Anaerobe Behandlung biogener Abfälle Möglichkeiten. Rolf Sieksmeyer, Dr. Christian Gerdes, Manfred Sauf, Dr. Jörg Stockinger

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1 Anaerobe Behandlung biogener Abfälle Möglichkeiten Rolf Sieksmeyer, Dr. Christian Gerdes, Manfred Sauf, Dr. Jörg Stockinger Zusammenfassung Die anaerobe Behandlung von Abfallstoffen hat bei Firma Haase eine lange Tradition. Basierend auf frühen Erfahrungen mit der Anaerobtechnik und durch die Zusammenführung der im Hause produzierten Komponenten, wie z.b. BHKW, GVS oder Gärrestbehandlung/Membrantechnik, wurden in den letzten Jahren unterschiedlichste Konzepte zur anaeroben Behandlung von biogenen Abfällen entwickelt. Dabei wurde ein sehr breites Spektrum von Einsatzstoffen von Bioabfällen i.e.s. über NAWARO, Lebensmittelabfällen bis hin zu Restabfällen behandelt. Die Nassvergärung von Biomasse mit anschließender Aerobisierung in der nassen Phase und thermischer Trocknung ist das verfahrenstechnische Konzept der MBA Südniedersachsen. Der Anlagenteil biologische Behandlung von mechanisch vorsortiertem Restabfall (ca t/a biologisch zu behandelnde Feinfraktion) wurde dabei in einer kurzen Bauzeit von nur 9 Monaten fertiggestellt. HAASE Energietechnik hat darüber hinaus in den letzten Jahren bereits eine Vielzahl von Biogasanlagen zur Behandlung von biologischen Abfällen als GU gebaut. Zur Erweiterung des Produktspektrums wird derzeit eine Weiterentwicklung der Trockenfermentation u.a. für Bioabfälle geplant und in Kürze großtechnisch umgesetzt. Es handelt sich dabei um eine größtenteils automatisierte Vergärungsanlage in der Haase-typischen Containerbauweise für periphere Anlagenteile. 1 Vergärung von Restabfällen am Beispiel der MBA Südniedersachsen Der angelieferte Abfall wird zunächst in einer geschlossenen Halle einer mechanischen Vorbehandlung (Sortierung) unterzogen. Die ausgesiebte organische Fraktion wird in geschlossenen Behältern (Mixer) angemischt (s. Abbildung 1). Mit Hilfe des Sandfangs werden noch vorhandene Störstoffe, wie Sand oder Plastik, abgeschieden. Die so entstandene organische Suspension wird erwärmt und einem zweistufigen Anaerobprozess zugeführt. Bedenkt man, dass die Inbetriebnahme erst im Mai 2008 erfolgt ist, wurde sehr schnell ein stabiler Methangehalt (s. Abbildung 2) und Gasertrag erreicht. Das entstehende Biogas wird in einem Blockheizkraftwerk

2 Rolf Sieksmeyer, Dr. Christian Gerdes, Manfred Sauf, Dr. Jörg Stockinger zur Erzeugung von Strom und Wärme genutzt. Weitere Biogasnutzer sind die RTO- Anlage und der Trockner. Eine Fackelanlage sichert die Gasentsorgung im Fall eines BHKW-Stillstands ab. Müll Mixer 1 Sandfang 1 Mixer 2 Ausgleichsbehälter Sandfang 2 Gas speicher Fermenter 1 Entschäumung FeCl Aerobisierung Fackel Decanter 1 GVS Processwasser Decanter 2 Fermenter 2 Kühlung Gärrest Decanter 3 BHKW 1 BHKW 2 Trocknung RTO Abb. 1: Verfahrensschema der biologischen Behandlungsstufe der MBA Südniedersachsen Das vergorene Substrat wird in geschlossene Aerobisierungsbehälter geleitet und in der flüssigen Phase aerob behandelt. Von dort aus wird das Substrat der mechanischen Entwässerung zugeführt. Die entwässerte Fraktion wird mit der Abwärme des Biogas-BHKW getrocknet und entspricht im Ergebnis den Anforderungen der Abfallablagerungsverordnung (AbfAblV). Wegen der durchgehend nassen Verfahrensführung in geschlossenen Behältern ist die Anlage besonders emissions- und geruchsarm.

