Optimierung des Wassermanagements auf ausgewählten Biogasanlagen in Schleswig Holstein

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1 Fachbereich Bauwesen Kompetenzbereich Wasser und Umwelt Labor für Siedlungswasserwirtschaft und Abfalltechnik Optimierung des Wassermanagements auf ausgewählten Biogasanlagen in Schleswig Holstein Abschlussbericht über eine Studie im Auftrag des Ministeriums für Energiewende, Landwirtschaft, Umwelt und ländliche Räume des Landes Schleswig Holstein Projektleitung: Prof. Dr. Ing. Matthias Grottker Projektmitarbeiter: Hongyu Deng (Dipl. Ing./FH) Manuel v. Grafenstein (M.Eng.) Sebastian Schlauß (M.Eng.) Lübeck,

2 Häufig verwendete Abkürzungen Abkürzung Benennung und Erklärung Einheiten BSB 5 Biochemischer Sauerstoffbedarf nach fünf Tagen, Masse an O 2 die in fünf Tagen bei 20 C in Dunkelheit zum Abbau mg/l organischer Stoffe pro Liter verbraucht wird. CSB ges. Gesamter Chemischer Sauerstoffbedarf der homogenisierten Probe, ein Maß für die Konzentration an reduzierten mg/l Verbindungen CSB filt. Gelöster Chemischer Sauerstoffbedarf der filtrierten Probe, ein Maß für die Konzentration an reduzierten Verbindungen mg/l DüV Düngeverordnung FM Frischmasse, gesamte Masse aus Wasser und Trockenmasse, in der Landwirtschaft häufig verwendeter Begriff t, kg, g GV Glühverlust der Trockensubstanz bei 550 C g/l K + Gelöste Kaliumionen K +, Konzentration mg/l N ges. Gesamter Stickstoff, organische und anorganische Stickstoffverbindungen, Konzentration mg/l NH 4 N Ammonium Stickstoff, Konzentration mg/l NO X N Nitrit (NO 2 ) und Nitrat (NO 3 ) Stickstoff, Konzentration mg/l ots organische Trockensubstanz, aus Glühverlust abgeleitet t, kg, g P ges. Gesamter Phosphor, Konzentration angegeben als PO 4 P mg/l opo 4 P Gelöster Phosphor, Konzentration angegeben als PO 4 P mg/l ph Wert Negativer dekadischer Logarithmus der aktiven Wasserstoffionen Konzentration TM bzw. TS Trockenmasse bzw. Trockensubstanz, nach einem Trocknungsverfahren erhaltene Masse, in der Landwirtschaft t, kg, g wird meist TM verwendet TR Trockenmassenanteil, Trockenrückstand, Anteil der kg/kg, %, Trockenmasse an der gesamten Masse g/kg FM TS R Trockensubstanzgehalt, in einem Volumen enthaltene Trockenmasse kg/m³, g/l VaWs Verordnung für Anlagen zum Umgang mit wassergefährdenden Stoffen ASilo_GS Fläche der Silos, auf der der Stoffstrom 3 infolge Regen entsteht (Bereich nahe Anschnitt) m² ASilo_SB Fläche der Silos, auf der der Stoffstrom 2 entsteht (trocken gereinigte Fläche) m² ASilo_RB Fläche, auf der der Stoffstrom 1b entsteht (vollständig geleerte Silos, nass gereinigte Fläche) m² ASilo_RB_Abgedeckt Fläche, auf der der Stoffstrom 1a entsteht (abgedeckte Bereiche des Silos) m² gew.mittel Volumengewichteter Mittelwert eines Parameters im Sammelbecken über den Untersuchungszeitraum. 2

3 Glossar Begriff Bedeutung/ Verwendung Stoffstrom 1a gering verunreinigtes Niederschlagswasser (Dachflächen und vergleichbare Flächen, Niederschlag von den Abdeckungen der Silage) Stoffstrom 1b normal verunreinigtes Niederschlagswasser (vollständig geleerte, nass gereinigte Silos, alle sonstigen Flächen die nicht Stoffstrom 1a oder 2 zugeordnet sind und auf denen eine Verschmutzung nicht ausgeschlossen werden kann) Stoffstrom 2 stark verunreinigtes Niederschlagswasser (Silos in Benutzung, vollständig entleerte trocken gereinigte Silos, regelmäßig genutzte Fahrflächen, Abfüllplätze) Stoffstrom 3 / Gärund Silagesickersaft Gär und Silagesickersäfte: Gärsaft entsteht aufgrund der Gärung im Silo in Abhängigkeit des TS und des Vertikaldrucks, Silagesickersaft entsteht durch eindringendes Niederschlagswasser in die Silage (z. B. Anschnitt). Beide Stoffe werden allgemein als gleichwertig bezeichnet. In dieser Arbeit werden beide Stoffe zusammengefasst, sie lassen sich in der Praxis nicht getrennt voneinander fassen Anschnitt Bereich, in dem das Silagehaufwerk zur Entnahme abgedeckt ist Sammelbecken Sammelbegriff für Speicher, in denen stark verunreinigtes Niederschlagswasser von Biogasanlagen gelagert wird (unabhängig von der Bauweise) Vorlagebehälter Schachtbauwerk im Entwässerungssystem, dem Stoffstrom 3 oder Stoffstrom 2 und 3 zufließt Regenbecken Speicher, dem normal und/oder gering verunreinigtes Niederschlagswasser zufließt. In dieser Arbeit verwendeter allgemeiner Begriff für Regenklär und Regenrückhaltebecken Einsträngiges Entwässerungssystem Zweisträngiges Entwässerungssystem Segment Streuverluste Das Entwässerungssystem eines Silos ist nicht in der Lage Gärund Silagesickersäfte (Stoffstrom 3) getrennt vom stark verunreinigten Niederschlagswasser (Stoffstrom 2) des gleichen Silos zu erfassen. Der Abfluss von der geräumten Silofläche und dem Entnahmebereich kann nur gemeinsam gefasst werden. Das Entwässerungssystem eines Silos ist so konzipiert, dass es gelingen kann, Bereiche, in denen Gär und Silagesickersaft auftreten kann (Anschnitt/Entnahmebereich und unterhalb der Silage), getrennt von der Fläche des gleichen Silos zu entwässern, auf denen stark verschmutztes Niederschlagswasser entsteht (geräumte Fläche). Ein Segment ist die Teilfläche eines Silos, dessen abflusswirksame Fläche aufgrund der Gefällesituation einem bestimmten Tiefpunkt zugeordnet werden kann Silage die beim Transport zum Abfüllplatz der Beschickung des Fermenters verloren geht und auf versiegelten Flächen liegen bleibt 3

