Biologische Phosphatelimination

Die biologische Phosphateliminierung gewinnt zunehmend an Bedeutung, um den limitierten Rohstoff Phosphor wiederzugewinnen und gesetzlich vorgeschriebene Grenzwerte einzuhalten. Mit VIT® kann der Bio-P Prozess ganz einfach kontrolliert werden.

Phosphor ist lebenswichtig

Stickstoff und Phosphor sind die wichtigsten Nährstoffelemente für das gesamte Leben auf der Erde. Ohne Phosphor kann keine Lebensform existieren. Phosphor kommt mit 0.099 % in der Erdkruste vor und kann nicht durch ein anderes Element ersetzt werden. Im Gegensatz zu Stickstoff ist er nicht Bestandteil der Atmosphäre. In jeder Zelle, egal ob Bakterien-, Pflanzen-, oder Tierzellen, dient Phosphor u.a. als zentrales Element im Molekül ATP (Adenosintriphosphat) - der universalen Währung des Lebens. Beim Abbau von Nährstoffen wird Energie erzeugt und diese in Form von ATP zwischengespeichert. Nun kann das ATP an eine andere Stelle in der Zelle transportiert werden, an der es benötigt wird. Ohne ATP könnte ein Organismus daher nicht funktionieren. Aber auch an anderen Stellen des Organismus wird Phosphor benötigt: So ist Phosphor z.B. ein wichtiger Faktor für den Knochenaufbau beim Menschen und ein zentraler Bestandteil der Erbsubstanz aller Lebewesen.

Bio-P - der Natur zuliebe

Der Kampf um Phosphor

Phosphor wurde 1669 entdeckt und industriell als wesentlicher Bestandteil von Streichhölzern genutzt. Heutzutage werden weltweit 80 % der gewonnenen Phosphate zur Düngemittelherstellung genutzt. 12 % wandern in die Herstellung von Waschmitteln, 5 % in die Herstellung von Tierfutter und 3 % in andere Anwendungen. Ca. 160 Millionen Tonnen Phosphat werden jährlich aus natürlichen Vorkommen abgebaut. Dabei konzentrieren sich die Vorräte im Wesentlichen auf vier Länder, die 80 % des Vorkommens besitzen: Marokko, China, Südafrika und Jordanien. An der Förderung sind vor allem die Ländern China, USA, Marokko, Russland und Tunesien beteiligt. Europa benötigt zu 90 % Importe aus diesen Ländern.

Der Chemical Sciences and Society Summit (CS3)  beschreibt in seinem Weißbuch aus dem Jahre 2011 mit dem Titel "A Sustainable Global Society", dass in den kommenden 30-100 Jahren die Vorkommen erschöpft sein werden. Da einige wenige Länder fast das gesamte Vorkommen an einem Rohstoff kontrollieren, welcher von allen anderen Ländern benötigt wird, sind Konflikte vorprogrammiert. Eine Phosphorlimitierung betrifft die nationale Sicherheit von vielen Ländern. Denn bereits heute ist die Produktion von Nutzpflanzen in vielen Ländern aufgrund des begrenzten Vorkommens von Phosphor gefährdet.

  • ENTDECKUNG DES PHOSPHORS


    Der deutsche Apotheker und Alchemist Hennig Brand gilt als der Entdecker des Phosphors. Er entdeckte ihn bei dem Versuch den Stein der Weisen zu finden. Dieser Stein der Weisen sollte imstande sein, unedle Metalle in Gold und Silber zu verwandeln. Brand erhitzte Urin und erhielt dabei eine weiße Substanz, die im Dunkeln leuchtete und leicht entzündet werden konnte. Aufgrund des weißen Feuers beim Brennen, gab Brand ihr den Namen "kaltes Feuer".

     

  • ENTDECKUNG VON NEUEN PHOSPHORLAGERSTÄTTEN


    Im Jahr 2012 wurden neue Phosphorvorkommen in Nordafrika und Irak entdeckt. Dies könnte nach Schätzung der Bundesregierung bedeuten, dass der Bedarf doch noch für ca. 400 Jahre gedeckt ist. (Quelle)

Rückgewinnung von Phosphor ist notwendig

Angesichts der Tatsache, dass die natürlichen Vorkommen von Phosphor sich dem Ende zuneigen, ist eine Wiedergewinnung von Phosphor zwingend notwendig. Im Abwasser fallen sehr hohe Mengen an Phosphor an: ca. 70 % durch die Fäkalien von Mensch und Tier und die restlichen 30 % durch Reinigungs- und Waschmittel und Küchenabfälle. Daher konzentrieren sich die meisten technischen Lösungen auf die Wiedergewinnung von Phosphor aus dem Klärschlamm von Kläranlagen.

