Rückgewinnung von Phosphor – Klärschlamm zuverlässig mit ICP-OES analysieren

03.08.2022

Rückgewinnung von Phosphor – Klärschlamm zuverlässig mit ICP-OES analysieren

Phosphor und Phosphorverbindungen sind essenzielle Grundstoffe für das Leben auf der Erde. Sie bilden daher eine wichtige Grundlage für Dünge- und Futtermittel. Durch die wachsende Weltbevölkerung steigt der globale Lebensmittelbedarf jedoch stetig, daher gehen die natürlichen Phosphor-Vorkommen zur Neige. Phosphat-Lagerstätten sind auf nur wenige Regionen weltweit beschränkt. Klärschlämme sind eine sehr ergiebige Alternative zum Phosphor-Abbau. Die EU-Umweltagentur schätzte 2021, dass die Phosphor-Rückgewinnung aus 50 Prozent des derzeit nicht verwerteten Klärschlamms bis zu 10 Prozent des Phosphor-Düngers ersetzen könnte, der derzeit auf landwirtschaftlichen Flächen eingesetzt wird(1). Neben Phosphaten enthalten Klärschlämme aber auch Schadstoffe, wie z.B. Schwermetalle. Die richtige Analytik ist entscheidend, um Rückgewinnungspotenziale zu bestimmen und einen weiteren Schritt hin zu einer kreislauforientierten Wirtschaft zu gehen.

Den phosphathaltigen Klärschlamm direkt als Dünger aufs Feld zu bringen, wird immer weniger praktiziert und in wenigen Jahren nicht mehr zulässig sein: Die enthaltenen Schadstoffe und Schwermetalle wie Cadmium, Blei und Quecksilber oder auch Arsen sprechen dagegen. Um den wertvollen Grundstoff im Klärschlamm dennoch zu nutzen, ist dessen Rückgewinnung Teil einer EU-weiten Strategie. Derzeit werden nur 20 Prozent des Klärschlamms in kommunalen Kläranlagen wieder aufbereitet. Grund sind meist hohe Schadstoffgehalte, weshalb die Schlämme oder Aschen deponiert oder als Sekundärbrennstoff eingesetzt werden.

Die Rechtslage

Damit sich dies ändert, hat die Europäische Kommission Phosphor in der „Liste der kritischen Rohstoffe für die Europäische Union“ als solchen eingestuft(2). Seit 2017 ist die Aufbereitung von Klärschlämmen zur Phosphor-Rückgewinnung bundesweit gesetzlich beschlossen: Die deutsche Klärschlammverordnung (AbfKlärV(3)) verpflichtet Kläranlagenbetreiber in Abhängigkeit von der Größe ihres kommunalen Eintragsgebiets dazu, ab Januar 2029 stufenweise zur Phosphor-Rückgewinnung aus Klärschlamm oder dessen Verbrennungsasche überzugehen.

Gesetzlich vorgeschrieben ist die Rückgewinnung bei Schlämmen ab einem Phosphorgehalt von 2 Prozent. Wirtschaftlich interessant kann sie auch bei geringeren Anteilen sein, zumal Klärschlamm neben Phosphor oft auch noch andere wertvolle Elemente wie Natrium oder Kalium enthält und der Bedarf an Phosphatdüngern auch weiterhin steigen wird. In jedem Fall brauchen Betreiber eine belastbare Datengrundlage, um die Elementanteile im Schlamm zu identifizieren und sein Potential für eine Wiederaufbereitung zu bewerten.

Die richtige Methode

Eine wesentliche Herausforderung ist, dass man es bei Klärschlamm mit sehr matrixreichen Proben zu tun hat. Das heißt, dass sie eine sehr große Bandbreite an Elementen in sehr unterschiedlicher Konzentration sowie hohe Anteile an Salzverbindungen enthalten. Idealer Weise bestimmt man Anteile der Elemente – sowohl Grundstoffe für Düngemittel als auch kritische Elemente – gleichzeitig in einem Messvorgang je Probe, und dies ohne aufwändige Probenvorbereitung.

Eine gut geeignete Methode zur zuverlässigen, routinemäßigen Bestimmung von Haupt- und Spurenelementen in Klärschlamm ist die optische Emissionsspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma (ICP-OES). Attraktiv ist die ICP-OES vor allem aufgrund der Fähigkeit zur Multielementanalyse, des großen linearen dynamischen Bereichs und ihrer Empfindlichkeit. Probenvorbereitung und Messvorgang werden in Standardverfahren wie den EPA-Methoden 3050B(4) und 6010C(5), DIN EN 16174:2012-11(6) und der ISO-Norm ISO 11885:2007(7) beschrieben.