4 Kurzzusammenfassung Im Zuge der Energiewende hat die Zahl der Biogasanlagen in Schleswig Holstein in den letzten Jahren stark zugenommen. Die Gefahr der Gewässerverschmutzung durch Niederschlagswasser, welches auf Biogasanlagen entsteht, ist groß. Das Labor für Siedlungswasserwirtschaft und Abfalltechnik der Fachhochschule Lübeck wurde vom Ministerium für Energiewende, Landwirtschaft, Umwelt und ländliche Räume des Landes Schleswig Holstein beauftragt, eine Studie zur Entwässerung von Biogasanlagen zu erstellen. Mithilfe empirischer Untersuchungen wurden verschiedene Entwässerungssysteme in der Praxis identifiziert. Die Systeme wurden anhand der wesentlichen Unterschiede fünf Varianten zugeordnet. Mittels eines einfachen Modells konnte die Abflussentstehung verschiedener Stoffströme (1 bis 3) infolge von Niederschlag ingenieurhydrologisch bilanziert werden. Die graphische Darstellung der Dynamik der abflusswirksamen Flächen über ein Betriebsjahr könnte als Bemessungshilfe angewendet werden. Anhand eigener Messungen über ein hydrologisches Jahr wurden Stickstofffrachten für jede Anlage berechnet. Der über das Entwässerungssystem der untersuchten Anlagen mobilisierte Stickstoff betrug im Jahr 400 bis 2000 kg N/MW inst,el., bezogen auf die Größe der Anlagen. Besonders hoch war die Fracht auf einer Anlage, auf der das Niederschlagswasser von den Siloabdeckungen nicht durch einen eigenen Strang gefasst wird oder vor Ort versickern kann. Ursächlich dürften zusätzlich Auswaschungen der Silage durch einbrechendes Regenwasser in das Haufwerk sein. Die niedrigste Fracht wurde auf einer Anlage gemessen, auf der der Gär und Silagesickersaft getrennt gefasst wurde, keine zusätzlichen Substrate unbedeckt gelagert wurden und die Flächen stets sauber gehalten wurden. Auf allen Biogasanlagen wurde das gesamte Jahr über ein Stoffstrom erfasst, der seinen Eigenschaften nach als Gär und Silagesickersaft angesprochen werden muss. Damit wurde deutlich, dass für eine wasserwirtschaftliche Bewertung dieses Stoffstroms eine Abschätzung der entstehenden Mengen mit Formeln, die nur den Trockensubstanzgehalt der Silage oder die Stapelhöhe des Haufwerkes zugrunde legen, nicht maßgebend ist. Entscheidend ist der Anteil an Gär und Silagesickersaft, der durch eindringendes Regenwasser in das Haufwerk (z.b. im Bereich des Anschnitts) entsteht. Dieses Problem wird in der Praxis deutlich unterschätzt. Die Konzentrationen mit Zehr und Nährstoffen im stark verunreinigten Niederschlagswasser waren im Vergleich zu Abwasser i.d.r. sehr hoch. Behandlungsschritte, die eine Einleitung in die Vorflut rechtfertigen könnten, werden daher sehr aufwendig und anspruchsvoll. Hier besteht ein hohes Risiko vor allem für kleine Vorflutgewässer. Bei entsprechendem Silomanagement und Planung des Entwässerungssystems sind weitere Behandlungsmaßnahmen nicht notwendig. Das stark verunreinigte Niederschlagswasser könnte betriebsnah als Dünger und zur Bewässerung verwendet werden. Voraussetzung ist die getrennte Erfassung von Gär und Silagesickersäften und eine Berücksichtigung der ausgebrachten Mengen in den Nährstoffvergleichen des Betriebes. Auf Grundlage der Ergebnisse wurden Empfehlungen entwickelt, wie eine Aufbringung des stark verunreinigten Niederschlagswassers auf landwirtschaftlichen Flächen mit unterschiedlichen Böden überschläglich bewertet werden kann. 4

5 Inhalt Häufig verwendete Abkürzungen... 2 Glossar... 3 Kurzzusammenfassung... 4 Inhalt... 5 EINFÜHRUNG Einleitung Ziele der Hauptstudie Methodik Darstellung des Messprogramms Analytik Qualitätssicherung Modell zur Quantifizierung des Abflussgeschehens ERGEBNISSE UND BEWERTUNG Darstellung der untersuchten Anlagen Anlage Allgemeine Beobachtungen und Datengrundlage Betrachtung Jahresverlauf CSB im Sammelbecken Anlage Allgemeine Beobachtungen und Datengrundlage Betrachtung Jahresverlauf CSB im Sammelbecken Anlage Allgemeine Beobachtungen und Datengrundlage Betrachtung Jahresverlauf CSB im Sammelbecken Anlage Allgemeine Beobachtungen und Datengrundlage Betrachtung Jahresverlauf CSB im Sammelbecken Anlage Allgemeine Beobachtungen und Datengrundlage Betrachtung Jahresverlauf CSB im Sammelbecken Anlage Allgemeine Beobachtungen und Datengrundlage Betrachtung Jahresverlauf CSB im Sammelbecken Kurzdarstellung der Anlagen der sporadischen Beprobung Anlage Anlage

6 3.7.3 Anlage Anlage Anlage Anlage Vergleich der Entwässerungssysteme Plausibilitätskontrolle Abflussmodell Berechnung von Zuflüssen und Stickstofffrachten Bewertung Varianten 0 5 hinsichtlich Stickstofffracht und Lagermengen Bewertung der Stickstoffverluste im gesamten Entwässerungssystem Ergebnisse Stoffzusammensetzung Sammelbecken Qualitative Beurteilung des stark verunreinigten Niederschlagswasser Ermittlung von Richtwerten zur Abschätzung der Stoffzusammensetzung von Stoffstrom 2 und Gesamt Stickstoffgehalt und chemischer Sauerstoffbedarf Beurteilung des Gehalts an gelösten anorganischen Stickstoffverbindungen (NH 4 N, NO 3 N und NO 2 N) Beschreibung des Verhältnisses gelöster und partikulärer Stoffe (CSB filt. / CSB ges. ) Phosphorgehalt Kaliumwerte in den Sammelbecken Beurteilung des Stoffstroms stark verunreinigtes Niederschlagswasser" nach DüV 70 6 Belastung des Gär und Silagesickersaftes und Vergleich von Messwerten aus Vorlageschächten Abgleich der Näherungsformeln mit Angaben zu ähnlichen Stoffgruppen ZUSAMMENFASSUNG UND DISKUSSION Empfehlungen zu Entwässerungsverfahren und Betrieb Maßnahmen zur Behandlung Stoffstrom 1a und 1b Maßnahmen zur Minimierung des Stoffstroms Verwertung der Stoffströme 2 und/oder Minimierung und Umgang mit Gär und Silagesickersäften Zusammenfassung der Empfehlungen zum Entwässerungsverfahren und Betrieb Bewertung der stofflichen Zusammensetzung in den Sammelbecken Bemerkungen zum Umgang mit Niederschlagswasser von Biogasanlagen Empfehlung zur Verwendung von stark verunreinigtem Niederschlagswasser (Stoffstrom 2) und Gär und Silagesickersäften (Stoffstrom 3) als Dünger Ausbringung von stark verunreinigtem Niederschlagswasser (Stoffstrom 2)

7 10 Weitergehende Behandlungsmaßnahmen Verzeichnisse Literaturverzeichnis Tabellenverzeichnis Abbildungsverzeichnis Anhang Anhang 1: Anteil der versickerungswirksamen Fläche nach dem SCS Verfahren (Sickerwasserhöhe), langjährige Mittelwerte nach Naturräumen und Kreisen für Schleswig Holstein nach: (Grottker & Heemeier, Erläuterungsbericht zum LANU Merkblatt M2 neu; Hinweise zum Umgang mit Regenwasser, 2009)) Anhang 2: Messwerte der Wasseranalysen Anhang 3: Wasservolumen und Oberflächen der Sammelbecken

8 EINFÜHRUNG 1 Einleitung Im Zuge der Energiewende hat die Zahl der Biogasanlagen (BGA) in Schleswig Holstein in den letzten Jahren stark zugenommen. Die Gefahr der Gewässerverschmutzung durch Niederschlagswasser, welches auf Biogasanlagen entsteht ist groß. Hinsichtlich des stark verunreinigten Niederschlagswassers besteht auf solchen Anlagen ein erhebliches Optimierungspotential. Zum einen beim Umgang mit dem Wasser, das heißt besonders der Ausbringung auf landwirtschaftlichen Flächen und zum anderen bei der gezielten Trennung unterschiedlich stark verunreinigter Wasserfraktionen (im Folgenden als Stoffströme bezeichnet), um die folgenden ökologischen und ökonomischen Probleme zu minimieren. Das Labor für Siedlungswasserwirtschaft und Abfalltechnik der Fachhochschule Lübeck wurde vom Ministerium für Energiewende, Landwirtschaft, Umwelt und ländliche Räume des Landes Schleswig Holstein beauftragt, eine Studie zur Entwässerung von Biogasanlagen zu erstellen. Im Rahmen einer Vorstudie wurde die Machbarkeit der Hauptstudie im Rahmen einer Masterarbeit untersucht. Diese diente der Ableitung der Untersuchungsziele und der empirischen Vorgehensweise. Ergebnisse und Erläuterungen der Vorstudie werden für diese Arbeit verwendet. Am Anfang dieser Arbeit ist ein Glossar enthalten, um oft unterschiedlich interpretierte Begriffe für diese Arbeit eindeutig zu definieren. 1.1 Ziele der Hauptstudie Ziel der empirischen Untersuchungen vor Ort war es, die Ausbreitungspfade von Stoffströmen, die infolge von Niederschlag entstehen auf ausgewählten BGAs zu erfassen und zu quantifizieren. Es wurde nach drei Kategorien von Wasser und Stoffströmen auf Biogasanlagen unterschieden. Die Unterteilung und Bezeichnung orientiert sich an dem aktuellen Entwurf zum Hinweispapier für zuständige Behörden (Projektgruppen VAwS und Abwasser, 2014). Gegenüber der Leistungsbeschreibung der Hauptstudie ändert sich dadurch lediglich die Wortwahl, nicht der Inhalt. Die drei Stoffströme werden im Folgenden erläutert: Stoffstrom 1a und 1b: Gering und normal verunreinigtes Niederschlagswasser. 1a. Gering verunreinigtes Niederschlagswasser entsteht auf Dachflächen, vergleichbaren Flächen oder den Abdeckungen der Silage. 1b. Normal verunreinigtes Niederschlagswasser entsteht auf Flächen, bei denen eine Kontamination durch Bestandteile der Silage nicht ausgeschlossen werden kann, wie z.b. bei nass gereinigten Silos oder bei allen sonstigen Flächen außerhalb der Silos. Stoffstrom 2: Stark verunreinigtes Niederschlagswasser. Dieser Oberflächenabfluss entsteht auf allen Flächen des Silos, die nicht abgedeckt sind und auf Flächen die mit Bestandteilen der Silage oder durch die Silage direkt kontaminiert sind. Stoffstrom 3: Gär und Silagesickersäfte. Sie entstehen infolge der Milchsäuregärung in der Silage oder beim Einbruch von Regenwasser in die Silage, wobei die löslichen Bestandteile ausgewaschen werden 8

