Dezentrale Verarbeitung von Gülle...2011/09/19 · Links sind beide Rohmassen gleich aufgeteilt,...

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Energie Gebäude Umwelt

Prof. Dr.-Ing. Christof Wetter

Dipl.-Ing. Elmar Brügging, M.Sc.

Dipl.-Ing. Marius Kerkering, M.Sc.

Stegerwaldstraße 39

48565 Steinfurt

www.fh-muenster.de/egu 1

Dezentrale Verarbeitung von Gülle

Biores IIb

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Gliederung

1 Separationsversuche 2 Nährstoffgehalte

1 Schweinegülle 2 Rindergülle 3 Gärrest

3 Was bedeutet Abscheidegrad? 4 Abscheidegrade

1 Schweinegülle 2 Rindergülle 3 Gärrest

5 Durchsatzleistungen 6 Stromverbräuche 7 Güllealterung und Biogas

1 Schweinegülle 2 Rindergülle

8 Verpilzungsversuch 9 Zusammenfassung

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1 Separationsversuche

• Separiert wurde möglichst frische Schweinegülle, Rindergülle und NaWaRo-Gärrest am Betrieb Bioenergie Beerlage GmbH & Co.KG in Billerbeck

• Separation mit dem Klass Wendelfilter in zwei verschiedenen Einstellungen

• Analysenprogramm: – Nährstoffanalyse (N, P, K, MgO, CaO) – Biogaserträge (nach VDI 4630 im Batch-Versuch) – Summenparameter (pH, Leitfähigkeit, Redox-Potenziale)

Einfluss der Güllealterung und Abscheidegrade

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2 Nährstoffgehalte in der Schweinegülle

0,00 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0,70 0,80 0,90 1,00

0 20 40 60 80

Näh

rsto

ffgeh

alt [

% v

. FS]

Güllealter [d]

(Schweinegülle Roh)

0,00 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0,70 0,80 0,90 1,00

0 20 40 60 80 Güllealter [d]

Verlauf der Nährstoffgehalte

(Schweinegülle Filtrat)

N-Gesamt NH4-N

Phosphor (P2O5) Kalium (K2O)

Calcium (CaO) Magnesium (MgO)

0,00 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0,70 0,80 0,90 1,00

0 20 40 60 80 Güllealter [d]

(Schweingülle Feststoff)

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2 Trockensubstanzgehalte - Schweinegülle

0

5

10

15

20

25

0 20 40 60 80

Troc

kens

ubst

anzg

ehal

t [%

v. F

S]

Güllealter [d]

(Schweinegülle Roh)

0

5

10

15

20

25

0 20 40 60 80 Güllealter [d]

Veränderung des Trockensubstanzgehaltes

(Schweinegülle Filtrat)

0

5

10

15

20

25

0 20 40 60 80 Güllealter [d]

(Schweinegülle Feststoff)

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2 Nährstoffgehalte - Schweinegülle

• Nährstoffgehalte in der Rohgülle haben sich über dem untersuchten Zeitraum nur wenig verändert

• Nährstoffgehalte in den festen Fraktionen aus der Separation haben sich verändert – 20 % höhere P2O5-Konzentration – 300 % höhere CaO-Konzentration – MgO, K2O, NGes und NH4-N zeigen wenig Aufkonzentrierung – Erzielbarer TS-Gehalt stieg mit dem Güllealter von ca. 10 %

auf ca 19 %

• Nährstoffgehalte in den flüssigen Fraktionen aus der Separation sind konstant und unabhängig von Einstellungen und Güllealter

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2 Nährstoffgehalte - Rindergülle

0,00

0,10

0,20

0,30

0,40

0,50

0,60

0,70

0,80

0,90

1,00

0 20 40 60 80

Näh

rsto

ffgeh

alt [

% v

. FS]

Güllealter [d]

(Rindergülle Roh)

