Abschätzung des Potentials erneuerbarer P-haltiger Rohstoffe in Deutschland zur Substitution rohphosphathaltiger Düngemittel

Estimating the potential of renewable P containing raw materials in Germany as a substitute for fertilizers made from rock phosphate

2 Bewertung der Stoffströme

Während in den vergangenen 10 Jahren (Januar 2004 bis Januar 2013) zunächst von einer stabilen Reserve von 18 000 000 t bzw. 2010 16 000 000 t ausgegangen wurde, stieg die Schätzung im Januar 2011 plötzlich auf 65 000 000 t (s. Tab. 1).

Als Reserve wird dabei derjenige Anteil der sogenannten „reserve base“ definiert, der zum Zeitpunkt der Feststellung wirtschaftlich extrahiert bzw. produziert werden kann. Die reserve base umfasst außerdem die marginal ökonomischen, d.h. die an der Grenze zur Unwirtschaftlichkeit ausbeutbaren Reserven, sowie einen Teil der subökonomischen Ressourcen, die die Kriterien der anderen beiden Kategorien (ökonomische und marginal ökonomische Reserven) nicht erfüllen (USGS, Mineral Commodities Summary, Appendix C Part A). Als Kriterium für die Wirtschaftlichkeit der Reserven galt in der Vergangenheit nach Maßgabe des USGS bzw. des USBM (= United States Bureau of Mines) (zuletzt publiziert im Jahr 1993, zitiert nach van Kauwenbergh, 2010) ein erzielbarer Preis von US $ 40/t P₂O₅, während ein Preis von US $ 100/t P₂O₅ als Untergrenze für marginal ökonomisch ausbeutbare Reserven definiert wurde. Wie van Kauwenbergh (2010) betont, sind diese Zahlen jedoch vom tatsächlich erzielbaren Preis für Rohphosphat abhängig, der gerade in den vergangenen Jahren starken Schwankungen unterlag. Seinen Aussagen zufolge existieren derzeit keine verlässlichen Angaben in der Literatur über aktuelle Produktionskosten, die eine belastbare Bewertung der Wirtschaftlichkeit des Abbaus von Reserven erlauben, da diese von den Unternehmen in aller Regel geheim gehalten werden. Zur Orientierung können daher nur erzielbare Rohphosphatpreise dienen^*. Pinnekamp et al. (2011) stützen ihre Berechnungen zur Prognose der Preisentwicklung von Rohphosphat bis zum Jahr 2030 auf Angaben der CRU-Gruppe von British Sulfur (CRU, 2003), wonach die Preisspanne für Rohphosphat (Abbau und Aufbereitung) im Jahr 2003 zwischen 21 und 48 US $/t P₂O₅ lag. Diese Zahlen berücksichtigen jedoch noch nicht den enormen Preisanstieg, der ab 2007 zu beobachten war. Nach van Kauwenbergh (2010) dürften die Preise aktuell (d.h. 2010) ein Plateau von US $ 80–110/t P₂O₅ erreicht haben. Derartige Un­sicherheiten erschweren die Einordnung von Rohphos­phatvorkommen in die oben genannten Kategorien.

Hintergrund der zwischen 2010 und 2011 mehr als vervierfachten Schätzung der verfügbaren Reserven sind Daten des International Fertilizer Development Center (IFDC; s. van Kauwenbergh, 2010), der seine Angaben zu Marokkanischen Reserven von rund 6 auf 51 Mio. t Rohphosphat (sog. „beneficiated“ concentrate) hochkorrigiert hatte. Diese Korrektur wird allerdings in der wissenschaftlichen Literatur sehr kritisch gesehen: Wie Edixhoven et al. (2013) darlegen, verursache die vom IFDC 2010 eingeführte Vereinfachung der Nomenklatur in Bezug auf mineralische Ressourcen mehr Verwirrung als Klarheit. An verschiedenen Beispielen legen die Autoren dar, dass in den vergangenen Jahren bei Abschätzungen der langfristigen Verfügbarkeit der vorhandenen Rohphosphatvorräte mehrfach Angaben zu Roherzen und Konzentraten ebenso wie Einheiten (Masse in Tonnen bzw. Volumen in m³) vertauscht und damit unrealistische Zahlen berechnet worden seien. Dies sei umso schwerwiegender, als bei Abbau und Aufbereitung des Roherzes zum sog. „beneficiated concentrate“, d.h. der Aufkonzentration auf mindestens 30% P₂O₅, je nach Qualität des Roherzes, von einem Massenverlust zwischen 5 und 70% (im Mittel 50%)^** auszugehen sei. Bislang sei auch nicht klar, ob im Fall der USGS-Angaben zum marokkanischen Phosphat tatsächlich von Konzentrat, oder aber von Roherz die Rede sei (Edixhoven et al., 2013, S. 1028f.). Zudem sei es wahrscheinlich, dass es sich bei den mit 51 Mio. t bezifferten marokkanischen Rohphosphatlagern zu mindestens zwei Dritteln um schwer oder gar nicht zugängliche, teilweise auch nur vermutete Ressourcen, nicht aber um Reserven handele. Eine eindeutige Aufklärung der in diesem Fall tatsächlich zutreffenden Kategorien und Einheiten steht offenbar noch aus.