9 (vgl. (Kahlstatt, 1999), Vorstudie). Dies geschieht grundsätzlich im Bereich des angeschnittenen Silos. Ziel der Hauptstudie ist es, aus Beobachtungen und Messungen ein Konzept unter bestmöglicher Trennung der Stoffströme und Minimierung des Stoffstroms 2, sowie eine optimale und praxistaugliche Lösung zum Umgang mit Stoffstrom 2 zu finden. Hierbei sollen unter anderem auch Richtwerte abgeleitet werden, um die landwirtschaftliche Verwertung des Stoffstroms 2 hinsichtlich der Nähr und Zehrstoffe (N, P, K, CSB) zu beurteilen. Insbesondere waren Beziehungen zwischen abwasserrelevanten und düngerelevanten Parametern zu prüfen. Darüber hinaus sollen Vorschläge zur Optimierung der Bewirtschaftung des Stoffstroms 2, z.b. hinsichtlich der landwirtschaftlich ausgebrachten Mengen in Abhängigkeit der Zeiten und Bodenverhältnisse, abgeleitet und entwickelt werden. 1.2 Methodik Um jahreszeitliche Einflüsse beurteilen zu können, wurden sechs BGAs über ein hydrologisches Jahr beobachtet, wobei diese jeweils an mindestens zehn Tagen beprobt werden sollten. Dieses kontinuierliche Messprogramm sollte um weitere vier Anlagen erweitert werden, die aber nur sporadisch an je drei Terminen beprobt werden sollten. Die Erweiterung der Untersuchungen sollte die Möglichkeit bieten eine größere Vielfalt in der Bewirtschaftung aufzuzeigen. Die quantitative Bestimmung der verschiedenen Stoffströme der kontinuierlich untersuchten Anlagen erfolgt über ein einfaches Abflussmodell, welches die Flächendynamik berücksichtigt und in Visual Basic for Applications (VBA) für Excel programmiert wurde. Die Parametrisierung erfolgt auf Grundlage der Beobachtungen, Messungen und Auskünfte der Betreiber sowie basierend auf der Auswertung von Luftbildaufnahmen. Über das Messprogramm (qualitative Analyse) und die Quantifizierung der Stoffströme sind Aussagen im Sinne der Hauptziele wie beispielsweise hinsichtlich einer Speicherung der Stoffströme, dem Aufwand für zusätzliche Behandlungsschritte, eine mögliche Verwertung im Fermentationsprozess oder der landwirtschaftlichen Verwertung möglich. Eine Vorstudie diente bereits der Machbarkeitsprüfung, hier wurde die Probennahme, Analysemethodik, Qualitätssicherung der Messungen und Methoden zu Fehlerbestimmung festgelegt und beschrieben. Die Vorgehensweise wurde in der Hauptstudie beibehalten, daher wird im Folgenden nur noch verkürzt auf diese Punkte eingegangen. 9

10 1.2.1 Darstellung des Messprogramms Auf Basis der Ergebnisse der Vorstudie wurde folgende Vorgehensweise bei der Untersuchung festgelegt: Je nach Art des Entwässerungssystem sollten maximal drei Stellen des Systems beprobt werden, soweit diese vorhanden waren. Jeder Stelle wurden wiederum je zwei Mischproben entnommen, um zufällige und grobe Fehler zu erkennen. Gebildet wurden diese Mischproben aus mehreren Stichproben unterschiedlicher Wassertiefen, damit diese die mittlere Konzentration des jeweiligen Parameters im entsprechenden Bauwerk bestmöglich repräsentieren. Folgende Bauwerke wurden auf den Anlagen beprobt, soweit sie vorhanden waren: Regenklär und/oder Regenrückhaltebecken (ab hier Regenbecken genannt) Sammelbecken 1 für Stoffstrom 2, bzw. solche, die Mischungen aus Stoffstrom 2 und 3 enthalten Vorlagebehälter, welchen der Stoffstrom 3 oder eine Mischung der verschiedenen Fraktionen zufließt Die Probenahmestellen sind in schematischen Entwässerungsplänen für jede Anlage in Kapitel 3 aufgeführt. Weiter wurde der Anlagenzustand dokumentiert, insbesondere die Geschwindigkeit mit welcher die Silos entleert wurden. Wasserstände in den Sammelbecken wurden über das Freibord bestimmt. Ein Vergleich der Belastungen des Stoffstroms an den unterschiedlichen Stellen des Entwässerungssystems ermöglicht eine Aussage über die erfolgte Trennung der Stoffströme. Die Beprobung der Vorlagebehälter ermöglicht eine Aussage zur Qualität des Trockenwetterabflusses. Die Volumina der Vorlagebehälter sind in der Regel sehr klein und werden bei Regenereignissen schnell ausgetauscht oder verdünnt. Nach solchen Ereignissen muss sich die Konzentration durch den langsam abfließenden Gär und Silagesickersaft wieder erhöhen, bis nur noch der Trockenwetterabfluss enthalten ist. Im Rahmen der kontinuierlichen Beprobung lassen sich diese Zeitpunkte identifizieren. Die Art der Probennahme soll insgesamt eine Aussage über Stofffrachten und besondere Ereignisse während eines Betriebsjahres ermöglichen. Die Untersuchungen zielen nicht darauf, Aussagen im kurzeitigen Bereich (z.b. ein einzelnes Regenereignis) zu ermöglichen Analytik Die Proben wurden nach der Entnahme ins Labor der Versuchs und Ausbildungskläranlage Reinfeld transportiert (gekühlt und dunkel gelagert) und sämtlich am selben Tag analysiert. Die chemischen Analysen erfolgten photometrisch mit Küvetten Tests der Firma Hach Lange. Bereits in der Vorstudie konnte aufgezeigt werden, dass ein Großteil aller Stoffe gelöst ist. Es wurden hohe Konzentrationen von Stickstoffverbindungen (überwiegend in Form von Ammonium) festgestellt, welche neben dem chemischen Sauerstoffbedarf (CSB) grundsätzlich ein Risiko für die Vorfluter und den Grundwasserkörper darstellen. 1 Oftmals wird auch der Begriff Lagune oder Erdbecken verwendet. In DIN EN 1085 wird der Begriff waste water lagoon (Abwasserteich) definiert: Becken einfacher Bauweise zur Abwasserreinigung, meist Erdbecken. In der VAwS wird in 21 d der Begriff Erdbecken definiert sowie teils bestimmte Anforderungen gestellt. Als Überbegriff, ohne rechtliche oder verfahrenstechnische Einschränkungen, wird in dieser Arbeit der Begriff Sammelbecken verwendet. 10