0,00

0,10

0,20

0,30

0,40

0,50

0,60

0,70

0,80

0,90

1,00

0 20 40 60 80 Güllealter [d]

Verlauf der Nährstoffgehalte

(Rindergülle Filtrat)

N-Gesamt NH4-N

Phosphor (P2O5) Kalium (K2O)

Calcium (CaO) Magnesium (MgO)

0,00

0,10

0,20

0,30

0,40

0,50

0,60

0,70

0,80

0,90

1,00

0 20 40 60 80 Güllealter [d]

(Rindergülle Feststoff)

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2 Nährstoffgehalte - Rindergülle

0

5

10

15

20

25

0 20 40 60 80

Troc

kens

ubst

anz [

% v

. FS]

Güllealter [d]

(Rindergülle Roh)

0

5

10

15

20

25

0 20 40 60 80 Güllealter [d]

Veränderung des Trockensubstanzgehaltes

(Rindergülle Filtrat)

0

5

10

15

20

25

0 20 40 60 80 Güllealter [d]

(Rindergülle Feststoff)

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2 Nährstoffgehalte – Rindergülle

• Nährstoffgehalte in der Rindergülle verändern sich über die Zeit nur wenig

• Die Nährstoffgehalte in der festen Fraktion verändern sich über die Zeit, die Analysenwerte schwanken – Ein Steigen der CaO-Gehalte, wie bei der Schweinegülle, wird

hier nicht beobachtet – Die erreichbaren Trockensubstanzgehalte sinken mit dem

Güllealter

• Die Nährstoffgehalte der flüssigen Fraktion bleiben trotz Alterung und Ändern der Einstellungen konstant

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3 Was bedeutet Abscheidegrad?

• Abscheidegrad beschreibt das prozentuale Verhältnis der Aufteilung in zwei Teile eines Ganzen

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Würde man einen Behälter mit Rohgülle ohne Bearbeitung in zwei Behälter aufteilen, so hätte man einen Abscheidegrad von 50 % für die Rohmasse und ebenso für Phosphor.

Links sind beide Rohmassen gleich aufgeteilt, mit jeweils einem Abscheidegrad von 50 %.

Rechts sind beide Rohmassen unterschiedlich aufgeteilt. Stellen aber das selbe dar!

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• Wichtig ist das Verhältnis zwischen Abscheidegrad eines Nährstoffes und der Rohmasseabscheidung

• Hierdurch wird ein Aufkonzentrierungsfaktor definiert • Ist dieser größer als 1, so reichert sich ein Stoff an

Separation

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2 Abscheidegrade - Schweinegülle

• Separiert wurde mit zwei verschiedenen Einstellungen – Trocken (Feststoffoptimiert) – Feucht (Durchsatzoptimiert)

• Die Abscheidegrade in die feste Fraktion der Separation steigen mit dem Alter der Schweinegülle

• P2O5-Abscheidegrad von bis zu 18,8 % bei Rohmasse-Abscheidegrad von nur 4,29 %

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2 Abscheidegrade - Schweinegülle

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Aufkonzentrierungsfaktoren

2,40

2,86

3,60

3,87

4,38

0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 3,00 3,50 4,00 4,50 5,00

Tag 0

Tag 7

Tag 14

Tag 28

Tag 70

Aufkonzentrierungsfaktor (P2O5-Abscheidegrad / Rohmasseabscheidung) [-]

Gül

leal

ter [

d]

Aufkonzentrierung des Phosphorgehaltes in die feste Fraktion

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3,00

4,38

5,32

0 1 2 3 4 5 6

Pressschnecken

Klass Wendelfilter Projekt Biores

Zentrifugen

Aufkonzentrierungsfaktor (P2O5-Abscheidegrade / Rohmasse-Abscheidung) [-]

Vergleich der Aufkonzentrierungsfaktoren verschiedener Technologien für Phosphor

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Besonderheit Schweinegülle

• Beginnende Vermadung bei der frischen Gülle • Puppenbildung ab Tag 14 verbessert den