Weiterhin halten die Autoren auch die derzeit für Schätzungen gebräuchliche statische jährliche Verbrauchsrate von 160 Mt Rohphosphat (weltweit) für unrealistisch. Diese führte den IDFC (van Kauwenbergh, 2010) zu dem Schluss, dass die derzeitigen Reserven (60 000 Mt) noch 300–400 (statt vorher 100–150) Jahre ausreichen sollten. Noch optimistischer sei die Einschätzung von Scholz und Wellmer (2012), wonach die Phosphatvorräte unter Berücksichtigung der wohl größten (allerdings auch größtenteils schwer oder unzugänglichen) Phosphatformation weltweit, des „Western Phosphatic Field“ in den USA, noch mindestens 1000 Jahre ausreichen sollen (bei einer jährlichen Verbrauchsrate von 178,5 Mt Konzentrat). Dem sei nicht nur die technische Unzugänglichkeit des Western Phosphatic Field entgegenzuhalten, sondern auch die Erkenntnis, dass die Phosphatverbrauchsrate weltweit derzeit kontinuierlich ansteige, 2011 bereits bei 198 Mt Konzentrat lag und 2013 auf 256 Mt ausgeweitet wurde. Mit einer Stabilisierung rechnen Analysten erst zum Ende des 21. Jahrhunderts (Edixhoven et al., 2013, S. 1012). Entsprechend gehen Rosemarin et al. (2011) auch je nach betrachtetem Szenario (verschiedene Annahmen zu Bevölkerungswachstum, Ausweitung der Landwirtschaft in Afrika, sowie der Produktion von Biokraftstoffen) von einer Reichweite der derzeitigen Reserven (sogar unter der Annahme von 60 000 Mt Rohphos­phat-Konzentrat) von 48–172 Jahren aus.

Abb. 1. Inlandsabsatz phosphathaltiger Mineraldünger in den Wirtschaftsjahren 2005/2006–2012/2013 (Quelle: IVA, 2013).

Basierend auf den vom Statistischen Bundesamt (2013) herausgegebenen Zahlen für das Wirtschaftsjahr 2012/2013 müssten jährlich ca. 125 000 t P aus verschiedenen Rohstoffen rückgewonnen werden, um komplett auf importiertes Rohphosphat bzw. daraus hergestellte P-Dünger verzichten zu können (Tab. 2).

2.2.2 Wirtschaftsdünger. In landwirtschaftlichen Betrieben fallen Wirtschaftsdünger in Form von Stallmist, Jauche, Kot oder Gülle an. Die aus der Vergärung von in landwirtschaftlichen, forstwirtschaftlichen oder gartenbaulichen Betrieben angefallenen Gärreste, die auch mit tierischen Ausscheidungen gemischt sein können, zählen ebenfalls zu den Wirtschaftsdüngern. Werden dagegen bei der Biogasgewinnung z.B. Bioabfälle mitvergoren, handelt es sich nach der Düngemittelverordnung um organische Düngemittel (Wendland und Attenberger, 2009). Zwischen 2000 (241 Mio. t) und 2010 (246 Mio. t) ist die Menge der anfallenden Wirtschaftsdünger nur um wenige Prozent angestiegen (Bloem und Kratz, unveröffentlicht). Exakte Aussagen über das P-Potential dieser Stoffgruppe sind aufgrund ihrer Heterogenität nicht möglich, es können vielmehr nur Größenordnungen angegeben werden. Des Weiteren liegt aktuell keine genaue Statistik über den Gärrestanfall vor. Weiland (2010) schätzt, dass von den ca. 200 Mio. t/a Gülle und Festmist etwa 15% zur Biogasgewinnung verwendet werden, was einem Gärrestanfall von ca. 29 Mio. t/a entspräche. Mangels detaillierter Angaben geht die Berechnung in Tab. 3 davon aus, dass die Angaben der offiziellen Statistik zur Ausbringung der verschiedenen Wirtschaftsdüngertypen die zu Biogas verarbeiteten Anteile bereits beinhalten.

Aus den insgesamt angefallenen Mengen ergibt sich daher für das Jahr 2010 ein P-Potential von 253 000–489 000 t P. Der nicht landwirtschaftlich verwertete Rest besitzt ein P-Potential von 101 000–205 000 t P (Tab. 3).

2.2.3 Produkte aus der Abwasserreinigung, Klärschlämme und Klärschlammaschen.
Klärschlamm. Seit 2006 hat die Menge des in Deutschland anfallenden Klärschlamms um etwas weniger als 10% abgenommen (Abb. 2).

