Für die meisten ist es ein Ort, um den sie mit gerümpfter Nase lieber einen großen Bogen machen: eine Kläranlage. Für andere hingegen sind Kläranlagen Orte, an denen sich Forschung und Entwicklung für eine nachhaltiger Gesellschaft abspielen. Spätestens seit die Bundesregierung 2017 verordnet hat, dass ab 2029 Phosphor aus Klärschlämmen weitgehend zurückgewonnen werden muss, sind Kläranlagen verstärkt in den Fokus der Wissenschaft gerückt.

Betreiber und Forschungsinstitute haben sich zusammengeschlossen, um Phosphor, aber auch andere Wertstoffe aus dem Abwasser zu recyceln. Wieder andere Fachleute verfolgen das Ziel, Kläranlagen energieautark zu machen, und setzen dazu auf mikrobielle Brennstoffzellen und die Methanerzeugung. Durch diese Bewegung könnten in einigen Jahren aus den bislang kostenträchtigen, der Hygiene wegen entwickelten Kläranlagen Orte der Wertschöpfung werden.

Wird Klärschlamm nicht verbrannt und deponiert, landet er meist als Dünger auf den Feldern. Damit sind zwei Probleme verbunden: Zum einen enthält der Klärschlamm oft Schadstoffe wie Schwermetalle oder Arzneimittelrückstände. Zum anderen ist Phosphor wertvoll. Er trägt als Dünger wesentlich zur Ertragssteigerung in der Landwirtschaft bei. Gleichzeitig ist der Rohstoff endlich. Er stammt bislang vor allem aus dem Abbau in Bergwerken, was oftmals unter ökologisch fragwürdigen Bedingungen passiert. Dabei könnten aus Klärschlamm allein in Deutschland jährlich rund 50 000 Tonnen Phosphor recycelt werden. Das würde rund 40 Prozent des heutigen Bedarfs an mineralischem Phosphordünger in Deutschland decken.

Bereits 2016 hat deshalb in Karlsruhe eine von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt geförderte Pilotanlage zum Recycling von Phosphor aus Klärschlamm den Betrieb aufgenommen. An der dortigen AVA Green Chemistry Development GmbH setzen die beteiligten Forschungseinrichtungen – die Universität Hohenheim und das Fraunhofer-Institut für Silicatforschung ISC – auf die hydrothermale Karbonisierung (HTC). Dabei muss der Klärschlamm nicht erst zeit- und energieaufwändig getrocknet werden. Stattdessen wird er zunächst in Biokohle umgewandelt, bevor das Phosphat isoliert und zurückgewonnen wird. »Bisherige Technologien für die Phosphorrückgewinnung setzen vor allem auf die Entsorgung in Monoverbrennungsanlagen, um dann aus der Asche das Phosphat zu gewinnen und als Dünger zu verarbeiten«, erläutert Andrea Kruse, Agrartechnologin der Universität Hohenheim. Diese Verfahren seien teurer und deutlich aufwändiger als die HTC.

Verschiedene Wege führen zum Phosphor

Denkbar wäre auch die so genannte nasschemische Fällung direkt in der Kläranlage: Dadurch entsteht das phosphorhaltige Kristall Struvit. Die Methode ist einfach, erzielt jedoch nur geringe Ausbeuten zwischen 5 und 30 Prozent. Den Ansprüchen der neuen Klärschlammverordnung würde das nicht genügen. Die Verbrennung hingegen kann Recyclingquoten von bis zu 90 Prozent erreichen, ist aber mit hohen Investitions- und Betriebskosten verbunden. Eine erste spezialisierte Großanlage hat Anfang 2021 in Hamburg den Betrieb aufgenommen. Dort wird die Klärschlammasche in Phosphorsäure gelöst, in der sich das Phosphor dann anreichert. Neben Phosphor werden im Rahmen einer mehrstufigen Reinigung auch Gips sowie Eisen- und Aluminiumsalze gewonnen.

