Phosphor Rückgewinnung

Mit Soziohydrologie zur Nachhaltigkeit

  • Abb. 1: Das konzeptionelle ökonomische Gleichgewichtsmodell. Haushalte konsumieren vegetarische (grain g) und Fleisch- (animal products a) Produkte (consumption c). Landwirte verkaufen pflanzliche Produkte nicht nur an die Haushalte sondern auch an die Tierzüchter. Die Güter enthalten Phosphor (P). Der reine Phosphordünger ist ein Gemisch (G) aus mineralischem Dünger (m) und wiederaufbereitetem Phosphor aus der Kläranlage (w). Der untere Index bezeichnet die Quelle und der obere Index das Ziel der Materialflüsse. Die Haushalte verdienen ihr Geld für die Konsumation durch Arbeit (Labour L, wage w) in den beiden landwirtschaftlichen Sektoren und einem kumuliert dargestellten „other sector“ (x). Die Haushalte lösen ein optimales ökonomisches Nutzenproblem (utility U) und die Landwirte maximieren ihren Profit (π). Die Technologie (τ) der Kläranlage bestimmt, wieviel Phosphor zu welcher Qualität aufbereitet werden kann und wieviel ins Grundwasser sickert. Der Phosphormarkt (trader) ist ein non-profit Umschlagsplatz von Phosphorimporten und wiederaufbereitetem Phosphor. Insgesamt ergibt das ein mehrdimensionales dynamisches Optimierungsmodell, das in dieser Studie gelöst wurde. Abb. 1: Das konzeptionelle ökonomische Gleichgewichtsmodell. Haushalte konsumieren vegetarische (grain g) und Fleisch- (animal products a) Produkte (consumption c). Landwirte verkaufen pflanzliche Produkte nicht nur an die Haushalte sondern auch an die Tierzüchter. Die Güter enthalten Phosphor (P). Der reine Phosphordünger ist ein Gemisch (G) aus mineralischem Dünger (m) und wiederaufbereitetem Phosphor aus der Kläranlage (w). Der untere Index bezeichnet die Quelle und der obere Index das Ziel der Materialflüsse. Die Haushalte verdienen ihr Geld für die Konsumation durch Arbeit (Labour L, wage w) in den beiden landwirtschaftlichen Sektoren und einem kumuliert dargestellten „other sector“ (x). Die Haushalte lösen ein optimales ökonomisches Nutzenproblem (utility U) und die Landwirte maximieren ihren Profit (π). Die Technologie (τ) der Kläranlage bestimmt, wieviel Phosphor zu welcher Qualität aufbereitet werden kann und wieviel ins Grundwasser sickert. Der Phosphormarkt (trader) ist ein non-profit Umschlagsplatz von Phosphorimporten und wiederaufbereitetem Phosphor. Insgesamt ergibt das ein mehrdimensionales dynamisches Optimierungsmodell, das in dieser Studie gelöst wurde.
  • Abb. 1: Das konzeptionelle ökonomische Gleichgewichtsmodell. Haushalte konsumieren vegetarische (grain g) und Fleisch- (animal products a) Produkte (consumption c). Landwirte verkaufen pflanzliche Produkte nicht nur an die Haushalte sondern auch an die Tierzüchter. Die Güter enthalten Phosphor (P). Der reine Phosphordünger ist ein Gemisch (G) aus mineralischem Dünger (m) und wiederaufbereitetem Phosphor aus der Kläranlage (w). Der untere Index bezeichnet die Quelle und der obere Index das Ziel der Materialflüsse. Die Haushalte verdienen ihr Geld für die Konsumation durch Arbeit (Labour L, wage w) in den beiden landwirtschaftlichen Sektoren und einem kumuliert dargestellten „other sector“ (x). Die Haushalte lösen ein optimales ökonomisches Nutzenproblem (utility U) und die Landwirte maximieren ihren Profit (π). Die Technologie (τ) der Kläranlage bestimmt, wieviel Phosphor zu welcher Qualität aufbereitet werden kann und wieviel ins Grundwasser sickert. Der Phosphormarkt (trader) ist ein non-profit Umschlagsplatz von Phosphorimporten und wiederaufbereitetem Phosphor. Insgesamt ergibt das ein mehrdimensionales dynamisches Optimierungsmodell, das in dieser Studie gelöst wurde.
  • Abb. 2: Das in Abbildung 1 beschriebene ökonomische Modell ist mit einem Materialflussmodel gekoppelt, das in linearen Beziehungen die Phosphorflüsse abbildet.
  • Abb. 3: Die Abbildung stellt den vereinfachten Phosphorkreislauf in einer Periode (t) dar. Phosphor im Grundwasser (naturally n) ist bereits, allerdings mit schlechter Verfügbarkeit, für die Pflanzen vorhanden. Der Boden wird zusätzlich mit Phosphor aus Gülledünger (animal a), wiederaufbereitetem Phosphor aus der Kläranlage (w) und mineralischem Dünger (m) angereichert. Aus der gesamten Menge an verfügbarem Phosphor (available phosphorus) geht ein Teil (l) mit Regenwasser in das Grundwasser. Der Großteil wird von den Pflanzen aufgenommen und mit der Ernte (grain consumption cg) abgeführt. Es bleibt erneut ein Rest Phosphor im Boden für die nächste Periode.
Unser Umgang mit Phosphor ist nicht nachhaltig. Phosphor-Rückgewinnung könnte der Umwelt helfen und gleichzeitig ökonomische Vorteile bringen.
 
