Phosphorrückgewinnung im Fokus Mehr Forschung für kritische Rohstoffe

„Der Verbrauch natürlicher Ressourcen durch moderne Industriegesellschaften führt schon heute zu einer bedenklichen Verknappung essentieller Rohstoffe. Phosphor als wichtiger Grundstoff der Düngemittelproduktion ist einer der von der Europäischen Kommission gelisteten 30 kritischen Rohstoffen, die ein großes Versorgungsrisiko bei gleichzeitiger hoher ökonomischer Bedeutung aufweisen“, erläutert Professor Dr.-Ing. Sergiy Antonyuk, Sprecher des neuen Graduiertenkollegs an der RPTU und Leiter des Lehrstuhls für die Mechanische Verfahrenstechnik.

Potential bieten kommunale Abwässer, die große Mengen an Phosphor enthalten, die über Landwirtschaft und Industrie ebenso wie aus Privathaushalten dorthin gelangen. Die Notwendigkeit zum Handeln unterstreicht zudem, dass hierzulande die Betreiber von kommunalen Abwasserbehandlungsanlagen ab 2029 gesetzlich zur Phosphor-Rückgewinnung verpflichtet werden sollen, wenn der Gehalt im Klärschlamm einen bestimmten Grenzwert überschreitet.

Das neue Graduiertenkolleg, das den Namen Wera (Wertstoff Abwasser) trägt, will mit seiner Forschungsarbeit grundlegende Lösungsansätze schaffen, um die Phosphor-Konzentration in kommunalen Abwässern vom Zulauf bis zum Ablauf zu senken. Ziel ist eine Reduktion um circa den Faktor 100, sprich von aktuell um die 6-10 mg/L auf Werte unter 0,1 mg/L. Gleichzeitig will Wera den entfernten Phosphor als Wertstoff rückgewinnen.

„Wir freuen uns über die von der Deutschen Forschungsgemeinschaft zugesagte Förderung des Graduiertenkollegs gleich in doppelter Hinsicht. Zunächst können wir hier auf die etablierte Zusammenarbeit unserer Natur- und Ingenieurwissenschaften aufbauen. Fast alle Arbeitsgruppen, die in das Graduiertenkolleg eingebunden sind, arbeiten bereits im universitären Potentialbereich NanoKat zusammen, um nachhaltige Systeme für den Energie- und Rohstoffwandel zu entwickeln. NanoKat wird über die Forschungsinitiative des Landes Rheinland-Pfalz gefördert und trägt maßgeblich zu unserer Profilbildung bei“, sagt Professor Dr. Werner R. Thiel, Vizepräsident für Forschung an der RPTU in Kaiserslautern. „Darüber hinaus handelt es sich bei einem Graduiertenkolleg um eine Förderlinie, die zur Qualifizierung von Nachwuchsforschenden beiträgt, indem sie es ihnen ermöglicht, in einem strukturierten Forschungsprogramm auf hohem fachlichem Niveau zu promovieren.“

Phosphor im Kreislauf halten

Wera hat in punkto Forschung zwei Ziele im Blick: Es geht darum, Phosphor rückzugewinnen und stofflich so aufzubereiten, dass er im Sinne des Kreislaufprinzips der Industrie wieder als Ressource zur Verfügung steht. „Zusätzlich soll die Phosphor-Konzentration im Ablauf der Kläranlagen weitergehend reduziert werden, um unsere Gewässer vor Algenbildung zu schützen“, erläutert Professorin Dr.-Ing. Heidrun Steinmetz, stellvertretende Sprecherin des Graduiertenkollegs und Leiterin des Fachgebiets Ressourceneffiziente Abwasserbehandlung. „Es gibt zwar schon Pilot-Projekte, die das für einzelne Kläranlagen realisieren. Jedoch gibt es erhebliche Wissenslücken, welche Verfahren unter welchen Bedingungen Erfolg versprechend sind“, erklärt Antonyuk die Bedeutung des Graduiertenkollegs.