11 Auf Basis der Ergebnisse der Vorstudie wurden die Parameter CSB ges., CSB filt., N ges. und NH 4 N als relevant identifiziert. Diese Parameter wurden im Grundmessprogram an allen Proben bestimmt, damit ist grundsätzlich eine Einschätzung aller Stoffströme nach Düngerecht und Umweltrelevanz möglich. Im Sondermessprogramm (i.d.r. eine von sechs Proben) wurden weiter die Stickstoffverbindungen NO 3 N und NO 2 N sowie der Phosphorgehalt als P ges. und opo 4 P gemessen, ferner der Kaliumgehalt (K + ). Mit diesen Messungen ist eine Erweiterung der Aussage möglich. Von allen Proben wurde der Trockensubstanzgehalt (TS) als Abdampfrückstand, der organische TS als Glühverlust sowie der ph Wert und die Leitfähigkeit gemessen. Regelmäßig wurden vor Ort der Sauerstoffgehalt und die Temperatur in den Sammelbecken festgehalten, soweit eine ungestörte Messung möglich war Qualitätssicherung Wie bereits in der Vorstudie wurde zu jedem Labortermin das System AQS der Firma Hach Lange zur analytischen Qualitätssicherung verwendet. Anhand von Aufstocklösungen wurden die Proben regelmäßig hinsichtlich Störstoffe untersucht. Standardlösungen und Blindversuche vermeiden grobe Fehler aufgrund fehlerhafter Geräte. Die Verläufe wurden mit Regelkarten geprüft. Es zeigten sich Unregelmäßigkeiten nur bei der Bestimmung von Kalium, ein systematischer Zusammenhang konnte jedoch nicht festgestellt werden. Nach Auskunft des Herstellers ist das Problem bekannt. Die Bestimmung des Kaliumgehalts mittels Photometrie ist systembedingt relativ ungenau. Der Umstand wird im Folgenden berücksichtigt. 2 Modell zur Quantifizierung des Abflussgeschehens Die Simulation der Niederschlagsabflussbildung wurde mit einem auf Basis von Excel VBA programmierten Werkzeug durchgeführt. Dieses soll ermöglichen, die Prozesse auf den Biogasanlagen bzgl. der Abflussbildung anschaulicher und allgemein zu beschreiben und die anfallende Menge des Niederschlagsabflusses über den Untersuchungszeitraum abzuschätzen. Rückschlüsse über die notwendigen Größen der Sammelbecken bzw. des Regenbeckens sind ebenso wie eine Quantifizierung des abzufahrenden Wassers und der Frachten möglich. Ein Modell, welches diese Aussagen zulässt, muss die Prozesse der Niederschlagsabflussbildung berücksichtigen. Dazu sind einige Annahmen erforderlich, die im Folgenden erläutert werden. Ein ähnliches Modell wurde in der Vorstudie beschrieben und weiter modifiziert. Auf versiegelten Flächen entspricht die Summe aus Verdunstung und Abfluss der Niederschlagshöhe unter der Annahme, dass keine Versickerung stattfindet. Um den Abfluss der versiegelten Flächen zu simulieren, kann ein Speicher Modell herangezogen werden, welches die Mulden und Benetzungsverluste berücksichtigt. Diese können nach Ende des Regenereignisses verdunsten. Die Mulden und Benetzungsverluste wurden nach ATV DVWK M165 mit 1,5 mm berücksichtigt. Innerhalb realistischer Werte von 0,8 1,5 mm ergeben sich dadurch in etwa mittlere Abflussbeiwerte von 0,85 bis 0,90 (entspricht gängigen Abflussbeiwerten undurchlässiger Flächen, wie z.b. aus DWA A 138). Die Bandbreite dieses Parameters hat deutlich weniger Einfluss auf den tatsächlichen Abfluss über einen längeren Zeitraum, als die natürliche Varianz der Niederschlagshöhen einer Messstation im Jahresvergleich. Für die Verdunstung aus den Sammelbecken wurde ebenfalls in Anlehnung an ATV DVWK M

12 der vereinfachte Ansatz nach Brandt gewählt, der den Einfluss der Jahreszeit auf die Verdunstung empirisch berücksichtigt. Diese Verdunstungshöhe, von der Wasserfläche der Sammelbehälter, spielt für die Bemessung der Speichergröße eine untergeordnete Rolle, da zum einen auf die freie Wasserfläche Niederschlag in ähnlicher Höhe fällt und zum anderen der Zufluss sehr viel größer ist. Die Menge an Niederschlagswasser getrennt nach verschiedenen Stoffströmen (1a, 1b oder 2 und 3), die auf einer Biogasanlage anfällt, wird von der Größe der versiegelten Fläche insgesamt, den baulichen und betrieblichen Randbedingungen sowie insbesondere der Dynamik der Entleerung der Silos beeinflusst. Die getrennte Erfassung der unterschiedlichen Stoffströme kann nur erfolgen, wenn z.b. verschiedene Entwässerungsstränge in der Silofläche vorhanden sind und diesen aufgrund der Gefällesituation definierte Flächenanteile über einen bestimmten Tiefpunkt mit mehreren Einläufen zugeordnet werden können. Die Einläufe können dann wechselseitig verschlossen werden, je nachdem welcher Entwässerungsstrang benutzt werden soll. Es gibt weitere zahlreiche Möglichkeiten die Siloflächen baulich zu gestalten, um eine getrennte Erfassung zu ermöglichen. Beispielsweise kann eine Fraktionierung auch dann erfolgen, wenn baulich bedingt das Oberflächenwasser, welches nicht in der Silofläche gefasst wird (Verschließen von Einläufen bestimmter Bereiche), einem definierten Tiefpunkt außerhalb der Silofläche zufließt und dort gefasst werden kann. Die Bauweisen sind vielfältig und es ist notwendig eine bestimmte Kategorisierung vorzunehmen ohne die verschiedenen technischen Möglichkeiten einer Trennung der Stoffströme vorwegzunehmen. In dieser Arbeit werden daher Begriffe definiert ohne die technische Umsetzung im Detail festzulegen. Die Begriffe definieren Kategorien von Systemen, die sich hinsichtlich der mengenmäßigen Abflussentstehung ähnlich verhalten. Einsträngiges Entwässerungssystem: Das Entwässerungssystem eines Silos ist nicht in der Lage Gär und Silagesickersäfte (Stoffstrom 3) getrennt vom stark verunreinigten Niederschlagswasser (Stoffstrom 2) des gleichen Silos zu erfassen. Der Abfluss von der geräumten Silofläche und dem Entnahmebereich kann nur gemeinsam gefasst werden (vgl. Kapitel 3, z.b.: Abbildung 5 oder Abbildung 7). Zweisträngiges Entwässerungssystem: Das Entwässerungssystem eines Silos ist so konzipiert, dass es gelingen kann, Bereiche in denen Gär und Silagesickersaft auftreten kann (Anschnitt/Entnahmebereich und unterhalb der Silage) getrennt von der Fläche des gleichen Silos zu entwässern, auf denen stark verschmutztes Niederschlagswasser entsteht (geräumte Fläche) (vgl. Kapitel 3, z.b.: Abbildung 9, Abbildung 17). Bei einem zweisträngigen Entwässerungssystem ist die Fläche eines Silos oftmals in mehrere Segmente unterteilt. Ein Segment ist die Teilfläche eines Silos, dessen abflusswirksame Fläche aufgrund der Gefällesituation einem bestimmten Tiefpunkt zugeordnet werden kann (vgl. Glossar). Mit dem Modell soll die Dynamik der Siloflächen und auch der abgedeckten Bereiche betrachtet werden. Hierfür wurde ein einfacher Prozess implementiert, der Annahmen voraussetzt, welche kurz vorgestellt und diskutiert werden: 12

