Zu hoher Verbrauch

Phosphor in 300 Jahren aufgebraucht: Lösungsideen für die Zukunft

Die weltweiten Vorräte an Phosphor schwinden, die Preise dürften steigen. Es gibt jedoch Möglichkeiten, wie man diesen Nährstoff aus Klärschlämmen, Gülle oder Gärresten zurückzugewinnen kann.

Einen Teil des zur Düngung benötigten Phosphors kommt über Wirtschaftsdünger auf die Fläche, den Rest kaufen Landwirte mit synthetisch hergestellten Phosphor- bzw. Mehrnährstoffdüngern zu.

Das Rohphosphat stammt zum allergrößten Teil aus Lagerstätten außerhalb Europas, die im Tagebau abgebaut werden, informiert die Bundesanstalt für Landwirtschaft (BLE). Weltweit verfügen nur fünf Länder über 85 % der bekannten Phosphatreserven: Das sind Marokko inklusive der Westsahara, China, Algerien, Syrien, Brasilien und Südafrika.

Mit Abstand die größten Bestände hat Marokko, wo knapp drei Viertel der Weltvorräte liegen. Die Phosphatvorräte in diesen Lagerstätten sind jedoch begrenzt. Verschiedenen Schätzungen zufolge, reichen die weltweiten Reserven noch etwa 300 Jahre – wenn wir weiterhin so viel Phosphat verbrauchen wie heute.

Preise dürften steigen

Die zunehmende Verknappung der Phosphatreserven wird daher laut BLE mittel- bis langfristig dazu führen, dass das noch vorhandene Phosphat immer teurer wird. Phosphor stehe seit einigen Jahren schon auf der Liste der kritischen Rohstoffe.

Es sei also dringend angeraten, die bestehenden Phosphatreserven zu schonen, also sparsamer mit dem Phosphor umgehen, heißt es. Zudem gelte es, Nährstoffkreisläufe zu schließen und ungenutzten Phosphor aus Abfall- und Nebenprodukten zurückzugewinnen. Dafür gibt es inzwischen viele gute Ansätze. Manche stecken noch in den Anfängen, andere haben bereits Marktreife erlangt.

Laut Umweltbundesamt sind hierzulande die Phosphorkonzentrationen in fast zwei Drittel aller offenen Gewässer zu hoch. Zu viel Phosphor bringt die Gewässerökosysteme aus dem Gleichgewicht und führt zur sogenannten Eutrophierung. Die Folge sind schädliches Wachstum von Algen und Wasserpflanzen, Abnahme der Biodiversität, Sauerstoffmangel, bis hin zu Fischsterben.

Phosphorrückgewinnung aus Klärschlamm

Mit dem Einsatz von Klärschlamm verfolgt man bereits seit vielen Jahren den Ansatz, ungenutzte Nährstoffe aus kommunalen Abwässern auf die landwirtschaftliche Fläche zurückzuführen. Nicht ausreichend berücksichtigt wurde dabei allerdings, dass Klärschlamm nicht unerhebliche Mengen an Schadstoffen wie Schwermetalle, Arzneimittelrückstände und Kunststoffreste enthält, die somit in den Boden gelangen, erklärt die BLE weiter.

Grafik

Verbleib von Klärschlamm (Bildquelle: BLE)

Daher ist man vor einigen Jahren dazu übergegangen, die Verwertung von Klärschlamm als Dünger in Deutschland stark zu reduzieren. 2019 wurde noch rund ein Viertel des anfallenden Klärschlamms stofflich verwertet, 17 % als Düngemittel in der Landwirtschaft. Spätestens 2032 soll in größeren Kläranlagen (> 50.000 Einwohner) damit Schluss sein. Die stoffliche Verwertung von Klärschlamm ist dann nur noch bei kleineren Anlagen (< 50.000 Einwohner) zulässig, also vor allem in ländlichen Regionen.

Damit die im Klärschlamm enthaltenen wertvollen Nährstoffe dem Kreislauf dennoch erhalten bleiben, müssen Klärschlämme, die mehr als 20 Gramm Phosphor pro Kilogramm Trockenmasse enthalten, und Klärschlammverbrennungsaschen künftig einer Phosphorrückgewinnung unterzogen werden. So schreibt es die 2017 novellierte Klärschlammverordnung vor.

Miststreuen

Feststoffausbringung (Bildquelle: Huesmann)

Seit vielen Jahren schon laufen zahlreiche Versuche, in denen passende Techniken zur Phosphorrückgewinnung aus kommunalen Abwässern erprobt werden. Ein vielversprechendes Verfahren, das inzwischen auch in großtechnischem Maßstab in der Praxis Anwendung findet, ist die Rückgewinnung von Phosphor aus dem Schlammwasser oder Faulschlamm in Form von Struvit (Ammonium-Magnesium-Phosphat). Dieses kann als Düngemittel eingesetzt werden.

