Möglichkeiten der Gärrestbehandlung von Biogasanlagen Technologie-Screening

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1 Möglichkeiten der Gärrestbehandlung von Biogasanlagen Technologie-Screening Erstellt durch: Lokale Energie Agentur Oststeiermark NOEST-Kompetenzknoten Biogas Auersbach Feldbach Tel.: Ansprechpartner: Ing. Karl Puchas, Auersbach/ Graz, im Juni 2007

2 Beilage NOEST Bauerherrenmappe BIOGAS 2/12 Inhaltsverzeichnis 1 HINTERGRUND MÖGLICHKEITEN DER GÄRRESTBEHANDLUNG PHYSIKALISCHE GÄRRESTAUFBEREITUNG Mechanische Separierung Verdampfung Mikro- oder Ultrafiltration Umkehrosmose Ammoniak-Strippung CHEMISCHE NÄHRSTOFFABTRENNUNG Fällung mit Metallionen (Phospatdüngererzeugung) Thermo-chemische Pyrolyse BIOLOGISCHE VERFAHREN Reinigung mit aerobem Verfahren TABELLARISCHE ÜBERSICHT VERSCHIEDENER TECHNOLOGIEN ZUSAMMENFASSUNG UND EMPFEHLUNG LITERATUR...12

3 Beilage NOEST Bauerherrenmappe BIOGAS 3/12 1 Hintergrund Bisher wurde die Gärrestaufbereitung v.a. bei Abfall verwertender Biogasanlagen eingesetzt. In jüngster Zeit gewinnt die Gärrestbehandlung auch bei den rein landwirtschaftlichen Biogasanlagen (Gülle und Energiepflanzen) immer mehr an Bedeutung. Biogasanlagen stehen zunehmend vor der Aufgabenstellung möglichst kostengünstig und langfristig gesichert den anfallenden Gärrest zu verwerten. Die derzeit am häufigsten genutzte Methode ist die direkte Ausbringung des Gärrestes auf landwirtschaftlichen Flächen. Die Ausbringung von Gülle stellt auch aus historischer Sicht eine bekannte und bewährte Technik dar. Für die entsprechende Ausbringung sind Geräte und Infrastruktur meist bereits vorhanden bzw. muss nur geringfügig an die Ausbringung von Gärrest angepasst werden. Für eine weitere Aufbereitung des Gärrestes bzw. zur Weiterverarbeitung (z.b. zu Düngerkonzentrat) müssen die wirtschaftlichen Rahmenbedingungen, ein entsprechender Markt für das erzeugte Produkt, sowie der für die Aufbereitung erforderliche Eigenbedarf an Energie und Hilfsstoffen berücksichtigt werden. Wie bereits einführend erläutert stellt die Ausbringung auf landwirtschaftlichen Flächen die meist verbreitete Methode der Gärrestnutzung dar, da dieser aufgrund der Nährstoffgehalte an Phosphor, Calcium, Kalium und Magnesium sowie des großteils als Ammonium vorliegenden Stickstoffs einen sehr guten Dünger darstellt. Für eine entsprechende Nutzung des Gärrests müssen aber neben den Emissionen an Ammoniak, Methan und Lachgas bei der Lagerung und Ausbringung des Gärrests auch die Grenzwerte der entsprechend gültigen Regelungen sowie eine eventuell erforderliche Hygienisierung zur Reduktion der Keimbelastung und Vermeidung der Verbreitung von Krankheitserregern berücksichtigt werden. Hervorgerufen durch die Einhaltung von z.b. maximal zulässigen Nährstofffrachten (v.a. Stickstoff) besteht oftmals der Bedarf von großen Transportstrecken des überwiegend flüssigen (90-96% Wasser) Gärrestes. Dadurch entstehen zunehmend größere Kosten für die Ausbringung und der ökologische Druck durch den Transportaufwand steigt ebenfalls. Verschärft wird diese Situation zusätzlich beim Einsatz sehr Stickstoff belasteter Substrate bzw. bei der Vergärung biogener Reststoffe. Der Bedarf zur Behandlung dieser problematischen Substrate, vor allem auch unter dem Gesichtspunkt der zunehmenden Anzahl von Biogasanlagen, ist im Steigen begriffen. Die vorliegende Arbeit beschränkt sich ausschließlich auf die möglichen Behandlungsverfahren für Biogas-Gärrest.

