Nährstoffaufbereitung – aktueller Stand der Wissenschaft · z.B. Feststoff aus Rindergülle für...

Nährstoffaufbereitung –aktueller Stand der Wissenschaft

Prof. Dr.-Ing. Christof WetterDr.-Ing. Elmar BrüggingDaniel Baumkötter M.Eng.Stegerwaldstraße 39 fon +49 (0)2551 / 9 62-725 [email protected] Steinfurt fax +49 (0)2551 / 9 62-717 www.fh-muenster.de/wetter

Wirtschaftsdünger 2.0 -Möglichkeiten der technischen Aufbereitung von Wirtschaftsdüngern22.02.2018 Kreishaus Vechta

2 Nährstoffaufbereitung – aktueller Stand der Wissenschaft

Gliederung

1 Zielsetzung der Gülle- und Gärrestaufbereitung2 Übersicht der Verfahren3 Separationstechniken4 Teilstromaufbereitung5 Kombinierte Verfahren6 Mest op Maat – Nachhaltiger Dünger nach Maß7 Ausblick und Fazit


1 Zielsetzung der Gülle- und Gärrestaufbereitung• Regional sehr starke Viehveredelung in Deutschland• Ca. 9.000 Biogasanlagen in Deutschland• Geringe Transportwürdigkeit der anfallenden Gülle• Entlastung von Regionen mit Nährstoffüberangebot• Aufbereitung bietet neue Optionen für die Verwertung der

tierischen Ausscheidungen und Gärreste• Verringerung von „Entsorgungskosten“ und Reduktion von

Lagerkosten• Erzeugung von handelbaren Düngemitteln• Vermeidung von Emissionen


1 Zielsetzung der Gülle- und GärrestaufbereitungZuverlässige Abnahme der Produkte entscheidend für Erfolg einer Aufbereitung!


2 Übersicht der Verfahren

• Teilaufbereitende Verfahren– Separation (Entwässerung)– Trocknung (evtl. anschließende Kompaktierung)– Fällung und Flockung; Flotation– Verdampfung (Einengung)– Ammoniakentfernung (Strippung)– Kompostierung– Biologische Verfahren ähnlich einer Abwasserreinigungsanlage

• Vollaufbereitende Verfahren– Membranverfahren mit Aufbereitung der Flüssigkeiten bis zur

Einleitfähigkeit– Spezialverfahren mit Verdampfung und Einleitung der aufbereiteten

Kondensate

Teil- und vollaufbereitende Verfahren


3 Separationstechniken

• Separationstechniken entwässern Schlämme• Enthaltene Nährstoffe teilen sich unterschiedlich stark auf

die erzeugte feste und flüssige Fraktion auf• Optional: Zugabe von Fällungs- und Flockungsmitteln Die Wahl der richtigen Separationstechnik entscheidet der

Substrateinsatz und die Weiterverarbeitung der FraktionenGülle

Pressschnecke

*

*Fuchs, W., Drosg, B.: Technologiebewertung von Gärrestbehandlungs- und Verwertungskonzepten, IFA Tulln, 2010

Gülle

Dekanterzentrifuge

*


3 SeparationstechnikenVergleich verschiedener Separationstechniken

Technik Durchsatz Investkosten Abscheidung Phosphor

Trocken‐rückstand

m³/h € % %

Bogensieb, Trommelfilter

10 ‐ 20 10.000 –30.000

<< 30 % < 25

Feinseparation 1 – 2 < 25.000 40 – 50 % < 25

Pressschnecke 4 ‐ 15 > 25.000 20 – 40 % 25 – 35

Siebbandpresse 4 – 30 > 70.000 50 – 75 % 20 ‐ 25

Dekanterzentrifuge 30 ‐ 100 > 100.000 60 – 80 % 25 ‐ 30



Versuchsreihe zur Gülle- und Gärrestseparation• Zeitraum: 12. bis 22. Juli 2016• Substrate: Gärrest, Mastschweine-, Sauen- und Rindergülle• Separationstechniken

– Zentrifuge der RWG Emsland Süd– Pressschnecke der REW Regenis– Separator von Silcon (Vaccum Vibration System V2S)– Bauer Pressschnecke MGR (Referenz)

• Datenerfassung– Massenströme– Stromverbräuche– Nährstoffgehalte und Trockensubstanzgehalte

