Biosorption im Einsatz: Entfrachtung von Schwermetallen bei Klärschlamm

Seit Oktober 2017 gilt in Deutschland eine neue Klärschlammverordnung. Diese besagt: Ab dem Jahr 2023 müssen Wasseraufbereiter und Kläranlagenbetreiber mindestens ein Konzept über die geplanten und eingeleiteten Maßnahmen zur Sicherstellung der Phosphorrückgewinnung, zur bodenbezogenen Verwertung bzw. zur sonstigen Klärschlammentsorgung im Sinne des Kreislaufwirtschaftsgesetztes (KrWG) vorlegen. Bis zur Umsetzung der Maßnahmen bleiben – in Abhängigkeit von der (Ausbau-)Größe der Kläranlage – nur wenige Jahre.

Klärschlamm: Das Ende der Klärkette

Klärschlamm ist das Gemisch, dass am Ende einer Klärkette steht. Er besteht überwiegend aus unschädlichen organischen Substanzen, enthält aber auch Arzneimittelrückstände, Schwermetalle, pathogene Organismen und diverse anthropogene mikro- und nanoskalige Bestandteile (Bericht Umweltbundesamt 2018). Auch wertvolle Pflanzennährstoffe wie Phosphor, Stickstoff, Eisen, Calcium und Magnesium sind enthalten. Das Ausbringen von Klärschlamm als Dünger in der Landwirtschaft hat sich nicht bewährt, nicht nur zu viel Phosphat und Stickstoff gelangen so auf den Acker und damit in das Grundwasser, auch toxische Schwermetalle finden so den Weg in die Natur.

Verbunden mit der neuen Klärschlammverordnung ist nicht nur das Ziel, die Klärschlammausbringung zu Düngezwecken zu beenden; auch die Rückgewinnung von Phosphor sowie weiterer wichtiger Roh- bzw. Nährstoffe soll angekurbelt werden – ganz im Sinne einer nachhaltigen Kreislaufwirtschaft.

Die Art bzw. Methodik zur Phosphorrückgewinnung ist in der neuen Klärschlammverordnung nicht festgelegt – entsprechend werden derzeit viele verschiedene Phosphorrückgewinnungsverfahren entwickelt und in der Praxis erprobt. Das Problem: Bei den meisten Verfahren zur chemischen Rückgewinnung enthalten die phosphorhaltigen Produkte noch eine zu hohe Konzentration an Schwermetallen.

Kaum zu verhindern: Schwermetalle im Abwasser

Woher stammen die Schwermetalle im Klärschlamm? Sie gelangen zum einen aus Haushalten und aus Gewerbebetrieben in das Abwasser, zum anderen werden insbesondere Eisenverbindungen in der Kläranlage dem Abwasser als Fällungsmittel zudosiert und reichern sich schließlich im Klärschlamm an (Oliva et al. 2009). Da Schwermetalle zu gesundheitliche Risiken und Umweltschäden führen, ist ihre Entfernung und sachgerechte Entsorgung notwendig. Laut einer Schrift des Umweltbundesamts zur Klärschlammentsorgung ist der Gehalt an Schwermetallen in den Recyclaten stark abhängig vom jeweiligen Rückgewinnungsverfahren sowie vom eingesetzten Klärschlamm.

"Microbial Toolbox BioSorption": Für jeden etwas dabei

BRAIN hat eine biotechnologische Lösung zur Rückgewinnung von Metallen aus Abwässern und anderen Flüssigkeiten entwickelt: Durch den Einsatz von „funktioneller Biomasse“ lassen sich gewünschte Metalle mit Hilfe der Biosorption abtrennen. Dabei werden die Metalle durch chemische Wechselwirkungen an die Oberfläche von Mikroorganismen gebunden. Nicht jeder Mikroorganismus ist allerdings dazu in der Lage.

BRAIN hat in seiner umfassenden Mikroorganismensammlung („BioArchiv“) Mikroorganismen identifiziert und charakterisiert, die unterschiedliche Metalle effizient und selektiv binden können. Daraus hervorgegangen ist die „Microbial Toolbox BioSorption“: Sie enthält rund 80 Mikroorganismen mit unterschiedlichen Bindungsprofilen für Metalle; darunter befinden sich auch Mikroorganismen, die Schwermetalle bei extrem niedrigen pH-Werten oder bei extrem hohen pH-Werten binden. Die Mikroorganismen werden je nach Einsatzgebiet so aufbereitet, dass sie sich ähnlich wie ein chemisches Ionentauschermaterial einsetzen lassen. Das „Biogranulat“ wird z.B. in einer Kartusche mit der metallhaltigen Lösung durchströmt und hält das gewünschte Metall zurück. Anschließend wird das Metall entweder durch Waschen von dem Biogranulat abgetrennt oder es wird durch eine Veraschung des Trägermaterials freigesetzt.

Folgende Schwermetalle können z.B. mit Organismen aus der „Microbial Toolbox BioSorption“ abgetrennt werden:

• Basismetalle wie z.B. Eisen, Calcium, Magnesium, Aluminium;
  
• Edelmetalle wie Gold, Platin oder Palladium;
  
• toxische Schwermetalle wie Blei oder Cadmium.
  

Je nach Fragestellung werden passende Organismen ausgesucht und für den jeweiligen Zweck optimiert. Erfahrungsgemäß ist in der Toolbox für so ziemlich jede Anwendung etwas dabei.

Referenzen:

Umweltbundesamt (UBA): Klärschlammentsorgung in der Bundesrepublik Deutschland. Stand Oktober 2018

Oliva, J et al.: Klärschlamm-Materialien zur Abfallwirtschaft; Umweltbundesamt AT; Report; Klagenfurt 2009