Feststoffaustrag bei der Separation

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2 Abscheidegrade - Rindergülle

• Separiert wurde mit zwei verschiedenen Einstellungen – Trocken (Feststoffoptimiert) – Feucht (Durchsatzoptimiert)

• Die höchste Phospor-Abscheidung (= 56,6 %) findet sich an Tag 7

• Insgesamt werden aufgrund der höheren Rohmasse-Abscheidung auch anteilig mehr Nährstoffe abgeschieden

• Unterschiede in den Abscheidegraden nach Güllealter sind hier weniger zu erkennen als es bei der Schweinegülle der Fall ist

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1,67

1,59

1,56

1,35

1,53

- 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 3,00 3,50 4,00 4,50 5,00

Tag 0

Tag 7

Tag 14

Tag 28

Tag 70

Aufkonzentrierungsfaktor (P2O5-Abscheidegrad / Rohmasse-Abscheidung) [-]

Gül

leal

ter [

d]

Aufkonzentrierung des Phosphorgehaltes in die feste Fraktion

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• Bei der Separation von Rindergülle werden aufgrund der höheren Trockensubstanzgehalte höhere Abscheidegrade in die feste Fraktion erreicht

• Die Effizienz der Abscheidung ist bei der Rindergülle weniger vom Güllealter abhängig, als es bei der Schweinegülle der Fall ist

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Besonderheit Rindergülle

• Hohe biologische Aktivität der Rindergülle

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2 Nährstoffgehalte - Gärrest

• Die Nährstoffgehalte sind im Verpilzungsversuch von separierten Gärresten nicht konstant und ändern sich über die Zeit

• Beide Separationsvarianten können in den Nährstoffgehalten unterschieden werden

• Interessant sind die CaO-Gehalte und die offensichtliche Verstoffwechslung von Stickstoff

• Ebenso ist die Nachtrocknung durch „Stehenlassen“ deutlich in den TS-Analysen erkennbar

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0,00

0,20

0,40

0,60

0,80

1,00

1,20

0 20 40 60 80

Näh

stof

fgeh

alte

[% v

. FS]

Güllealter [d]

Verlauf der Nährstoffgehalte(Gärrest Verpilzungsversuch)

N-Gesamt

Phosphor (P2O5)

Kalium (K2O)

Calcium (CaO)

Magnesium (MgO)

FS = Frischsubstanz

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0,00

5,00

10,00

15,00

20,00

25,00

30,00

0 10 20 30 40 50 60 70 80

Troc

kens

ubst

anz

[% v

. FS]

Güllealter [d]

Veränderung der Trockensubstanz(Gärrest Verpilzungsversuch)

FS = Frischsubstanz

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2 Abscheidegrade - Gärrest

• In der Separation des Gärrestes konnten TS-Gehalte von 14 %, bzw. 16 % Trockensubstanz in der festen Fraktion erzielt werden

• Hierbei stellten sich Abscheidegrade für Phosphor von 54 % ein (Aufkonzentrierungsfaktor: 1,66) Tendenziell sollte möglichst frisch separiert werden

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2 Abscheidegrade - Gärrest

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3 Durchsatzleistungen

276 253

230 215 197 186 162 147 130 128

90 91 83 85 68

0

100

200

300

400

500

600

Tag 0 Tag 7 Tag 14 Tag 28 Tag 70

Dur

chsa

tz [k

g/h]

Ri

nder

gülle

480 453

427

276

492

249 229 210

139

287 232 224 218

136

205

0

100

200

300

400

500

600


Rohgülle

Filtrat

Feststoff

451 386

1.210

762 936

433 375

1.176

740 896

19 10 35 22 40 0

500

1.000

1.500

2.000

2.500


Durc

hsat

z [kg

/h]

Schw

eine

gülle

Güllealter [d]

695 663

2.042

965

1.289

664 646

1.982

939 1.232

32 17 61 26 57 0

500

1.000

1.500

2.000

2.500


Güllealter [d]

Rohgülle

Filtrat

Feststoff

Trockene Einstellung Feuchte Einstellung

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4 Stromverbrauch

0,00

0,50

1,00

1,50

2,00

2,50

3,00

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Spez

ifisc

her S

trom

verb

rauc

h [k

Wh/

t]

lfd. Nr.

