Nachhaltiger Rohstoffumgang dank Phosphorrecycling
Phosphor ist ein lebenswichtiges Element und gehört zusammen mit Stickstoff und Kalium zu den wichtigsten Bestandteilen der Körperzellen und Knochen. Zudem ist die menschliche DNA – als Trägerin der Erbinformation – ebenfalls aus Phosphorsäure aufgebaut. Auch das Pflanzenwachstum basiert auf Phosphor – ein Weizenfeld von einer Hektare benötigt pro Saison 60 Kilogramm dieses Nährstoffs. In der Landwirtschaft ist Phosphor der Hauptbestandteil aller Düngerprodukte. In Kläranlagen und Verwertungsbetrieben für Schlachtabfälle und Tierkadaver entstehen grosse Mengen an Rückständen, die viel Phosphor enthalten. Dieser Nährstoff geht heute in der Abfallwirtschaft jedoch verloren.
Ab 2026 muss Phosphor aus Abwasser, Klärschlamm oder Klärschlammasche zurückgewonnen und beispielsweise als Dünger stofflich verwertet werden. Damit ist die einheimische Landwirtschaft in der Lage, ihren Bedarf am wertvollen Nährstoff aus hiesigen Quellen zu decken, ohne Mineraldünger mit problematischer Herkunft und schädlichen Schwermetallen importieren zu müssen. Zudem schliesst sich mit dem Phosphorrecycling ein wichtiger Stoffkreislauf, primäre Phosphat-Vorräte werden geschont.
Um im partizipativen Prozess mit allen Akteuren Entscheidungsgrundlagen für das Phosphorrecycling in der Schweiz zu schaffen, hat das Bundesamt für Umwelt (BAFU) 2018 die Arbeiten zu SwissPhosphor gestartet.
Weltweite Phosphorreserven
Phosphor (P) findet sich in der Natur fast ausschliesslich gebunden als Phosphat (P2O5). Der Abbau von Phosphaten erfolgt aus phosphathaltigen Gesteinen (Phosphaterze). Diese Phosphaterze sind mehrheitlich aus Meeresablagerungen entstanden (marin-sedimentär), untergeordnet gibt es aber auch Phosphatvorkommen in magmatischen Gesteinen. Zwar stehen mittelfristig ausreichend Phosphaterze zur Verfügung, aber die natürlichen Reserven an phosphorhaltigen Mineralien konzentrieren sich auf wenige Länder (z.B. Marokko, China, Russland) und geopolitisch instabile Regionen. Zudem sind je nach Abbaugebiet die negativen Auswirkungen auf Umwelt und Menschen gravierend.
Phosphaterzvorkommen in Norwegen
Das Phosphaterzvorkommen in Norwegen, welches jüngst in den Medien als rekordverdächtiger Fund zitiert wurde, ist seit 2018 bekannt. Der Erzkörper lagert sehr tief, Volumen und Wertstoffgehalt sind aktuell nicht vollständig ausgewertet. Ob beziehungsweise wann ein kommerzieller Abbau möglich ist, ist noch unklar. Trotz Optimismus ist Phosphor eine endliche Ressource und soll im Stoffkreislauf so lange wie möglich erhalten werden. Das Vorkommen in Norwegen hat keinen Einfluss auf den Entscheid, dass Phosphor in der Schweiz zurückgewonnen werden soll. Der 2015 gefällte Beschluss des Bundesrats, die Kreisläufe bei Phosphor zu verbessern, wird durch den erneuten Entscheid des Parlaments vom 15. März 2024 unterstrichen (Anpassung USG, Art. 30d Verwertung).
Strenge Cadmium-Grenzwerte verschärfen die Import-Abhängigkeit
Marin-sedimentäre Phosphat-Lagerstätten haben einen höheren Phosphatgehalt als magmatische Phosphat-Lagerstätten. Erstere weisen aber auch höhere Anteile an Verunreinigungen auf, beispielsweise durch Cadmium und Uran. Die Schweiz hat sehr strenge Grenzwerte für Schwermetallkonzentrationen in Mineraldüngern, sie ist daher vor allem auf magmatische Phosphatlagerstätten mit geringen Cadmiumgehalten angewiesen und kann nur von wenigen Minen Phosphor für die Düngemittelproduktion beziehen. Deswegen hat die Schweiz bis anhin viel Mineraldünger mit Phosphor aus Russland importiert. Mit dem Krieg in der Ukraine ist dies aber nicht mehr möglich und es zeigt sich einmal mehr, dass Unabhängigkeit in Bezug auf Phosphor wichtig und aktuell ist.