Das Dilemma: Guter Phosphor, böser Phosphor

Auf der einen Seite ist der Rohstoff Phosphor begrenzt und muss zurückgewonnen werden, wenn die Versorgung mit Nahrungsmitteln für eine immer weiter wachsende Menschheit gesichert werden soll. Auf der anderen Seite ist der mit dem Abwasser in den Kläranlagen ankommende Phosphor ein Problem. Zwar haben in Deutschland die Gesamtemissionen seit den 80er Jahren um 70 % abgenommen, aber trotzdem weisen viele Gewässer auch heutzutage eine hohe Belastung auf. Im Abwasser liegt Phosphor vor allem in anorganischer Form vor (Orthophosphat) und, in geringeren Mengen, auch als organischer Phosphor in nicht-gelöster und gelöster Form. Gelangt nun Phosphor aus der Kläranlage in den Vorfluter, so kann es dort schnell zu einer Eutrophierung des Gewässers kommen. Meist ist Phosphor das limitierende Element für Mikroorganismen und Pflanzen. Fällt diese Limitierung weg, so können sich Mikroorganismen und Pflanzen fast ungebremst vermehren. Es kommt zu einem erhöhten Sauerstoffverbrauch und damit zur Entstehung von anaeroben Zonen. Das Gewässer kippt und die ansässigen Fischpopulationen sterben.

Neue, verschärfte Grenzwerte

Um die Eutrophierung von Gewässern zu vermeiden, hat sich die deutsche Bundesregierung im Rahmen ihrer Nachhaltigkeitsstrategie auf eine weitere Reduzierung der Phosphoreinträge festgelegt. Dadurch wächst der Druck auf die Kläranlagenbetreiber die erhöhten Grenzwerte einhalten zu müssen, wenn sie erhöhte Abgaben vermeiden wollen.

Chemische und biologische Phosphatelimination

Es gibt bei der Phosphatelimination zwei grundsätzlich Möglichkeiten. Erstens kann das Phosphat chemisch mit Hilfe von Metallsalzen gefällt werden. Hierbei gehen die Metallsalze von Eisen und Aluminium in der Belebungsanlage unlösliche Verbindungen mit dem gelösten Phosphat ein. Diese Metall-Phosphate können dann aus der Nachklärung mit dem Überschussschlamm entnommen werden. Zweitens können die Phosphate auch von Mikroorganismen aufgenommen werden, die ebenfalls mit dem Überschussschlamm entfernt werden. Letztendlich liegt der Phosphor im Überschussschluss entweder biologisch gebunden (in den Mikroorganismen) oder chemisch gebunden in der Form von Metallphosphaten vor.

Das natürliche Potenzial der biologischen Phosphatentfernung

 
Die sogenannten Bio-P Organismen sind spezialisierte Polyphosphat-akkumulierende Mikroorganismen (PAO), die in einer aeroben Umgebung Phosphat in ihre Zellen einlagern und damit dem Abwasser auf biologischem Weg entziehen. Sie stehen in direkter Konkurrenz zu den Glykogen-akkumulierenden Organismen (GAO) welche in einem anoxischen Milieu um dieselben Kohlenstoffquellen konkurrieren. Jede Kläranlage besitzt ein natürliches Potenzial an biologischer Phosphatelimination. Ca. 35 % des Phosphors werden dabei in den Schlamm eingelagert. Diese Zahl kann - je nach Bedingungen in der Kläranlage - schwanken. Es besteht also ein hohes natürliches Potenzial, welches hilft die Phosphorfracht zu verringern.

  • SYNONYME

    Die biologische Phosphatelimination wird auch als biologische Phosphoreliminierung, biologische Phosphatentfernung oder Bio-P bezeichnet.

Bio-P Verfahren zur verstärkten biologischen Phosphatentfernung

 
Reicht das natürliche Potenzial einer Kläranlage nicht aus, um die geforderten Grenzwerte einzuhalten, kann mit einer speziellen Verfahrensführung die biologische Phosphatentfernung verstärkt werden. Hierbei werden unbelüftete Zonen und belüftete Zonen generiert, durch die die Mikroorganismen geleitet werden. Dabei werden diese angeregt, zusätzliches Phosphat in die Zellen einzulagern, welches ihnen als Energiespeicher dient. Dies ist ein natürlicher Schutzmechanismus der PAO, um auch bei schlechten Bedingungen ausreichend mit Energie versorgt zu sein. Es kommt also zu einer verstärkten Entfernung des Phosphors. 