Der Mensch greift massiv in den natürlichen Phosphorkreislauf ein: In der Landwirtschaft wird Phosphordünger eingesetzt, am Ende gelangt der Phosphor ins Abwasser. Nun wurden Modelle entwickelt, mit denen man Strategien für einen besseren Umgang mit Phosphor entwickeln kann. Dabei zeigt sich: Technologien zur Rückgewinnung von Phosphor sollten intensiver genutzt werden – das würde nicht nur die Umwelt verbessern, sondern sogar die Profite der Landwirtschaft erhöhen.
 
Interdisziplinäres Forschungsfeld Soziohydrologie
Menschliche Entscheidungen können Wassersysteme verändern, während Wassersysteme menschliche Entscheidungen beeinflussen. Diese komplexen wechselseitigen Feedbackmechanismen sind das Kernstück des jungen aufstrebenden Forschungsbereiches der Soziohydrologie. Mit einem interdisziplinären Zugang gelingt es die Forschungsfragen der Soziohydrologie zu beantworten. Dabei werden Modelle und Gesetze aus der Hydrologie und dem Ressourcenmanagement in ökonomische Modelle eingebettet. Im Zentrum stehen optimale Entscheidungen von Haushalten, Firmen oder Gesellschaften. Zur Berechnung der optimalen Handlungsstrategien werden verschiedene Methoden der dynamischen Optimierung weiterentwickelt und die entsprechenden Lösungen analytisch und numerisch aufbereitet.
Die damit entwickelten vielfältigen Modelle stellen formale Modellierungsmöglichkeiten anhand konkreter Beispiele dar. Es handelt sich hierbei um die ersten mathematisch fundierten Modelle in der Soziohydrologie, die außerdem menschliche Entscheidungen und die verknüpften Feedbacks mit Wassersystemen endogen beschreiben. Der Ansatz zeigt, wie Phosphormanagement und damit zusammenhängende ökonomische Entscheidungen die Wasserqualität beeinflussen und umgekehrt.
 
Ökonomische und ökologische Konsequenzen von Phosphatdünger
Die Landwirtschaft ist in hohem Maße von Phosphatdüngerimporten abhängig. Derzeit wird Phosphor in mineralischer Form in Afrika abgebaut, nach Österreich importiert und auf den Feldern ausgebracht.

Durch Erosion und Auswaschung wird der Phosphor dann in die Gewässer transportiert, wo er zu Problemen führen kann. Der von den Pflanzen aufgenommene Phosphor gelangt über Nahrungsmittel und deren Konsum ebenfalls ins Abwasser. In Kläranlagen kann Phosphor aus dem Abwasser entfernt werden und bleibt im Klärschlamm zurück. Derzeit wird dieser phosphorhaltige Klärschlamm zum Großteil entsorgt und bleibt somit ungenutzt. Nachhaltig ist das nicht.