4 Beilage NOEST Bauerherrenmappe BIOGAS 4/12 2 Möglichkeiten der Gärrestbehandlung Die Gärrestbehandlung verfolgt im wesentlichen folgende Zielsetzungen 1 : Einsparung von Ausbringungskosten Verfrachtung bzw. Export von Nährstoffen Düngerverkauf und Komposterzeugung Nährstoffentlastung der Flüssigphase Vermeidung flüchtiger Luft- und Atmosphärenschadstoffe Abbau geruchsintensiver Komponenten Inaktivierung von Krankheitskeimen und Unkrautsamen Grundsätzlich stehen folgende Verfahren zur Gärrestbehandlung zur Verfügung 2 : physikalisch chemisch biologisch Feststoff-Separierung Ammoniak Strippung Verdampfung Umkehrosmose Flockulation Phosphatfällung Stickstofffällung Entwässerung mit anschließender Kompostierung In der Praxis werden Kombinationen verschiedener Behandlungsverfahren zur Anwendung kommen, da eine komplette Reinigung bzw. Auftrennung der einzelnen Gärrestbestandteile in einem einzigen Verfahren in der Regel nicht möglich ist. Zumeist wird auch eine Teilaufbereitung (abhängig vom gewünschten Ziel) genügen. In den nachfolgenden Abschnitten sollen die wichtigsten Methoden der Gärrestbehandlung aus der anaeroben Vergärung beschrieben werden. 1 DÖHLER ET AL WIELAND 1997 und 2002, Reinhofer 2006

5 Beilage NOEST Bauerherrenmappe BIOGAS 5/ Physikalische Gärrestaufbereitung Mechanische Separierung Als Variante neben der Nutzung von unbehandeltem Gärrest als Dünger und Ausbringung auf landwirtschaftliche Flächen kann auch eine Separierung des Feststoffanteils von der Flüssigphase durchgeführt werden, wodurch eine nährstoffreiche Flüssigphase und ein Festmist mit hohem Trockensubstanzanteil erzielt wird. Die mechanische Separierung erfolgt mittels Dekanter, Schwingsieben, Siebschneckenpressen oder Trommelpressen. Vorteile: relativ einfache und kostengünstige Technologie, state of the art Technologie, Rückführung des Flüssigteils in den Fermentationsprozess möglich, Feststoffanteil kann kostengünstiger transportiert werden; Nachteile: keine Auftrennung der Nährstoffe möglich (keine Stickstoffreduktion möglich), nur beschränkte Trockensubstanzgehalte (25-30%) nach der Separierung möglich; Der separierte Gärrest kann folgender Verwertung zugeführt werden: Rückführung der Flüssigphase in den Fermenter zur Einstellung des Trockensubstanzgehalts; Getrennte landwirtschaftlicher Ausbringung des flüssigen Teil des Gärrestes und des Feststoffs; Separierung mit anschließender Trocknung (z.b. Bandtrockner) des Feststoffanteils; Kann der feste Anteil z.b. über Baumärkte vermarktet werden, ist auch eine weitere Trocknung des festen Anteils (z.b. mittels Bandtrockner) denkbar. landwirtschaftliche Kompostierung des Feststoffanteils; Thermische Verwertung; Neben der Nutzung als Dünger steht auch die thermische Verwertung des Gärrests als alternative Nutzungsmöglichkeit zur Verfügung. Der abgetrennte Feststoffanteil stellt einen gut geeigneten Brennstoff dar. Dazu ist ein Trockensubstanz-Gehalt von rund 70-80% (zusätzliche Trocknung nach der mechanischen Separierung) erforderlich. Durch eine Zufeuerung in einem Biomasseheizwerk, oder auch bei Kohlefeuerungen, kann Brennstoff eingespart und der Gärrest verwertet werden. Auch beim Einsatz von Klärschlamm in einer Biogasanlage kann eine thermische Verwertung als Lösungsansatz betrachtet werde, wobei in diesem Fall eher die Entsorgungsproblematik, als die Brennstoffsubstitution in den Vordergrund tritt.