Phosphorverbrauch in der Schweiz
Die Schweiz importiert jährlich netto 14'600 Tonnen Phosphor in Form von Mineraldünger (4'200 Tonnen) sowie in Tierfutter (6’200 Tonnen), Lebensmitteln (2’600 Tonnen) und Chemikalien (1'600 Tonnen). Da es keine primären Phosphorvorkommen (Phosphaterze) in der Schweiz gibt, kann derzeit der Phosphorbedarf, insbesondere der Bedarf an Phosphordünger, nur mittels Importen aus dem Ausland gedeckt werden. Diese Abhängigkeit ist Anlass zur Sorge. Die direkte Ausbringung des phosphorhaltigen Klärschlamms als Dünger in die Landwirtschaft ist seit 2006 verboten. Dadurch verhindert man zwar den Eintrag von Schadstoffen in den Boden, jedoch wird auch der Kreislauf von Phosphor zurück in die Landwirtschaft unterbrochen.
Phosphorrückgewinnung – ein wichtiger Stoffkreislauf wird geschlossen
Ohne Phosphor ist kein Leben möglich. Sowohl Pflanzen als auch Tiere und Menschen benötigen Phosphor für das Wachstum und den Energiestoffwechsel. Die planetare Grenze für den Stoffkreislauf Phosphor ist weit überschritten. Aktuell ist der Phosphorkreislauf in der Schweiz nicht geschlossen. Früher wurde Klärschlamm als Dünger in der Landwirtschaft verwendet. Damit wurde Phosphor zwar zurück in den Kreislauf gebracht, allerdings ist die direkte Verwendung von Klärschlamm als Dünger mit Risiken verbunden. Seit 2006 ist dies, auch aufgrund der BSE-Krise (Rinderseuche), verboten und Klärschlamm muss verbrannt (thermisch behandelt) werden. Für die Landwirtschaft wird heute Phosphor in Form von Phosphat aus Gesteinen abgebaut, zu einem Dünger verarbeitet, importiert und auf Schweizer Felder ausgebracht. Von dort wird der Nährstoff von Pflanzen aufgenommen, welche wiederum als Nahrungsmittel für den menschlichen Verzehr oder als Tierfutter dienen. Durch den Verzehr von tierischen und pflanzlichen Nahrungsmitteln gelangt Phosphor in den menschlichen Körper und über die menschliche Ausscheidung ins Abwasser, wo der Nährstoff grösstenteils im Klärschlamm endet. Der Klärschlamm wird verbrannt und der darin enthaltene Phosphor endet somit entweder als Klärschlammasche oder Schlacke in Deponien, oder im Zementwerk, wo Klärschlamm sowie Tier- und Knochenmehl als alternative Brennstoffe verwendet werden.
Gelingt es, Stoffkreisläufe zu schliessen, können Rohstoffe effizient und so lange wie möglich genutzt werden. Um die natürlichen Ressourcen zu schonen und die Import-Unabhängigkeit zu stärken, lohnt sich Phosphorrecycling und das Schliessen des Stoffkreislaufes aus ökologischer und ökonomischer Sicht. Deshalb hat der Bundesrat 2016 die Pflicht zur Rückgewinnung in die Abfallverordnung eingeführt.
Rechtliche Grundlagen an die Phosphorrückgewinnung
Das Bundesgesetz über den Umweltschutz (Umweltschutzgesetz, USG, SR 814.01), das Bundesgesetz über den Schutz der Gewässer (Gewässerschutzgesetz, GSchG, SR 814.20), sowie die Verordnung über die Vermeidung und die Entsorgung von Abfällen (Abfallverordnung, VVEA, SR 814.600) enthalten die grundsätzlichen Vorschriften für den umweltverträglichen Umgang mit Abfällen.
Artikel 15 Absatz 1 VVEA bildet die Grundlage für die Phosphorrückgewinnungspflicht und besagt, dass aus Abwasser, aus Klärschlamm zentraler Abwasserreinigungsanlagen oder aus der Asche aus der thermischen Behandlung von solchem Klärschlamm Phosphor zurückzugewinnen und stofflich zu verwerten ist. Gleiches gilt für den Phosphor in Tier- und Knochenmehl, das nicht als Futtermittel verwendet wird (Artikel 15 Absatz 2 VVEA). Der Bundesrat hat mit Artikel 51 VVEA festgelegt, dass diese Rückgewinnungspflicht für Phosphor ab dem 1. Januar 2026 gilt. Die Verwertung muss nach dem Stand der Technik erfolgen (Artikel 12 Absatz 2 VVEA). Die Vollzugspflicht liegt bei den Kantonen.
