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KIT

Partnerschaftlich Zukunft gestalten.

Das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ist 2009 durch einen Zusammenschluss von Universität und Forschungszentrum entstanden. Hauptthemen von Forschung und Lehre am KIT sind Energie und Mobilität. Im Rahmen der Suche nach einem Kooperationspartner für das Förderprogramm EFRE (EU und Land Baden-Württemberg) kam es auf der IFAT, der Weltleitmesse für Wasser-, Abwasser-, Abfall- & Rohstoffwirtschaft, zu einem ersten Kennenlernen zwischen Vertretern des KIT und der Alltech Dosieranlagen GmbH. Es entstand eine Forschungs- und Entwicklungskooperation. Auf Basis des am KIT entstandenen P-RoC-Verfahrens haben das KIT und Alltech Komponenten zur Rückgewinnung von Phosphor entwickelt. Das Verfahren eignet sich für verschiedene Anwendungsbereiche (Kläranlagen, Perkolationsanlagen, Schweinezucht- und Mastbetriebe) und wurde für einen der GreenTec Awards 2014 nominiert. Die erfolgreiche Teilnahme an den Forschungs- und Entwicklungsprojekten des KIT gibt Alltech die Möglichkeit zur Weiterentwicklung des Anlagenportfolios und der Erschließung neuer Absatzmärkte und Kundenkreise. 

 

„Wir haben mit Alltech einen guten Kooperationspartner, ein mittelständisches Unternehmen, das relativ flexibel auf technische Anforderungen reagieren kann.“

Anke Ehbrecht und Dr. Rainer Schuhmann, KIT

Phosphor als Politikum

Dr. Rainer Schuhmann, Anke Ehbrecht sowie André Martin und Mario Bosch (Alltech) arbeiten gemeinsam am automatisierten Phosphorrecycling aus Ab- und Prozesswasser. Am Unternehmenssitz in Weingarten steht die Demonstrationsanlage.

KIT-Wissenschaftler entwickeln gemeinsam mit der Alltech Dosieranlagen GmbH eine Anlage zur Rückgewinnung von Phosphor. Mit dem systematischen Recycling aus kommunalen Kläranlagen wirken sie der Phosphorknappheit entgegen.

 

In den Medien ist immer wieder von der Knappheit Seltener Erden zu lesen. Der metallische Rohstoff ist begehrt, da kaum ein Hightech-Produkt ohne ihn funktioniert. Doch während die moderne Gesellschaft um die technologische Weiterentwicklung bangt, wird die ebenso drohende Knappheit an mineralischem Phosphor nur selten thematisiert – und das obwohl dieser Rohstoff essenziell für die Nahrungsmittelproduktion und -versorgung ist. Phosphor ist ein wichtiger Mineralstoff, der im menschlichen Organismus für die Festigkeit von Knochen und Zähnen sorgt. Darüber hinaus spielt er eine Rolle bei der Strukturierung der Erbsubstanz. Es existieren keine Stoffe, die die Funktion von Phosphor ersetzen könnten.

Als unverzichtbarer Bestandteil von Düngemitteln gelangt Phosphor in den Nahrungskreislauf und wird meist in Form von Phosphaten über die Nahrung aufgenommen – im Durchschnitt ca. 3 Gramm pro Tag, wovon jedoch effektiv nur etwa 1,5 Gramm im Körper verwertet werden. Der überschüssige Phosphor wird ausgeschieden und landet so ungenutzt in den kommunalen Kläranlagen. Dr. Rainer Schuhmann und Anke Ehbrecht vom Kompetenzzentrum für Materialfeuchte (CMM) am KIT erkannten schon vor Jahren das Potenzial dieser Phosphormengen: „Abwasser und Klärschlamm enthalten jede Menge Phosphor, den man nutzbar machen sollte, um die schwindenden Ressourcen zu schonen. Deshalb ist die effiziente Rückgewinnung von Phosphor das Ziel unserer Forschung“, beschreibt die Geoökologin Ehbrecht.

Aktiv Vorsorgen statt Aussitzen

Der weltweite Bestand an Phosphor konzentriert sich weitestgehend auf China und Marokko, wo er bergmännisch abgebaut wird. Bereits seit einigen Jahren sind die Prognosen für die wirtschaftlich erschließbaren Vorkommnisse alarmierend: „Die Schätzungen reichen von 50 bis 365 Jahren bis die Vorräte zur Neige gehen. Deutschland ist obendrein abhängig vom internationalen Phosphorhandel, da es im Land keine eigenen, natürlichen Reserven gibt“, erklärt Dr. Schuhmann, Leiter des CMM. Verbunden mit der absehbaren Rohstoffknappheit steht Deutschland vor der Herausforderung, den steigenden Bedarf an Phosphor zu bedienen. Die Rückgewinnung aus Abwässern ist eine vielversprechende Alternative zum Import, welche in politischen Kreisen eher zögerlich als Chance erkannt wird.