6 Beilage NOEST Bauerherrenmappe BIOGAS 6/ Verdampfung Zur Verdampfung ist eine vorangehende sorgfältige Abtrennung der Feststoffe (mechanische Separierung) erforderlich. Bei diesem Verfahren wird der flüssige Bestandteil des Gärrestes verarbeitet. Vorteile: Stand der Technik Technologie, Erzeugung eines Nährstoffkonzentrates (Verdampfungskonzentrat), hohe Reinigungsleistungen möglich, relativ geringe Investitionskosten, rel. geringer elektrischer Energiebedarf; Nachteile: hoher thermischer Energiebedarf (durch Dampfprozess) und hohes Temperaturniveau (Dampf), nachfolgende Dampfreinigung (hoher ph-wert, gasförmige Emisssionen) erforderlich, nur der Flüssigteil des Gärrestes wird verarbeitet; Mikro- oder Ultrafiltration Wird nach mechanischen Feststoffseparation auch eine Abtrennung feiner organischer und anorganischer Fraktionen gewünscht, kann eine Mikro- oder Ultrafiltration eingesetzt werden. Mikrofiltration ist eine leistungsfähige und zuverlässige Technik für die Trennung von Partikeln aus Flüssigkeiten verschiedenster Art. Bei der Mikrofiltration werden größere ungelöste Partikel (10 µm 0,1 µm) aus dem Wasser entfernt. Bei der Ultrafiltration (Membranfilter) werden Partikel mit einer Größe von 0,1 µm- 0,01 µm aus dem Wasser entfernt. Die Ultrafiltration läuft üblicherweise bei einem Arbeitsdruck von 3 bar ab. Vorteile: wenig Chemikalieneinsatz erforderlich, stellt eine interessante Vorreinigungsstufe für weitere Bearbeitungsmethoden (z.b. Umkehrosmose) dar, gute Reinigungsleistung; Nachteile: noch keine ausgereifte Technologie, bis max. 20m³/h Volumenstrom technisch-ökonomisch umsetzbar, mechanische Separierung als Vorstufe erforderlich, keine stand alone Technologie, hohe Wartungskosten, hoher elektrischer Energieeinsatz (Pumpstrom), derzeit noch wenige Referenzanlagen;

7 Beilage NOEST Bauerherrenmappe BIOGAS 7/ Umkehrosmose Mittels Umkehrosmose können gelöste Inhaltsstoffe und Salze entfernt bzw. aufkonzentriert werden. Das Verfahren der Umkehrosmose benutzt eine halbdurchlässige Membran um Schwebstoffe, organische Verbindungen, Farbstoffe, Kolloide, Viren und Bakterien vom Wasser zu trennen und zu entfernen. Der Prozess wird Umkehrosmose genannt, weil Druck benötigt wird, um Wasser durch die Membran zu pressen und es so von Verunreinigungen zu säubern. Durch die Umkehrosmose ist es möglich, 95%-99% der gelösten Festsoffe und 99% der Bakterien (Inhaltsstoffe mit einer Größe von 5x10-7 bis 10-6 µm können abgeschieden werden) zu entfernen. Vorteile: niedrige Betriebskosten, Erzeugung eines Nährstoffkonzentrates, endionisiertes Wasser kann in jedes Fließgewässer eingeleitet werden; Nachteile: noch keine ausgereifte Technologie, hohe Installationskosten, Chemikalieneinsatz erforderlich; Ammoniak-Strippung Zur Produktion von flüssigem oder festem Stickstoffdünger bzw. zur Reduktion des Stickstoffgehalts kann das Verfahren der Ammoniak-Strippung mittels Dampf oder Luft eingesetzt werden. Bei diesem Verfahren wird der flüssige Bestandteil des Gärrestes verarbeitet. Vorteile: Reduktion der Stickstoffemissionen wird möglich, die entstandene Ammoniumsulfatlösung (bei H2S-Einsatz) kann als Flüssigdünger in der Landwirtschaft oder dem Gartenbau eingesetzt werden, auch ein fester Stickstoffdünger (z.b. in Kombination mit Gips) kann hergestellt werden; Nachteile: keine zuverlässig funktionierende und ausgereifte Technologie, Speicherung des Stickstoffs ist problematisch, relativ hohe Wartungs- und Investitionskosten;

8 Beilage NOEST Bauerherrenmappe BIOGAS 8/ Chemische Nährstoffabtrennung Neben der mechanischen Abtrennung des Feststoffanteils kann auch die Rückgewinnung der im Gärrest enthaltenen Nährstoffe eine Rolle spielen. Für eine komplette Reinigung/Nährstoffabtrennung sind aber meist mehrere Aufbereitungsschritte und Technologien erforderlich Fällung mit Metallionen (Phospatdüngererzeugung) Eine Reduktion der Nährstoffe kann durch Zugabe von Metallionen (Eisen- und Aluminiumsalze) und anschließender Fällung erreicht werden, die sich im bei der Fällung entstehenden Schlamm anreichern (z.b. Gewinnung von Phosphatdünger). Bei der Fällung werden im Wasser gelöste Stoffe durch Fällungsmittel in einen ganz oder teilweise unlöslichen Zustand überführt. Das entstandene Fällungsprodukt wird dann durch Sedimentation, Filtration oder Flotation aus dem Wasser entfernt. Vorteile: Gewinnung von Phosphatdünger, einfaches und betriebsicheres Verfahren Nachteile: Stickstoffreduktion nicht relevant (nur Teilaufbereitung), keine stand alone Technologie, Absatzmark für den Nährstoffdünger muss vorhanden sein bzw. erst aufgebaut werden; Thermo-chemische Pyrolyse In einem vorgelagerten Prozessschritt wird der Gärrest separiert und der Feststoffanteil getrocknet. Der getrocknete Feststoffanteil wird einem Pyrolyseprozess unterworfen. Das bei der Pyrolyse entstehende Schwachgas wird in einem weiteren Schritt einer Verstromung in einem BHKW zugeführt. Vorteile: zusätzliche Stromgewinnung möglich Nachteile: noch keine ausgereifte Technologie, hohe Installationskosten, viele Vor-Technologien sind erforderlich, Trocknung des Substrates ist energie- und kostenintensiv, nur zur Aufbereitung des Feststoffanteils des Gärrestes anwendbar;

