{"id":103503,"date":"2022-01-25T07:35:00","date_gmt":"2022-01-25T06:35:00","guid":{"rendered":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/?p=103503"},"modified":"2022-01-20T14:29:41","modified_gmt":"2022-01-20T13:29:41","slug":"klaranlagen-wie-abwasser-zum-rohstoff-wird","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/klaranlagen-wie-abwasser-zum-rohstoff-wird\/","title":{"rendered":"Kl\u00e4ranlagen: Wie Abwasser zum Rohstoff wird"},"content":{"rendered":"\n

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F\u00fcr die meisten ist es ein Ort, um den sie mit ger\u00fcmpfter Nase lieber einen gro\u00dfen Bogen machen: eine Kl\u00e4ranlage. F\u00fcr andere hingegen sind Kl\u00e4ranlagen Orte, an denen sich Forschung und Entwicklung f\u00fcr eine nachhaltiger Gesellschaft abspielen. Sp\u00e4testens seit die Bundesregierung 2017 verordnet hat, dass ab 2029 Phosphor aus Kl\u00e4rschl\u00e4mmen weitgehend zur\u00fcckgewonnen werden muss, sind Kl\u00e4ranlagen verst\u00e4rkt in den Fokus der Wissenschaft ger\u00fcckt.<\/p>\n\n\n\n

Betreiber und Forschungsinstitute haben sich zusammengeschlossen, um Phosphor, aber auch andere Wertstoffe aus dem Abwasser zu recyceln. Wieder andere Fachleute verfolgen das Ziel, Kl\u00e4ranlagen energieautark zu machen, und setzen dazu auf mikrobielle Brennstoffzellen und die Methanerzeugung. Durch diese Bewegung k\u00f6nnten in einigen Jahren aus den bislang kostentr\u00e4chtigen, der Hygiene wegen entwickelten Kl\u00e4ranlagen Orte der Wertsch\u00f6pfung werden.<\/p>\n\n\n\n

Wird Kl\u00e4rschlamm nicht verbrannt und deponiert, landet er meist als D\u00fcnger auf den Feldern. Damit sind zwei Probleme verbunden: Zum einen enth\u00e4lt der Kl\u00e4rschlamm oft Schadstoffe wie Schwermetalle oder Arzneimittelr\u00fcckst\u00e4nde. Zum anderen ist Phosphor wertvoll. Er tr\u00e4gt als D\u00fcnger wesentlich zur Ertragssteigerung in der Landwirtschaft bei. Gleichzeitig ist der Rohstoff endlich. Er stammt bislang vor allem aus dem Abbau in Bergwerken, was oftmals unter \u00f6kologisch fragw\u00fcrdigen Bedingungen passiert. Dabei k\u00f6nnten aus Kl\u00e4rschlamm allein in Deutschland j\u00e4hrlich rund 50 000 Tonnen Phosphor recycelt werden. Das w\u00fcrde rund 40 Prozent des heutigen Bedarfs an mineralischem Phosphord\u00fcnger in Deutschland decken.<\/p>\n\n\n\n

Bereits 2016 hat deshalb in Karlsruhe eine von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt gef\u00f6rderte Pilotanlage zum Recycling von Phosphor aus Kl\u00e4rschlamm den Betrieb aufgenommen. An der dortigen AVA Green Chemistry Development GmbH setzen die beteiligten Forschungseinrichtungen \u2013 die Universit\u00e4t Hohenheim und das Fraunhofer-Institut f\u00fcr Silicatforschung ISC \u2013 auf die hydrothermale Karbonisierung (HTC). Dabei muss der Kl\u00e4rschlamm nicht erst zeit- und energieaufw\u00e4ndig getrocknet werden. Stattdessen wird er zun\u00e4chst in Biokohle umgewandelt, bevor das Phosphat isoliert und zur\u00fcckgewonnen wird. \u00bbBisherige Technologien f\u00fcr die Phosphorr\u00fcckgewinnung setzen vor allem auf die Entsorgung in Monoverbrennungsanlagen, um dann aus der Asche das Phosphat zu gewinnen und als D\u00fcnger zu verarbeiten\u00ab, erl\u00e4utert Andrea Kruse, Agrartechnologin der Universit\u00e4t Hohenheim. Diese Verfahren seien teurer und deutlich aufw\u00e4ndiger als die HTC.<\/p>\n\n\n\n

