sodass wir vollständig von Importen aus Ländern wie Kasachstan und Vietnam abhängig sind.“ Da Klärschlamm eine beträchtliche Menge an Phosphor enthält, ist er ein wichtiger Sekundärrohstoff, um die Bedarfslücke in der Phosphorversorgung mit Rückgewinnungstechnologien wie FlashPhos zu schließen. FlashPhos eröffnet zudem einen neuen Entsorgungsweg für problematische, phosphorreiche Abfälle. „Ebendiese Kombination aus einem Entsorgungsweg und der Rückgewinnung von weißem Phosphor in einem an der Kreislaufwirtschaft orientierten Ansatz zeichnet FlashPhos aus.“ Ein weiterer Nutzen ist die Erzeugung von zwei stark nachgefragten Nebenprodukten im letzten Verfahrensschritt: Es entsteht eine Schlacke mit hydraulischen Eigenschaften, die als Zementersatz verwendet werden kann, sowie eine Eisenlegierung, die in der Stahlherstellung verwertet werden kann.