13 Die Silos werden über das Jahr hinweg entleert, dazu wird die Abdeckung des Haufwerks stückweise entfernt und Silage entnommen. Der Niederschlag fällt damit nicht mehr auf die Abdeckung der Silage (ASilo_Abgedeckt_RB), sondern auf die freie Silofläche. Diese abflusswirksame Fläche wird hier als ASilo_frei bezeichnet und dynamisch über das Jahr berechnet. Die Geschwindigkeit mit der diese Flächen entleert werden ( Flächen Vorschub ) ergibt sich aus der Annahme, dass die Lagerfläche dem Bedarf entspricht. Es ergibt sich im Laufe des Jahres daher eine lineare Zunahme der abflusswirksamen Silofläche ASilo_frei. Im gleichen Maße nehmen die abgedeckten Flächen ab. Diese Annahme (Linearität) wurde durch Beobachtungen und Überprüfungen vor Ort, für eine Abschätzung als ausreichend genau bestätigt. Einflüsse, wie Qualität der Silage oder Geometrie des Haufwerks sind möglich, waren für die Anlagen im Untersuchungszeitraum aber vernachlässigbar. Die Berechnung von ASilo_frei erfolgt ferner unter der Annahme, dass zu einem Zeitpunkt des Jahres, die Einlagerung der Ernte beginnt, alle Silos werden dann gefüllt und die gesamte Fläche ist nach Ende der Ernte abgedeckt (ASilo_frei = 0 m²). Für die Dauer der Einlagerung, in der Erntezeit, werden Zwischenwerte (ASilo_frei zu Beginn der Einlagerung bis ASilo_frei = 0 m²) interpoliert. Dieser Prozess wird folgend graphisch anhand grundlegender Varianten dargestellt. Wobei vier unterschiedliche Varianten aufbauend vorgestellt werden, die einer immer komplexer werdenden Differenzierung der freien Silofläche ASilo_frei entsprechen. Alle Varianten wurden auf den untersuchten Anlagen tatsächlich beobachtet. Die nicht dynamischen Flächengrößen (Dächer, Fahrflächen) werden nicht dargestellt. Je nach Gestaltung des Entwässerungssystems kann die Silofläche in folgende untergeordnete Kategorien differenziert werden: ASilo_GS: Fläche auf der Stoffstrom 3 entsteht (Bereich nahe Anschnitt) ASilo_SB: Fläche auf der Stoffstrom 2 entsteht (trocken gereinigte Fläche) ASilo_RB: Fläche auf der Stoffstrom 1b entsteht (vollständig geleerte Silos, nass gereinigte Fläche) ASilo_RB_Abgedeckt: Fläche auf der Stoffstrom 1a entsteht (abgedeckte Bereiche des Silos) Die Darstellungen der Varianten sollen ein systematisches Verständnis zur Entstehung der Abflussprozesse ermöglichen. Ferner könnten solche Darstellungen ein hilfreiches Werkzeug zur Abschätzung des Abflussgeschehens für überwachende Behörden darstellen. Die Dauer der Einlagerung wird für die Variantendarstellung zu 0 Tage gesetzt. Für die Berechnung wird davon ausgegangen, dass die Einlagerung am abgeschlossen ist (ASilo_frei = 0 m²). Die Anteile der Flächen unterschiedlicher Kategorie an der gesamten Silofläche in Prozent können aus den Darstellungen abgelesen werden. 13

14 Variante 1 (einsträngiges System in der Silofläche, Siloabdeckung getrennt erfasst): Die Biogasanlage besitzt nur einen Entwässerungsstrang in der Silofläche, welcher die Stoffströme 2 und 3 gemeinsam in das Sammelbecken leitet. Außerhalb der Silofläche kann das Niederschlagswasser (Stoffstrom 1a) von den Abdeckungen der Silage gefasst und in das Regenbecken geleitet werden. Die Fläche, die an das Sammelbecken angeschlossen ist (ASilo_SB), nimmt ab dem Tag linear zu. Am des folgenden Jahres sind 100 % der Fläche für das Sammelbecken abflusswirksam. Graphisch ist leicht zu erkennen, dass über ein Jahr betrachtet im Mittel 50 % der Silofläche für die Sammelbecken abflusswirksam werden. Der Niederschlagsabfluss der verbleibenden 50 % der Grundfläche (ASilo_Abgedeckt_RB) fließt im Jahresmittel dem Regenbecken zu (vgl. Abbildung 1). Theoretisch müsste die Konzentration an Zehrstoffen des stark verunreinigten Niederschlagswassers über das Jahr abnehmen, wenn Stoffe von nicht abgedeckten Flächen abgespült werden und keine neuen Stoffe hinzukommen, da durch die Zunahme der Fläche eine Verdünnung entsteht. Gleiches gilt für die folgende Variante 2. Fläche Stoffstrom 1a z.b. an RB Fläche Stoffstrom 2 und 3 z.b. an SB Abbildung 1 (Aufteilung der Silofläche bei Variante 1 über ein Jahr, Bezeichnungen siehe Abkürzungen) 14

15 Variante 2 (zweisträngiges System in der Silofläche, Siloabdeckung getrennt erfasst): Die Biogasanlage besitzt die Möglichkeit, die Stoffströme 2 und 3 getrennt zu erfassen (zweistränigiges Entwässerungssystem in der Silofläche). In einem Strang wird Gär und Silagesickersaft (Stoffstrom 3) gesammelt mit dem anderen Strang stark verunreinigtes Niederschlagswasser (Stoffstrom 2), welches in ein Sammelbecken fließt. Außerhalb der Silofläche kann weiterhin das Niederschlagswasser von den Abdeckungen der Silage (Stoffstrom 1a) gefasst und in das Regenbecken geleitet werden. Gär und Silagesickersaft tritt im Bereich der Entnahme aus dem Silo auch infolge von Niederschlag das ganze Jahr über an, da i.d.r. das Silage Haufwerk in diesem Bereich unbedeckt dem Niederschlag ausgesetzt ist und ausgewaschen wird. Dieser Bereich wird als ASilo_GS bezeichnet. Für die Berechnung der freien Silofläche wird davon ausgegangen, dass die Einläufe so geöffnet werden, dass zwischen dem Entnahmebereich und dem trocken gereinigten Bereich immer mindestens ein vollständiges Silosegment am Strang für Stoffstrom 3 verbleibt. Eine andere Betriebsweise ist nicht sinnvoll, da sich sonst für einen kurzen Zeitraum der Entnahmebereich und der Bereich, auf dem Stoffstrom 2 anfällt, berühren. Die freie Silofläche teilt sich bei dieser Variante also in einen Bereich ASilo_GS und ASilo_SB auf. ASilo_SB zeigt einen treppenförmigen Verlauf. Jede Stufe entspricht der Umschaltung eines Segmentes vom Strang für Stoffstrom 3 auf Strang für Stoffstrom 2 (vgl. Abbildung 2). Der Bereich ASilo_GS nimmt vom Zeitpunkt ständig linear zu bis die Fläche zwei Segmenten entspricht, dann wird sie jeweils wieder auf ein Segment reduziert. Dieser treppenförmige Verlauf wiederholt sich und wandert über die gesamte Silofläche bis zum Zeitpunkt des Folgejahres. Die abflusswirksame Fläche ASilo_GS ist im Vergleich zu ASilo_SB sehr gering, aber abhängig von der Größe der Segmente. Der Vorteil der Variante liegt darin, dass der besonders belastete Stoffstrom 3 sehr gut getrennt erfasst werden kann, ohne große Mengen Niederschlagswasser mit zu erfassen. Die abflusswirksame Fläche zum Sammelbecken beträgt im Jahresmittel ebenso wie bei Variante 1 nahezu 50 %. 15

16 Fläche Stoffstrom 1a z.b. an RB Fläche Stoffstrom 3 Fläche Stoffstrom 2 z.b. an SB Abbildung 2 (Aufteilung der Siloflächen Variante 2, bei der Größe eines Segmentes von 5% der gesamten Silofläche, Bezeichnungen siehe Abkürzungen) 16

17 Variante 3 (einsträngiges System in der Silofläche, vollständig gereinigte Silos werden als 1b über ein Regenbecken entwässert, Siloabdeckung getrennt erfasst): Die dritte Variante ist grundsätzlich wie Variante 1 aufgebaut (nur ein Entwässerungsstrang in der Silofläche). Stoffstrom 3 und 2 werden also zwangsläufig zusammen in einem Sammelbecken gelagert. Gegenüber der Variante 1 besteht aber die Möglichkeit vollständige geleerte und nassgereinigte Silos vom Strang für Stoffstrom 2 zu trennen und in ein Regenbecken zu entwässern (ASilo_RB). Bei dieser Variante ergibt sich ebenfalls ein treppenförmiger Verlauf der Flächenaufteilung, wobei der senkrechte Sprung der Flächen A_Silo und ASilo_RB der vollständigen Leerung eines Silos und Abtrennung vom Strang für Stoffstrom 2 entspricht (vgl. Abbildung 3). Im Beispiel wurde eine Anlage dargestellt, deren Silofläche sich aus drei gleich großen einzelnen Silos zusammensetzt. Dementsprechend reduziert sich der abflusswirksame Anteil der zum Sammelbecken entwässernden Fläche auf 15 %. Der Vorteil der Variante 3 gegenüber den Varianten 1 und 2 ist also ein deutlich geringerer Gesamtzufluss zum Sammelbecken. Genauso wie bei Variante 1 ist aber immer noch mit sehr hohen Konzentrationen an Zehr und Nährstoffen in dem Sammelbecken zu rechnen, da Stoffstrom 3 und 2 zusammengefasst werden. Fläche Stoffstrom 1a z.b. an RB Fläche Stoffstrom 1b z.b. an RB Fläche Stoffstrom 2 und 3 z.b. an SB Abbildung 3 (Flächenaufteilung bei Variante 3, mit 3 gleich großen Silos, Bezeichnungen siehe Abkürzungen) 17

