Verfahren zur Gewinnung von Sekundärphosphaten aus flüssigen Stoffströmen und deren Einfluss auf die deutsche Phosphorbilanz

Gethke-Albinus, Katrin; Pinnekamp, Johannes

doi:4175

Verfahren zur Gewinnung von Sekundärphosphaten aus flüssigen Stoffströmen und deren Einfluss auf die deutsche Phosphorbilanz = Processes to recover secondary phosphates from liquid mass flows and its influence over the German phosphorus balance

Gethke-Albinus, Katrin (Author)

2012

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Katrin Albinus-Gethke

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2012

UmfangIX, 141 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2012

Genehmigende Fakultät
Fak03

Hauptberichter/Gutachter
Pinnekamp, Johannes (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2012-05-25

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-41753
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/82889/files/4175.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Siedlungswasserwirtschaft und Siedlungsabfallwirtschaft und Institut für Siedlungswasserwirtschaft (314110)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Phosphor (Genormte SW) ; Recycling (Genormte SW) ; Bilanz (Genormte SW) ; Neue Technologie (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; phosphorus (frei) ; recycling (frei) ; mass flow balance (frei) ; new technologies (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Phosphor ist ein Element, dass für den Menschen, für Fauna und Flora essentiell ist. Phosphor ist nicht substituierbar und zudem endlich, seine Verbindungen zählen zu den durch Industrieproduktion und Konsum erheblich beeinflussten Stoffströmen unseres Planeten. Phosphat liegt auf der Welt in wenigen natürlichen Lagerstätten mineralisiert als Erz vor und muss bergbaulich gewonnen werden. Die weltweite Phosphorreserve hat eine begrenzte Reichweite und die Zusammensetzung des Phosphaterzes ist für seine Verwendung bedeutsam: der Hauptteil der Lagerstätten ist aufgrund ihrer Genese mit Schwermetallen angereichert und erschwert dadurch die Nutzung. Der Phosphorpreis, der kein Welthandelspreis ist, sondern auf bilateralen Handelsvereinbarungen basiert, ist äußerst instabil. Deutschland verfügt über keine eigenen Lagerstätten und ist vollständig auf Phosphatimporte angewiesen. In der vorgelegten Arbeit wurde eine Phosphorbilanz für Deutschland erstellt, um einen Überblick über relevante menschliche Aktivitäten und die daraus resultierenden Phosphorströme zu erlangen. Zwölf Prozessaggregate wurden in diesem Zusammenhang ermittelt, wobei sechs der Industrie, drei der Landwirtschaft und zwei der Abwasser- und Abfallbehandlung zuzuordnen sind. Das zwölfte Aggregat bilden die deutschen Haushalte. Zur Vervollständigung wurden außerhalb des Bilanzraums drei Aggregate definiert: sowohl der Import von phosphorhaltigen Stoffströmen als auch der Export bilden relevante Größen in der Bilanz, zusätzlich wird die Hydrosphäre einbezogen. Neben den Prozessaggregaten wurden fünf Lager festgelegt: die Speicherung von Phosphor im Boden und im Menschen, langlebige Produkte, Abfälle der Düngemittelindustrie sowie Abfalldeponien. Insgesamt konnten 28 Stoffströme ermittelt werden, wovon einige noch einmal unterteilt wurden. Die Phosphorbilanz zeigt, dass jährlich in den Betrachtungsraum die Menge von ca. 536.000 Mg P/a importiert wird. Die landwirtschaftlichen Produktionsbetriebe erhalten in Form von Dünge- und Futtermitteln mit 35,6% den größten Anteil davon, dicht gefolgt von der Phosphorindustrie mit einem Anteil von 34,9%. Mit einem Anteil von 24,4% ist die Nahrungsmittelindustrie der dritte große Abnehmer, der aber zugleich mit 59,7% die größte Phosphormenge auch wieder ausführt. Wichtige exportierende Industriesparten sind zudem die Phosphorindustrie (11,8%) und die Düngemittelindustrie (8,7%). Der Export beträgt ca. 233.500 Mg P/a und der Eintrag in die Hydrosphäre 33.000 Mg P/a. Somit verbleiben unter Einbezug der Bilanzunschärfe im Bilanzraum 262.000 Mg P/a, die die Lager bilden. Seit einigen Jahren werden bereits Möglichkeiten zur Phosphorrückgewinnung erforscht. In der Arbeit wurden jene Verfahren zum Phosphorrecycling aus flüssigen Medien aufgeführt und verglichen, die sich mindestens am Ende ihrer Entwicklung befinden. Vor dem Hintergrund der erarbeiteten Phosphorbilanz wurden Stoffströme ermittelt und quantifiziert, die entweder für eine Phosphorrückgewinnung in Frage kommen oder die durch unterschiedliche Maßnahmen im Umfang reduziert werden können. Anschließend wurde die Bilanz noch einmal unter Berücksichtigung der als besonders geeignet benannten Phosphorrückgewinnungsverfahren betrachtet. Neben der qualitativen Bewertung der für ein Phosphorrecycling relevanten Stoffströme, wurde das jeweilige Recyclingpotential quantifiziert und deren Auswirkungen auf die Stoffströme der Bilanz evaluiert. In einem Zukunftsszenario für eine Phosphorrückgewinnung in Deutschland wurde aufgezeigt, dass durch ein effizientes Recycling sowie durch Einsparmaßnahmen ein erster Schritt zur Unabhängigkeit von Phosphorimporten gemacht werden kann. Das vorgestellte Phosphorrückgewinnungssystem würde innerhalb des Bilanzraums zu einer Kreislaufführung von rund 36.000 Mg P/a führen. Durch die im Szenario beschriebenen Maßnahmen des Phosphorrecyclings könnten die Importe von mineralischen Phosphordüngemitteln um 50% gesenkt werden. Dies würde zu einer jährlichen Reduzierung der Gesamtimporte von 6,6% führen. Des Weiteren könnte der Eintrag in die Hydrosphäre ebenfalls um 38% abgemindert werden, was im Hinblick auf die Umsetzung der EG-WRRL einen erheblichen Beitrag zur Verbesserung der chemischen Gewässerqualität darstellen würde. Die skizzierte Doppelstrategie aus Vermeidung und Substitution von quantifizierten Phosphormengen kann auf der Basis ausgereifter Technologien die zunehmende Unabhängigkeit Deutschlands vom internationalen Phosphormarkt einleiten. Zudem wäre der Aufbau eines flächendeckenden Rückgewinnungssystems eine Pionierleistung, die die nationale umwelttechnologische Vorreiterrolle weiter stärken würde. Die Verfahren zur Phosphorrückgewinnung sind weit entwickelt und bereit für den großtechnischen Einsatz. Die Umsetzung in der Praxis verläuft derzeit noch zögerlich, aber das Wissen um die Endlichkeit der Ressource Phosphor und ihre Bedeutung für das Leben wird kurzfristig zu einem nachhaltigen Handeln führen müssen.