Das Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik UMSICHT setzt statt auf Verbrennung auf das physikalische Prinzip der so genannten Kavitation: Ultraschallimpulse bewirken im Klärschlamm einen ständigen Druckwechsel, was unzählige winzige Bläschen mit Gasgemischen entstehen lässt. Sie wachsen rasant an und implodieren schließlich. Die Implosionen helfen dabei, die Bestandteile des Klärschlamms zugänglich zu machen und getrennt weiterzuverarbeiten. Fachleute sprechen hier von Fraktionierung. Dabei enthält eine Fraktion, also ein auf diese Weise gewonnener Bestandteil, zellulosereiche Fasern. Eine andere Fraktion bildet ein nährstoffreiches Gel, und eine dritte Fraktion besteht aus einer leicht vergärbaren Flüssigkeit. Alle drei Fraktionen können weiter genutzt werden. Aus einem der Bestandteile lässt sich Phosphor effizient extrahieren. Seit 2019 wird diese Technologie in mobilen Anlagen in einem Probelauf getestet. Bald soll in Hückeswagen auch der Dauerbetrieb erprobt werden, wie Projektleiter Josef Robert vom UMSICHT angekündigt hat.

Wieder einen anderen Ansatz verfolgt Ulf Theilen an der TH Mittelhessen. Sein Team möchte in den Kläranlagen bestimmte Mikroalgen einsetzen, die sich dort von phosphor- und stickstoffhaltigen Verbindungen ernähren, diese also dem Klärwasser entziehen. Die Algen können dann geerntet und die Nährstoffe aus ihnen extrahiert werden. Die restliche Biomasse lässt sich thermisch verwerten. Noch ist allerdings zu wenig darüber bekannt, wie genau die Algen die phosphor- und stickstoffhaltigen Verbindungen verarbeiten. Außerdem ist es verfahrenstechnisch und mikrobiologisch anspruchsvoll, den Prozess nicht chargenweise, sondern kontinuierlich zu betreiben. Letzteres ist wirtschaftlich vorteilhaft. Nicht zuletzt müssen die Forschenden ihre Methoden weiter optimieren, mittels derer sie die Nährstoffe in hoher Reinheit entnehmen können. Pilotanlagen entstehen derzeit in den Klärwerken Lollar und Ober-Bessingen.

Kläranlagen als Kraftwerke

Diese drei Beispiele zeigen: Die Reinigung des Abwassers ist mehr als eine lästige Pflicht und kann sogar zu einem positiven ökonomischen Faktor werden. Dieses Ziel verfolgt Michael Sievers von der TU Clausthal zusammen mit seinen Projektpartnern: Er möchte Kläranlagen zu Kraftwerken werden lassen. Dazu will sein Team so genannte mikrobielle Brennstoffzellen nutzen. Im Klärwasser sind von Natur aus elektroaktive Mikroorganismen vorhanden. Die Forscher haben diese Mikroben durch ein technisches Verfahren im Klärwasser angereichert. »Elektroaktive Mikroorganismen bauen organische Inhaltsstoffe ab, dabei setzen sie CO₂ und Elektronen frei«, erläutert Sievers. »Wir versuchen, diese Elektronen mit Elektroden einzufangen, bevor sie an andere Mikroorganismen abgegeben werden.« Die Kunst ist dabei weniger das altbekannte Prinzip einer Brennstoffzelle als vielmehr das Design der Elektroden.

»Es gibt jährlich mehr als 1000 Publikationen dazu im Labormaßstab, aber praktisch kaum im größeren Maßstab«, erzählt Sievers. Den Grund sollten er und sein Team bald verstehen: »Bakterien siedeln sich überall an, wo es feucht ist und Nährstoffe sind« – das gilt auch für die Kathode, insbesondere deren nanometerfeine Poren. »Wir haben keine Publikation gefunden, in der das System länger als ein halbes oder ein Jahr gelaufen ist«, erinnert sich der Forscher. Stets fiel die Leistung des Systems kontinuierlich ab. Weil seine Publikation noch nicht erschienen ist, möchte Sievers keine Details verraten, nur so viel: »Die Leistung steigt dadurch sogar mit der Zeit.«

Ein zweites Problem war der Energiebedarf der Pumpen bei einem Zwei-Kammer-System. Sievers' Team hat auf ein Ein-Kammer-System umgestellt und dazu eine neue, inzwischen patentierte Elektrode entwickelt. Der Stromkreislauf der Brennstoffzelle wird dann noch um einen Harvester ergänzt, eine Art Erntemaschine für schwache Stromflüsse, der einen Batteriespeicher auflädt. »Es war eine Herausforderung, die Spannung mit geringen Verlusten auf zwei bis fünf Volt zu transformieren«, betont Sievers. Jetzt hat das System einen Wirkungsgrad von 80 bis 90 Prozent. Nimmt man die Energie hinzu, die eine Kläranlage über den Faulbehälter und das dort erzeugte Methan generiert, könnten die Anlagen nicht nur energieneutral, sondern sogar mit einem Energieüberschuss betrieben werden, schätzt Sievers.