Verschiedene Wege f\u00fchren zum Phosphor<\/h3>\n\n\n\n

Denkbar w\u00e4re auch die so genannte nasschemische F\u00e4llung direkt in der Kl\u00e4ranlage: Dadurch entsteht das phosphorhaltige Kristall Struvit. Die Methode ist einfach, erzielt jedoch nur geringe Ausbeuten zwischen 5 und 30 Prozent. Den Anspr\u00fcchen der neuen Kl\u00e4rschlammverordnung w\u00fcrde das nicht gen\u00fcgen. Die Verbrennung hingegen kann Recyclingquoten von bis zu 90 Prozent erreichen, ist aber mit hohen Investitions- und Betriebskosten verbunden. Eine erste spezialisierte Gro\u00dfanlage hat Anfang 2021 in Hamburg den Betrieb aufgenommen. Dort wird die Kl\u00e4rschlammasche in Phosphors\u00e4ure gel\u00f6st, in der sich das Phosphor dann anreichert. Neben Phosphor werden im Rahmen einer mehrstufigen Reinigung auch Gips sowie Eisen- und Aluminiumsalze gewonnen.<\/p>\n\n\n\n

Das Fraunhofer-Institut f\u00fcr Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik UMSICHT setzt statt auf Verbrennung auf das physikalische Prinzip der so genannten Kavitation: Ultraschallimpulse bewirken im Kl\u00e4rschlamm einen st\u00e4ndigen Druckwechsel, was unz\u00e4hlige winzige Bl\u00e4schen mit Gasgemischen entstehen l\u00e4sst. Sie wachsen rasant an und implodieren schlie\u00dflich. Die Implosionen helfen dabei, die Bestandteile des Kl\u00e4rschlamms zug\u00e4nglich zu machen und getrennt weiterzuverarbeiten. Fachleute sprechen hier von Fraktionierung. Dabei enth\u00e4lt eine Fraktion, also ein auf diese Weise gewonnener Bestandteil, zellulosereiche Fasern. Eine andere Fraktion bildet ein n\u00e4hrstoffreiches Gel, und eine dritte Fraktion besteht aus einer leicht verg\u00e4rbaren Fl\u00fcssigkeit. Alle drei Fraktionen k\u00f6nnen weiter genutzt werden. Aus einem der Bestandteile l\u00e4sst sich Phosphor effizient extrahieren. Seit 2019 wird diese Technologie in mobilen Anlagen in einem Probelauf getestet. Bald soll in H\u00fcckeswagen auch der Dauerbetrieb erprobt werden, wie Projektleiter Josef Robert vom UMSICHT angek\u00fcndigt hat.<\/p>\n\n\n\n

Wieder einen anderen Ansatz verfolgt Ulf Theilen an der TH Mittelhessen. Sein Team m\u00f6chte in den Kl\u00e4ranlagen bestimmte Mikroalgen einsetzen, die sich dort von phosphor- und stickstoffhaltigen Verbindungen ern\u00e4hren, diese also dem Kl\u00e4rwasser entziehen. Die Algen k\u00f6nnen dann geerntet und die N\u00e4hrstoffe aus ihnen extrahiert werden. Die restliche Biomasse l\u00e4sst sich thermisch verwerten. Noch ist allerdings zu wenig dar\u00fcber bekannt, wie genau die Algen die phosphor- und stickstoffhaltigen Verbindungen verarbeiten. Au\u00dferdem ist es verfahrenstechnisch und mikrobiologisch anspruchsvoll, den Prozess nicht chargenweise, sondern kontinuierlich zu betreiben. Letzteres ist wirtschaftlich vorteilhaft. Nicht zuletzt m\u00fcssen die Forschenden ihre Methoden weiter optimieren, mittels derer sie die N\u00e4hrstoffe in hoher Reinheit entnehmen k\u00f6nnen. Pilotanlagen entstehen derzeit in den Kl\u00e4rwerken Lollar und Ober-Bessingen.
Kl\u00e4ranlagen als Kraftwerke<\/p>\n\n\n\n

