Phosphorknappheit - Das Ende der Menschheit?

„Am Phosphor hängt das Schicksal der Menschheit!“ (WELT, 2011)

Am 1.8.2018 fand der Welterschöpfungstag statt – ab diesem Tag hat die Menschheit alle natürlichen Ressourcen für das Jahr 2018 aufgebraucht und muss auf globale Reserven zurückgreifen. Der Welterschöpfungstag wird vom Global Footprint Network berechnet und verdeutlicht den massiv steigenden Ressourcenverbrauch, sowie die Knappheit endlicher Ressourcen.

„Peak Oil“ ist bereits lange in den Köpfen verankert, doch mittlerweile sprechen Experten von „Peak everything“, da scheinbar alle Ressourcen irgendwann eine Erschöpfung finden. Neben der Ressourcenknappheit wird die Bevölkerung zukünftig vielen weiteren Herausforderungen ins Auge blicken müssen: Sei es die Versorgung mit Nahrungsmitteln, die Erderwärmung infolge des Klimawandels oder auch die Verfügbarkeit von Nährstoffen.

Als eines der elementaren und nicht substituierbaren Elemente für alle Lebewesen gilt Phosphor. Es ist nicht nur beim Aufbau der DNA bzw. RNA beteiligt, es spielt ebenso beim zellulären Energiestoffwechsel in Form von Adenosintriphosphat (ATP) eine entscheidende Rolle. Als pH-Puffer dient es im Blut und ist ebenso Hauptbestandteil der Knochen und Zähne. Phosphor ist aber nicht nur ein essenzielles Element für alle Lebewesen dieser Erde, es ist ebenso ein wichtiger Nährstoff für Pflanzen. (LEBENSMINISTERIUM, 2014)

Primäre Quelle des Elementes ist Phosphatgestein, eine nicht erneuerbare Ressource, dessen Vorkommen auf wenige Länder beschränkt sind - allein in Marokko und der Westsahara befinden sich davon rund 50.000 Mio. Tonnen, was beinahe 69 % des Gesamtvorkommens entspricht. (STATISTA, 2016)

Europa ist zu rund 90 % abhängig von Phosphorimporten, in Australien ist der Mangel an Phosphor im Boden bereits eklatant. Dass diese ungleiche Verteilung der Ressource zu erheblichen Fluktuationen und Instabilitäten bei der Preisbildung und Verteilung führen kann, liegt auf der Hand. Die einzigen, sinnvollen Wege drohenden Ressourcenkonflikten zu entgehen, bieten Strategien der Einsparung und des Recyclings. (HEILMANN et al., 2014; WELT, 2011)

Der Phosphorkreislauf bezeichnet die stetige Wanderung des Elementes Phosphor in Gewässern und Böden. Phosphor wird vorwiegend als Phosphat von Pflanzen und Lebewesen aufgenommen und nach dem Vorgang des Stoffwechsels wieder an den Boden abgegeben. Dieser Phosphor wird folglich mit dem Grundwasser ausgewaschen und gelangt somit in Flüsse, Seen oder letztendlich in das Meer. Dort wird er in Phytoplasma oder Algen umgewandelt und von Fischen und anderen marinen Lebewesen aufgenommen. In weiterer Folge wird dieser Phosphor, mit den Meereslebewesen, aus dem Meer entnommen und der Kreislauf des Phosphors ist wiederum geschlossen. (KALI, s.a.)