18 Variante 4 (zweisträngiges System in der Silofläche, vollständig gereinigte Silos werden als 1b über ein Regenbecken entwässert, Siloabdeckung getrennt erfasst): Die letzte Variante ist eine Kombination aus Variante 1 und Variante 2 sie vereint alle positiven Eigenschaften. Die besonders mit Nähr und Zehrstoffen belasteten Gär und Silagesickersäfte werden gesondert gefasst. Die für das Sammelbecken abflusswirksame Fläche wird deutlich gegenüber Variante 1 und 2 von 50 % auf etwa 15 % reduziert, da vollständige geleerte und nassgereinigte Silos in das RB entwässert werden (Abbildung 4). Fläche Stoffstrom 1a z.b. an RB Fläche Stoffstrom 1b z.b. an RB Fläche Stoffstrom 3 Abbildung 4 (Variante 4 Kombination aus Varianten 2 und 3, Bezeichnungen siehe Abkürzungen) Zusammenfassung und weitere Bemerkungen: Die getrennte Erfassung von Gär und Silagesickersaft erfordert ein zweisträngiges Entwässerungssystem. Da dieser Stoffstrom besonders viele Nährstoffe enthält, sollte es im Sinne einer guten landwirtschaftlichen Praxis sein, diesen Stoff vollständig aufzufangen und sinnvoll zu nutzen. Die abflusswirksame Fläche, die bei entsprechender Konzeption der Silos über das Jahr entsteht ist gering. Im Beispiel sind es im Mittel nur 7,5 % der gesamten Silofläche (da hier ein Segment 5 % der Gesamtfläche eines Silos entspricht). Durch getrennte Erfassung kann die Belastung in den Sammelbecken mit wassergefährdenden Stoffen erheblich reduziert werden (dies wird im Folgenden auch durch die Messungen bestätigt). Um den Gesamtzufluss zum Sammelbecken deutlich zu reduzieren besteht in der Praxis fast nur die Möglichkeit vollständig geleerte und nass gereinigte Silos über das Regenbecken zu entwässern. Die Möglichkeit nassgereinigte Siloflächen über das Regenbecken zu entwässern, sollte nicht auf teilgefüllte Silos angewendet werden, da die Gefahr, dass Einläufe verstopfen und Gär und Silagesickersaft in das Regenbecken läuft zu hoch ist. Die 18

19 getrennte Erfassung von Stoffstrom 1a/1b von geleerten und nassgereinigten Siloflächen ist in einem Hinweispapier (Projektgruppen VAwS und Abwasser, 2014) bereits vorgesehen. Sollte die getrennte Entwässerung des Stoffstroms 1b berücksichtigt / vorgesehen werden, ist besonders auf die betriebliche Führung und die Bauweise zu achten. Ferner sollte auf diesen Anlagen dem Regenbecken immer eine Versickerung über bewachsenem Oberboden nachgeschaltet werden. Auf keinen Fall sollte eine Einleitung in ein Oberflächengewässer erfolgen. 19

20 ERGEBNISSE UND BEWERTUNG 3 Darstellung der untersuchten Anlagen Untersucht wurden insgesamt zwölf Anlagen (Tabelle 1). Davon wurden sechs Anlagen kontinuierlich beprobt (Anlagen 1 bis 6). Drei dieser Anlage wurden bereits in der Vorstudie untersucht. Bei einer Anlage der kontinuierlichen Beprobung konnten nur sieben Termine wahrgenommen werden, da es im Zeitraum der Untersuchungen zu Baumaßnahmen kam, welche eine weitere Beobachtung nicht mehr zuließen. Die restlichen Termine wurden auf andere Anlagen umgelegt. Weitere sechs Anlagen wurden sporadisch untersucht. In der Praxis wurden fünf unterschiedliche Varianten festgestellt, die nach der zuvor definierten Systematik (vgl. Abschnitt 2) stichpunktartig wie folgt beschrieben werden können. Variante 0: einsträngiges System in der Silofläche, Siloabdeckung wird nicht getrennt erfasst (alle Oberflächenabflüsse werden in das Sammelbecken geleitet) Variante 1: einsträngiges System in der Silofläche, Siloabdeckung wird getrennt erfasst Variante 2: zweisträngiges System in der Silofläche, Siloabdeckung wird getrennt erfasst Variante 3: einsträngiges System in der Silofläche, vollständig gereinigte Silos werden als 1b über Regenbecken entwässert, Siloabdeckung wird getrennt erfasst Variante 4: zweisträngiges System in der Silofläche, vollständig gereinigte Silos werden als 1b über Regenbecken entwässert, Siloabdeckung wird getrennt erfasst Anlage Nr. Stoffstrom an SB Verwertung Inhalt SB 20 Anzahl Termine Variante Anlage Fermenter oder landw. Fl Anlage landw. Fl. betriebsnah 7 3 Anlage 3 2 Verregnung örtlich 11 2 Anlage 4 1b+2+3 Verregnung örtlich 11 0 Anlage 5 1b+2 über Gärrestlager zu landw. Fl Anlage 6 2 Verregnung örtlich 11 4 Anlage Verregung örtlich 4 1,2,3,4 Anlage 8 1b+2+3 landw. Verwertung? 4 1 Anlage 9 Kein SB mit Gärrest 3 0 Anlage 10 Kein SB mit Gärrest 2 1 Anlage 11 2 Verregnung örtlich 2 2 Anlage 12 1b+2+3 mit Gärrest 1 1 Tabelle 1 (Übersicht der Anlagen und Art des Entwässerungssystems, SB: Sammelbecken) Nachfolgend werden die untersuchten Anlagen, deren unterschiedliche Entwässerungssysteme sowie verwendete Daten im Einzelnen dargestellt und erläutert. Daten, die in der Vorstudie auf gleiche Weise erhoben wurden, werden berücksichtigt. Begonnen wurde die Beobachtung der Hauptstudie Anfang Herbst (September) des Jahres 2013, so dass die Einlagerung und Erntephase des Silomaises besonderer Aufmerksamkeit gewidmet werden konnte. Allgemein ist bekannt, dass der Anfall des direkt aus der Silage