Abb. 2. Entwicklung der anfallenden Klärschlammmenge von 2006–2010 (t TM/a) (DESTATIS, 2010).

Im Jahr 2012 fielen in Deutschland insgesamt mehr als 1,8 Millionen Tonnen kommunaler Klärschlämme an, von denen rund 55% thermisch behandelt, etwa 29% landwirtschaftlich verwertet und 13% bei der Kompostierung und im Landschaftsbau eingesetzt wurden. Die übrigen 3% wurden anderweitig stofflich verwertet (DESTATIS, 2013b). Ausgehend von einem P-Gehalt von 2,3% P (Kratz und Schnug, 2006), besitzt der komplett angefallene Klärschlamm ein P-Potential von mehr als 41 000 t, der landwirtschaftlich verwendete Anteil entspricht ca. 12 000 t P.

Bezüglich der landwirtschaftlichen Verwertung von Klärschlamm hat die Große Koalition in dem im November 2013 unterschriebenen Koalitionsvertrag festgehalten (Anonym, 2013):

„Der Schutz der Gewässer vor Nährstoffeinträgen sowie Schadstoffen soll verstärkt und rechtlich so gestaltet werden, dass Fehlentwicklungen korrigiert werden. Wir werden die Klärschlammausbringung zu Düngezwecken beenden und Phosphor und andere Nährstoffe zurückgewinnen.“ (Koalitionsvertrag, Seite 120)

So ist die Rückgewinnung von P aus Klärschlamm von besonderem Interesse, da die Option „landwirtschaftliche Klärschlammverwertung“ im Fall einer tatsächlichen Umsetzung des formulierten Ziels zukünftig ausgeschlossen sein wird.

Da die Monoverbrennung von Klärschlamm ein hohes P-Rückgewinnungspotential besitzt (90% Rückgewinnungspotential bezogen auf die Zulauffracht (Adam, 2008)), durch die Verbrennung eine weitgehende Zerstörung der organischen Schadstoffe stattfindet und gleichzeitig die thermische Energie des Schlammes genutzt werden kann, sollte dieses Verfahren in Kombination mit adäquaten Methoden zur anschließenden P-Rückgewinnung aus der Asche bevorzugt verwendet werden.

2.2.4 Schlachtnebenprodukte. Seit dem 1. Januar 2001 ist die Verwendung von Schlachtabfällen zur Fütterungszwecken nicht mehr erlaubt. Der Einsatz von Fleisch­knochenmehl, Knochenmehl und Fleischmehl als Düngemittel ist dagegen unter bestimmten Voraussetzungen zugelassen, die in der Verordnung (EG) 1774/2002 („EG-Hygieneverordnung“) vom 3. Oktober 2002 und der Düngemittelverordnung (DüMV) vom 16. Dezember 2008 festgelegt sind. Tierische Nebenprodukte werden in der Verordnung 1774/2002 entsprechend ihrer Entsorgungs- bzw. Verwertungsmöglichkeiten in drei Kategorien unterteilt:

Kategorie 1: Nebenprodukte von Tieren, die von Tierseuchen (z.B. BSE) befallen waren und spezifiziertes Risikomaterial. Das Material der Kategorie 1 muss in Tierkörperbeseitigungsanlagen verbrannt werden. Häufig erfolgt dies in Form von Mitverbrennung in Zementwerken oder Kraftwerken (Albert, 2008).

Kategorie 2: Nebenprodukte von Tieren, die weder durch eine Seuche oder Schlachtung gestorben sind und Material von nicht schlachttauglichen Tieren.

Kategorie 3: Nebenprodukte, die bei der Schlachtung und Zerlegung gesunder Tiere anfallen (z.B. Hufe und Hörner) oder Körperteile die genusstauglich sind, aus kommerziellen Gründen aber nicht für den menschlichen Verzehr bestimmt sind.

Produkte der Kategorie 2 und 3 dürfen bereits jetzt schon als NP-Dünger verwendet werden. Berücksichtigt man darüber hinaus auch die Produkte der Kategorie 1 und beschränkt ihre Verbrennung auf eine Monoverbrennung oder Mitverbrennung mit P-reichen Substanzen wie Klärschlämme oder Wirtschaftsdünger, könnte auch das in diesen Materialien enthaltene P für die Pflanzen­ernährung genutzt werden.

Im Vergleich mit anderen organischen Düngemitteln liegt der durchschnittliche P-Gehalt von Schlachtnebenprodukten mit 3–14% P vergleichsweise hoch (Kratz et al., unveröffentlicht). Betrachtet man die Entwicklung der Anfallsmenge von Schlachtnebenprodukten der Kategorien 1 bis 3 innerhalb von 7 Jahren (2005–2012) ist eine starke Zunahme zu erkennen, was diesen Rohstoff als P-Quelle zunehmend interessanter werden lässt (Tab. 4).

