RoKKa: Die Kläranlage als Rohstoffquelle und Bioraffinerie

Die Klärschlammfaulung ist ein etabliertes Verfahren, um Energie in Form von Biogas aus dem Wasser zu nutzen. Das Filtrat aus der Entwässerung des Faulschlamms muss in der Kläranlage mitbehandelt werden, weil es hohe Phosphor- und Stickstoffkonzentrationen enthält. Allerdings erhöhen Nährstoffrückbelastungen aus der Faulung durch Frachtstöße den Energieverbrauch in der Belüftung, führen zu höheren Lachgasemissionen und schlimmstenfalls zu erhöhten Ablaufkonzentrationen von Ammoniumstickstoff in der Kläranlage. Die Nährstoffe des Filtrats können zurückgewonnen werden, um Ressourcen zu schonen und Stoßbelastungen vermeiden. Vor allem der Lachgasausstoß. Dieser ist mit einem rund 300-fach stärkeren Treibhausgaspotenzial als CO₂ in der Klimabilanz einer Kläranlage kritisch zu bewerten.

Projekt RoKKa (Rohstoffquelle Klärschlamm und Klimaschutz auf Kläranlagen) untersucht auf der Kläranlage der Stadt Erbach Möglichkeiten zur Behandlung des Filtrats aus der Klärschlammfaulung. Die Wissenschaftler:innen erproben Verfahren, um Phosphor- und Stickstoffverbindungen für Düngemittel zu gewinnen. Daneben werden mit Mikroalgen Pflanzenstärkungsmittel und Bodenverbesserer für die Landwirtschaft erzeugt. Selbst das CO₂, das bei der Herstellung von Biogas anfällt, wird abgetrennt und wieder zu einem Rohstoff für die chemische Industrie verarbeitet.

Das ePhos-Verfahren des Fraunhofer IGB widmet sich der Phosphorrückgewinnung. Mithilfe einer Opferanode aus Magnesium wird das Phosphor elektrochemisch als Struvit gefällt. Danach trennen zwei Pilotanlagen den Ammonium-Stickstoff aus dem Schlammwasser ab. Die Nährstoffe, die nach den Verfahren im Wasser verbleiben, erhalten Mikroalgen als Nahrung. Die Algen benötigen zur Photosynthese neben Licht auch CO₂. Dazu wird das CO₂, das bei der Biogasfaulung entsteht, mithilfe einer Aminosäurelösung abgetrennt und über eine Elektrodialyse-Vorrichtung zurückgewonnen. Den Überschuss an CO₂, den die Mikroalgen nicht benötigen, wandelt eine Elektrosyntheseanlage in Formiat um.

Mit dem Projekt soll demonstriert werden, dass es möglich ist, eine Kläranlage zur Bioraffinerie auszubauen. Neben dem Ziel der Abwasserbehandlung werden Rohstoffe aus dem Abwasser gewonnen. Durch die Vermeidung von Nährstoffrückbelastungen werden klimarelevante Emissionen reduziert und so ein Beitrag zur Klimaneutralität geleistet. Ziel ist, die Projekt-Ergebnisse großtechnisch auf Kläranlagen umzusetzen. Eine großtechnische Umsetzung unterstützt die Landesstrategie Nachhaltige Bioökonomie. Das Recycling von Phosphor und Stickstoff senkt den Einsatz fossiler Rohstoffe. Die Rohstoffrückgewinnung führt durch die Vermeidung von Frachtstößen ebenfalls zu einer Minderung der Treibhausgas-Emissionen. Die geplante Verknüpfung innovativer Verfahren kann zu einer intensiveren Kreislaufwirtschaft und mehr Klimaschutz beitragen. Neben der Ressourceneffizienzstrategie unterstützt das Vorhaben auch die Nachhaltigkeits- und Innovationsstrategie sowie die Klimaschutzziele Baden-Württembergs.

• Aufnahme des Ist-Zustandes bis April 2022
• Steuerung der Bio-P-Prozesse bis April 2023
• Einbindung der P- und N-Rückgewinnung bis Dezember 2023
• Implementierung der CO₂-Abtrennung bis Oktober 2023
• Bereitstellung der Mikroalgenproduktion, Einbindung der Elektrosynthese von Formiat und Potenzialanalyse der Reduktion der Lachgasemissionen bis Dezember 2023
• Gewährleistung der Übertragbarkeit und Verwertung bioökonomischer Produkte bis April 2024

Das Projekt wird durch das Ministerium für Umwelt, Klima und Energiewirtschaft Baden-Württemberg gemeinsam mit der EU-Kommission im Rahmen des EFRE-Förderprogramms „Bioökonomie – Bioraffinerien zur Gewinnung von Rohstoffen aus Abfall und Abwasser – Bio-Ab-Cycling“ gefördert.