Immerhin beträgt die Energie in den Abwässern aller deutschen Kläranlagen rund 20 000 Gigawattstunden pro Jahr. »Das Potenzial ist klein gegenüber Wind- oder Solarenergie«, sagt der Experte, »aber es kann ein wertvoller Lösungsansatz in Richtung Klimaneutralität sein.« 2023/24 soll eine Anlage für die Abwässer von rund 300 Personen in Goslar im Bypass aufgebaut werden. Ist der Test erfolgreich, ließe sich das modulare System schnell skalieren. Und auch eine Umwandlung nicht nur des im Abwasser enthaltenen Kohlenstoffs, sondern auch des Stickstoffs in Strom ist für Sievers mittelfristig denkbar.

Neuer Ansatz für Klärschlammtrocknung

Ebenfalls in Richtung Kreislaufwirtschaft geht ein neuer Ansatz der Klärschlammtrocknung. An die Stelle der Trocknung mit Luft soll hier ein Wasserverdampfungstrockner treten. »Wasserdampf kann man überhitzen, damit er dann noch mehr Wasser aufnehmen kann, und anschließend abkühlen, um Wasser auszukondensieren und so anderes zu trocknen«, erklärt Sievers das Prinzip, das viel schneller ist als die Lufttrocknung. »Außerdem wird dabei ungefähr die gleiche Wärmemenge frei, die Sie vorher reingesteckt haben.«

Auch fürs Phosphorrecycling verfolgen Sievers und sein Projektpartner eine kreislauforientierte Wertschöpfung: In einem mehrstufigen Verfahren entstehen dabei Ammoniumwasser, Phosphorsäure und Magnesiumchlorid. Letzteres kann als Fällungsmittel zurückgeführt werden. »80 Prozent Kreislaufführung sind so möglich«, berichtet Sievers. Drei Wertstoffe würden so erzeugt, bei vermutlich verbesserter CO₂-Bilanz. Doch noch ist die entsprechende Fällungsanlage nicht gebaut.

Teilweise gebaut ist hingegen ein mustergültiger Prozess der Abwasserreinigung für die Metallindustrie: Sievers' Team hat zusammen mit den Projektpartnern spezielle Elektroden entwickelt, die Schwermetalle ohne Zugabe von Chemikalien fällen. Ein bis zwei Kilowattstunden Strom pro Kubikmeter sind dazu erforderlich, die Kosten damit geringer als bei der chemischen Fällung. Da das Wasser hinterher keine Salze enthält, kann es einfacher aufbereitet und im Kreislauf geführt werden. Am Ende arbeitet das Verfahren abwasser-, abfall- und chemikalienfrei und benötigt dafür nicht mehr Strom, als eine werkseigene Fotovoltaikanlage erzeugt. »Die Wasserverfügbarkeit wird in vielen Regionen infolge des Klimawandels sinken«, stellt Sievers die Bedeutung der Kreislaufführung heraus. Zudem könne er sich vorstellen, diese Methode auch zur Entkalkung von Brauchwasser zu nutzen, »aber ohne Wasserrecycling fehlt der Faktor der Wirtschaftlichkeit«.

Für die Zukunft scheint im Abwasser noch so manches Potenzial zu schlummern: So zeigten Forschende im Projektverbund ZeroCarbFP, dass mit geeigneten Mikroorganismen aus dem Primärwasser energiereiche Speicherstoffe, so genannte »single cell oils« (SCO), angereichert werden können. Daraus könnte man Energie gewinnen oder Additive für Schmierstoffe erzeugen. In beiden Fällen würde so die organische Masse im Abwasser Gewinn bringend verringert. Noch ehrgeiziger ist das europäische Projekt Wider business Opportunities for raw materials from Waste water (WOW): Zellulose, Lipide und sogar der Biokunststoff PLA sollen darin durch Mikroorganismen produziert werden, die sich vom Klärwasser ernähren.