Die Doktorandinnen und Doktoranden werden im Rahmen des Forschungsprogramms eine kombinierte Phosphor-Elimination und Phosphor-Rückgewinnung aus dem Abwasserstrom erarbeiten. Zum Einsatz sollen maßgeschneiderte Adsorbermaterialien kommen, an denen sich Phosphor-Verbindungen anreichern. Eine weitere Forschungsaufgabe dreht sich darum, die Grundlagen der Kristallisation beziehungsweise Fällung zu untersuchen – Trennverfahren, mit denen die Rückgewinnung aus Klärschlamm erfolgen kann.

„Somit verfolgen wir in Wera zwei verschiedene Recycling-Prozesse, die an unterschiedlichen Stellen im Abwasserreinigungsprozess ansetzen“, ergänzen Steinmetz und Antonyuk. „Um die physikalisch-chemischen Vorgänge und Wechselwirkungen in Prozessen der Phosphor-Rückgewinnung aus dem komplexen Stoffsystem des Abwassers erfassen zu können, werden wir zusätzlich innovative Charakterisierungsverfahren und Simulationsmethoden einsetzen und weiterentwickeln. Denn natürlich wollen wir wissen, wie die Adsorbermaterialien in der Praxis funktionieren.

Hier bietet sich uns die einmalige Chance, eine auf dem Campus der RPTU in Kaiserslautern kürzlich als Pilotanlage installierten Abwasserbehandlungs- und Recyclinganlage für Wera zu nutzen. Und letztlich ist es unser Ziel, dass wir die entwickelten Materialien und Prozesse auch auf andere Rohstoffe übertragen und etwa für die Rückgewinnung von Stickstoff, Kalium oder organischen Kohlenstoffen anpassen können.“

Elf Arbeitsgruppen beteiligt

Wera verbindet die Forschungsexpertise von elf natur- und ingenieurwissenschaftlichen Arbeitsgruppen aus den Fachbereichen Bauingenieurwesen, Chemie, Physik sowie Maschinenbau und Verfahrenstechnik an der RPTU. Die über die Förderung finanzierten Doktorandenstellen werden in diesen Teams verortet.

Die Leiterinnen und Leiter der beteiligten Arbeitsgruppen im Überblick:

• Prof. Dr.-Ing. Sergiy Antonyuk / Mechanische Verfahrenstechnik (Sprecher)

• Prof. Dr. rer. nat. Sabine Becker / Anorganische Chemie

• Jun.-Prof. Dr.-Ing. Fabian Jirasek / Maschinelles Lernen in der Verfahrenstechnik

• Prof. Dr. rer. nat. Wolfgang Kleist / Technische Chemie

• Prof. Dr. rer. nat. Stefan Kubik / Organische Chemie

• Prof. Dr. rer. nat. Volker Schünemann / Medizinische Physik & Biophysik

• Prof. Dr.-Ing. Heidrun Steinmetz / Ressourceneffiziente Abwasserbehandlung (stellvertretende Sprecherin)

• Jun.-Prof. Dr.-Ing. Simon Stephan / Molekulare Thermodynamik

• Prof. Dr. rer. nat. Werner R. Thiel / Anorganische Chemie

• Prof. Dr. rer. nat. Roland Ulber / Bioverfahrenstechnik

• Prof. Dr.-Ing. Erik von Harbou / Reaktions- und Fluidverfahrenstechnik

Weiteres Graduiertenkolleg der RPTU verlängert

Neben der Förderzusage für das neue Graduiertenkolleg Wera hat die DFG ebenso die Fortführung des Graduiertenkollegs „SystemLink“ bewilligt, das am Institut für Umweltwissenschaften der RPTU in Landau koordiniert wird. Für die zweite Förderphase stehen rund 6,6 Millionen Euro bereit.

Glückwunsch zur Doppelzusage kommt von rheinland-pfälzischen Wissenschaftsminister Clemens Hoch: „Ich freue mich, dass die Rheinland-Pfälzische Technische Universität durch die hohe Qualität ihrer Anträge überzeugt hat und gratuliere allen, die an diesem Erfolg beteiligt sind. An beiden Standorten der RPTU – in Landau und in Kaiserslautern – werden nicht nur innovative Ansätze in der Umwelt- und Nachhaltigkeitsforschung verfolgt, sondern und vor allem auch der wissenschaftliche Nachwuchs hervorragend gefördert.“