Nährstoff-Recycling – Auf dem Weg zur vollständigen Nutzung von Kultur-pflanzen

Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB

Nährstoffe wie Stickstoff, Phosphor, Kalium und Calcium sind für das Wachstum aller Lebewesen essenziell. Diese Nährstoffe werden heute noch nicht ausreichend in einem geschlossenen Stoffstrom geführt. Vielmehr beginnt der Stoffstrom mit dem Entzug aus dem Ökosystem über die Ernte, führt über die Verarbeitung und Nutzung der Pflanze als Nahrungs- oder Futtermittel, Industrierohstoff oder zur Gewinnung von Bioenergie hin zu einem Verlust der Nährstoffe in den etablierten Abfallsystemen. Um den Nährstoffentzug durch die Ernte auszugleichen, werden dem Boden zusätzliche Nährstoffe in Form von industriell hergestelltem mineralischen Dünger oder organischem Dünger wie Gülle oder Kompost zugeführt.

Steigender Nährstoffbedarf

Nährstoffrückgewinnung 
Nährstofffließbild für herkömmliches System.


Nährstoffrückgewinnung 
Nährstofffließbild für nachhaltiges Kreislaufsystem.

Die industrielle Produktion von Phosphatdüngern basiert auf em Einsatz nicht erneuerbarer Rohphosphate, deren Vorkommen beständig abnehmen.Weiterhin erfordert die Herstellung von Stickstoffdünger über das Haber-Bosch-Verfahren einen sehr hohen Energieeinsatz, insbesondere in der Form von Erdgas. Gleichzeitig wird die Nachfrage nach Düngemitteln in Zukunft drastisch ansteigen, mm den wachsenden Bedarf an Pflanzen für die Nahrungsmittelherstellung und für die Bereitstellung nachwachsender Rohstoffe zur Gewinnung von Bioenergie oder Basischemikalien zu decken. Aus diesen Gründen sind die Preise für industriell hergestellte mineralische Dünger bereits in den letzten Jahren gestiegen – dieser Trend wird erwartungsgemäß anhalten.

Nährstoffverluste

Parallel zu dieser Entwicklung werden große Mengen an Nährstoffen in der Abwasserreinigung entsprechend gesetzlicher Vorgaben entfernt. Eine weitere Nährstoffsenke ist die Überdüngung in der Landwirtschaft. Überschüssige Mineraldünger werden aus dem nährstoffübersättigten Boden ausgewaschen und gelangen so in das Grundwasser oder in Oberflächengewässer, wo der Nährstoffeintrag zu einer unerwünschten Eutrophierung führt.

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Abwasser und organische Reststoffe als Quelle für Nährstoffe

Stickstoff und Phosphor sind in vielen Rest- und Abfallstoffen sowohl in anorganischer Form als auch in Form organischer Verbindungen enthalten. Diese organischen Stickstoff- und Phosphorverbindungen können als sehr stabile Verbindungen vorhanden sein. Bei der direkten Applikation von Gülle oder Gärresten kann die Nährstoffdosierung daher kaum kontrolliert werden, auch weil die Zusammensetzung der organisches Reststoffe stark variieren kann. Der natürliche Verrottungsprozess, in dessen Verlauf diese organisch gebundenen Nährstoffe für die zu düngenden Pflanzen verfügbar gemacht werden, hängt von spezifischen lokalen Bedingungen ab, wie z.B. Feuchtigkeit, Temperatur, mikrobieller Aktivität etc.. Da weder der Verrottungsprozess – aufgrund seiner Komplexität – noch die lokal herrschenden Einflussgrößen bestimmbar sind, kann die Freisetzung von Nährstoffen aus diesen organischen Düngern nicht definiert erfolgen.

Große Nährstoffmengen gehen durch das Abwassersystem verloren. Stand der Technik in den meisten kommunalen Kläranlagen ist die Entfernung von Stickstoffverbindungen wie Ammonium (NH4)und Nitrat (NO3) mit Hilfe von Nitrifikations- und Denitrifikationsprozessen. Dabei werden diese Verbindungen in gasförmigen Stickstoff umgewandelt, der in die Luft entweicht. Phosphat wird mittels chemischer Fällung mit Hilfe von Aluminium- oder Eisensalzen entfernt. Diese Phosphatsalze sind nicht pflanzenverfügbar oder können Eisen und Aluminium in für die Pflanzen toxischen Konzentrationen freisetzen. Schätzungen gehen davon aus, das weltweit ca. 4,3 Millionen Tonnen Phosphor auf diese Weise verloren gehen [1].

Das Fraunhofer IGB hat die Wichtigkeit von Nährstoffrückgewinnung und –recycling in Hinblick auf zukünftige finanzierbare Nachhaltigkeitsstrategien erkannt. Daher haben wir ein neues Forschungsgebiet aufgebaut, das sich mit der Entwicklung und Implementierung nachhaltiger und kosteneffizienter Technologien und Strategien für integriertes Ressourcenmanagement beschäftigt.

 

[1] Dockhorn, T. (2009). About the economy of phosphorus recovery. In: K. Ashley et al. (eds) Proc. International Conference on Nutrient Recovery from Wastewater Streams. IWA.

 

Nachhaltiges Nährstoff-Management am Fraunhofer IGB

Eine Rückgewinnung von Nährstoffen findet derzeit kaum statt. Das Fraunhofer IGB hat die ökologische und ökonomische Bedeutung der Nährstoff-Rückgewinnung erkannt und entwickelt nachhaltige, energie- und kosteneffiziente Strategien und Technologien zur »Schließung des Nährstoffkreislaufs« im Sinne eines ganzheitlichen Ressourcen-Managements.

Forschungsschwerpunkte sind

  • Rückgewinnung von Nährstoffen wie organischem und anorganischem Phosphor, Stickstoff, Kalium, Calcium als direkt anwendbare Düngerprodukte aus verschiedenen Abfällen
  • Charakterisierung des Nährstoffgehalts von Siedlungsabfällen (fest/flüssig) und verschiedener Reststoffe aus der Agrarindustrie sowie anderen Industriebereichen
  • Bewertung der festen und flüssigen Abfälle in Bezug auf ihr Potenzial zur Nährstoffrückgewinnung
  • Entwicklung spezifischer Strategien für die optimale Nährstoffrückgewinnung in Abhängigkeit der Eigenschaften des Abfalls
  • Entwicklung von pflanzengerechten Darreichungsformen, z. B. als Pellets kombiniert mit Gärresten