3 80,00% 70,00% 60,00% O2 - Fermenter 1 CH4 - Fermenter 1 O2 - Fermenter 2 CH4 - Fermenter 2 O2 - Ausgleichbehälter CH4 - Ausgleichbehälter 50,00% 40,00% 30,00% 20,00% 10,00% 0,00% Abb. 2: Sauerstoff- und Methangehalte der Fermenter und des Hydrolyse-/ Ausgleichsbehälters während der Inbetriebnahme der MBA Südniedersachsen. 2 Vergärung von Bioabfällen neue Entwicklungen bei Firma HAASE Das Konzept der Firma Haase zur Bioabfallvergärung beruht auf der langjährigen Erfahrung in der Anaerobtechnik. Neuer integraler Bestandteil wird hierbei die automatisierte Beschickung und individuell anpassbare mechanische Vorbehandlung der Abfälle in der bei Haase bewährten Containerbauweise. In Abbildung 3 ist exemplarisch für ein Projekt mit Zuckerrüben eine Zerkleinerung und eine Klassierung mittels Sternsieb zur Störstoffentfrachtung vorgesehen. Weitere Aufbereitungsschritte, wie beispielsweise Metallabscheidung für die Anwendung bei Abfällen der grünen Tonne, sind ebenfalls einfach zu integrieren. In Abbildung 4 ist der Aufbereitungscontainer in der Anlieferhalle zu erkennen. Aus der mechanischen Aufbereitung wird das zu vergärende Material über Schneckensysteme in den Gärreaktor gefördert. Bei der Anaerobbehandlung kann zwischen 2 Verfahren, der Nass- und der Trockenvergärung, gewählt werden. Beide Verfahren wurden und werden bei Firma Haase je nach Anwendung angeboten. Der Unterschied besteht bautechnisch hauptsächlich in der Form der Gärreaktoren. Bei der Nassvergärung werden die bewährten Rundbehälter eingesetzt, während bei der

4 Rolf Sieksmeyer, Dr. Christian Gerdes, Manfred Sauf, Dr. Jörg Stockinger Trockenfermentation liegende Rechteckbehälter zum Einsatz kommen. Bei der anschließenden Nachbehandlung der Gärreste kommt die Haase-Membrantechnik zur Anwendung, wodurch ein kompostierbarer Feststoff und Wasser in Direkteinleiterqualität produziert wird. Abb. 3: Konzept der automatisierten Bioabfallbehandlung Das entstehende Biogas wird i.d.r. in Gasspeichern gesammelt und über eine Gasverdichterstation den Abnehmern zur Verfügung gestellt. Die Gasnutzung kann sowohl direkt in BHKWs erfolgen als auch über den HAASE Biogasverstärker (Einspeisung ins Gasnetz oder Biogastankstelle). Wird kurzzeitig kein Biogas verwertet (z.b. wegen Wartungsarbeiten) kann überschüssiges Biogas über eine Fackel schadlos entsorgt werden.

