Neues mikrobiologisches Verfahren ermöglicht Phosphorrecycling aus Klärschlammasche
Fritzmeier Umwelttechnik hat zusammen mit Partnern ein umweltfreundliches Verfahren zum Phosphorrecycling entwickelt und zur Technikumsreife gebracht. Dies ist wegen der Verpflichtung…mehr:
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Nature-Publikation: Aquakultur verknappt Phosphor und gefährdet Nahrungssicherheit
Augsburg – Die zunehmende Bedeutung von Aquakulturen in der Fischgewinnung trägt zur Verknappung des Rohstoffes Phosphor bei und gefährdet dadurch langfristig die Nahrungssicherheit falls nicht gegengesteuert wird. Dies zeigt eine in Nature Communications veröffentlichte Studie. Zu dem von Dr. Yuanyuan Huang (CSIRO, Melbourne) geleiteten Autorenteam zählt auch Dr. Daniel Goll vom Institut für Geographie der Universität Augsburg.
Phosphor ist ein wesentliches Element für alle Lebensformen auf der Erde. Der rapide Anstieg der menschlichen Nachfrage nach Nahrungsmitteln hat den Phosphoreintrag in Form von Düngemitteln in die Biosphäre seit der vorindustriellen Zeit vervierfacht. Aufgrund der raschen Ausbeutung der endlichen Phosphorquellen und der ineffizienten Verwendung von Phosphor ist die künftige Ernährungssicherheit gefährdet. Infolgedessen hat die Europäische Union im Jahr 2014 Phosphor in die Liste der 20 kritischen Rohstoffe aufgenommen, deren Versorgungssicherheit gefährdet ist und deren wirtschaftliche Bedeutung hoch ist. Die Einführung von Vorschriften für die Verwendung von Phosphordüngemitteln haben zu einer erhöhten Effizienz in der landwirtschaftlichen Produktion geführt, bislang hat der Einsatz von Phosphor in der Fischgewinnung jedoch wenig Beachtung gefunden.
Eine neue Studie zeigt nun, dass in der globalen Fischgewinnung erhebliche Mengen an Phosphor mit einem nur sehr geringen Wirkungsgrad verbraucht werden: Nur etwa ein Viertel des Phosphors, der zur Aufzucht von Fischen verwendet wird, wird mit dem Fisch geerntet, während der im Wasser verbleibende Phosphor potentiellen benachbarten Ökosystemen schadet und z. B. zum Verlust biologischer Vielfalt oder Algenblüten führen kann.
„Der Phosphor, der in Flüsse und Ozeane gelangt, kann als verloren angesehen werden, da es äußerst schwierig ist ihn wiederzugewinnen. Solche Verluste sollten weitmöglichst vermieden werden, um sicherzustellen, dass auch für zukünftige Generationen genügend Phosphor verfügbar ist“, erklärt Daniel Goll.
Nachhaltige Phosphorproduktion notwendig
Fisch, Krustentiere und Weichtiere (im Folgenden als Fisch verallgemeinert) gewinnen als Proteinquelle in der menschlichen Ernährung immer mehr an Bedeutung: Im Jahr 2013 stammten 17 Prozent des gesamten tierischen Proteins, das Menschen verzehrten aus Fischerei und Aquakultur. Während gefischte Fische ihren Phosphorbedarf aus natürlich vorkommenden Nahrungsquellen, z. B. anderen Fischen oder Plankton, decken, ist Aquakultur auf die Zugabe von Phosphor in Form von Fischfutter oder Dünger angewiesen, um für pflanzenfressende Fische das Pflanzenwachstum zu fördern.
Der Anteil der aus Aquakultur stammenden Fische für den menschlichen Verzehr ist von unter fünf Prozent in den 1950er-Jahren auf etwa 50 Prozent in den 2010er-Jahren gestiegen. Der frühere Phosphorfluss in Richtung Land durch die Fischerei hat sich darum in einen Verlust von Phosphor vom Land in Form von Dünge- und Futtermitteln gewandelt.