Die Verwendung von Schlachtnebenprodukten der Kategorie 3 als Düngemittel („technische Verwendung“), hat von 2006 bis 2011 sowohl total, als auch prozentual abgenommen, die Tendenz geht deutlich zu einer Verwertung als Futtermittel für Heim- und Pelztiere. Die Mengen, die thermisch verwertet oder verbrannt werden, sind vernachlässigbar gering (Tab. 5).

Im Jahr 2010, wurden etwa 44% des anfallenden Materials der Kategorie 3 technisch verwendet. Ausgehend von einem durchschnittlichen P-Gehalt von 6,1% (www.stn-vvtn.de) entspricht das einer P-Menge von 10 178 t. Da die Zahlen für die landwirtschaftliche Verwertung von Schlachtnebenprodukten der Kategorie 3 für das Jahr 2012 noch nicht vorliegen, können sie an dieser Stelle nur abgeschätzt werden. Geht man von einem gleichbleibenden Anteil der landwirtschaftlichen Verwertung im Vergleich zu dem Jahr 2011 aus (34%), würden 540 204 t des Materials der Kategorie 3 als Dünger verwendet, das entspräche 32 953 t P. Das bislang landwirtschaftlich nicht genutzte Potential der insgesamt 129 224 t P aus den Schlachtnebenprodukten der Kategorien 1 bis 3 läge demnach bei 96 272 t P (s. auch Tab. 6).

Kompost. Im Jahr 2011 wurden in allen biologischen Behandlungsanlagen^*** 4 187 700 t Kompost abgesetzt (DESTATIS, 2013c). Geht man von einem vergleichsweise geringen, durchschnittlichen P-Gehalt von 2 kg/t FM (BGK, 2013) aus, besitzt Kompost ein P-Potential von 8 400 t P. Allerdings wurde im Jahr 2011 bereits mehr als die Hälfte (2 554 700 t/5 100 t P) in der Land- und Forstwirtschaft verwendet (DESTATIS, 2013c). Die bislang noch nicht landwirtschaftlich genutzten 3300 t P könnten darüber hinaus mittels geeigneter Recycling­strategien zur Deckung des P-Bedarfes von Kulturpflanzen genutzt werden.

P-Potentiale. Da nicht für alle anfallenden organischen P-Quellen Zahlen für das Jahr 2012 vorliegen, musste für die Berechnung der P-Potentiale für Kompost und Wirtschaftsdünger auf die jeweils aktuellsten Zahlen, also auf 2011 bzw. 2010 zurückgegriffen werden.

Das P-Potential aller angefallenen Wirtschaftsdünger, Klärschlämme, Fleischknochenmehle und Kompost liegt in einem Rahmen von 431 000–667 000 t P. Eingesetzt wurden dagegen etwa 326 000–458 000 t P in organischer und mineralischer Form (Tab. 6). Der P-Bedarf der deutschen Landwirtschaft könnte demzufolge durch ein konsequentes Nährstoffrecycling vollständig abgedeckt werden.

Die am intensivsten betrachteten Stoffströme mit Blick auf die P-Rückgewinnung sind derzeit aufgrund ihres Potentials Produkte aus der Abwasserreinigung (Klärschlamm, Klärschlammaschen, Abwasser) und Schlachtnebenprodukte. Daher soll sich die Betrachtung der Hauptverwertungswege an dieser Stelle auf das P-Re­cycling aus Produkten dieser Produktgruppe konzentrieren. Grundsätzlich kann dies mittels thermischer oder chemischer Verfahren erfolgen.

In Tab. 7 sind die produktspezifischen Kosten für verschiedene Rückgewinnungsverfahren aus Abwasser, Klärschlamm und Klärschlammasche zusammengestellt.

Es zeigt sich eine sehr große Preisspanne von 0,38 €/kg P → 14 €/kg P und es ist ersichtlich, dass die meisten Rückgewinnungsverfahren aus wirtschaftlicher Sicht derzeit noch nicht konkurrenzfähig sind. Ausnahme ist lediglich das Produkt „Berliner Pflanze“, das bereits erfolgreich an Düngemittelhersteller vertrieben werden konnte. Die Preise für 1 kg P liegen hier für dieses Produkt zwischen 0,38–0,67 € (Heinzmann und Lengemann, 2013). Grundsätzlich zeigen sich einige Verfahren nicht mehr weit von der wirtschaftlichen Rentabilität entfernt. Als für die Zukunft besonders vielversprechend erscheinen das FIX-Phos- und das AshDec-Verfahren, deren Kosten sich je nach Infrastruktur derzeit im Bereich von 2 €/kg P und weniger bewegen. Nach Berechnungen von Pinnekamp et al. (2011) kann die P-Rückgewinnung aus dem Klärschlammwasser durch das FIX-Phos-Verfahren und aus Klärschlammasche durch das AshDec-Verfahren schon in knapp 10 bzw. 15 Jahren wirtschaftlich rentabel sein. Momentan werden nach Angaben der Hersteller die Verfahren DHV-Crystalactor im Industrieabwasserbereich und Ostara auf kommunalen Kläranlagen wirtschaftlich rentabel umgesetzt (Horn et al., 2011). Nach Scheidig et al. (2010) ist auch von dem Mephrec-Verfahren ein wirtschaftlicher Betrieb zu erwarten, da hier P-Recycling und Energiegewinnung in einem Verfahrensschritt erfolgen. Allerdings können an dieser Stelle keine Zahlen genannt werden, die die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens belegen.