Ergebnisse aus MoM-Versuchsreihe


6 Mest op MaatVersuche zur Gülle- und Gärrestaufbereitung



Durchsatz

Elektrische Leistung


Mastschweine-gülle Gärrest Sauengülle Rindergülle

[m³/h] [m³/h] [m³/h] [m³/h]RWG Zentrifuge 31,0 20,0 31,0 22,0

Regenis Pressschnecke 2,4 9,0 6,7 7,1

Silcon 57,0 56,7 72,0 87,0

Bauer Pressschnecke MGR 16,9 17,8 12,7 14,4

RWG Zentrifuge 20 – 29 kWel

Regenis Pressschnecke 2 – 4 kWel

Silcon 38 – 48 kWel

Bauer Pressschnecke MGR 4 – 5 kWel


3 SeparationstechnikenErgebnisse aus MoM-Versuchsreihe

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 2,6

Mastschweinegülle

Gärrest

Sauengülle

Rindergülle

Spezifischer Stromverbauch in kWhel/m³

Vergleich spezifischer Stromverbrauch

RWG Zentrifuge

Regenis Pressschnecke

Silcon

Bauer Pressschnecke MGR



0 5 10 15 20 25 30 35 40

Mastschweinegülle

Gärrest

Sauengülle

Rindergülle

Trockensubstanzgehalt in %

Vergleich Trockensubstanzgehalte im Feststoff

RWG Zentrifuge


Silcon




0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100%

Schwefel (S) gesamt

Calcium (CaO)

Magnesium (MgO)

Kalium (K2O)

Phosphor (P2O5)

Ammonium‐N (NH4‐N)

Stickstoff (N) gesamt

Trockensubstanz

Rohmasse

Abscheidegrad Feststoff

Vergleich Mastschweinegülle

RWG Zentrifuge


Silcon




0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80%

Schwefel (S) gesamt

Calcium (CaO)

Magnesium (MgO)

Kalium (K2O)

Phosphor (P2O5)

Ammonium‐N (NH4‐N)

Stickstoff (N) gesamt

Trockensubstanz

Rohmasse

Abscheidegrad Feststoff

Vergleich Gärrest

RWG Zentrifuge


Silcon




Stärken und Eignung in Abhängigkeit vom Anwendungsfall• RWG Zentrifuge

– Schweinegülle (höchste Durchsätze und Abscheidegrade)– Höchste Phosphor-Abscheidung (bis zu 80 %)

• Regenis Pressschnecke– Gärrest (höchster TS-Gehalt im Feststoff)– Für stationären Betrieb (niedrige Durchsätze)

• Silcon– Hohe TS-Gehalte im Feststoff (bei Schweinegülle bis zu 35 %)– Für überbetrieblichen Einsatz (hoher Durchsatz)

z.B. Feststoff aus Rindergülle für Biogas• Bauer Pressschnecke

– Niedriger Stromverbrauch– Universell einsetzbar



4 Teilstromaufbereitung

• Trocknung– Auf TS-Gehalt > 90 %– Band-, Trommel-, Schubwende- oder Solartrockner– Vorherige Separation und/oder Rückmischung mit

getrocknetem Material– Heizmedium: Aufgeheizte Luft oder Abgas– Nachbehandlung der Abluft notwendig (Staub und

Ammoniak)• Kompaktierung

– Indirekte Granulierung– Pelletierung oder Brikettierung– Thermische Verwertung möglich

• Kompostierung– Zugabe von Strukturmaterial– Trocknung eines Teil- oder des Gesamtstromes

Feste Phase

www.thermo-system.com



• Gezielte Entfernung von Ammonium-Stickstoff aus Wirtschaftsdünger (z.B. Geflügelmist)

• Freisetzung von Ammoniak durch Erhitzung und Verschiebung des pH-Wertes (chemische Reaktion von Branntkalk mit Wasser exotherm)

• Geringerer Ammoniumgehalt ermöglicht höheren Einsatz dieses Reststoffes in Biogasanlagen (Ammoniakhemmung)

• Herstellung eines direkt handelsfähigen Stickstoff-Düngers: 40 %igeAmmoniumsulfatlösung (ASL)

• Optional: Hygienisierung

Stickstoffentfrachtung mit Hilfe von Branntkalk

Hähnchenmist



• Fällung / Flockung• Flotation• Verdampfung• Vollaufbereitung

– Ultrafiltration mit anschließender Umkehrosmose

– Einleitfähiges Filtrat und nährstoffreiches Konzentrat

• Biologische Behandlung Bisher häufig nur Pilotanlagen

Flüssige Phase



• Gezielte Abtrennung von Ammonium-Stickstoff• Vermeidung von Ammoniakemissionen• Herstellung eines direkt handelsfähigen Stickstoff-Düngers:

40 %ige Ammoniumsulfatlösung (ASL)• Betriebsstoffe: Schwefelsäure, ggf. Natronlauge• Verfahren mit Nutzung von Calciumsulfat anstatt

Schwefelsäure bekannt (Anastrip)• Strippung kann Bestandteil einer vollständigen

Gärrestaufbereitung sein• Verwertung der anfallenden Wärme aus der Biogas-

Verstromung (KWK)

Beispiel Ammoniakstrippung



• Kolonnen mit Füllkörpern• Desorption bei 80 - 90 °C• Trockenrückstand 3 - 5 % TR• Definierte Partikel unter 100 µm• Kein Einsatz von Natronlauge zur

pH-Wert Anhebung• Kein Einsatz von Entschäumern• Reinigung mit Wasser• Bis zu 90 % Ammonium-Reduktion

realisierbar

Beispiel Ammoniakstrippung



• Auf Stärke basierende Flockungsmittel• Abscheidung von Partikeln (Trocken-

substanz) und damit verbundener Nährstoffe (vor allem Phosphor)

• Häufig Verdünnung nötig• Erzeugung eines partikelfreien Über-

standes möglich• Versuche bisher

nur im Labor-maßstab

Beispiel Flockung

Flockung unseparierter Schweine-gülle ohne Verdünnung


5 Kombinierte Verfahren

Zusammenschaltung verschiedener Anlagen mit dem Ziel der Entfrachtung von N und P (keine Vollaufbereitung)• Separation mit kombinierter Fällung / Flockung / Flotation P-reicher Feststoff oder P-Salz und Feststoff

• Ammoniak-Strippung Ammoniumsulfatlösung (ASL)• Kalium-reiches Wasser mit geringen Gehalten an N und P Ausbringung in Anlagennähe

Entfrachtung von Stickstoff und Phosphor



• Separation mit kombinierter Phosphor-Fällung• Säurezugabe löst gebundenen Phosphor• Separation zur Abtrennung P-armen Feststoffs• Fällung des gelösten Phosphors durch Anhebung pH-Wert Abscheidung als Phosphor-Salz (z.B. Calciumphosphat)

Beispiel Phosphorabtrennung



• Einführung einer Rückgewinnungspflicht für Phosphor (ab 2029) mit der neuen Klärschlammverordnung (27.09.2017)

• Ca. 2/3 des anfallenden Klärschlamms in Deutschland wird aktuell thermisch verwertet

• Entwicklungsstand: Erprobungsphase – einzelner Betrieb von halb- und großtechnischen Anlagen

• Bisher keine Untersuchungen zur Übertragbarkeit der Verfahren auf Gülle und Gärreste

Phosphorrückgewinnung aus Klärschlamm



Kategorisierung von Verfahren zur Phosphorrückgewinnung


MediumAbwasser / Prozess-wasser

FaulschlammKlär-

schlamm / Asche

Asche

Verfahren Kristallisa-tions- / Fällungs-verfahren

Adsorption / Fällung

Nass-chemischer Aufschluss

Metallurgie Nass-chemischer Aufschluss

Thermo-chemischer Aufschluss

Technologie-beispiele

- OstaraPEARL-Prozess

- P-RoC

- FixPhos- Air Prex- Berliner Verfahren

- StuttgarterVerfahren

- Budenheim Verfahren

- GifhornerVerfahren

- MePhrec- ATZ-Eisenbadreaktor

- LEACH-Phos

- PASCH- SESAL-Phos

- Ash-Dec / Outo tec

- Reco-Phos- Therm-Phos

Pinnekamp et al. 2013



Produkte• Magnesium-Ammonium-Phosphat (MAP; Struvit)• Calcium- und Magnesium-Phosphate• Aluminium- und Eisen-Phosphate• Phosphorsäure


www.iswa.uni-stuttgart.de

www.bwb.de


6 Mest op Maat

Die 13 Projektpartner:

Laufzeit: 07.10.2015 – 30.06.2019

Die Fördermittelgeber:

Weitere Informationen unter: www.mestopmaat.eu

Nachhaltiger Dünger nach Maß


ProvincieOverijssel

ProvincieGelderland

GrafschaftBentheim

LandkreisEmsland

KreisBorken

KreisCoesfeld

KreisSteinfurt

KreisWarendorf

Stadt Mün-ster

© EuroGeographics bezüglich der Verwaltungsgrenzen

6 Mest op Maat

- Hohe regionale Überschüsse an Nährstoffen in der viehveredelungsstarken Projektregion