Durchschnittlich werden nur etwa 20 Prozent des zugesetzten Phosphors in Aquakulturen geerntet, was ein erhebliches Nachhaltigkeitsproblem darstellt. In dieser Studie wurde abgeschätzt, dass sich der Anteil an zugesetztem Phosphor, der in der Aquakultur in Form von Fischen geerntet wird, bis zum Jahr 2050 mehr als verdoppeln muss, um eine nachhaltige Phosphorproduktion zu ermöglichen.
„Phosphor ist ein nicht erneuerbarer, begrenzter und lebenswichtiger Nährstoff für Nutzpflanzen und -tiere. Wir sollten uns überlegen, wie wir Phosphor in der Fischwirtschaft recyceln und wiederverwenden können, um damit mehr Feldfrüchte anzubauen. Gleichzeitig sollten wir den Phosphor, den wir in der Aquakultur ins Wasser geben auf ein Minimum reduzieren „, sagt Dr. Yuanyuan Huang, die Leiterin der Studie.
Wissenschaftliche Ansprechpartner:
Dr. Daniel Goll
Physische Geographie mit Schwerpunkt Klimaforschung
Telefon: +49 821 598 2279
E-Mail: dsgoll123@gmail.com
Corina Härning Presse – Öffentlichkeitsarbeit – Information
Universität Augsburg
Bewertung der Stickstoff- und Phosphorrückgewinnung im Gesamtsystem aus Abwasserreinigung und Landwirtschaft
Zusammenfassung
Der Ansatz, Abwasser und seine Inhaltsstoffe als Ressource zu betrachten, hat mittlerweile eine weite Verbreitung gefunden. Zur Bewässerung landwirtschaftlicher Flächen und somit zur Sicherung der Lebensgrundlage der Weltbevölkerung steht global betrachtet sicherlich das Wasser selbst im Fokus des Interesses. Gleichwohl sind auch die Inhaltstoffe Stickstoff und Phosphor essentielle Nährstoffe für die Landwirtschaft, deren Rückgewinnung aus Ressourcenschutzgründen grundsätzlich als sinnvoll anzusehen bzw. im Falle des endlichen Rohstoffes Phosphor mittelfristig zwingend notwendig ist. Da beide Stoffe bei der Abwasserreinigung mit großem technischen und finanziellem Aufwand entfernt werden müssen, sind die Ausgangsbedingungen für eine Nährstoffrückgewinnung – und somit eine Inwertsetzung der Schmutzstoffe – insgesamt günstig. Es ist insofern etwas überraschend, dass die Nährstoffrückgewinnung noch keine großtechnische Verbreitung gefunden hat.
In der vorliegenden Arbeit konnte im Rahmen einer eingehenden Literaturanalyse gezeigt werden, dass die geringe Verbreitung auf Defizite in Konzeption und Bewertung der Rückgewinnungsverfahren zurückzuführen ist, die sich negativ auf die Wirtschaftlichkeit (und somit den wesentlichen Faktor einer Verfahrensumsetzung) auswirken. Hierunter sind insbesondere die fehlende gesamtsystemische Betrachtung und Bewertung sowie die fehlende Berücksichtigung der landwirtschaftlichen Belange zu nennen. Basierend auf diesen Erkenntnissen wurde die Hypothese aufgestellt, dass ein Beheben der Defizite zu einer wirtschaftlichen Verfahrensumsetzung führen kann.
Zur Untersuchung der Hypothese wurde eine MAP-Fällung zu P-Rückgewinnung sowie eine Ammoniakstrippung zur Stickstoffrückgewinnung für den Zentratwasserstrom einer kommunale Kläranlage der Größenklasse 5 konzipiert. Beide Verfahren wurden im Sinne einer gesamtsystemischen Betrachtungsweise explizit auch als Reinigungsverfahren angesprochen und bewertet. Die Rückgewinnungsprodukte Magnesium-Ammonium-Phosphat (MAP) und Diammoniumsulfat (DAS) sind zum direkten Einsatz als Düngemittel geeignet.