Ein wesentliches Kriterium zur schnellen Einschätzung der Pflanzenverfügbarkeit eines Produktes ist dessen Löslichkeit in verschiedenen Extraktionsmitteln nach DüMV bzw. EU-VO 2003/2003. Auf gut versorgten Ackerböden sollten bevorzugt solche Produkte Verwendung finden, die eine hohe Löslichkeit und damit eine sofortige oder doch kurzfristig realisierbare Pflanzenverfügbarkeit aufweisen. Dies sind in erster Linie Produkte mit hoher Löslichkeit in Wasser oder Ammoniumcitrat (neutral: NAC, alkalisch: AAC). Geringe Löslichkeiten in Wasser, NAC oder AAC, aber gute Löslichkeiten in Zitronensäure kennzeichnen dagegen Produkte, die erst mittelfristig verfügbar werden und sich daher eher zur Grunddüngung von Ackerböden eignen. Produkte, die nur in Ameisensäure eine höhere Löslichkeit aufweisen, wie beispielsweise weicherdige Rohphosphate, lösen sich nur über längere Zeiträume und typischerweise nur unter besonderen Standortbedingungen, wie im Fall der Rohphosphate bei saurem Boden-pH (vgl. dazu ausführlicher Kratz und Schnug, 2009).

Wie Tab. 8 und 9 zeigen, gibt es hinsichtlich der P-Gehalte und P-Löslichkeiten der verschiedenen hier angesprochenen P-Recyclingprodukte eine große Streubreite. Die Wasserlöslichkeit ist bei allen Produkten sehr gering, eine Ausnahme bildet lediglich die mit Schwefelsäure nachbehandelte Asche von AshDec. Hohe Löslichkeiten in NAC weisen vor allem die verschiedenen Magnesium-Ammonium-Phosphate (MAP, Struvit) auf, allerdings liegen hier leider nur für einige der aufgeführten Produkte Analysen vor. Die Löslichkeiten in AAC spiegeln jene in NAC nur teilweise wider, während diese beiden Extrakte in anderen Fällen sehr unterschiedliche Ergebnisse liefern. Dies mag daran liegen, dass die AAC-Methode nur für ganz bestimmte chemische Zusammensetzungen von Düngemitteln vorgesehen ist, insbesondere solche, die Dicalciumphosphat (DCP) und pflanzenverfügbare Fe-/Al-Phosphate enthalten, während NAC ein größeres Spektrum an P-Formen extrahiert (Monocalciumphosphat, DCP, ca. 80% der Fe-/Al-Phosphate und basisches Ca-Phosphat [Hydroxylapatit, Tricalciumphosphat], vgl. Kratz und Schnug, 2009). Mit Ausnahme des Knochenmehls und eines Ca-Phosphats von AshDec aus Klärschlamm­asche weisen alle Produkte eine mittlere bis sehr gute Löslichkeit in Zitronensäure (mind. 50% von des Gesamt-P) auf. Dies deutet bereits darauf hin, dass es sich bei den bisher vorhandenen Recyclingprodukten mit Ausnahme der MAPs bzw. der mit Schwefelsäure teilaufgeschlossenen Produkte in erster Linie um mittel- bis langfristig wirksame Produkte handelt, die zur Grunddüngung, nicht aber zur Bereitstellung schnell verfügbarer P-Gaben geeignet sind.

Beim Vergleich der Löslichkeitsangaben verschiedener Autoren zu denselben oder ähnlichen Produkten (z.B. MAP, AshDec und BAM) fällt auf, dass die einzelnen Muster zum Teil recht unterschiedliche Löslichkeiten aufweisen (Tab. 9). Dies offenbart das derzeit noch ungelöste Problem der Herstellung homogener Produkte mit zuverlässig gleichbleibenden Qualitäten. Hier ist noch weitere technische Entwicklung erforderlich, insbesondere dort, wo die Produkte nicht direkt als solche auf den Acker gelangen, sondern als Rohstoffe für die Düngemittel­industrie dienen sollen.