Bei der ICP-OES werden die Proben über einer 5.000 - 10.000 K heißen Argon-Plasmaflamme atomisiert und dann auch ionisiert. Die emittierte elektromagnetische Strahlung wird mit einem Spektrometer gemessen. Die Messwerte geben Aufschluss über die Menge der enthaltenen Elemente.

Das richtige Analysegerät

Mit der PlasmaQuant 9100 -Serie bietet Analytik Jena optische Emissionsspektrometer, die den großen Arbeitsbereich der Multielementanalyse abdecken, äußerst präzise Ergebnisse liefern und zudem sehr wirtschaftlich arbeiten. Die hohe Messempfindlichkeit ist vor allem für die kritischen Elemente (z.B. Cd, Hg und Tl) von Relevanz, für deren Eintrag in die Umwelt strenge Grenzwerte gelten. 

Das PlasmaQuant 9100 zeichnet sich durch sein sehr stabiles Plasma aus. Dadurch werden die matrixreichen Proben auch bei hohem Durchsatz langzeitstabil messbar. So reduziert sich auch der Aufwand für die Probenvorbereitung, da ein Verdünnen der Probe entfällt. Das DualView Plus-Feature erweitert den linear-dynamischen Bereich und vereinfacht die Multi-Element-Analyse erheblich, in dem es durch unterschiedliche Plasmabeobachtungs-Modi das gesamte Element-Screening gleichzeitig in einem Messdurchlauf ermöglicht. Der gesamte Analyseprozess wird schneller, zuverlässiger und wirtschaftlicher.

Die Vorteile

Die Multielementanalyse in Klärschlämmen liefert Kläranlagenbetreibern die Entscheidungsgrundlage für die die gesetzeskonforme weitere Verfahrensweise. Je nach Phosphorgehalt und Schadstoffbelastung können sie geeignete Methoden auswählen, die auch wirtschaftlichen Aspekten genügen.

Zwei seien hier beispielhaft genannt: Bei entsprechend hohem Phosphorgehalt und geringer Schwermetallbelastung eignet sich die Pyrolyse. Bei 600 °C wird der Klärschlamm in kleineren Pyrolyse-Reaktoren aufbereitet, die dezentral direkt am Klärwerk betrieben werden können. Der Phosphor wird aus der Verbrennungsasche zurückgewonnen. Bei höheren Schwermetallanteilen kann eine thermochemische Methode zum Einsatz kommen: Bei 900 °C wird dem Klärschlamm Magnesiumchlorid oder Salzsäure zur Ausfällung des Phosphors zugesetzt.

Mit dem Recycling von Phosphor und anderen Grundstoffen für Düngemittel können wertvolle Rohstoffe lokal bzw. dezentral zurückgewonnen werden. Dies ist nicht nur umweltfreundlich, sondern schafft auch mehr Unabhängigkeit von den wenigen weltweiten Lagerstätten. Die genaue Kenntnis der Schadstoffbelastung verhindert, dass z.B. Schwermetalle in die Umwelt gelangen. Die Phosphorrückgewinnung aus Klärschlamm ist ein wichtiger Schritt in die Richtung einer nachhaltigen Kreislaufwirtschaft.

Downloads

Determination of Phosphorus and Other Critical Elements in Sewage Sludge (EN)

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Infografik: ICP-OES - Multielementanalyse im Klärschlamm (PDF, DE)

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Infografik: ICP-OES - Multielementanalyse im Klärschlamm (JPG, DE)

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Quellen

(1)https://www.deutsche-phosphor-plattform.de/eu-umweltagentur-naehrstoff-und-kohlenstoffrecycling-aus-klaerschlamm/

(2)https://eur-lex.europa.eu/legal-content/DE/TXT/PDF/?uri=CELEX:52020DC0474

(3)Verordnung über die Verwertung von Klärschlamm, Klärschlammgemisch und Klärschlammkompost, https://www.gesetze-im-internet.de/abfkl_rv_2017/

(4)EPA Method 3050B: Acid Digestion of Sediments, Sludges, and Soils, https://www.epa.gov/esam/epa-method-3050b-acid-digestion-sediments-sludges-and-soils

(5)EPA Method 6010C: Inductively Coupled Plasma - Atomic Emission Spectrometry, https://19january2017snapshot.epa.gov/homeland-security-research/epa-method-6010c-sw-846-inductively-coupled-plasma-atomic-emission_.html

(6)Schlamm, behandelter Bioabfall und Boden - Aufschluss von mit Königswasser löslichen Anteilen von Elementen, https://www.beuth.de/de/norm/din-en-16174/148093733

(7)Water quality — Determination of selected elements by inductively coupled plasma optical emission spectrometry (ICP-OES), https://www.iso.org/standard/36250.html

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Kommentare (1)

  • Mustapha abdulganiyu

    Good job

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