Quantitative und qualitative Anforderungen
Grundsätzlich soll so viel Phosphor aus dem jeweiligen Abfallstrom zurückgewonnen werden, wie nach dem Stand der Technik machbar ist. In der Schweiz soll langfristig mindestens so viel Phosphor zurückgewonnen werden, wie zurzeit mit Mineraldünger und chemischen Produkten importiert wird. Damit dieses Ziel in Zukunft erreicht werden kann, ist in der Vollzugshilfe eine Rückgewinnungsquote von mindestens 50% gefordert. Das Vollzugshilfemodul Phosphorreiche Abfälle gibt den Kantonen und den betroffenen Organisationen der Wirtschaft einen Rahmen für einen möglichst einheitlichen Vollzug bei der Phosphorrückgewinnung. Es werden sowohl die Anforderungen aus der Gesetzgebung erläutert als auch der Stand der Technik bei der Phosphorrückgewinnung beschrieben. Phosphor aus diesen Abfallströmen kann als Dünger in der Landwirtschaft eingesetzt werden, wenn er den Vorgaben der Schweizer Düngerverordnung entspricht. Zurzeit ist der Einsatz von Düngemitteln aus rückgewonnenem Phosphor in der konventionellen Landwirtschaft, jedoch noch nicht in der biologischen Landwirtschaft erlaubt.
Phosphorpotenzial der Schweiz
Ein Potenzial von 6'900 Tonnen Phosphor kann jährlich aus den Schweizer Abfallströmen verwertet werden. Der wichtigste phosphorreiche Abfall ist Klärschlamm mit rund 5'700 Tonnen Phosphor pro Jahr. Phosphor kann am effizientesten aus Klärschlamm sowie aus der Asche des Klärschlamms zurückgewonnen werden. In jedem Fall ist Klärschlamm seit dem Verbot der direkten Ausbringung als Dünger in der Landwirtschaft thermisch zu behandeln. Der zweite wichtige phosphorreiche Abfallstrom sind die tierischen Nebenprodukte (Tier- und Knochenmehl): Ca. 1’200 Tonnen Phosphor gehen in der Schweiz jährlich über diese Abfälle verloren. Tierische Nebenprodukte weisen im Vergleich zu Klärschlamm hohe Phosphorkonzentrationen und geringe Verunreinigungen auf. Entsprechend lässt sich Phosphor in tierischen Nebenprodukten technisch einfach stofflich verwerten. Bei einer Rückgewinnungsquote von beispielsweise 80% könnten theoretisch knapp 40% des jährlichen Phosphorverbrauches mit Schweizer Recycling-Phosphor gedeckt werden.
Möglichkeiten der Phosphorrückgewinnung
Bei der Phosphorrückgewinnung aus Klärschlamm oder aus der Asche der thermischen Behandlung von Klärschlamm sowie aus Tier- und Knochenmehl handelt es sich um einen neuen Technologiezweig. In den vergangenen Jahren wurden diverse Technologien entwickelt und im Rahmen von Pilotprojekten und Technikums-Versuchen getestet und optimiert. Die Verfahren basieren auf unterschiedlichen Prinzipien und unterscheiden sich hinsichtlich des Ansatzpunktes. Bei dezentralen Verfahren wird Phosphor direkt aus den Abwasser- und Klärschlammströmen bei den Abwasserreinigungsanlagen (ARA) gewonnen. Die zentralen Verfahren setzen aktuell insbesondere nach der Schlammverbrennung bei der Klärschlammasche an und sind unabhängig vom Betrieb und Standort der Abwasserreinigungsanlagen.
Aktueller Entwicklungsstand Technik
Das Spektrum denkbarer Verfahren mit ausreichendem Entwicklungsgrad hat sich in den letzten Jahren stark eingegrenzt. Insbesondere Rückgewinnungsverfahren, die bei der Klärschlammasche ansetzen, scheinen sich durchzusetzen. Präferenziert wird das nasschemische Extraktions-Verfahren bzw. der nasschemische Aufschluss aus Klärschlammasche. Der Rückgewinnungsgrad ist hoch und die Grenzwerte für mineralische Recyclingdünger bei der Düngerherstellung werden eingehalten. In der Schweiz sind aktuell die drei Verfahren Phos4Life, REALphos und ZAB projektiert. Dezentrale Ansätze werden unter anderem aufgrund der tiefen Rückgewinnungsquote voraussichtlich keine relevante Rolle bei der Phosphorrückgewinnung spielen. Bestenfalls dürfen Kläranlagen mit einer gut funktionierenden biologischen Phosphorelimination den minimalen Rückgewinnungsgrad von 50% erreichen.