Im Allgemeinen ist der Gesamtvorrat an Phosphat im Boden sehr hoch, jedoch steht der Pflanze nur ein Bruchteil davon direkt zur Verfügung. Aufgrund der essenziellen Rolle beim Pflanzenwachstum wird Phosphor in Form von Mineraldünger gezielt in den Boden eingespeist, um das Wachstum der Pflanzen zu fördern. Der menschliche Eintrag phosphorhaltiger Düngemittel, unbehandeltem Abwasser, sowie anderer phosphorhaltiger Produkte in das Ökosystem, führt zu einem lokalen Nährstoffüberschuss, der so genannten Eutrophierung. Daraus resultieren verheerende ökologische Auswirkungen, wie eine großflächig auftretende Algenblüte und damit eine Verminderung der Wasserqualität. Neben der Fischerei stellt die Eutrophierung bereits eine der größten Bedrohungen für die globale Meeresumwelt dar und ist weltweit an den Küsten aller Kontinente, mit Ausnahme der Antarktis, beobachtbar. (UBA DEUTSCHLAND, s.a.)

Diese Eingriffe in den globalen Phosphorkreislauf führen nicht nur zu ökologischen und ökonomischen Problemen, sie resultieren ebenso in einer graduellen Ausbeutung der natürlichen Phosphorvorkommen und verhindern ein nachhaltiges Management der Ressource. Aufgrund des exzessiven Abbaus, der vermehrten Produktion von Düngemitteln, sowie einem ungeregelten Eintrag in natürliche Gewässer, wurde der natürliche globale Phosphorkreislauf in den letzten Jahrzehnten immens gestört.

Aufgrund seiner entscheidenden Rolle kann von einem stetig steigenden Bedarf an phosphorhaltigen Düngemitteln ausgegangen werden. ELSER und BENNETT (2011) gehen sogar weiter und postulieren, dass Phosphor zukünftig die Rolle eines strategischen Materials einnehmen könnte. In den USA und China, den beiden größten Produzenten von Phosphatgestein, werden die Phosphorreserven auf weniger als 60 Jahre geschätzt. Um in Zukunft den Phosphorzugang zu sichern, wird es diesbezüglich vermehrt zu strategischen Partnerschaften kommen.

Länder, die nicht rechtzeitig Maßnahmen zur Angebotssicherung von Phosphor in die Wege leiten, werden mit geopolitischen Einschränkungen zu kämpfen haben. Am stärksten davon betroffen wären Länder ohne Phosphorreserven, Länder mit politisch stark differierenden Ansichten als die Phosphorexporteure, sowie Länder mit geringen ökonomischen und technologischen Möglichkeiten.  (WALAN et al., 2014; CHOWDHURY et al., 2017)

Anstatt eine drohende Phosphorarmut zu riskieren, gilt es, ein nachhaltiges Nährstoffmanagement zu etablieren und den Phosphorkreislauf wieder ins Gleichgewicht zu bringen. Gelingt es den Phosphor vor dem Eintrag ins Grundwasser zu rezyklieren, so wird nicht nur die Importabhängigkeit verringert, sondern ebenso der Eintrag in Boden und Grundwasser kontrolliert.

Europäische Länder nehmen eine Vorreiterrolle in Bezug auf die Verhinderung einer Phosphorarmut ein. Es gibt bereits zahlreiche Demonstrationen einer Rückgewinnung aus dem Abwasser, einer erfolgreichen Nährstoffabtrennung durch den Niederschlag als Struvit oder der Herstellung einer phosphorreichen Hydrokohle.

Phosphorrückgewinnung aus dem Abwasser

In Europa wurden bereits zwei Prozesse zur Rückgewinnung aus kommunalen Klärschlämmen etabliert. Der erste Prozess zielt dabei auf eine Verbrennung des Klärschlammes ab, um daraus phosphorhaltige Asche zu generieren. 

Der zweite Prozess unterzieht den Klärschlamm einer milden hydrothermalen Karbonisierung, wodurch sofort lösliches Phosphat verfügbar ist. Durch Zentrifugation können die phosphatfreien Koksbestandteile entfernt und anschließend unlösliches Phosphat gewonnen werden. (HEILMANN et al., 2014)

Phosphorrückgewinnung aus landwirtschaftlichen Abfall- und Reststoffen

Das Ausbringen von Wirtschaftsdünger zum Zweck der Bodenverbesserung ist seit langer Zeit in landwirtschaftlichen Betrieben fest verankert. Durch die intensivere Bewirtschaftung, ein daraus resultierender vermehrter Düngemittelbedarf, sowie sich verändernde Futtereinsatzstoffe, wurde vermehrt Nitrat in den Boden eingebracht und folglich der Austrag durch die EU-Nitratrichtlinie und die Düngeverordnung beschränkt.