Zur eingehenderen Beurteilung der Effizienz von P-Düngemitteln ist es erforderlich, Vegetationsversuche durchzuführen, in denen man üblicherweise die Parameter Trockenmasseertrag und P-Entzug prüft und diese mit jenen eines oder mehrerer herkömmlicher Referenzdünger vergleicht. Dazu eignen sich bekannte Produkte wie weicherdiges Rohphosphat (schlechte Löslichkeit und Verfügbarkeit) und (Triple-) Superphosphat (sehr gute Löslichkeit und Verfügbarkeit).

Im Folgenden werden die Ergebnisse verschiedener Versuchsansteller dargestellt und diskutiert.

Schick (2010) untersuchte die agronomische Effizienz von thermochemisch behandelten Klärschlammaschen (AshDec/BAM Verfahren) in einem Gefäßversuch mit Mais. Betrachtet wurden die Parameter Trockenmasse­ertrag, P-Aufnahme und CAL-P-Gehalte im Versuchs­boden nach der Ernte. Wie aus Tab. 9 ersichtlich, wiesen drei der vier Aschen so gut wie kein wasserlösliches P auf (< 0,1%). Durch den Teilaufschluss mit Schwefelsäure konnte der Gehalt der vierten Asche auf 34% P_Wasser erhöht werden. Während das in NAC und AAC lösliche P durch die thermochemische Behandlung reduziert wurde, stiegen die Gehalte an in Zitronen- und Ameisensäure löslichem P an. Die mit MgCl₂ behandelten Aschen erwiesen sich als besser löslich als jene, die mit CaCl₂ behandelt wurden.

Wie aus Tab. 10 hervorgeht, bestanden für alle Extrak­tionsmittel außer Wasser signifikante und enge Korrelationen mit dem Trockenmasseertrag. Nur NAC (mit und ohne vorhergehende Wasserextraktion) zeigte signifikante und enge Korrelationen mit der pflanzlichen P-Aufnahme und CAL-P im Boden. Für die Beurteilung stark apatithaltiger Düngeprodukte aus KSA erscheint dieses Extrakt daher am besten geeignet. Zu ähnlichen Ergebnissen kamen schon Chien und Hammond (1978) sowie Léon et al. (1986), die die agronomische Effizienz von Rohphosphaten prüften.

Korrelationen zwischen Standardmethoden für Dünger-P (W, NAC, AAC, ZS, AS und Mineralsäure [MS]) und der Pflanzenaufnahme von P bei verschiedenen Recycling-P-Düngern wurden auch in einem modifizierten Neubauerversuch von Kratz et al. (2010) untersucht. Folgende Produkte wurden betrachtet:

Recyclingprodukte

Mineralische Kontrolldünger

Auch hier lag die Wasserlöslichkeit der betrachteten Produkte nahe Null (s. Tab. 11). Während die beiden Fällungsprodukte aus Klärschlamm sowie die thermochemisch behandelte KSA hohe Löslichkeiten in NAC aufwiesen, zeigten Fleischknochenmehl und Knochenmehl nur in Zitronen- bzw. Ameisensäure mittlere Löslich­keiten. Auch die Korrelationen der Löslichkeiten mit der P-Aufnahme waren nur von mäßiger Stärke, aber in den meisten Fällen signifikant (Tab. 8). Die stärksten Korrelationen wurden für P-Aufnahme (Sprosse und Wurzeln) und Zitronensäure gefunden, gefolgt von NAC (mit oder ohne vorhergehender Wasserextraktion). Dies spiegelt die niedrige Löslichkeit der getesteten Produkte wider. Im Vergleich mit den bereits von Schick (2010) untersuchten KSA zeigte sich erneut die zumindest zum Zeitpunkt dieser Untersuchungen noch heterogene chemische Qualität dieser Produkte, die eine allgemein gül­tige Aussage über die Eignung verschiedener Extrak­tionsmittel ebenso erschwert wie einen Einsatz dieser Produkte als Rohstoff in der Herstellung von Dünge­mitteln.

Während hinsichtlich der Trockenmasseerträge keine eindeutige Bewertung möglich war (Daten hier nicht gezeigt), erbrachte die P-Aufnahme eine deutliche Differenzierung zwischen Recyclingprodukten und zur Kon­trolle eingesetzten verschiedenen Mineraldüngern (MCP, SSP, teilaufgeschlossenes RP und DAP). Tab. 12 zeigt die P-Aufnahmen sowie die Ausnutzungsgrade in den verschiedenen Düngungsvarianten. Deutlich ist zu erkennen, dass die Varianten mit Mineraldünger (Nrn. 8–11) fast durchweg höhere P-Aufnahmen zeigten und anders als die Varianten mit Recyclingprodukten (Nrn. 1–6) auch auf eine Steigerung der P-Rate noch mit weiterer P-Aufnahme reagierten. Unter den Recyclingprodukten zeigte sich das MAP Berlin (Struvit) als überlegen, wenngleich der Unterschied zu den anderen Produkten in vielen Fällen nicht signifikant war. Die hohen Ausnutzungsgrade sind auf die spezielle Versuchsanlage des Neubauerversuches zurückzuführen, der mit einem sehr weiten Saatgut:Boden-Verhältnis darauf ausgerichtet ist, dass der gesamte Nährstoffvorrat im Verlauf des Versuches aufgebraucht wird.