Schweinegülle

0,00

0,50

1,00

1,50

2,00

2,50

3,00

11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 lfd. Nr.

Rindergülle

Rohgülle [kwh/t]

Höchste P-Abscheidung Höchste P-Abscheidung

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5 Güllealterung und Biogas

0

5

10

15

20

25

0 2 4 6 8 10 12 14 16

FM-S

pezif

ische

r M

etha

ngas

ertr

ag [

m³/t

FM]

Güllealter in Tage [d]

Biogasertragsverlust durch Alterung(Schweinegülle)

Schweinegülle Separiert, feuchte Einstellung Separiert, trockene Einstellung

TS = 12,1 % TS = 12,3 %

TS = 21,4 %

TS = 11,1 %

TS = 7,5 %

TS = 18,0 %

TS = 2,8 %

TS = 2,8 %TS = 2,8 %

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0

5

10

15

20

25

30

0 2 4 6 8 10 12 14 16

FM-S

pezif

ische

r M

etha

ngas

ertr

ag [

m³/t

FM]

Güllealter in Tage [d]

Biogasertragsverlust durch Alterung(Rindergülle)

Rindergülle Separiert, feuchte Einstellung Separiert, trockene Einstellung

TS = 11,9 %

TS = 19,6 %TS = 18,3 %

TS = 13,9 %

TS = 7,8 %

TS = 7,2 %

TS = 7,0 %

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• Die erzielbaren Biogaserträge in den Rohgüllen halbieren sich innerhalb einer Lagerung von nur 7 Tagen

• Die Verluste sind bei der Rindergülle größer als bei der Schweinegülle

• Interessanterweise erzielen feuchtere Separationen zum Teil höhere Biogaserträge als trockene Separationen, trotz geringerer TS-Werte Separation egalisiert Biogasverluste durch Lagerung!

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6 Verpilzungsversuch

• Biogas-Ergebnisse stehen noch aus • (bisher nach 7 Tagen „stehen lassen“ 20 % Verluste im

erzielbaren Biogasertrag) • Die feuchteren Feststoffen bilden nach 70 Tagen

Lagerung Pilze aus • Die trockenen Feststoffe zeigen nach 70 Tagen einen

Käferbefall

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6 Verpilzungsversuch

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7 Zusammenfassung

• Schweinegülle – Der Biogasertrag von Rohgülle halbiert sich nach nur 7 Tagen Lagerung – Der Biogasertrag von abseparierten Feststoffen aus der Schweinegülle ist

unabhängig vom Güllealter – Die Phosphorabscheidung steigt mit dem Güllealter und erreicht fast die

Abscheideeffizienz einer Zentrifuge bei geringer Baugröße und Stromverbrauch (2,5 kWh/tRohgülle)

• Rindergülle – Der Biogasertrag von Rohgülle halbiert sich auch hier nach nur 7 Tagen

Lagerung – Der Biogasertrag der abseparierten Feststoffe sinkt bei der Rindergülle

auch mit dem Güllealter – Rindergülle sollte möglichst frisch separiert werden – Nährstoffabscheidung ist bei Rindergülle schwerer darstellbar

• Gärreste – Die Separation von Gärresten dient vorrangig der Entwässerung – Unterschiedliche Feuchtegrade erzeugen unterschiedliche Befallsarten

(Käfer oder Pilze) – Möglicherweise steigt der Abbaugrad der organischen Masse

(Versuchsergebnisse stehen noch aus)

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