Da die Abtrennung der Störstoffe vor dem Austrag nicht nur Zeit- sondern ebenso kostenintensiv ist, wird vermehrt nach alternativen Wegen der Verwertung und Phosphorrückführung gesucht. Zwei Möglichkeiten hierbei sind die Gewinnung des enthaltenen Phosphors als Niederschlag (in Form von Struvit), sowie in aufkonzentrierter Form in der Hydrokohle.

Es wird also ersichtlich, dass eine Phosphorrückgewinnung aus vielerlei Gründen Sinn macht - sowohl eine Rückführung aus Klärschlamm, als auch eine Gewinnung aus landwirtschaftlichen Rest- und Abfallstoffen bietet nicht nur ökologische, sondern ebenso ökonomische Vorteile. Dies erschließt für die Abfallwirtschaftsindustrie ein vielfältiges Spektrum an Möglichkeiten und Chancen, ihre Wettbewerbsvorteile weiter auszubauen, sowie ihren Branchenwert zu steigern.

Für Abfallentsorgungsunternehmen ist es an der Zeit, diese Trends frühzeitig zu erkennen, aktiv aufzugreifen und ihre betrieblichen Aktivitäten des klassischen Abfallentsorgers um jene des modernen Produzenten von Düngemitteln zu erweitern.

Als Phosphorlieferanten können sie die Entsorgung mit wertvoller Produktion verknüpfen und damit nicht nur einen Beitrag zu ihrer ökonomischen Profitabilität leisten, sondern ebenso einen wesentlichen Beitrag zur globalen Nährstoffsicherheit beitragen.

Natürlich ist diese Umstellung kein einfacher Weg, aber ERP-Systeme können hier Abhilfe schaffen: Neben der Prozessoptimierung können die Kosten der Abfallentsorgung und der Produktion von neuen Materialien dargestellt und in einer betrieblichen Kalkulation die Kosten dem zu erwartenden Erlös gegenübergestellt werden. Die ExpertInnen der COSMO CONSULT-Gruppe verfügen über jahrelange Expertise und unterstützen Sie gerne auf dem Weg vom klassischen Entsorgungsunternehmen zum modernen Produzenten und Nährstofflieferanten!

• WELT (2011): Die Welt bewegen. Am Phosphor hängt das Schicksal der Menschheit.
• LEBENSMINISTERIUM (2014): Phosphorrückgewinnung aus dem Abwasser. Wien.
• STATISTA (2016): Weltweite Reserven an Phosphatgestein nach den wichtigsten Ländern im  Jahr 2016 (in Millionen Tonnen).
• HEILMANN, S. M. et al. (2014): Phosphorus Reclamation through Hydrothermal Carbonization of  Animal Manures. Environmental Science & Technology , 10323-10329.
• KALI, K. (s.a.): Kali. Pflanzennährstoffe – Phosphor.
• UBA DEUTSCHLAND, (s.a.): Umweltbundesamt Deutschland. Eutrophierung.
• ELSER, J., und BENNETT, E. (2011): Phosphorus cycle: a broken biogeochemical cycle. Nature  (478), 29-31.
• CHOWDHURY, R. B., MOORE, G. A., WEATHERLEY, A. J., und ARORA, M. (2017): Key sustainability challenges for the global phosphorus resource, their implications for  global food security, and options for mitigation. Journal of Cleaner Production (140),  945-963.
• WALAN, P., DAVIDSSON, S., JOHANSSON, S., und HÖÖK, M. (2014): Phosphate rock  production and depletion: regional disaggregated modelling and global implications.  Resources, Conservation and Recycling (93), 178-187