Zur Berücksichtigung der landwirtschaftlichen Belange wurde der Düngemittelbedarf feldfrucht- und zeitspezifisch erfasst und mit dem MAP- und DAS-Angebot der Kläranlage abgeglichen. Für das untersuchte Fallbeispiel konnte hierdurch ein Großteil der bisher eingesetzten Stickstoff- und Phosphordünger durch kläranlagenbürtige Sekundärrohstoffdünger substituiert werden. Für die Substitutionskonzepte konnte ferner der Wert der Sekundärrohstoffdünger ermittelt und letztlich ein Preis festgelegt werden, der für beide beteiligten Akteure von Vorteil ist.
Für das dargestellte Konzept wurde eine Wirtschaftlichkeitsbetrachtung durchgeführt, in der die Erlöse aus der Düngemittelvermarktung als Gutschrift angerechnet wurden. Im Sinne einer gesamtsystemischen Betrachtungsweise wurde die Reinigungswirkung der Rückgewinnungsverfahren ebenfalls als Erlös angerechnet, da die hierdurch entfernten N- und P-Frachten nicht mehr als Rückbelastung wirksam werden und demgemäß keine Kosten (mehr) in der konventionellen Reinigung verursachen. Im Hinblick auf die Kosten der Rückgewinnungsverfahren sind insbesondere die Betriebskosten – und hierunter vor allem die Kosten der Betriebsmittel – zu nennen, die die Kapitalkosten deutlich übersteigen.
In Summe ergeben sich Jahreskosten von rund 1,19 Mio. € und Erlöse von etwa 1,03 Mio. €. Diese sind zu etwa 85% auf die Anrechnung der Reinigungswirkung und somit die gesamtsystemische Betrachtungsweise zurückzuführen. Mit rund 15% bzw. etwa 150.000 €/a sind die Erlöse aus der landwirtschaftlichen Düngemittelvermarktung im Vergleich deutlich geringer; da diese jedoch in der gleichen Größenordnung wie die verbleibenden Netto-Kosten von 160.000 €/a liegen, sind diese ebenso wie die Anrechnung der Reinigungswirkung von zentraler Bedeutung für die Verfahrenskonzeption und -bewertung.
Aufgrund der resultierenden Netto-Kosten konnte die aufgestellte Hypothese für das untersuchte Fallbeispiel und die gegebenen Rahmenbedingungen jedoch nicht vollständig bestätigt werden. Im Rahmen von Break-Even-Analysen konnte jedoch gezeigt werden, dass Stellgrößen wie der Betriebsmitteleinsatz so optimiert werden können, dass eine wirtschaftliche Verfahrensumsetzung möglich sein kann. Auch vom Fallbeispiel abweichende, günstigere Rahmenbedingen wie bspw. geänderte Nährstofffrachten können im jeweiligen Einzelfall zu einer wirtschaftlichen Verfahrensumsetzung führen.
Über die Ökonomie hinausgehend, sollten auch nicht-monetäre Aspekte in die Verfahrensbewertung mit einfließen, die deutlich für den Einsatz der Rückgewinnungsverfahren sprechen. Hierunter sind insbesondere der Ressourcenschutz, betriebliche Vorteile und Flexibilität auf der Kläranlage sowie die lokale, vom Weltmarkt unabhängige Bereitstellung von Düngemitteln zu nennen.
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit konnte somit gezeigt werden, dass eine MAP-Fällung sowie eine NH3-Strippung zur Behandlung des Zentratwassers – verbunden mit der landwirtschaftlichen Verwertung der Rückgewinnungsprodukte – grundsätzlich in Erwägung gezogen werden sollten.