9 Beilage NOEST Bauerherrenmappe BIOGAS 9/ Biologische Verfahren Reinigung mit aerobem Verfahren Bei der aeroben Abwasserreinigung (typischer Kläranlagenprozess) werden Verunreinigungen durch Mikroorganismen unter Verbrauch von Luftsauerstoff abgebaut. Das in der Flüssigkeit enthaltene biologisch abbaubare Material wird zu CO2, H2O, NO3- und H+ umgewandelt. Bei der anaeroben Fermentation können komplexe organische Bestandteile wie Lignin oder Lignocellulose nicht oder nur in sehr geringem Maße abgebaut werden. Im Gegensatz zur mechanischen und chemischen Reinigung sind Organismen die Hauptakteure des Reinigungsprozesses. Das Ziel ist eine weitestgehende Mineralisation der Schmutzstoffe, was zumindest teilweiser aerober Milieubedingungen bedarf. Deshalb sind Belüftungseinrichtungen ein Charakteristikum der biologischen Reinigungsstufe. Auch naturnahe Reinigungsverfahren wie Pflanzenkläranlagen und Abwasserteiche sind theoretisch möglich. Vorteile: Inhaltsstoffe werden nicht nur eliminiert, sondern auch abgebaut und in Biomasse umgewandelt, einleitfähiges Wasser als Produkt ist möglich, Abbau von Lignin oder Lignocellulose ist möglich, Nitrifiaktion ist möglich; Nachteile: hoher technischer und finanzieller Aufwand erforderlich (nur bei sehr großen Anlagen sinnvoll), nur in Kombination mit bereits bestehender Kläranlage und bei sehr großen Volumina sinnvoll

10 Beilage NOEST Bauerherrenmappe BIOGAS 10/ Tabellarische Übersicht verschiedener Technologien Technologie: Beurteilung: Anmerkung: Mechanische Separierung Rückführung der Flüssigphase in den Fermenter zur Einstellung des TS-Gehalts möglich, Längere Transportwege des Feststoffdüngers möglich, dadurch geringerer Druck betreffend Nährstoffbilanz der Flächen, Großteil des Stickstoffs (fast 90%) verbleiben in der Flüssigphase, Großteil (ca. 70%) des Phosphats verbleibt in der Festphase, anschließende Trocknung (z.b. Bandtrockner) des Feststoffanteils möglich, z.b. für Zufeuerung Großheizwerke, anschließende landwirtschaftliche Kompostierung des Feststoffanteils möglich; Standard-Technologie, wird bei Biogasanlagen bereits angewendet, Trennung von fest und flüssig; Verdampfung Dampfbehandlung zur Vermeidung von Emissionen erforderlich, rel. hoher thermischer Energiebedarf; Standard-Technologie, nur der flüssige Bestandteil des Gärrestes wird bearbeitet; Mikro- oder Ultrafiltration Keine stand alone -Technologie, noch keine ausgereifte Technologie, als Vorkonditionierung bzw. in Kombination mit anderen Verfahren (z.b. Umkehrosmose) anwendbar, gute Reinigungsleistung, wenig Chemikalieneinsatz erforderlich, rel. hoher elektrischer Energieeinsatz (Pumpstrom) erforderlich; nur der flüssige Bestandteil des Gärrestes wird bearbeitet, Pilotanlagen in Betrieb;

