Durch die Entsorgung von Siedlungsabfällen wird wertvoller Phosphordünger zurückgewonnen

Einer der wertvollsten Düngemittel der Menschheit verschwindet.

Phosphor, der heute größtenteils aus nicht erneuerbaren Phosphatgesteinsreserven stammt, landet typischerweise in kommunalen Abfallströmen. Im besten Fall binden Kläranlagen etwa 90 % dieses Phosphors in „Schlamm“ und zersetzen diesen Schlamm in etwas, das als Gärrest bezeichnet wird. Ingenieure hoffen, einen nachhaltigeren Kreislauf für die Wiederverwendung von Phosphor zu schaffen, doch giftige Verbindungen im Gärrest schränken die Möglichkeit einer Wiederverwertung als Dünger ein – es ist schwierig, Phosphor aus festen Abfällen wie Gärresten zurückzugewinnen.

„Bestehende Phosphorrückgewinnungstechnologien zielen hauptsächlich auf die Flüssigkeit ab“, sagte Zhen (Jason) He, Laura & William Jens-Professor am Department of Energy, Environmental & Chemical Engineering der McKelvey School of Engineering der Washington University in St. Louis. „Schlamm enthält im Vergleich zur Flüssigkeit viel mehr Phosphor. Wie können wir das zurückgewinnen?“

Sein Labor entwickelt Technologien zur Rückgewinnung von Ressourcen wie Phosphor aus Abwasser. Kürzlich untersuchte das Team den Einsatz elektrochemischer Geräte – dem grundlegenden System in Batterien –, um Wassermoleküle zu spalten und festen, verwertbaren Phosphor aus Gärresten zu extrahieren. Es war der erste Versuch, Phosphor gleichzeitig aus festen Siedlungsabfällen zu entfernen und zurückzugewinnen, ohne den Zusatz von Chemikalien. Und es erreichte sein Ziel mit überraschender Effizienz.

„Phosphor ist eine Verbindung von großem Interesse, da es sich um eine begrenzte Ressource handelt“, sagte er. „Sie können möglicherweise viel Geld sparen.“

Das Team, zu dem auch der Doktorand Zixuan Wang und der Student Daran Anand gehörten, veröffentlichte am 26. Juni online Details zu seinem Experiment Umweltwissenschaft und -technologie.

In einem separaten Übersichtsartikel, der Anfang des Jahres veröffentlicht wurde Kritische Rezensionen in Umweltwissenschaften und -technologieEr, Wang und Fubin Liu, ein weiterer Doktorand im Labor, analysierten die Möglichkeiten, wie elektrochemische Geräte Phosphor entfernen können. Diese „Auslaugung“ tritt auf, wenn ein elektrischer Strom, der durch die Anodenseite einer Elektrode fließt, eine sie umgebende Aufschlämmung ansäuert.

Aber das Auslaugen allein löst das umfassendere Problem nicht: „Für die Entfernung investiert man viel Zeit und Geld, und am Ende entsorgt man es doch noch“, sagte er. „Können wir es stattdessen wiederherstellen?“ Er erkannte die Möglichkeit, Entfernung und Rückgewinnung in einem elektrochemischen Gerät zu kombinieren.

Die Idee bestand darin, zwei Kammern zu haben, die bei unterschiedlichen pH-Werten arbeiten. Schlamm gelangt in die Anodenkammer, in der der Strom Phosphat in flüssige Lösung trennt. Das Team überführte die phosphorreiche Flüssigkeit in die weniger saure Kathodenkammer. Und hier sollten sich frei schwebende Phosphate, Kalzium und Eisen aus dem ursprünglichen Schlamm zu weißlichen Feststoffen verbinden, die am Boden ausfallen.

Um ihren Prototyp zu testen, bezog Hes Team echten Gärrest aus der Missouri River Wastewater Treatment Plant in St. Louis. Nachdem sie am elektrischen Strom herumgebastelt hatten, identifizierten sie Bedingungen, unter denen das Gerät Phosphor mit einer Effizienz von über 93 % auslaugen und etwa 99 % davon in feste Form ausfällen ließ. Über 42 Zyklen erzielte das Gerät eine durchschnittliche Effizienz von fast 80 % bei der Rückgewinnung von Phosphor.

Das Schöne für He ist, dass die Energie, die die Entfernung an der Anode antreibt, die gleiche Energie ist, die die Rückgewinnung an der Kathode antreibt; Eine einfache Membran isoliert die einzigartigen Umgebungen der Kammern. „Es ist ein Elektron, das sich von einer Seite zur anderen bewegt, es ist die gleiche Menge Elektrizität, um zwei Aufgaben zu erledigen“, sagte er.

Normalerweise besteht Abwasserschlamm zu 93 bis 99 % aus Wasser – ein teurer Überschuss. Allein das macht das Gerät des Teams zu einem großen Fortschritt gegenüber bestehenden Betrieben, die zudem häufig giftige Schwermetalle und Krankheitserreger enthalten.

„Sie haben eine solide Lösung. Das erleichtert den Transport“, sagte er.

Die erntefähigen Endprodukte haben einen Phosphorgehalt, der dem von hochwertigem Phosphatgestein entspricht. „Sie können sie entweder direkt anwenden oder sie als Ausgangsmaterial für die Herstellung von Düngemitteln verwenden“, sagte er. Die Feststoffe könnten möglicherweise direkt in bestehende Industriebetriebe eingespeist werden, die Phosphatgestein in Düngemittel umwandeln sollen.

Nun stellt er sich vor, dies über den Labortisch hinaus zu tun.

„Der Übergang von hier zum Pilotmaßstab und zum vollen Maßstab wird eine Menge technischer Arbeit erfordern“, sagte er und fügte hinzu, dass der Energieverbrauch wahrscheinlich die größte Hürde sein werde.

Dennoch ist er optimistisch genug, dass er dank einer leicht verfügbaren Ressource mehr Anwendungen als nur die Behandlung menschlicher Abfälle erwartet.

„Im Mittleren Westen gibt es viel Kuhmist und Schweinekot. Es gibt also viele Nährstoffe da draußen“, sagte er. „Ich sehe wirklich, dass dies über kommunales Abwasser hinausgeht.“