21 austretenden Gärsaftes in dem Zeitraum kurz nach der Einlagerung besonders hoch ist 2. In diesem Zeitraum wurden Proben auf den Biogasanlagen in zeitlich kürzeren Abständen entnommen. Im Folgenden werden die Konzentrationen des CSB ges. im zeitlichen Verlauf für die Sammelbecken der Anlagen diskutiert. Neben den Prozessen im Silage Haufwerk haben Verdünnungseffekte einen zu erwartenden großen Einfluss auf die Konzentrationen der Nähr und Zehrstoffe in den Sammelbecken. Aus diesem Grund wurden bei jeder Probennahme auch die Wasserstände in den Becken festgehalten. Aus diesen Daten ließ sich der Inhalt des Speichers berechnen. Somit können Verdünnungseffekte einfacher identifiziert werden. Neben dem zeitlichen Verlauf wird auch ein über den gesamten Zeitraum volumengewichteter Mittelwert 3 der Konzentration angegeben (gew.mittel). Dieser Wert wird zum Vergleich der Anlagen untereinander verwendet werden. Er weicht i.d.r. nicht stark vom Mittelwert ohne Wichtung ab, deutete aber in einzelnen Fällen auf Schwierigkeiten bei der Probennahme bei extrem geringen Wasserständen hin. Eine Wichtung erschien sinnvoll, damit solche Probennahmetermine das Gesamtergebnis nicht übermäßig beeinflussen. Zum anderen soll die Gesamtfracht der Ausbringung beurteilt werden, daher ist es sinnvoll, die Konzentration im Hinblick auf das Volumen zu wichten. Neben dem gespeicherten Volumen können Regen und Trockenwetterphasen einen Einfluss auf die Konzentrationen an den verschiedenen Probenahmestellen haben. Im zeitlichen Verlauf der mittleren Konzentrationen des CSB ges. im Sammelbecken wird daher auch der Niederschlag dargestellt. Hierfür wurde stellvertretend der Tagesmittelwert der Niederschlagshöhe der Station 5280 des DWD verwendet. Die Station liegt in Wittenborn in Schleswig Holstein. Die Daten sind im ftp Service des DWD verfügbar. Die Station liegt zentral zu den Anlagen, Werte einer anderer Stationen (2303, Standort Hohn) wiesen im Rahmen der Anforderung keine maßgebenden Unterschiede auf. Für die Beurteilung qualitativer Zusammenhänge und die Berechnung von Gesamtfrachten wird es als ausreichend erachtet, für alle Anlagen die gemessenen Werte der Station 5280 zu verwenden. Es konnte beobachtet werden, dass nicht nur kurz nach der Ernte, sondern über das ganze Jahr mit dem Auftreten von Gär und Silagesickersäften zu rechnen ist. Jahreszeitliche Einflüsse konnten daher nicht grundsätzlich erkannt werden, in einzelnen Fällen liegen Extremwerte im Jahresverlauf der Konzentrationen aber im Zeitraum der Ernte oder wenn eine Lagerung von Silage über die Fläche der Silos hinaus erfolgte (übermäßiger Ertrag der Ernte). 2 vgl. Vorstudie Kapitel : Eigenschaften und Entstehung von Gär und Silagesickersaft, Seite 25 ff. 3 Der Konzentrationswert im Sammelbecken jedes Termins wurde mit einem Faktor, welcher dem Quotient aus aktuellem Volumen zum mittleren Volumen entspricht multipliziert. Der volumengewichtete Mittelwert wurde aus diesen Werten bestimmt. 21

22 3.1 Anlage 1 Anlage 1, die bereits Teil der Vorstudie war, befindet sich im Kreis Plön. Die Silage wird in drei Silos gelagert, die nebeneinander angeordnet und mit Zwischenwänden getrennt sind. Wasser von den Abdeckungen (Stoffstrom 1a) kann über die Zwischenwände getrennt erfasst werden. Vom Kopf der Silotrennwände wird das Niederschlagswasser des Stoffstroms 1a über einen Graben entwässert, der an einen Sammelschacht zusammen mit den Dachflächen angeschlossen ist und in ein Regenbecken entwässert. Teilweise versickert Niederschlagswasser von versiegelten Flächen auch diffus vor Ort in den Grünflächen. Das Regenbecken entwässert in eine mit Bäumen bepflanzte Versickerungsfläche innerhalb des angrenzenden Ackers. Jede Silolagerfläche hat ein Quergefälle zu einer der Wände hin. Hier befindet sich eine Rinne mit mehreren Einläufen, um die Gär und Silagesickersäfte und das Niederschlagswasser aus der Fläche der Silos in Benutzung zu sammeln. Aus PE Fertigteilschächten fließt das Wasser in einen Vorlagebehälter von dem es in das Sammelbecken fließt. An den Schacht sind weitere Flächen vor den Silos und vom Abfüllplatz vor dem Fermenter angeschlossen auf denen Stoffstrom 2 entsteht. Im Sammelbecken werden daher Stoffstrom 2 und 3 gemeinsam gelagert. Der Inhalt des Sammelbeckens wird wahlweise dem Fermentations Prozess (Hydrolyse Behälter), dem Gärrestlager oder einer landwirtschaftlichen Verwertung zugeführt. Die Entwässerung der vollständig geleerten und nass gereinigten Siloflächen lässt sich zum Regenbecken umschalten (Stoffstrom 1b). Hierfür werden alle Einläufe der Rinne in dem entsprechendem Silo verschlossen. Das Wasser läuft dann zu einem Einlauf am Anfang/Kopf des Silos der geöffnet werden kann. Das Entwässerungssystem wurde der Variante 3 zugeordnet, ein schematischer Entwässerungsplan ist folgend dargestellt (Abbildung 5). Proben wurden aus dem Regenbecken, dem Vorlagebehälter vor dem Sammelbecken und dem Sammelbecken selbst entnommen. 22

23 Abbildung 5 (Anlage 1 Entwässerungssystem schematisch dargestellt) Allgemeine Beobachtungen und Datengrundlage Auf den Siloflächen werden zugekaufte Tierexkremente (Hühnertrockenkot) gelagert, teilweise sind diese unbedeckt dem Regen ausgesetzt. Im Sommer des Untersuchungszeitraums fand zudem die Einlagerung von Ganz Pflanzen Silage auf einem der bis zu diesem Zeitpunkt geleerten Silos statt. Der Inhalt des Sammelbeckens (Stoffstrom 2 und 3) wurde kontinuierlich dem Hydrolyse Prozess vor dem Fermenter zugegeben (3 4 m³/d), Probleme wurden dabei nicht festgestellt. Das Wasser im Sammelbecken hatte stets einen jauchigen sauren Geruch und war meist gelblich bis braun. Für die weitere Beurteilung und für Berechnungen werden die folgenden Daten (Tabelle 2) verwendet. 23

24 Beschreibung/ Komponenten Anzahl Werte Einheit Datengrundlage Inst. Elektr. Leist. 0,53 MW el Angabe Betreiber Fermenter 3,04*10 3 m³ Pläne Gärrestlager (6 Monate Lagerbedarf) 3,1*10 3 m³ KTBL Rechner 4 Silofläche gesamt 3 3,0*10 3 m² Pläne/Luftbilder Beschickung Hauptsubstrat (Mais) ca. 20 t/d Angabe Betreiber Sammelbecken 2,6*10 2 m³ Messung vor Ort Regenbecken 2,6*10 2 m³ Messung vor Ort Fahrflächen an Sammelbecken 8,7*10 2 m² Luftbilder Fahrflächen an Regenbecken 1,2*10 3 m² Luftbilder Dachflächen an Regenbecken 1,5*10 3 m² Luftbilder Tabelle 2 (Daten Anlage 1) Betrachtung Jahresverlauf CSB im Sammelbecken Die Konzentrationen im Sammelbecken auf der Anlage 1 zeigt eine große Varianz im jahreszeitlichen Verlauf auf (Abbildung 6). Hohe Konzentration konnten von Anfang November bis Anfang April gemessen werden, besonders auffällig ist aber nicht der Zeitraum nach der Maisernte, sondern eine Phase zwischen Anfang Mai und Ende Juni Hier stiegen die Werte in dem Speicher von etwa mg CSB/l auf über das Vierfache bis mg CSB/l an. Dieser Zeitraum fällt mit der Ernte von Grünroggen zusammen, die Ernte wurde zwischen dem und in das Silo 3 als Ganz Pflanzen Silage eingebracht. Das Sammelbecken ist insgesamt sehr klein und das Volumen wird durch eine kontinuierliche Entnahme ständig ausgetauscht 5. Eine Abhängigkeit der Konzentration zum Volumen wurde nicht festgestellt. Der volumengewichtete Mittelwert liegt bei mg/l CSB ges., der nicht gewichtete bei mg/l. Tendenziell könnte anhand des Verlaufes ein Absinken der Konzentration nach längeren Regenereignissen und ein Ansteigen nach Trockenwetterphasen vermutet werden. Es lässt sich aber kein eindeutiger Zusammenhang feststellen. Die Zeitpunkte der Probennahmen waren nicht auf Regenereignisse abgestimmt, so dass sich keine Aussage über den Einfluss von Niederschlägen auf die Konzentrationen machen lässt. Zudem spielen viele Faktoren eine Rolle, wie etwa die Größe der nicht abgedeckten Fläche im Haufwerk, Volumen des Vorlagebehälters, Größe der Anlage bzw. der Flächen und Menge an Silage zum jeweiligen Zeitpunkt. 4 KTBL_Biogasrechner: Frei zugängliches Bemessungswerkzeug zur Vordimensionierung von Biogasanlagen des Kuratorium für Technik und Bauwesen in der Landwirtschaft (KTBL). Berechnet jeweils für 6 Monate. 5 Nach Angaben des zuständigen Angestellten werden täglich 3 4 m³ Sammelbeckeninhalt in den Hydrolyse Behälter gepumpt. 24