Phosphorus is a chemical element and essential for humans, fauna und flora. Phosphorus is not substitutable and in addition finite. Its chemical compounds rank among those material flows of our planet, which are extensive affected by industrial production and consumption. Phosphorus is available at natural mineral deposits in the form of phosphate ore and is to be mined. The worldwide phosphorus reserve has a limited range. The composition of the phosphate ore is significant for its utilisation: the main part of the phosphate deposits are enriched with heavy metals due to their genesis which handicaps the utilisation. The price of phosphorus is extremely insecure, because it is not a global trade price, but it is based upon bilateral trade agreements. Germany possesses no own phosphate deposits and is totally reliant on phosphate imports. In the presented dissertation a phosphorus balance for Germany is generated in order to get a general idea of human activities and the resultant phosphorus mass flows. Twelve relevant process units are identified. Six of them belong to the industrial and three to the agricultural sector. Two units are related to waste and waste water treatment. The twelfth process unit is made by the German domestic households. To complete the balance three units are defined outside of the balance envelope: the import of phosphoric mass flows as well as the export represent relevant quantities of the balance as well as the hydrosphere. Additionally to the process units five store units are defined: the storage of phosphorus in the soil and in humans, long-living products, waste of the fertiliser industry and landfills. Altogether 28 mass flows are identified, whereof several of them are to subdivide. The phosphorus balance illustrates, that annually approx. 536,000 Mg P/a are imported into the balance envelope. The agricultural production plants receive a proportion of 35.6% of this in the form of fertiliser and forage, closely followed by the phosphorus production industry with a proportion of 34.9%. With a proportion of 24.4% the food processing industry is the third largest recipient. At the same time this industry sector exports the major phosphorus quantity with 59.7% of all phosphorus exports. Further relevant export oriented sectors are the phosphorus working industry (11.8%) and the fertiliser industry (8.7%). The phosphorus export amounts to approx. 233,500 Mg P/a and the input to the hydrosphere to 33,000 Mg P/a. Consequently 262,000 Mg P/a remain in the balance envelope and represent the store units considering the balance vagueness. Over the past years research about phosphorus recovery has been intensified. In this dissertation recovery processes from liquid media, which at least are in the final design and development stages, are listed and compared. Against the background of the generated phosphorus balance mass flows is identified and quantified, which either are considered for phosphorus recovery or can be diminished by diverse measures. Subsequently the phosphorus balance is examined once again in consideration of the phosphorus recovery processes, which are nominated as particularly suitable for phosphorus recycling. Apart from the qualitative rating of the relevant phosphorus recovery mass flows each recycling potential is quantified and their impact on the mass flows of the phosphorus balance is evaluated. It is illustrated by a future scenario that Germany is able to to become more and more independent from phosphorus imports due to efficient phosphorus recovery systems and several saving measures as a first step. The suggested phosphorus recovering systems would lead to a circuitry of approx. 36,000 Mg P/a within the balance envelope. Realising the drafted phosphorus recycling measures the imports of mineral fertilisers could be decreased by 50%. This would lead to an annual reduction of the total German imports of 6.6%. Furthermore the input to the hydrosphere could be decreased by 38%. That would make an important contribution to the correction of the water bodies quality with regard to the realisation of the EU Water Framework Directive. The drafted double strategy of avoidance and substitution of phosphorus quantities based on fully developed technologies can initiate the beginning of an increasing German independence of the international phosphorus market. Furthermore the implementation of nationwide phosphorus recovery systems would be a pioneer work that could strengthen the German leading role in the environmental technology sector. The phosphorus recycling processes are nearly completely developed and ready for large-scale applications. Their implementation currently runs hesitantly, but the knowledge of the finiteness of the phosphorus resources and its general importance for life must lead to sustainable action and reasonable behaviour within all relevant social groups.

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