5 Abb. 4: Anlagenzeichnung Bioabfallvergärung 3 Vom Gärrest zum Bio-Dünger - Gärrestbehandlung mit HAASE Membrananlagen

6 Rolf Sieksmeyer, Dr. Christian Gerdes, Manfred Sauf, Dr. Jörg Stockinger Die Anzahl der jährlich errichteten Biogasanlagen ist wieder steigend. Was auf den ersten Blick als ein großer Erfolg und ein Segen für den Umweltschutz gewertet werden kann, zieht auf den zweiten Blick auch Probleme nach sich. Eine Kernfrage ist dabei: Wohin mit den Gärresten? Üblicherweise können Gärreste aus landwirtschaftlichen Biogasanlagen auf betriebsnahen landwirtschaftlichen Flächen ausgebracht werden. Für die immer zahlreicher und größer werdenden Biogasanlagen stehen aber nicht genügend Ausbringflächen zur Verfügung. Oder sie liegen so weit entfernt, dass teure, umweltschädigende Transporte erforderlich sind. Die Nachfrage nach HAASE Anlagen zur Behandlung von Gärresten aus Biogasanlagen zieht derzeit merklich an nicht zuletzt vor dem Hintergrund steigender Düngemittelpreise. Düngemittel kosten heute weltweit zehnmal so viel wie noch vor vier Jahren. Diese Meldung aus der Wochenzeitung DIE ZEIT vom zeigt, dass das brisante Thema längst in der allgemeinen Öffentlichkeit angekommen ist. Allein im vergangenen Jahr sind die Preise für stickstoffhaltige Düngemittel um 80 % gestiegen, für Kalium um 120 % und für Phosphor sogar um 200 %. Jede Biogasanlage egal ob darin nachwachsende Rohstoffe, Bioabfälle, industrielle Nahrungsmittelreste oder Gülle vergoren werden erzeugt Gärreste, die Nährstoffe mit einer außerordentlich hohen Pflanzenverfügbarkeit enthalten. Das Problem bei der wirtschaftlichen Nutzung dieser Reststoffe besteht darin, das Volumen zu verringern, um die Transportkosten an entfernte Standorte auf ein vertretbares Maß zu reduzieren. Die HAASE Gärrestkonzepte reduzieren Gärrestvolumen um bis zu 60 % bezogen auf den Fermenterablauf durch optimierte Membranfiltration. Für die Gärrestbehandlung wird eine Kombination aus Fest-Flüssig Separation (FFS), Ultrafiltration (UF), mehrstufiger Umkehrosmose (UO) und ggf. mehrstufiger UO- Konzentratstufe eingesetzt. Suspendierte Feststoffe und gelöste Bestandteile werden dabei in verschiedenen Fraktionen aufkonzentriert und liegen am Ende als hochwertige Düngerkonzentrate vor. Letzten Endes wird durch das kombinierte HAASE Verfahren den Gärresten sauberes Wasser entzogen. Die Investition in eine HAASE Membrananlage lohnt sich bereits für Gärrestmengen ab ca. 50 Tonnen pro Tag. Ausschlaggebend für die Wirtschaftlichkeitsberechnung sind dabei nicht nur die Investitionskosten, sondern besonders die laufenden Betriebskosten. Hier punktet die HAASE Technik mit einer energie- und kostensparenden Verfahrensführung im Vergleich zu thermischen und anderen Konzepten. HAASE Energietechnik baut Membrananlagen zur Gärrestbehandlung bereits erfolgreich seit Großtechnische Anlagen für Gärreste aus Mechanisch-biologischen Abfallbehandlungsanlagen (MBA) und aus Cofermentationsanlagen sind seitdem an verschiedenen Standorten erfolgreich in Betrieb. HAASE Energietechnik hat sich schon sehr frühzeitig um Lösungen zur Gärrestproblematik bemüht. Anfangs setzte man auf die thermische Behandlung mittels mehrstufiger Verdampferanlagen - bis hin zu Granulationstrocknern für flüssige Konzentrate in den späten 80er Jahren. Bereits Mitte der 90er Jahre ging man dazu über, eine

7 kostengünstigere und betriebssichere Lösung aus Fest-Flüssig-Trennung und Membrantechnik zu konzipieren. Neueste Entwicklungen ermöglichen dabei Behandlungskosten von ca. 5 pro Tonne (200 t/d, ohne Kapitaldienst und Personaleinsatz). Über 99% der Inhaltsstoffe werden durch HAASE Membranverfahren zurückgehalten. Das gereinigte Wasser kann recycelt oder direkt eingeleitet werden. Das effiziente und energiesparende Verfahren, das in dieser Kombination und Bauart weltweit einmalig ist, soll im Folgenden näher vorgestellt werden. Weniger ist mehr: So wird das Gärrestvolumen reduziert Die Gärreste aus dem Nachgärer bzw. Endlager einer Biogasanlage werden in einen Vorlagebehälter gepumpt und der HAASE Gärrestbehandlungsanlage zugeführt. Sie besteht prinzipiell aus drei Hauptbestandteilen: - einer Feststoffseparation (FFS) mittels Zentrifugen (Dekanter), Separatoren oder Siebpressen - einer Ultrafiltrationsstufe (UF) - einer Umkehrosmose.(UO) mit der Möglichkeit der weiteren Permeat- und Konzentratstufung Schritt 1: Feststoffseparation (FFS) Die Feststoffseparation aus Gärresten wird nach dem Zentrifugalprinzip oder nach Siebverfahren durchgeführt. Diese Maschinen werden in erster Linie eingesetzt, um Suspensionen und Schlämme mit relativ hohem Feststoffanteil zu klären. Sie scheiden Feststoffe aus Suspensionen ab. In der Praxis spielen aufgrund der abrasiven Eigenschaften der Gärreste nicht nur die Größe des Fest-Flüssig-Separators eine Rolle, sondern auch seine qualitative Ausführung. Ein etwas höherer Anschaffungspreis rechnet sich durch die Einsparung von Wartungsarbeiten, niedrigere Betriebskosten und eine höhere Verfügbarkeit. Die aus den Fest-Flüssig-Separatoren ausgeschleuste Feststofffraktion hat üblicherweise Trockensubstanz-Gehalte von ca %TS. Wichtiger als die Feststofffraktion ist jedoch die Beschaffenheit der flüssigen Phase. Für die Weiterverarbeitung der Flüssigphase in einer nachfolgenden Ultrafiltrationsanlage ist es zwingend erforderlich, bestimmte Eigenschaften einzuhalten. Sie sollte feststoffarm sein und keine hohe Viskosität aufweisen. Bautechnisch können Fest-Flüssig-Separatoren sowohl stationär in Gebäuden als auch in Containern installiert werden. Innerhalb einer Gärrestbehandlungsanlage ist der Fest-Flüssig-Separator mit der Ultrafiltrationsanlage über einen Prozesswassertank verbunden.

