Rückgewinnung von Nährstoffen aus Reststoffströmen zur Herstellung von Düngemitteln

Nährstoffe wie Stickstoff und Phosphor sowie in geringeren Mengen auch Kalium, Calcium und Schwefel sind für das Wachstum aller Lebewesen essenziell. Deshalb sind sie die Hauptbestandteile von Düngemitteln und unverzichtbar für die weltweite Nahrungsmittelproduktion. Bisher werden Nährstoffe nur teilweise in einem geschlossenen Kreislauf geführt. Stattdessen werden sie mit der Ernte der Pflanzen aus dem Agrarökosystem entfernt. Eine Rückführung der Nährstoffe über die Reststoffe der Nahrungsmittelproduktion oder kommunale Entsorgungssysteme findet praktisch nicht statt.

Herausforderung steigender Nährstoffbedarf

Mit der wachsenden Weltbevölkerung und ihrem Bedarf an Nahrungsmitteln und der wachsenden Nutzung nachwachsender Rohstoffe zur Erzeugung von Bioenergie und biobasierten Basischemikalien steigt auch die Nachfrage nach Düngemitteln. Die Herstellung von Stickstoffdünger über das Haber-Bosch-Verfahren erfordert einen sehr hohen Energieeinsatz, insbesondere in der Form von Erdgas. Die industrielle Produktion von Phosphatdüngern basiert auf em Einsatz nicht erneuerbarer Rohphosphate, deren Vorkommen beständig abnehmen. 

Für ein zukunftsfähiges Wirtschaften ist die Rückgewinnung von Nährstoffen essenziell. Das Fraunhofer IGB beschäftigt sich daher mit der Entwicklung und Umsetzung nachhaltiger, kosteneffizienter Technologien und Strategien für ein integriertes Ressourcenmanagement. Schwerpunkt ist die Entwicklung neuartiger Technologien zur Rückgewinnung von Nährstoffen aus Abwasser und organischen Reststoffen. In den letzten Jahren haben wir Abwasser, Gülle und Gärreste sowie verschiedene weitere feste oder flüssige Reststoffe charakterisiert, in Hinblick auf die Rückgewinnung von Nährstoffen untersucht und erfolgreich patentierte Verfahren entwickelt.

Unsere Technologien

• Phosphorrückgewinnung: Phosphor ist ein wichtiges Düngemittel für die Landwirtschaft. Da die nätürlichen Vorkommen an Phosphor schwinden, bieten Verfahren zur Rückgewinnung dieses Nährstoffs eine nachhaltige Alternative für die Herstellung von phosphorbasierten Düngemitteln.
• Stickstoffrückgewinnung: Stickstoffhaltige Düngemittel sind in der Landwirtschaft gefragt. Stickstoff ist in großen Mengen in Abwasser, Gärresten aus Biogasanlagen, Gülle und weiteren organischen Reststoffen vorhanden und lässt sich mithilfe am Fraunhofer IGB entwickelter Verfahren zurückgewinnen.
• Thermischer Aufschluss und Trocknung: Mittels thermischer Verfahren können Gärreste aus Biogasanlagen in ihre Bestandteile zerlegt werden. Mittels Trocknung oder Torrefizierung lassen sich feste Restfraktionen stabilisieren, z. B. als organische Bodenverbesserer.

Vorteile der Nährstoffrückgewinnung

• Produktion von Düngemitteln und Torfersatzprodukten
• Erhöhte Versorgungssicherheit der benötigten Rohstoffe und Resilienz
• Kreislaufführung statt linearem Verbrauch
• Gewässer- und Klimaschutz

Zentratwässer der Klärschlammentwässerung aus Schlammfaulungen mit hohen Beladungsraten, sogenannte Hochlastfaulungen, zeichnen sich durch hohe Ammonium- und Phosphatkonzentrationen bis zu 1300 mg NH₄ pro Liter bzw. 200 mg Phosphat pro Liter aus.

Stand der Technik: Entsorgung ohne Wiedernutzung

Stand der Technik in den meisten kommunalen Kläranlagen ist die Entfernung von Stickstoffverbindungen wie Ammonium (NH₄⁺) und Nitrat (NO₃^–) mithilfe von Nitrifikations- und Denitrifikationsprozessen. Unter hohem Energieverbrauch für die Belüftung werden diese Verbindungen in gasförmigen Stickstoff umgewandelt, der in die Luft entweicht. Dabei kann Lachgas freigesetzt werden, das als Zwischenprodukt entsteht und als starkes Treibhausgas gilt. Phosphat wird mittels chemischer Fällung durch Zugabe von Aluminium- oder Eisensalzen entfernt. Diese Phosphatsalze werden deponiert, da sie nicht pflanzenverfügbar sind bzw. Eisen und Aluminium in für die Pflanzen toxischen Konzentrationen freisetzen können.