11 Beilage NOEST Bauerherrenmappe BIOGAS 11/12 Umkehrosmose Keine stand alone -Technologie, noch keine ausgereifte Technologie, nur in Kombination mit anderen Verfahren (z.b. Mikro-Ultrafiltration) anwendbar, sehr gute Reinigungsleistung, einleitfähiges (endionisiert) Wasser als Produkt möglich, Nährstoffkonzentrat als Produkt, rel. hohe Investitionskosten; nur der flüssige Bestandteil des Gärrestes wird bearbeitet, Pilotanlagen in Betrieb; Amoniak-Strippung noch keine ausgereifte Technologie, rel. hohe Wartungs- und Investitionskosten, als Produkt entsteht flüssiger oder fester Stickstoffdünger; nur der flüssige Bestandteil des Gärrestes wird bearbeitet, nur Teilaufbereitung möglich, Pilotanlagen in Betrieb; Fällung mit Metallionen (Phosphatdüngererzeugung) Keine stand alone -Technologie, einfaches und betriebssicheres Verfahren, Absatzmarkt für den erzeugten Dünger ist erforderlich; Standard-Technologie, nur der flüssige Bestandteil des Gärrestes wird bearbeitet, nur Teilaufbereitung möglich; Thermo-chemische Pyrolyse Keine stand alone -Technologie, noch keine ausgereifte Technologie, zusätzliche Stromerzeugung möglich, zahlreiche Vorbehandlungsschritte (z.b. Trocknung) erforderlich (sehr aufwendige Technologie, hohe Investitionskosten; Nur der Feststoffanteil des Gärrestes wird bearbeitet; Aerobe biologische Reinigung (Kläranlagenbetrieb) als Vorkonditionierung bzw. in Kombination mit anderen Verfahren (z.b. Umkehrosmose) anwendbar, Kombination mit einer Kläranlage, Kläranlage muss über ausreichende Kapazität (Achtung auf Stickstoff) verfügen, Sehr kostenintensive und aufwendige Technologie; nur der flüssige Bestandteil des Gärrestes wird bearbeitet;

12 Beilage NOEST Bauerherrenmappe BIOGAS 12/12 3 Zusammenfassung und Empfehlung Basierend auf der durchgeführten Literaturrecherche lässt sich für die Verwertung von Gärrest aus der anaeroben Vergärung folgendes festhalten: Je nach Anlage kann auch eine Separation der Fest- von der Flüssigphase sinnvoll sein. Ist kein Markt für entsprechende Produkte aus einer etwaigen Aufbereitung von Gärrest vorhanden, so ist in jedem Fall die Ausbringung des Gärrests unter Berücksichtigung der jeweils gültigen Richtlinien auf landwirtschaftliche Flächen zu empfehlen, da dieser einen guten Dünger darstellt, Mineraldünger ersetzt und der Nährstoffkreislauf weitgehend geschlossen werden kann. Kann der aufbereitete Gärrest (z.b. Stickstoff- oder Phosphatdünger) vermarktet werden, sind auf jeden Fall die wirtschaftlichen Rahmenbedingungen dafür genau zu überprüfen, um den Gärrest langfristig und wirtschaftlich verwerten zu können. Bei jeder Technologie ist jedenfalls immer auch die Praxistauglichkeit (Kosten, Absatzmarkt für Produkt, Eigenenergiebedarf) zu berücksichtigen. 4 Literatur (1) Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.v. (FNR), 2004: Handreichung Biogasgewinnung und nutzung, ISBN , Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.v. (Hrsg.) Leipzig, Deutschland (2) Weiland, P., Stand und Perspektive der Gülleaufbereitung, KTBL, Arbeitspapier 242, Umweltverträgliche Gülleaufbereitung und verwertung, ISBN , Darmstadt, 1997 (3) Weiland, P., Möglichkeiten der Nährstoffabtrennung aus Flüssigmist Technik und Wirtschaftlichkeit, KTBL 404, Landwirtschaftliche Verwertung von Klärschlamm, Gülle und anderen Düngern unter Berücksichtigung des Umweltund Verbraucherschutzes, ISBN , Darmstadt, 2002 (4) Greulich U., 2005: Möglichkeiten zur weiteren Aufbereitung der Gärrest- Flüssigphase, KoNaRo-Fachgespräch Biogas Schwerpunkt: Verwertung der Gärreste (5) Landwirtschaftskammer Niedersachsen, 2007: Sachgerechte Verwertung von Gärresten aus der Biogaserzeugung (6) Reinhofer M., 2006: Bewertungsmatrix zur nachhaltigen Nutzung sekundärer organischer Abfall- und Restmassen, Verwertung von Gärrückständen aus Biogasanlagen, JOANNEUM RESEARCH, Graz (7) C.A.R.M.E.N., 2005: Alternative Gärresteverwertung