8 Rolf Sieksmeyer, Dr. Christian Gerdes, Manfred Sauf, Dr. Jörg Stockinger Schritt 2: Die Ultrafiltration (UF) Ultrafiltration ist prinzipiell eine Querstromfiltration. Die Membran lässt ein Filtrat mit niedermolekularen Substanzen als Filtrat passieren. Das sind gelöste Stoffe wie zum Beispiel Ammonium- (N), Phosphor- (P) und Kaliumsalze (K). Feststoffe und Kolloide werden dagegen vollständig zurückgehalten. Bei der hier betrachteten Anwendung wird der flüssige Gärrest mit hoher Geschwindigkeit über eine Trennmembranfläche geleitet, die entsprechende Teilchengrößen zurückhalten kann. Die Ultrafiltrationsanlage hat innerhalb des Gesamtprozesses die Aufgabe, die Umkehrosmose vor ungelösten Stoffen und damit vor der Verblockung der Module zu schützen. Aus der Ultrafiltration wird als Filtrat der flüssige Anteil der Gärreste gewonnen, der ausschliesslich gelöste organische und anorganische Bestandteile enthält. Er ist praktisch frei von suspendierten Feststoffen und somit geeignet für die Umkehrosmose. Die Ultrafiltration und die Umkehrosmose sind über einen kommunizierenden Speichertank miteinander verbunden. Sowohl die Ultrafiltration als auch die Umkehrosmoseanlage werden als Containereinheiten gefertigt. Schritt 3: Die Umkehrosmose (UO) Wird das Filtrat der UF mit einem Druck beaufschlagt, der den osmotischen Druck der Flüssigkeit übersteigt, dann lässt sich der Vorgang der natürlichen Osmose umkehren. Das Lösungsmittel permeiert als gereinigtes Wasser durch die Membran. Zurück bleibt das Konzentrat. Eine Umkehrosmoseanlage besteht im Wesentlichen aus einer Hochdruckpumpe, der Membran und einem Druckregelventil. Der Betriebsdruck einer HAASE Umkehrosmoseanlage kann Werte von etwa 70 bar erreichen. Die Umkehrosmose in einer Gärrestbehandlung entlässt auf der einen Seite das Konzentrat, auf der anderen Seite gereinigtes Wasser (Permeat), das entweder recycelt oder direkt eingeleitet werden kann. Grade dieser letzte Prozessschritt wurde in der Vergangenheit durch Anlagenbauer oft unterschätzt und hat den Membranfiltrationsanlagen früher oft zu unrecht einen schlechten Ruf in der Gärrestbehandlung eingebracht. Noch heute findet man vereinzelt Angaben über maximal mögliche Permeat-Ausbeuten von lediglich 30-40%. Die übliche Permeat-Ausbeute einer HAASE Umkehrosmoseanlage liegt jedoch nachweislich bei % gereinigten Wassers. Als Umkehrosmosemodule kommen spezielle Prozesswasser-Spiralwickelelemente zum Einsatz. Diese Bauart der Membranmodule ist in der Deponiesickerwasserreinigung seit mehr als 18 Jahren erfolgreich in mehr als 70 HAASE-Anlagen weltweit in Betrieb. Mit dem Know-how aus der Deponiesickerwasserreinigung erreichen HAASE Umkehrosmoseanlagen höchste Permeatausbeuten.

9 Die Produkte der Firma Haase helfen wie dargestellt flüssige wie auch gasförmige Emissionen durch geeignete Verfahren aus dem eigenen Haus (z.b. UO, UF, Biogasverstärker, Fackel, RTO)weitestgehend zu vermeiden. In der Kombination aller Produkte sind wir in der Lage Einzelkomponenten sowie umfassende Anlagenkonzepte und Gesamtanlagen im Bereich Biogas, Biomüll und Abfall aus einer Hand anzubieten. Dipl.-Ing. Rolf Sieksmeyer, Dr. Christian Gerdes, Dipl.-Ing. Manfred Sauf, Dr. Jörg Stockinger