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\u00a9 CHUNYIP WONG \/ Getty Images \/ iStock (Ausschnitt)<\/figcaption><\/figure><\/div>\n\n\n\n

Diese drei Beispiele zeigen: Die Reinigung des Abwassers ist mehr als eine l\u00e4stige Pflicht und kann sogar zu einem positiven \u00f6konomischen Faktor werden. Dieses Ziel verfolgt Michael Sievers von der TU Clausthal zusammen mit seinen Projektpartnern: Er m\u00f6chte Kl\u00e4ranlagen zu Kraftwerken werden lassen. Dazu will sein Team so genannte mikrobielle Brennstoffzellen nutzen. Im Kl\u00e4rwasser sind von Natur aus elektroaktive Mikroorganismen vorhanden. Die Forscher haben diese Mikroben durch ein technisches Verfahren im Kl\u00e4rwasser angereichert. \u00bbElektroaktive Mikroorganismen bauen organische Inhaltsstoffe ab, dabei setzen sie CO2 und Elektronen frei\u00ab, erl\u00e4utert Sievers. \u00bbWir versuchen, diese Elektronen mit Elektroden einzufangen, bevor sie an andere Mikroorganismen abgegeben werden.\u00ab Die Kunst ist dabei weniger das altbekannte Prinzip einer Brennstoffzelle als vielmehr das Design der Elektroden.<\/p>\n\n\n\n

\u00bbEs gibt j\u00e4hrlich mehr als 1000 Publikationen dazu im Laborma\u00dfstab, aber praktisch kaum im gr\u00f6\u00dferen Ma\u00dfstab\u00ab, erz\u00e4hlt Sievers. Den Grund sollten er und sein Team bald verstehen: \u00bbBakterien siedeln sich \u00fcberall an, wo es feucht ist und N\u00e4hrstoffe sind\u00ab \u2013 das gilt auch f\u00fcr die Kathode, insbesondere deren nanometerfeine Poren. \u00bbWir haben keine Publikation gefunden, in der das System l\u00e4nger als ein halbes oder ein Jahr gelaufen ist\u00ab, erinnert sich der Forscher. Stets fiel die Leistung des Systems kontinuierlich ab. Weil seine Publikation noch nicht erschienen ist, m\u00f6chte Sievers keine Details verraten, nur so viel: \u00bbDie Leistung steigt dadurch sogar mit der Zeit.\u00ab<\/p>\n\n\n\n

Ein zweites Problem war der Energiebedarf der Pumpen bei einem Zwei-Kammer-System. Sievers’ Team hat auf ein Ein-Kammer-System umgestellt und dazu eine neue, inzwischen patentierte Elektrode entwickelt. Der Stromkreislauf der Brennstoffzelle wird dann noch um einen Harvester erg\u00e4nzt, eine Art Erntemaschine f\u00fcr schwache Stromfl\u00fcsse, der einen Batteriespeicher aufl\u00e4dt. \u00bbEs war eine Herausforderung, die Spannung mit geringen Verlusten auf zwei bis f\u00fcnf Volt zu transformieren\u00ab, betont Sievers. Jetzt hat das System einen Wirkungsgrad von 80 bis 90 Prozent. Nimmt man die Energie hinzu, die eine Kl\u00e4ranlage \u00fcber den Faulbeh\u00e4lter und das dort erzeugte Methan generiert, k\u00f6nnten die Anlagen nicht nur energieneutral, sondern sogar mit einem Energie\u00fcberschuss betrieben werden, sch\u00e4tzt Sievers.<\/p>\n\n\n\n

Immerhin betr\u00e4gt die Energie in den Abw\u00e4ssern aller deutschen Kl\u00e4ranlagen rund 20 000 Gigawattstunden pro Jahr. \u00bbDas Potenzial ist klein gegen\u00fcber Wind- oder Solarenergie\u00ab, sagt der Experte, \u00bbaber es kann ein wertvoller L\u00f6sungsansatz in Richtung Klimaneutralit\u00e4t sein.\u00ab 2023\/24 soll eine Anlage f\u00fcr die Abw\u00e4sser von rund 300 Personen in Goslar im Bypass aufgebaut werden. Ist der Test erfolgreich, lie\u00dfe sich das modulare System schnell skalieren. Und auch eine Umwandlung nicht nur des im Abwasser enthaltenen Kohlenstoffs, sondern auch des Stickstoffs in Strom ist f\u00fcr Sievers mittelfristig denkbar.
Neuer Ansatz f\u00fcr Kl\u00e4rschlammtrocknung<\/p>\n\n\n\n