Geplante Phosphorrückgewinnungs-Anlagen
Phos4Life (Emmenspitz, SO)
Am Standort der KEBAG und des Zweckverbandes der Abwasserregion Solothurn-Emme (ZASE) in Zuchwil (SO) ist eine grosstechnische Anlage mit dem Verfahren Phos4Life (P4L) in Planung. Am Projekt beteiligte Partner sind ZAR, acr (TI), ERZ (ZH), Epura (VD), erzo (AG), REAL (LU), saidef (FR), SIG (GE), und ZASE (SO). Die Anlage extrahiert nasschemisch aus der Klärschlammasche eine qualitativ hochwertige technische Phosphorsäure. Diese kann in der Schweiz und europaweit direkt in die chemisch/technische Industrie vermarktet werden. Die technische Phosphorsäure lässt sich zudem für die Herstellung schadstoffarmer Düngemittel wie TSP46 in der Schweiz verwenden. Mit der P4L-Anlage können gemäss aktuellem Projektstand rund 2'200 t Phosphor pro Jahr zurückgewonnen werden. Der Baustart ist für Mitte 2027 vorgesehen und die Inbetriebnahme wird voraussichtlich im Jahr 2030 erfolgen.
Phosphor26 (Oftringen, AG)
Im Rahmen des Projekts Phosphor26 ist am Standort des Verbands Entsorgung Region Zofingen (erzo) in Oftringen (AG) in Partnerschaft mit Holcim eine Klärschlammtrocknung sowie eine grosstechnische Anlage mit dem Verfahren REALphos in Planung. Am Projekt beteiligte Partner sind erzo (AG), REAL (LU), und Holcim. Das REALphos- bzw. Ascheleaching-Verfahren setzt auf die Herstellung einer Dünger-Phosphorsäure durch nasschemische Extraktion der Klärschlammasche. Die Dünger-Phosphorsäure ist für die Weiterverarbeitung zu Phosphordünger durch ZAB Bazenheid vorgesehen. Gemäss aktuellem Projektstand können rund 1'300 t Phosphor pro Jahr zurückgewonnen werden. Der Baustart ist abhängig vom Investitionsentscheid und die Inbetriebnahme ist rund 3,5 Jahre nach dem Investitionsentscheid geplant.
ZAB (Bazenheid, SG)
Der Zweckverband Abfallverwertung Bazenheid (ZAB) plant am Standort in Bazenheid (SG) das ZAB-Verfahren grosstechnisch zu realisieren. Am Projekt beteiligte Partner sind die Klärschlamm-Interessengemeinschaft Ost (KIGO) mit dem Abwasserverband Altenrhein (AVA), der Landi Aachtal (Obstverwertung Oberaach TG, OGO) und dem ZAB sowie die TMF Extraktionswerk AG. Als Trägerschaft ist die Gründung einer Aktiengesellschaft «P-AG Bazenheid» geplant. Mittels nasschemischen Aufschlusses aus Klärschlamm-, Tier- und Knochenmehlasche mit Phosphorsäure wird in der Anlage P30-, P38- oder TSP46-Dünger hergestellt. TSP46 (Tripelsuperphosphat-Dünger mit 46% Phosphat) soll in der Schweiz als Dünger verkauft und eingesetzt bzw. zu einem Mehrnährstoffdünger weiterverarbeitet werden. Für die Herstellung von TSP46 wäre die technische Phosphorsäure von P4L geeignet. Dünger mit 30% bzw. 38% Phosphat (P30, P38) sind für den Export vorgesehen, können aber auch in der Schweizer Landwirtschaft eingesetzt werden. Für die Herstellung von P30- und P38-Dünger kann die Dünger-Phosphorsäure von REALphos eingesetzt werden. Gemäss Projektangaben ist jährlich die Herstellung von 14'000 t TSP46-Dünger mit 3'000 t Phosphor und 15'000 t P30-/38-Dünger mit 2'300 t Phosphor vorgesehen. Der Baustart ist im Frühjahr 2025 und die Inbetriebnahme ist für Sommer 2026 vorgesehen.