Eine andere, großtechnisch ebenfalls bereits umsetzbare Möglichkeit der Phosphor-Rückgewinnung ist die Verbrennung von Klärschlamm zu Asche. Da die reine Asche aufgrund der schlechten Nährstoffverfügbarkeit und der hohen Schadstoffgehalte nicht direkt als Dünger eingesetzt werden kann, wird sie in verschiedenen Verfahren weiterbehandelt.

Gülleseparation

Gülleseparation (Bildquelle: Heil)

Ist recycelter Phosphor bereits am Markt verfügbar?

Laut Deutscher Phosphor-Plattform sind recycelte Phosphordünger bereits verfügbar, allerdings noch nicht in großen Mengen. Mit fortschreitender Umsetzung der Phosphorrückgewinnung ist in absehbarer Zeit jedoch damit zu rechnen, dass das Angebot an Phosphor-Rezyklaten zunimmt.

Phosphorrückgewinnung durch Aufarbeitung von Gülle und Gärresten

Interessant wäre auch die Gülleaufbereitung, wie das BioEcoSIM-Verfahren des Fraunhofer-Instituts für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik (IGB). Bei diesem Verfahren werden Gülle und Gärreste derart aufbereitet, dass gut verwertbare Produkte wie Phosphorsalze, Stickstoffdünger (Ammoniumsulfatlösung) und nährstoffarmes organisches Material entstehen. Letzteres kann als bilanzneutraler Bodenhilfsstoff für den Humusaufbau verwendet werden, erklärt die Bundesanstalt.

An den Versuchsanlagen des Fraunhofer-Instituts sei es gelungen, aus 1,2 t Gülle, 7 kg Phosphatsalze, 21 kg Ammoniumsulfat und 83 kg organischen Feststoff zu gewinnen. Damit würden 90 % des in der Gülle enthaltenen Phosphors und Stickstoffs recycelt.

Das Einsparpotenzial an synthetischen Düngern ist groß: Nach Angaben des Fraunhofer-Instituts ließen sich hochgerechnet aus der Aufbereitung von 2 Mio. t Gülle 14.000 t Phosphatsalze zurückgewinnen. Das wären 9 % des jährlich nach Deutschland importierten mineralischen Phosphors.

Die Lizenz für das BioEcoSIM-Verfahren wurde inzwischen von einem deutschen Entsorgungsunternehmen erworben, dass aktuell großtechnische Anlagen in viehstarken Regionen errichtet.

Gülleseparator

Feststoffe nach der Separierung (Bildquelle: Heil)

Phosphoreffizienz steigern

Das eigentliche Dilemma mit dem Phosphor in Böden sei, dass er chemisch sehr fest gebunden ist und den Pflanzen damit nicht zur Verfügung steht. Deswegen müssen im Ackerbau so große Mengen an Phosphor gedüngt werden.

Um den Phosphor, der gedüngt wird, und jenen, der im Boden in gebundener Form vorliegt, besser auszunutzen, gibt es verschiedene pflanzenbauliche und düngungstechnische Maßnehmen, die heute schon zu Anwendung kommen. Dazu zählen beispielsweise die regelmäßige Kalkung zur Herstellung eines optimalen Boden-pH-Werts, eine verbesserte Humusversorgung oder der Anbau von Kulturpflanzen und Zwischenfrüchten mit einem intensiven und tiefreichenden Wurzelsystem.

Auch die platzierte Düngung der mineralischen Phosphor-Dünger ist eine mögliche Methode der Effizienzsteigerung. Sie ist beim Mais – in Form der Unterfußdüngung – bereits gängige Praxis, findet bei anderen Kulturarten aber noch wenig Anwendung.

Wie beim Phosphorrecycling, wird auch im Bereich der Phosphor-Effizienzsteigerung aktuell viel geforscht. Potenzial steckt auch in der Züchtung von Sorten, die eine bessere Aneignung, Aufnahme und Verwertung von Phosphor aufweisen.

Trecker mit Maislegegerät

Maislegen mit Unterfußdüngung (Bildquelle: Hansing)

Silizium düngen und Phosphordünger sparen

Ein interdisziplinäres Forscherteam der Universität Bayreuth und der Universität Kopenhagen fand heraus, dass man den im Boden fest gebundenen Phosphor über die gezielte Düngung von Silizium wieder verfügbar machen kann. Silizium mobilisiert nämlich den an Eisen gebundenen Phosphor, sodass dieser von den Pflanzenwurzeln aufgenommen werden kann.

Wenn Landwirte ihren Böden also genau dosierte Mengen Silizium zuführen, könnten sie ohne Ernteverluste für gewisse Zeit – gegebenenfalls sogar über mehrere Jahre – auf phosphorhaltige Dünger verzichten, so die Wissenschaftler.

Siliziumverbindungen können darüber hinaus auch enorme Mengen an Wasser im Boden speichern.

Wichtig: Silizium muss sehr genau dosiert werden, da zu viel Silizium große Mengen an Nährstoffen in kurzer Zeit freisetzen kann. Im ungünstigsten Fall werden die Nährstoffe dann ausgewaschen und gelangen in Oberflächengewässer.