Ebenfalls in Richtung Kreislaufwirtschaft geht ein neuer Ansatz der Kl\u00e4rschlammtrocknung. An die Stelle der Trocknung mit Luft soll hier ein Wasserverdampfungstrockner treten. \u00bbWasserdampf kann man \u00fcberhitzen, damit er dann noch mehr Wasser aufnehmen kann, und anschlie\u00dfend abk\u00fchlen, um Wasser auszukondensieren und so anderes zu trocknen\u00ab, erkl\u00e4rt Sievers das Prinzip, das viel schneller ist als die Lufttrocknung. \u00bbAu\u00dferdem wird dabei ungef\u00e4hr die gleiche W\u00e4rmemenge frei, die Sie vorher reingesteckt haben.\u00ab<\/p>\n\n\n\n

Auch f\u00fcrs Phosphorrecycling verfolgen Sievers und sein Projektpartner eine kreislauforientierte Wertsch\u00f6pfung: In einem mehrstufigen Verfahren entstehen dabei Ammoniumwasser, Phosphors\u00e4ure und Magnesiumchlorid. Letzteres kann als F\u00e4llungsmittel zur\u00fcckgef\u00fchrt werden. \u00bb80 Prozent Kreislauff\u00fchrung sind so m\u00f6glich\u00ab, berichtet Sievers. Drei Wertstoffe w\u00fcrden so erzeugt, bei vermutlich verbesserter CO2-Bilanz. Doch noch ist die entsprechende F\u00e4llungsanlage nicht gebaut.<\/p>\n\n\n\n

Teilweise gebaut ist hingegen ein musterg\u00fcltiger Prozess der Abwasserreinigung f\u00fcr die Metallindustrie: Sievers’ Team hat zusammen mit den Projektpartnern spezielle Elektroden entwickelt, die Schwermetalle ohne Zugabe von Chemikalien f\u00e4llen. Ein bis zwei Kilowattstunden Strom pro Kubikmeter sind dazu erforderlich, die Kosten damit geringer als bei der chemischen F\u00e4llung. Da das Wasser hinterher keine Salze enth\u00e4lt, kann es einfacher aufbereitet und im Kreislauf gef\u00fchrt werden. Am Ende arbeitet das Verfahren abwasser-, abfall- und chemikalienfrei und ben\u00f6tigt daf\u00fcr nicht mehr Strom, als eine werkseigene Fotovoltaikanlage erzeugt. \u00bbDie Wasserverf\u00fcgbarkeit wird in vielen Regionen infolge des Klimawandels sinken\u00ab, stellt Sievers die Bedeutung der Kreislauff\u00fchrung heraus. Zudem k\u00f6nne er sich vorstellen, diese Methode auch zur Entkalkung von Brauchwasser zu nutzen, \u00bbaber ohne Wasserrecycling fehlt der Faktor der Wirtschaftlichkeit\u00ab.<\/p>\n\n\n\n

F\u00fcr die Zukunft scheint im Abwasser noch so manches Potenzial zu schlummern: So zeigten Forschende im Projektverbund ZeroCarbFP, dass mit geeigneten Mikroorganismen aus dem Prim\u00e4rwasser energiereiche Speicherstoffe, so genannte \u00bbsingle cell oils\u00ab (SCO), angereichert werden k\u00f6nnen. Daraus k\u00f6nnte man Energie gewinnen oder Additive f\u00fcr Schmierstoffe erzeugen. In beiden F\u00e4llen w\u00fcrde so die organische Masse im Abwasser Gewinn bringend verringert. Noch ehrgeiziger ist das europ\u00e4ische Projekt Wider business Opportunities for raw materials from Waste water (WOW): Zellulose, Lipide und sogar der Biokunststoff PLA sollen darin durch Mikroorganismen produziert werden, die sich vom Kl\u00e4rwasser ern\u00e4hren.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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