Produkte und Markt
Die aus rückgewonnenem Phosphor hergestellten Hauptprodukte sind Phosphorsäure unterschiedlicher Qualität sowie P30-, P38- oder TSP46-Dünger. Die technische Phosphorsäure kann in der chemisch/technischen Industrie zum Einsatz kommen oder für die Herstellung von TSP46-Dünger verwendet werden. Die Dünger-Phosphorsäure ist für die Herstellung von P30- oder P38-Dünger vorgesehen. Alle genannten Dünger (P30, P38, TSP46) halten die gesetzlichen Anforderungen ein und dürfen in der Schweizer Landwirtschaft zum Einsatz kommen. Jedoch erfüllen P30- und P38-Dünger die heutigen Anforderungen der Schweizer Düngemittelbranche nicht. Deswegen sind P30- und P38-Dünger momentan für den Export vorgesehen. TSP46-Dünger erfüllt die Branchenanforderungen der Schweizer Düngemittelindustrie und ist für den Absatz auf dem Schweizer Markt vorgesehen. Die drei geplanten Projekte Phos4Life, Phosphor26 und ZAB sind aufgrund ihrer Kapazitäten in der Lage, den Phosphor aus grossen Mengen Klärschlammasche rückzugewinnen. Allerdings sind die drei Projekte nicht in der Lage, das gesamte Potenzial an Phosphor in Klärschlamm auszuschöpfen. Einerseits gibt es in den Projekten Überschneidungen der Beteiligungen, andererseits ist in vielen Kantonen aktuell noch offen, wie und wo die Phosphorrückgewinnung erfolgen soll.
Finanzierung
Die Aufwände für Entwicklung, Bau und Betrieb von Anlagen zur Rückgewinnung von Phosphor werden voraussichtlich die marktwirtschaftlichen Erlöse aus dem Absatz von Produkten aus Recycling-Phosphor überschreiten. Die nicht gedeckten Kosten bewegen sich in Abhängigkeit des gewählten Verfahrens in der Grössenordnung von ca. CHF 5 pro Person und Jahr. Diese ungedeckten Kosten werden über die Abwassergebühren finanziert.
Die Finanzierung dieser allfälligen Mehrkosten über die Abwassergebühr basiert auf einer bestehenden Rechtsgrundlage der Gewässerschutzverordnung (GSchV, SR 814.201). Sie ist verursachergerecht, beruht auf etablierten Vollzugsprozessen und ist damit sofort umsetzbar. Die zur Deckung der Mehrkosten erforderlichen Zuschläge auf die Abwassergebühren würden sich laut aktuellem Wissensstand im einstelligen Prozentbereich bewegen und unterschreiten damit deutlich die bestehenden Unterschiede der Gebühren zwischen verschiedenen ARA / Gemeinden.
Blick ins Ausland
In Deutschland sind mit der 2017 in Kraft getretenen Klärschlammverordnung (AbfKlärV) ab 2029 Kläranlagen mit einer Ausbaugrösse von mindestens 100’000 Einwohnerwerten und ab 2032 auch kleinere Anlagen zur Phosphorrückgewinnung aus Klärschlamm verpflichtet. Diesen Kläranlagen ist dann auch die Verwertung von Klärschlamm in der Landwirtschaft bzw. im Landschaftsbau untersagt. Mit dem Inkrafttreten der Europäische Düngeprodukteverordnung im 2022 sind nun neu auch Phosphordünger aus Klärschlammaschen und Faulschlamm geregelt.
Österreich verpflichtet sich mit der Neuerlassung der Abfallverbrennungsverordnung 2024 (AVV 2024, BGBl. II Nr. 118/2024, § 20) als drittes europäische Land ab 1.1.2033 zur Phosphorrückgewinnung. Kläranlagen mit einer Kapazität von 20'000 Einwohnerwerten sind ab 2033 verpflichtet, Klärschlamm zu verbrennen und aus der Verbrennungsasche mindestens 80% des im Klärschlamm enthaltenen Phosphors zurückzugewinnen oder die gesamte Verbrennungsasche für die Herstellung eines Düngemittels, das den österreichischen Düngemittelvorschriften entspricht, zu verwenden. Bei direkter Rückgewinnung am Standort der Abwasserreinigungsanlage müssen mindestens 60% des Phosphors, bezogen auf den Kläranlagenzulauf, zurückgewonnen werden.