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ePhos® – elektrochemische Phosphorrückgewinnung

Kreislaufführung und Recycling von Phosphor

Der Ausbau der Bioökonomie bei gleichzeitig weltweit steigendem Bedarf an Lebensmitteln führt zu einer steigenden Nachfrage für Düngemittel, insbesondere phosphorhaltige. Allerdings wird das Angebot an Phosphordüngern durch die abnehmende Reinheit der Lagerstätten bei gleichzeitigem Rückgang der Phosphor-Konzentrationen bestimmt, sodass Abbau- und Aufbereitungskosten steigen. Ebenso steigen aufgrund des hohen Primärenergiebedarfs die Kosten für die Herstellung synthetischer Stickstoffdünger. Ein Ausweg aus dieser Entwicklung im Sinne der Nachhaltigkeit ist die Kreislaufführung der wesentlichen Nährstoffelemente Phosphor (P), Stickstoff (N) und Kalium (K). Hierzu müssen diese aus Stoffkreisläufen industrieller Produktion, der Verwertung von Lebensmitteln einschließlich kommunaler Abwässer und insbesondere aus der bioenergetischen Nutzung zurückgewonnen werden.

Das DPP-Mitglied Fraunhofer IGB beschäftigt sich mit der Entwicklung und Umsetzung nachhaltiger, kosteneffizienter Technologien und Strategien für ein integriertes Ressourcenmanagement. Einer der Schwerpunkte ist die Entwicklung neuartiger Technologien zur Rückgewinnung von Nährstoffen aus Abwasser und organischen Reststoffen.

Elektrochemische Phosphatfällung aus Abwasser

Zur Rückgewinnung von Ammonium (NH4+) und Phosphat (PO43–) aus Filtratwasser der kommunalen Abwasserreinigung hat das Fraunhofer IGB das Verfahren ePhos® entwickelt. Die Phosphatfällung erfolgt elektrochemisch unter vollständigem Verzicht auf Chemikalien. Während dieses Prozesses fällt Phosphat als Magnesium-Ammonium-Phosphat (MgNH4PO4*6 H2O, MAP oder Struvit) aus. Die elektrochemische Phosphorfällung findet in einer Elektrolysezelle statt, die aus einer inerten Kathode und einer Opferanode aus Magnesium besteht. Durch die kathodische Reduktion werden Wassermoleküle gespalten, wobei den pH-Wert erhöhende OH–-Ionen gebildet werden. Hierdurch entfällt beim ePhos®-Verfahren die Einstellung des pH-Wertes durch Dosierung von Chemikalien. An der Anode findet eine Oxidation statt: Magnesiumionen gehen in Lösung und reagieren mit dem im Wasser enthaltenen Phosphor und Stickstoff zu Struvit.

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Machbarkeitsstudie in Pilotanlage

Im Rahmen einer Machbarkeitsstudie wurde das Verfahren in einer Pilotanlage mit einem Durchfluss von bis 1 m3/h auf einer Kläranlage mit biologischer Phosphorelimination in Norddeutschland getestet. Wir konnten für den Kunden nachweisen, dass die Phosphorfällung und -rückgewinnung mittels des elektrochemischen Verfahrens ePhos® aus dem Zentratwasser auf dessen Kläranlage machbar ist und betriebliche Probleme lösen kann. Alle durchgeführten Versuche verliefen erfolgreich: Die Phosphor-Eliminationsrate aus dem Zentratwasser der Faulschlammentwässerung bzw. Phosphor-Umsetzung zu Struvit betrug durchschnittlich mehr als 80 Prozent. Die Phosphorkonzentration im Zentratwasser wurde von durchschnittlich 180 mg/L auf 20,8 mg/L reduziert. Die Phosphorfracht, die bei der Rückführung des Filtratwassers nicht mehr behandelt werden muss, sinkt um 37 Prozent, beträgt 9284 Kilogramm jährlich und führt zu einer Reduzierung der Schlammproduktion um sieben Prozent. Die Auslegung des Verfahrens für die Anlage des Kunden ergibt, dass die elektrochemische Phosphatfällung jährlich ca. zehn Tonnen Magnesium in Form von Opferelektroden benötigen würde. Hieraus könnten ca. 73 Tonnen Struvit pro Jahr gewonnen werden, das sich direkt als Düngemittel einsetzen ließe. Die gesamte auf der Kläranlage zu handhabende Chemikalienmenge, die , sänke um 40 Tonnen bzw. 20 Prozent pro Jahr.

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Großtechnische Umsetzung mit Flachreaktoren

Mit den Erkenntnissen der ersten Pilotierung, bei der tubulare Elektrolysezellen zum Einsatz kamen, wurde das Verfahren für die großtechnische Umsetzung mit Flachreaktoren weiterentwickelt. Auf der WEFTEC (Water Environment Federation’s Annual Technical Exhibition and Conference) im Oktober 2015 haben wir das Verfahren zur Markteinführung in den USA vorgestellt. In Nordamerika wird auf Kläranlagen zunehmend die biologische Phosphorelemination mit anschließendem Abbau der Biomasse in Anaerob-Stufen eingesetzt. Bei dieser Betriebsweise muss Phosphor gezielt aus dem Prozess der Kläranlage entnommen werden, um unkontrollierte Ausfällungen in den Filtratwasserleitungen und Apparaten der Schlammentwässerung zu vermeiden, die sonst enorme Schäden und Betriebskosten verursachen.

 

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Vorteile und Ausblick

Das ePhos®-Anlagenkonzept basiert auf der parallelen Serienschaltung der Elektrolysezellen. Da es sich um ein rein elektrochemisches Verfahren handelt, können die Zellen bzw. die Straßen von Zellen dem Bedarf entsprechend durch ein Prozessleitsystem zu- und abgeschaltet werden. Diese vorteilhafte Betriebsweise und der effiziente, chemikalienfreie Betrieb stellen wettbewerbsfähige Alleinstellungsmerkmale dar. Zur industriellen Verwertung werden derzeit mit Interessenten Lizenzvereinbarungen getroffen. Bis Ende 2016 soll die erste großtechnische Anlage in den USA gebaut und in Betrieb genommen werden. Zukünftig werden wir das ePhos®-Verfahren noch durch weitere Prozessmodule ergänzen, um ein nachhaltiges Management der Nährstoffe auf Kläranlagen zu ermöglichen.

Kontakt

Dr. Iosif Mariakakis +49 711 970-4231

Weitere Informationen

Presseinformation des Fraunhofer IGB
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