Eine Untersuchung verschiedener P-Recyclingprodukte im zweijährigen Gefäßversuch mit Mais auf einem sandigen und einem lehmigen Boden wurde von Cabeza et al. (2011) durchgeführt. Darin wurden vier Produkte aus chemischer Rückgewinnung (Ca-P; MAP Seaborne, MAP Gifhorn und MAP Stuttgart) sowie vier aus thermischer Behandlung (Sinter-P (Glühphosphat), Kupolofenschlacke aus KS, thermochemisch behandelte KSA (BAM) und Fleischknochenmehlasche (FKMA)) mit TSP und Rohphosphat verglichen. Als Effizienzkriterium wurde die P-Aufnahme betrachtet. Hierbei wurde festgestellt, dass die chemisch gewonnen Produkte, insbesondere die drei MAPs, den thermischen (ebenso wie dem Rohphosphat) in Bezug auf die P-Aufnahme im ersten Jahr deutlich überlegen waren und an die P-Aufnahme des TSP heranreichten, während dieser Unterschied im zweiten Jahr geringer und in einigen Fällen nicht mehr signifikant war. Von den thermischen Produkten schnitten das Sinter-P (nur bei niedrigem Boden-pH auf Sand) sowie die Kupol­ofenschlacke (v.a. auf dem neutralen Lehmboden) besser ab als die BAM-KSA und die FKMA. Die Autoren fanden nur schwache Korrelationen zwischen P-Aufnahme und P-Löslichkeit der Produkte in Wasser (bei durchweg geringen Löslichkeiten zwischen 0,1–6,4% von P-gesamt) oder Zitronensäure (Löslichkeiten der thermischen Produkte 24–35%, chemische Produkte: 44–51% von P-gesamt). Dagegen zeigte sich eine enge und signifikante Korrelation zwischen P-Aufnahme und isotopisch austauschbarem P (IEP), welches hier als Maß für die Menge an P verwendet wurde, die in der Bodenlösung vorliegt und mit dem Boden reagiert und somit pflanzenverfügbar ist. Die verbesserte P-Aufnahme bei den thermischen Produkten im zweiten Jahr wurde als typisch für die in diesen Produkten vorherrschenden langsam verfügbaren P-Formen erkannt. Die geringe Effektivität der KSA und FKM wurde auf die gering löslichen P-Komponenten Chlor­apatit und Stanfieldit sowie die Gegenwart von Al und Fe zurückgeführt. Entsprechend empfahlen auch Cabeza et al. (2011), solche Ascheprodukte eher als Rohstoff für die Düngemittelindustrie weiter zu verarbeiten, was jedoch deren Verbesserung hinsichtlich einer homogenen und stabilen Zusammensetzung und Qualität voraussetze.

Eine weitere umfangreiche Untersuchung verschiedener Recyclingprodukte wurde von Pinnekamp et al. (2011) vorgelegt. Hier wurden zweijährige Gefäßversuche mit Haupt- und Nachfrucht (beides Mais) durchgeführt, wobei folgende Produkte zum Einsatz kamen:

Zum Vergleich wurden auch Varianten ohne P, mit weich­erdigem Rohphosphat und TSP angesetzt. In einem parallel angesetzten Inkubationsversuch ohne Pflanzen zeigte sich, dass – je nach Testboden – einige der Produkte (P-RoC 2008 u. 2009, PASCH I-III, Al-P entfrachtet, FIX-Phos; auf Lehm) eine ähnlich starke Auswirkung auf den CAL-P-Gehalt des Bodens hatten wie TSP, während andere (Al-P, SESAL, AshDec 2009; auf Sand) sich in ihrem P-CAL-Gehalt nicht von der P-Null-Variante unterschieden. Hinsichtlich der Trockenmasseerträge lagen viele der getesteten Produkte auf ähnlichem Niveau wie die TSP-Variante. Bei einigen Produkten (MAP Gifhorn, MAP Stuttgart, P-RoC 2008, Seaborne, PASCH I, Ulophos) wurden auf dem Lehmboden sogar mehr als 30% höhere Erträge erzielt als bei TSP. Die geringsten Erträge erbrachten SESAL, Al-P und AshDec 2009. Die P-Entzüge in diesem Versuch ergaben jedoch kein eindeutiges Bild: Mit Ausnahme der ersten Versuchsreihe auf Sand wiesen die Varianten Rohphosphat und TSP nicht die erwarteten Unterschiede im P-Entzug auf, entweder lagen sie auf gleichem Niveau, oder die TSP-Variante zeigte sogar geringere Entzüge als die Rohphosphatvariante. Teilweise bestand auch zur P-Null-Variante kein signifikanter Unterschied. Während die Versuchsansteller die Gründe in einer ungünstigen Lagerung ihres Versuchsbodens suchten, erscheint es doch vielmehr so, als habe der gute P-Versorgungsgrad der drei Versuchsböden hier den möglichen Einfluss der Düngung überlagert: Der Sand wies zu Versuchsbeginn einen P-CAL-Gehalt von 57 mg/kg P-CAL auf, der Lösslehm I 49 mg/kg, der Lösslehm II wenigstens nur noch 33 mg/kg. Somit lagen die ersten beiden Böden in Gehaltsklasse C nach VDLUFA, waren also optimal mit P versorgt, der Lösslehm II lag immerhin noch in Gehaltsklasse B. Es ist somit wahrscheinlich, dass hier ein unbekannter Anteil des Bodenvorrats an leicht verfügbarem P zur Versorgung der Testpflanzen beigetragen hat, wodurch Unterschiede in der Wirksamkeit der Dünger nivelliert wurden. Daher ist die Aussagekraft dieser Versuchsreihe fraglich. Dies gilt umso mehr, als laut Versuchsbeschreibung der notwendige Stickstoffausgleich nicht in Abhängigkeit vom N-Gehalt der Versuchsprodukte durchgeführt wurde. Vielmehr erhielten alle Varianten unabhängig von der bereits mit dem Versuchsdünger zugeführten N-Menge eine gleich hohe N-Gabe. Dies könnte auch für die überdurchschnittlich gute Ertragswirkung ammoniumstickstoffhaltiger Produkte (MAP und Seaborne) eine entscheidende Rolle gespielt haben.

Anders als Produkte aus der Abwasserreinigung und Schlachtnebenprodukte werden Wirtschaftsdünger (inklusive Gärreste) häufig bereits innerbetrieblich genutzt. Daher besteht am P-Recycling speziell aus diesem Rohstoff kein großes Interesse. Allerdings sollten die Anteile der anfallenden Wirtschaftsdünger, die nicht zur Deckung des Nährstoffbedarfes auf dem Betrieb, bzw. auf einem benachbarten Betrieb dienen, ebenfalls weiter behandelt werden, um insbesondere das enthaltene P nutzen zu können. Da Gülle in der Regel ein für die Pflanzenernährung ungünstig enges N:P-Verhältnis besitzt und so eine auf den N-Bedarf ausgerichtete Düngung unweigerlich zu P-Überschüssen im Boden führt, ist eine Separierung sinnvoll. Die Auftrennung von Gülle in eine P-reiche feste Phase und N-reiche flüssige Phase kann zur Reduzierung der P-Akkumulation im Boden beitragen und gleichzeitig die bessere Nutzung der in der Gülle enthaltenen Nährstoffe gewährleisten. Typische N:P-Verhältnisse der festen und flüssigen Phase einer Schweinegülle (Ursprungsverhältnis: 4,4:1) nach der Zentrifugierung liegen beispielsweise bei 1,1:1 in der festen Phase und bei 16:1 in der flüssigen Phase (Gilkinson und Frost, 2007).

Während eine Verwendung der flüssigen Fraktion idealer Weise direkt vor Ort als N-Quelle erfolgt, kann die feste Phase in Gebiete mit nur sehr geringer Viehbesatzdichte und hohem P-Bedarf transportiert werden. Hier zeigt sich noch ein weiterer Vorteil des Trennungsprozesses: Der Transport der festen Phase ist aufgrund des deutlichen Masseverlustes deutlich kostengünstiger als ein Transport unbehandelter Gülle, und somit kann sie auch deutlich flexibler eingesetzt werden. Neben einer direkten Verwendung als P-Quelle ist z.B. der Einsatz zur Biogasgewinnung oder aber eine Weiterbehandlung wie von Klärschlamm, in Form von Monoverbrennung möglich.

Bioabfallkomposte spielen im Vergleich zu den anderen organischen P-Quellen nur eine untergeordnete Rolle hinsichtlich ihres Beitrages zum Gesamt-P-Potential (siehe Tab. 6). Aufgrund ihres vergleichsweise geringen P-Gehaltes sind sie aus Sicht der Pflanzenernährung auch eher als Quelle organischer Substanz und erst in zweiter Linie als Nährstofflieferanten zu betrachten. Zwar liegt der Phosphor im Bioabfallkompost zu 55–95% in anorganischer Form vor. Nur ca. 3–20% davon sind jedoch wasserlöslich. 20–50% liegen in Form relativ schwer löslicher, schwach kristalliner Ca-P-Verbindungen (Apatit, Octocalciumphosphat) vor. Ca. 20–40% des Gesamt-P sind löslich in CAL (Frossard, 2002; Timmermann et al., 1999; beide zitiert nach Kratz und Schnug, 2009).

Fußnoten: