Der in den Düngemitteln enthaltene Phosphor gelangt über Ackerpflanzen, Nahrung und Verdauung ins Abwasser. In den Kläranlagen wird er ausgefällt und sammelt sich schließlich im Klärschlamm. Lange Zeit hat man den Klärschlamm als Dünger wieder auf dem Acker ausgebracht. Allerdings befinden sich darin neben wertvollen Mineralstoffen wie Phosphor auch Schadstoffe wie Schwermetalle, Arzneimittel und potenziell krankheitserregende Mikroorganismen sowie Stickstoff, der auch nicht auf den Äckern landen soll, um eine Überdüngung zu vermeiden. Was also tun mit dem Klärschlamm? Nach einer Trocknung kann der Klärschlamm verbrannt und der wertvolle Phosphor aus der Asche zurückgewonnen werden. Mit dem P-bac-Verfahren steht dafür nun eine neue, effektive Methode zur Verfügung, die sich die Fähigkeiten säureresistenter Bakterien zunutze macht. Entwickelt von der mittelständischen Firma Fritzmeier Umwelttechnik GmbH aus dem bayerischen Helfendorf, wurde das Verfahren nun im Rahmen des vom Bundeslandwirtschaftsministerium geförderten Projektes „PRiL - Phosphorrückgewinnung und Entwicklung intelligenter Langzeitdünger“ in Zusammenarbeit mit der Fraunhofer-Einrichtung für Wertstoffkreisläufe und Ressourcenstrategie IWKS in Alzenau/Hanau und weiteren Projektpartnern optimiert.

Bakterien der Gattung Acidithiobacillus kommen von Natur aus in erzreichen Gesteinsschichten vor. Ihr Stoffwechsel verlangt nach Schwefel, und aus ihm produzieren sie über Oxidationsprozesse und unter Fixierung von CO₂ Schwefelsäure. In der resultierenden ätzendsauren Suppe mit einem pH-Wert von unter eins fühlen sich die Mikroben erst so richtig wohl. Die Schwefelbakterien werden bereits seit längerem in einem Bioleaching (= biologische Auslaugung) genannten Verfahren im Bergbau eingesetzt; etwa, um Eisen-Schwefel-Minerale wie Pyrit aufzulösen. 

Das Bioleaching ist ein bereits lange bekanntes Verfahren, bei dem mit Hilfe von Mikroorganismen wasserunlösliche Metalle wie Kupfer, Zink, Nickel oder Gold aus Erzen in wasserlösliche Salze umgewandelt werden. Im P-bac-Verfahren wird ein ähnliches Verfahren verwandt, um mit Hilfe einer speziellen Bakterienmischkultur den Phosphor aus der Klärschlammasche zu lösen. Erforderlich sind dafür lediglich elementarer Schwefel und Mineralien wie Eisen, die in der Asche enthalten sind. In einem Reaktorgefäß wird die Bioleaching-Flüssigkeit aus Bakterien und Schwefel angesetzt, man gibt die Klärschlammasche hinzu und homogenisiert das Ganze. Dabei geht der Phosphor innerhalb kurzer Zeit in Lösung, und die Asche setzt sich ab. In der Lösung oxidieren die Bakterien Eisen unter Bindung von Phosphor zu Eisenphosphat. Die Eisenphosphat-Ionen werden dabei in den Bakterienzellen eingelagert oder bleiben an deren Zellmembran haften. Im nächsten Schritt werden die Bakterien mitsamt ihrer Phosphatlast durch Absetzen und Filterung abgeschieden - ein Großteil der schädlichen Schwermetalle bleibt dabei in der Lösung, sodass man schließlich ein Phosphat-Rohprodukt erhält, das nahezu frei von Schwermetallen ist. Im Prozesskreislauf lässt sich durch die Rückführung von drei Vierteln des Prozesswassers viel Energie und Wasser sparen. Erst nach einigen Durchläufen filtert eine Membran während der mikrobiellen Umsetzung angereichertes Sulfat (die Bakterien oxidieren elementaren Schwefel zu Sulfat) aus dem Prozesswasser. „Das Verfahren ist robust, energiesparend und umweltschonend“, sagt Birgit Lewandowski, ehemalige Bereichsleiterin Biotechnologie bei Fritzmeier Umwelttechnik. Am Ende stehen die Restasche, die zum Beispiel als Grundstoff für Zement-Ersatz weiterverwendet werden kann und das Phosphat-Rohprodukt, ein weißes phosphathaltiges Pulver. Mit dem neuen Verfahren können zwischen 80 und 100 Prozent des in der Klärschlammasche enthaltenen Phosphors wiedergewonnen werden. 

Die Eignung des Phosphor-Rezyklats als Dünger hängt vor allem von der Pflanzenverfügbarkeit des Phosphors ab, das heißt wie leicht das Element von der Pflanze aufgenommen werden kann. Das hat Lars Zeggel, Projektleiter am Fraunhofer IWKS, untersucht. Sein Ergebnis: Während der Phosphor in der Klärschlammasche fast gar nicht von der Pflanze aufgenommen werden kann, erreicht die Pflanzenverfügbarkeit im Phosphat-Rohprodukt einen sehr guten Wert, der etwa bei 50 Prozent der Verfügbarkeit eines handelsüblichen Phosphatdüngers liegt. Da das Phosphatpulver auch alle Anforderungen der EU-Düngemittelverordnung erfüllt, könnte man es direkt auf den Acker ausbringen, so wie man es früher mit dem sogenannten Thomasmehl gemacht hat (einem phosphatreichen Düngemittel, das als Nebenprodukt bei der Eisen- und Stahlerzeugung anfiel). Die moderne Agrartechnik verlangt allerdings nach granuliertem Dünger, also kleinen Düngekügelchen, die sich einfacher handhaben und besser auf dem Acker verteilen lassen. Die Firma Fritzmeier ist nun auf der Suche nach Industriepartnern, die Interesse haben, ein entsprechendes Verfahren zu entwickeln und den rezyklierten Dünger zu vermarkten. 

Das Fraunhofer IWKS hat auch die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens berechnet. Demnach kostet ein Kilo Phosphat, das mit Hilfe des neuen Verfahrens gewonnen wurde, etwa zwei Euro. Damit ist es um den Faktor zwei bis drei billiger als ähnliche, rein chemische Verfahren, allerdings immer noch um den Faktor drei teurer als der Rohstoff Phosphor momentan auf dem Weltmarkt kostet. Darin sieht die Biotechnologin Lewandowski ein grundsätzliches Problem: Es stelle sich die Frage, wie der wiedergewonnene Phosphor vermarktet werden soll, denn für die Düngemittelhersteller fehle der finanzielle Anreiz. „So wird es wohl darauf hinauslaufen, dass die Mehrkosten auf die Abwassergebühren umgelegt werden, ähnlich wie das in der Schweiz schon gemacht wurde“, meint Lewandowski.