Unsere Lösung

• Stickstoffrückgewinnung mittels chemischer Membranabsorption
• Phosphorrückgewinnung mittels ePhos-Verfahren

Vorteile der Nährstoffrückgewinnung

• Reduktion von Lachgasemissionen
• Energieeinsparung bei Belüftung
• Verhindern der Deponierung von Phosphaten durch Produktion von Rezyklaten
• Einsparung von Fällmitteln
• Einhaltung der Grenzwerte im Ablauf der Kläranlage

In landwirtschaftlichen Biogasanlagen wird aus Biomasse Energie gewonnen. Gleichzeitig können aus den Gärresten der Anlagen wertvolle Nährstoffe zurückgewonnen werden. Das Fraunhofer IGB entwickelt die notwendigen Verfahren, um Energieerzeugung und Nährstoffproduktion miteinander zu verbinden. Biogasanlagen können auf diese Weise effizienter genutzt und somit auch wirtschaftlicher betrieben werden. So haben wir in verschiedenen Projekten Verfahren zur Aufarbeitung von Gülle und Gärresten zu mineralischen Düngern und organischen Bodenverbesserern entwickelt und als separate Module in eine Anlage für die Verarbeitung vor Ort integriert.

Herausforderung: Wohin mit der Gülle?

Das Ausbringen von Gülle, Gärresten aus Biogasanlagen und anderen landwirtschaftlichen Abfällen versorgt Ackerböden mit wertvollen organischen Bestandteilen und notwendigen Nährstoffen. Diese dienen dazu, den Nährstoffbedarf der Pflanzen zu decken und die Fruchtbarkeit der Böden zu erhalten. In Gegenden mit intensiver Tierhaltung ist die Ausbringung auf dem Feld allerdings nicht immer möglich, da die Böden bereits einen hohen Nährstoffgehalt aufweisen. Eine konventionelle landwirtschaftliche Biogasanlage mit einer Leistung von 500 kWel erzeugt mittels Vergärung beispielsweise ca. 100 Tonnen Stickstoff (N) pro Jahr. Bei einer Düngung mit 170 kg N/ha wären 588 Hektar Landfläche nötig, um die erzeugte Menge an Stickstoff aufzunehmen. Deshalb müssen Gärreste und überflüssige Gülle aus Regionen mit intensiver Tierhaltung entweder abtransportiert oder für lange Zeit gelagert werden. Aufgrund des hohen Wassergehalts von bis zu 80 Prozent ist ein Transport jedoch nicht sinnvoll. Bei der Lagerung wird Ammoniak freigesetzt.

Unsere Lösungen

• Phosphorrückgewinnung
• Stickstoffrückgewinnung
• Thermischer Aufschluss von Gärresten
• Stabilisierung der organischen Feststofffraktion durch Trocknung und Torrefizierung

Vorteile der Nährstoffrückgewinnung

• Verbesserung der Lager- und Transportwürdigkeit durch Entwässerung
• Produktion spezifischer Düngemittel mit definierter Zusammensetzung
• Vermeiden von Überdüngung
• Reduktion von Ammoniak-Emissionen
• Phosphat und Ammonium gezielt als Nährstoff einsetzbar
• Entfrachtetes Wasser zur Wiederverwendung (z. B. Gieß- oder Spülwasser)
• Organische Restfraktion kann zu humusreichem Torfersatz-Produkt aufgearbeitet werden

Auch bei der Produktion von Nahrungsmitteln oder Futtermitteln entstehen organische Reststoffe und Prozesswässer, aus denen sich wichtige Nährstoffe wie Ammonium-Stickstoff und Phosphat zurückgewinnen lassen. Das Fraunhofer IGB entwickelt und testet hierfür entsprechende Verfahren. 

Unsere Lösungen

• Phosphorrückgewinnung
• Stickstoffrückgewinnung

Vorteile der Nährstoffrückgewinnung

• Interne Kreislaufführung der entfrachteten Prozesswässer
• Einsparung von Einsatzstoffen
• Einsparung von Frischwasser