Einen Schritt in die richtige Richtung macht die Regierung jedoch mit der sogenannten Novellierung der Klärschlammverordnung, in der die Rückgewinnung von Phosphor aus Abwasser und Klärschlamm für Kläranlagen bestimmter Größe gesetzlich vorgeschrieben würde. Die Klärschlammverordnung polarisiert, denn wenn der Gesetzesentwurf erst einmal bestätigt wird, kommen auf die kommunalen Kläranlagenbetreiber bis ca. 2030 erhebliche Veränderungen und Kosten zu. Die Kläranlagen müssen nicht nur technisch nachgerüstet werden, auch die Betreiber selbst müssen sich umorganisieren: Bisher finanzieren sich die Klärwerke aus Abwassergebühren und arbeiten nicht umsatzorientiert, wohingegen sie mit der Neuregelung Teil des Wirtschaftskreislaufs werden – mit dem möglichen Handel von Phosphor.

Vorreitertechnologie Kristallisation

Zumindest auf technischer Seite sind die KIT-Wissenschaftler der Zeit voraus und bieten schon jetzt ein System zur Rückgewinnung, das in bestehende Kläranlagen integriert werden kann. Seit 2007 arbeiten sie kontinuierlich an einer Lösung zur Phosphorrückgewinnung, dem patentierten Verfahren „Phosphor Recovery by Crystallization“, kurz P-RoC. Das Verfahren beschreibt eine Kristallisationsreaktion unter Zugabe von Calcium-Silikat-Hydrat (CSH), bei der gelöster Phosphor aus Abwässern oder Schlammwässern kristallisiert. Das so generierte Sekundärphosphat kann entnommen und nach einem Trocknungsschritt als Düngemittel eingesetzt werden.

Der Reaktionsprozess lässt sich in einem Rührreaktor umsetzen, der als Zusatzmodul an die bestehende Anlagentechnik der kommunalen Kläranlagen – so zum Beispiel an der Schlammentwässerung – angedockt werden kann. Langjähriger, strategischer Partner für die Anlagenentwicklung und lizensierter Anlagenhersteller ist hierbei die Alltech Dosieranlagen GmbH. Seit den frühen Phasen der Entwicklung arbeiten die KIT-Wissenschaftler eng mit dem mittelständischen Unternehmen aus dem baden-württembergischen Weingarten zusammen. „Die Zusammenarbeit mit dem KIT eröffnet uns ganz neue Einblicke in die Forschung im Bereich der Anlagentechnik. Wir sehen es als Chance, an der Entwicklung vielversprechender Technologien teilzuhaben“, unterstreicht der Geschäftsleiter von Alltech Dosieranlagen André Martin.

Mittels der Expertise der Ingenieure und der Forscher entstanden so in den letzten Jahren zahlreiche Systeme zur Phosphorrückgewinnung – von ersten Tests über Demonstrationsanlagen bis hin zu mobilen Containeranlagen. „Anders als bei konkurrierenden Systemen wird unsere entwickelte Anlage nicht unmittelbar in den Abwasserkreislauf geschaltet. Dadurch wird dieser Kreislauf im Störungsfall nicht unterbrochen“, führt die Umwelttechnologin Ehbrecht aus. Ein weiterer Vorteil ist, dass vergleichsweise günstige mineralische Materialien zum Einsatz kommen. Diese Eigenschaften der P-RoC-Anlagen dürften das Interesse der Anlagenbetreiber auf der Suche nach möglichen Systemen zur Phosphorrückgewinnung überzeugen.

Zukunftsaussichten für P-RoC

Mit der nahenden Klärschlammverordnung bekommt die Phosphorrückgewinnung aktuell Aufwind. Dr. Schuhmann blick positiv in die Zukunft: „Wir glauben an die P-Roc-Phosphorrückgewinnung und haben trotz gutem Entwicklungsstand noch Ideen für die Weitenentwicklung der Anlagen, wie beispielsweise die Automatisierung der Prozesse und die Optimierung der Reaktionssubstrate.“ Wichtige Wegbegleiter sind hierbei zukunftsorientierte, innovationsfreudige Gemeinden, in denen das P-RoC-System im Realbetrieb der örtlichen Kläranlage getestet werden kann.

KONTAKT:

Anke Ehbrecht

Kompetenzzentrum für Materialfeuchte (CMM)

Tel.: +49 721 608-23213

anke.ehbrecht@kit.edu

www.cmm.kit.edu

Quelle: Research to Business