Es wurde schon viel darüber geforscht, wie Phosphor die Umwelt beeinflusst, und wie man Phosphor am besten aus dem Abwasser zurückgewinnen kann. Was aber bisher gefehlt hat, ist ein umfassendes Modell, das vorhersagt, wie menschliche Entscheidungen und Umwelt einander bei diesen Fragen beeinflussen.
So hängt etwa die Phosphormenge im Ackerboden davon ab, welche Entscheidungen in der Landwirtschaft getroffen werden. Diese Entscheidungen werden durch ökonomische Gegebenheiten bestimmt, etwa über den Preis von Phosphordüngern. Und diese Gegebenheiten wiederum werden von politischen Entscheidungen verändert, die ihrerseits davon abhängen, welchen Wert wir als Gesellschaft einer gesünderen Umwelt zuschreiben.
Es handelt sich hier um ein kompliziertes Netz von Feedbackmechanismen, die man gemeinsam betrachten muss. Das war die Gelegenheit den neuen Forschungsbereich der Soziohydrologie an der TU Wien auszubauen, der Ansätze aus der Hydrologie und dem Ressourcenmanagement in ökonomische Modelle einbettet. So werden etwa Angebot und Nachfrage von Phosphordünger modelliert und gleichzeitig Materialflussanalysen verwendet, die Auskunft darüber geben, wie viel Phosphor unter welchen Bedingungen in den Boden, ins Abwasser oder in Fließgewässer gelangt. Am Ende kann man dann mathematisch untersuchen, welche Handlungsstrategien die günstigsten Auswirkungen haben.
 
Das erste ökonomische Modell, das eine Materialflussanalyse inkludiert
Das ökonomische Gleichgewichtsmodell untersucht die Wechselwirkung von Haushaltskonsumentscheidungen, Düngeentscheidungen in der landwirtschaftlichen Produktion, und Umwelt-, speziell der Wasserqualität, um den Einfluss dieser Wechselwirkungen auf Phosphornutzung und -recycling zu verstehen. In einem ökonomischen Gleichgewichtsmodell wird unter anderem Angebot und Nachfrage von Phosphordünger modelliert und eine Materialflussanalyse integriert, um die Dynamiken der Phosphorbestände in Gewässern, Boden und Lebensmittelproduktion einzubinden. In diesem Rahmen wird die Einführung unterschiedlicher Abwasserbehandlungsverfahren zur Rückgewinnung von Phosphor untersucht. Aus dem Modell folgt, dass die Verwendung von recyceltem Phosphor die Umweltqualität und sogar die Profite für die Landwirtschaft erhöht. Außerdem ist die Ökonomie durch die Wiederverwertung von Phosphor weniger von Mineraldüngerimporten abhängig und somit resilienter gegen starke Preisschwankungen am globalen Phosphormarkt.
 
Phosphor zurückgewinnen, Importe verteuern
Insgesamt gibt es einen Bedarf Wiederaufbereitungstechnologien auszubauen, weil Landwirte bereit sind, mehr rückgewonnenen Phosphor als Düngemittel zu verwenden als üblicherweise verfügbar ist.
Dabei zeigt sich, dass die Reduktion der Phosphorkonzentration in Böden und Gewässern am besten möglich ist, wenn Phosphor aus dem Boden und dem Abwasser wiederverwertet wird und gleichzeitig der Preis von Phosphordüngern steigt. Die Politik kann einen Wandel zur verstärkten Nutzung von Phosphor aus dem Abwasser unterstützen, indem sie Rückgewinnungstechnologien für Phosphor fördert oder zusätzliche Steuern oder Abgaben für Phosphorimporte einführt. Bereits die Aussicht auf bevorstehende Veränderung (sei es in ökonomischen Parametern oder im Bereich der Wasserqualität) kann wirtschaftliche Entscheidungen deutlich beeinflussen und menschliches Verhalten ändern.
Eine wichtige Rolle spielt aber auch das gesellschaftliche Wertesystem. Es gibt immer einen Kompromiss zwischen Investition in Konsum, Produktionskapital und Umwelt. Welche Investitionen in eine verbesserte Phosphor-Aufbereitung optimal sind, hängt nicht zuletzt davon ab, welchen Wert die Gesellschaft einer höheren Umweltqualität beimisst. Ein höherer Stellenwert von Umweltqualität im Vergleich zum Konsum erhöht die Bereitschaft mehr für Lebensmittel zu zahlen und ermöglicht den Landwirten somit einen finanziellen Beitrag zur Errichtung oder Erhaltung von Phosphorrückgewinnungsanlagen zu leisten.
Die Berechnungen zeigen, dass ein nachhaltigerer Umgang mit Phosphor nicht nur der Umwelt helfen würde. Die Landwirtschaft könnte durch die Rückgewinnung den Phosphordünger effizienter einsetzen als heute. Insgesamt könnte die Landwirtschaft durch nachhaltigen Phosphoreinsatz sogar profitabler werden, Preisschwankungen am globalen Phosphormarkt wären dann keine Gefahr mehr.

 

​Autorin
​Johanna Grames

Kontakt
Dr. Johanna Grames

Institut für Stochastik und Wirtschaftsmathematik
Technische Universität Wien
Wien, Österreich

Originalartikel

 

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