Kontrolle von PAO/GAO

Mit der VIT Gensondentechnologie  und dem Testkit VIT® PAO/GAO oder der Dienstleistung VIT® PAO/GAO kann das Vorkommen von Polyphosphat-akkumulierenden-Organismen (PAO) in Kläranlagen überprüft werden. Es kann demnach schnell getestet werden, wie hoch das grundsätzliche Potenzial der Anlage zur biologischen Phosphatelimination ist. Weiterhin kann das Verhältnis zu den konkurrierenden Glykogen-akkumulierenden-Organismen (GAO) gemessen werden und damit gezielt durch eine angepasste Prozessführung die Effektivität der biologischen Phosphatelimination gesteigert werden. Das Verfahren kann entweder direkt auf den Kläranlagen eingesetzt werden oder als Labordienstleistung beauftragt werden.

Phasenkontrastaufnahme

Phasenkontrastaufnahme einer Abwasserprobe unter dem Mikroskop.

Die gleiche Aufnahme nach der Analyse mit VIT®: PAO leuchten rot, GAO leuchten grün

Die gleiche Aufnahme nach der Analyse mit VIT®:
PAO leuchten rot, GAO leuchten grün.

Möglichkeiten der Rückgewinnung

Der im Überschussschlamm gebundene Phosphor ermöglicht anschließend die Rückgewinnung des überlebenswichtigen Elementes. Eine direkte Verwendung des Klärschlamms ist aufgrund der Schadstoffbelastung nicht zu empfehlen bzw. ist in vielen Ländern auch gesetzlich verboten. 

Es gibt zahlreiche Verfahren der Phosphor-Rückgewinnung. Grundsätzlich werden dabei drei Gruppen unterschieden: Erstens, die Rückgewinnung aus Klärschlamm-Mono-Aschen, die aber recht kostenaufwendig ist. Zweitens, das direkte Recycling aus Klärschlamm und drittens das Recycling aus Prozesswasser der Schlammbehandlung. Da bis zu 90 % der P Zulauffrachten im Klärschlamm gebunden werden und Prozesswässer nur bis zu 25 % der Zulauffrachten enthalten, ist die Rückgewinnung aus dem Klärschlamm durch Aufschlüsse oder Kristallisation das Mittel der Wahl.

Die Rückgewinnung ermöglicht es, den Phosphor dem Kreislauf wieder zuzuführen, denn im Gegensatz zu Kohlenstoff oder Stickstoff kann Phosphor nicht über die Gasphase aus dem Abwasser entfernt werden.

Der Kampf um Phosphor hat bereits begonnen

Phosphor ist einer der wichtigsten Rohstoffe, welcher überdies der Menschheit nur in begrenzter Menge zur Verfügung steht. Wird er nicht rückgewonnen, so geht er dem Phosphorkreislauf verloren. Der Kampf um diesen begrenzten Rohstoff hat bereits begonnen. Europa muss durch eine vermehrte Rückgewinnung seine Abhängigkeit von den wenigen phosphorfördernden Ländern verringern. Gleichzeitig führt die Ableitung von gereinigten aber noch phosphathaltigen Klärwässern in die Vorfluter zur Eutrophierung der Gewässer. Obwohl sich die Situation in den vergangenen Jahren verbessert hat, werden die Grenzwerte in den kommenden Jahren weiter herabgesetzt, was es den Kläranlagenbetreibern erschwert, die Grenzwerte einzuhalten. Die VIT® PAO/GAO Analytik ist für die Kläranlagen ein wichtiges Werkzeug zur Begleitung der biologischen Phosphatelimination und ermöglicht die Kontrolle der wesentlichen, an der biologischen Phosphatelimination beteiligten Mikroorganismen.

Sowohl die Vermeidung der Kontamination von Gewässern mit Phosphat als auch die Rückgewinnung des Rohstoffes sollten Hand in Hand gehen. Denn nur wenn Phosphor dem Abwasser entzogen wird, steht er auch in Form von Überschussschlamm für die Rückgewinnung wieder zur Verfügung.

Weiterführende Links:

Am Phosphor hängt das Schicksal der Menschheit (Deutsch): https://www.welt.de/dieweltbewegen/article13585089/Am-Phosphor-haengt-das-Schicksal-der-Menschheit.html

Rückgewinnung von Phosphor aus Klärschlamm (Deutsch): Rückgewinnung von Phosphor aus Klärschlamm - Machbarkeitsstudie

Der Stein des Lichtes - Elementargeschichte des Phosphors (Deutsch): http://www.spektrum.de/magazin/der-stein-des-lichtes-elementargeschichte-des-phosphors/822157

The Phosphorus cycle (English): https://en.wikipedia.org/wiki/Phosphorus_cycle

Biological phosphorus removal (English): http://onlinembr.info/biological-phosphorus-removal/