- Wachsende Transportmengen tierischer Ausscheidungen; auch grenzüberschreitend

- Bedarf an Nährstoffen in Ackerbauregionen

- Bessere energetische Ausnutzung vorhandener Reststoffe

Motivation


6 Mest op Maat

Entlang der Wertschöpfungskette- Optimierung der Gülle- und

Gärrest-Behandlung - Wertstoffgewinnung und

Kostenreduzierung- Stoffliche und energetische

Nutzung - Nachfrageorientierte

Behandlung- Bedarfsgerechte Düngung

Projektziele


6 Mest op Maat

- Transparente Darstellung von Anfall, Überschuss und Transport tierischer Ausscheidungen und Nährstofffrachten im Projektgebiet

- Ermittlung der Interessen der Abnehmerseite für bedarfsoptimierte Produkte

- Untersuchung und Bewertung innovativer Aufbereitungs-technologien und Verwertungskonzepte

• Bestehende und neue Technologien und Konzepte • Im Labor- und Praxismaßstab• Grenzüberschreitende Exkursionen und Expertenworkshops

- Hebung von Optimierungspotenzialen bei bestehenden Techniken und Weiterentwicklung neuer Technologien

- Überführung in technisch ausgereifte Konzepte und Realisierung in Pilotanlagen (inkl. Logistik und Ausbringung)

Inhalt des Projektes


6 Mest op Maat

Homepage: www.mestopmaat.eu• Zweisprachig (D & NL)• Übersicht rechtlicher Vorgaben zu Anfall, Verarbeitung, Transport und

Anwendung von Dünger in Deutschland und den Niederlanden

Informationsaustausch und Netzwerken


6 Mest op MaatInformationsaustausch und Netzwerken


6 Mest op Maat

Nahinfrarotspektroskopie (NIRS)• Neues Einsatzfeld der Technologie• Mobile Echtzeit-Analytik der

Gülleinhaltsstoffe• Nährstoffgesteuerte Ausbringung• Parameter:

– TS-Gehalt– Gesamt-N– NH4-N– P2O5– K2O

Mobile NIRS-Analytik

Zunhammer VAN-CONTROL (m-u-t GmbH)

John Deere Manure Sensing (Carl Zeiss Spectroscopy GmbH)


NIRS-Analytik


6 Mest op MaatMobile NIRS-Analytik

‐25%

‐20%

‐15%

‐10%

‐5%

0%

5%

10%

Milchviehgülle Schweinegülle 1 Schweinegülle 2 Schweinegülle 3 Gärrest aus Endlager Gärrest aus Nachgärer

Stickstoff (Nges)

Labor 1 Labor 2 Labor 3 Labor 4 Labor 5 NIR‐Sensor 1 NIR‐Sensor 2

‐ 79 %


6 Mest op Maat

• Fortführung der technischen Versuche zur Gülle- und Gärrestaufbereitung

• Erfassung und Auswertung der Daten zum Nährstofftransport in der Projektregion Entwicklung von Zukunftsszenarien unter Berücksichtigung verfügbarer technischer Aufbereitungsverfahren

• Definition und Darstellung der „Kundenwünsche“ welche Anforderungen werden von den Abnehmern / Anwendern an aufbereitete Güllen und Gärreste gestellt?

Ziel: Optimierung der gesamten Wertschöpfungskette für eine zukunftsfähige Gülle- und Gärrestverwertung

Ausblick


7 Fazit und Ausblick

• Nährstoffaufbereitung und Wahl der richtigen Technik ist vor allem abhängig von Substrat und Standort

• Zuverlässige Abnehmer für aufbereitete Nährstoffe entscheidend für Erfolg einer Aufbereitung

• Optimierungspotenziale sind nach wie vor vorhanden• Separation an vielen Biogasanlagen etabliert• Sinnvolle Gärrestnutzung für erfolgreichen Anlagenbetrieb

unerlässlich• Steigender Kostendruck und technischer Fortschritt lassen

anspruchsvollere Aufbereitungsverfahren erwarten


Kontakt

Prof. Dr.-Ing. Christof WetterFH Münster – University of Applied Sciences

Fachbereich Energie·Gebäude·UmweltStegerwaldstraße 39

48565 SteinfurtTel : +49 (0) 2551 9-62725Fax : +49 (0) 2551 9-62715Mob: +49 (0) 171 9222 933

Mail: [email protected]: www.fh-muenster.de/wetter

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