25 Zeitraum Silierung Grün Roggen Abbildung 6 (CSB im Jahresverlauf Sammelbecken Anlage 1) 25

26 3.2 Anlage 2 Anlage 2, die ebenfalls bereits in der Vorstudie betrachtet wurde, liegt im Kreis Stormarn. Die Anlage besitzt zwei Silos zur Einlagerung. Beide sammeln das Niederschlagswasser in Trennschächten am Anfang der Silos, von denen das Wasser wahlweise dem Regenbecken oder dem Sammelbecken zugeleitet werden kann (zwei Einläufe je Trennschacht) Die beiden Silos können im leeren Zustand also nach der Reinigung an das RB angeschlossen werden. Silos in Benutzung sind dem Sammelbecken zugeordnet, in das folglich das Niederschlagswasser und die Gär und Silagesickersäfte zusammen zufließen (Stoffströme 2 und 3). Die Hofflächen haben ebenfalls Abläufe, die umgesteckt werden können und sowohl dem Sammelbecken oder dem Regenbecken zugewiesen werden können. In der Regel gliedert sich die Fläche in gleich große Teile auf. Auf der Anlage wird weiter ein Konzept verfolgt, den direkt nach der Ernte anfallenden Gärsaft gesondert dem Gärrestlager zuzuleiten. Hierfür ist ein weiterer Schieber im System vorgesehen (Abbildung 7). Der Inhalt des Sammelbeckens wird betriebsnah landwirtschaftlich verwertet. Das Regenbecken wäre im engeren Sinne als abflusslose Senke zu bezeichnen, welche in der Regel trocken liegt und daher nicht beprobt werden konnte. Das System wurde der Variante 3 zugeordnet. Proben wurden aus dem Sammelbecken entnommen. Zusätzlich wurden Proben aus den Trennschächten entnommen, sie werden wie Proben aus Vorlageschächten behandelt. 26

27 Abbildung 7 (Schematischer Entwässerungsplan Anlage 2) Allgemeine Beobachtungen und Datengrundlage Aufgrund von Geruchsproblemen und Beschwerden der Anwohner wurde das Sammelbecken im Untersuchungszeitraum zu einem externen Gärrest bzw. Güllelager mit einer doppelten Dichtung umgerüstet. Eine Schwimmschicht aus Gülle soll die Geruchsprobleme minimieren. Aus diesem Grund wurde die Anlage ab dem aus dem Untersuchungsprogramm genommen. Ab diesem Zeitpunkt war kein Stoffstrom mehr vorhanden, der im Sinne einer Regenwasserbewirtschaftung zu beproben war. Das 27

28 nunmehr vorhandene Becken unterscheidet sich nicht von sonst üblichen offenen Güllelagern im landwirtschaftlichen Bereich. Neben Mais wurde Rindergülle dem Prozess zugeführt. Eine Verschmutzung der Flächen mit Gülle ist nicht möglich, da diese vom etwa 400 m entfernten Hof über eine geschlossene Leitung direkt der Anlage zugeführt werden. Beschreibung/ Komponenten Anzahl Werte Datengrundlage Inst. Elektr. Leist. 0,58 MW el Angabe Betreiber Fermenter 3,9*10 3 m³ KTBL Rechner Gärrestlager (für 6 Monate Lagerbedarf) 4,4*10 3 m³ KTBL Rechner Silofläche gesamt 2 3,6*10 3 m² Luftbilder Beschickung Hauptsubstrat (Mais) ca. 30 t/d Angabe Betreiber Sammelbecken 2,9*10 3 m³ Messung vor Ort Fahrflächen an Sammelbecken 0,7*10 3 m² Luftbilder Fahrflächen an Regenbecken 0,7*10 3 m² Luftbilder Tabelle 3 (Daten Anlage 2) Betrachtung Jahresverlauf CSB im Sammelbecken Im Untersuchungszeitraum der Vorstudie, Mai und Juni 2013, konnten die höchsten Konzentrationen in dem Sammelbecken gemessen werden (Abbildung 8). Nach diesen Untersuchungen entstanden die zuvor genannten Geruchsprobleme. Der Zeitraum im Hochsommer 2013 bis zum Beginn der Hauptstudie im September 2013 wurde nicht untersucht. Zu Beginn der Hauptstudie hatte sowohl die Konzentration als auch das gespeicherte Volumen in dem Sammelbecken deutlich abgenommen. Ein Großteil des Inhaltes wurde zur landwirtschaftlichen Verwertung ausgebracht. Mit erneuter Füllung des Sammelbeckens, zwischen Oktober 2013 und Februar 2014 nahmen auch die Konzentrationen des CSB leicht zu, erreichten aber nur etwa die Hälfte der im Sommer 2013 festgestellten Werte. Ein deutlicher Einfluss der Maisernte konnte nicht festgestellt werden. Dennoch liegt der volumengewichtete Mittelwert sehr hoch bei mg/l CSB ges.. der nicht gewichtete bei 9247 mg/l. 28

29 Abbildung 8 (CSB im Jahresverlauf Sammelbecken Anlage 2) 3.3 Anlage 3 Die Anlage 3 liegt im Kreis Plön und unterscheidet sich hinsichtlich des Entwässerungssystems von den beiden vorherigen Anlagen. Das System ist in der Silofläche zweisträngig ausgebildet. Die im Anschnitt befindlichen Segmente sind einem Vorlagebehälter zugeordnet, der Gär und Silagesickersaft wird dem Fermentationsprozess zugeführt. Die Abläufe in der Silofläche, denen Stoffstrom 2 zuzuordnen ist, werden in das Sammelbecken geführt. Auch alle Hofflächen und vollständig gereinigten Siloflächen sind/bleiben an dem Sammelbecken angeschlossen (Abbildung 9). Der Inhalt wird kontinuierlich auf einer angrenzenden Baumschule verregnet. Lediglich die Dachflächen und die Siloabdeckungen über die Silotrennwände werden in ein Regenbecken entwässert. Es erfolgt eine Versickerung vor Ort. Das System wurde der Variante 2 zugeordnet. Beprobt wurden das Sammelbecken (Stoffstrom 2, zeitweise mit 1b vermischt), der Vorlagebehälter (Stoffstrom 3) und das Regenbecken (Stoffstrom 1a). 29

30 Abbildung 9 (Anlage 3 Entwässerung schematisch) Allgemeine Beobachtungen und Datengrundlage Das Wasser des Sammelbeckens wird kontinuierlich vor Ort auf einer Baumschule verregnet. In der Regel ist das zwischengespeicherte Volumen daher gering und konstant. Eine Kontamination der Siloflächen durch Gülle und andere Stoffe ist ausgeschlossen, da verwendete Gülle pumpfähig vorliegt und dem Prozess über einen eigenen Vorlagebehälter zugegeben wird. Allgemein ist die Anlage weitestgehend in einem guten Zustand und wurde sauber betrieben. Die Flächen, welche an das Sammelbecken angeschlossen sind, sind im Vergleich zu anderen Anlagen groß. 30

31 Das Wasser im Sammelbecken war fast durchgehend mit Wasserlinsen bedeckt, zudem waren in den Proben Kleinstlebewesen zu erkennen (z. B. Daphnien). Der Geruch des Wassers war deutlich weniger jauchig als bei anderen Anlagen. Anlage 3 hat im Vergleich zu allen kontinuierlich untersuchten Anlagen die geringsten Konzentrationen im Sammelbecken. Beschreibung/ Komponenten Anzahl Werte Daten Einheit grundlage Inst. Elektr. Leist. 0,56 MW el Angabe Betreiber Fermenter 2,7*10 3 m³ Pläne Gärrestlager 5,9*10 3 m³ KTBL Rechner Silofläche gesamt 2 4,2*10 3 m² Luftbilder Beschickung Hauptsubstrat (Mais) ca. 26 t/d Angabe Betreiber Sammelbecken 1,8*10 3 m³ Messung vor Ort Fahrflächen an Sammelbecken 2,3*10 3 m² Pläne Dachflächen an Regenbecken 2,3*10 3 m² Pläne Tabelle 4 (Daten Anlage 3) Betrachtung Jahresverlauf CSB im Sammelbecken Im Jahresverlauf lässt sich kein eindeutiger Zusammenhang zwischen Niederschlag und Konzentration im Sammelbecken erkennen (Abbildung 10). Im November und Dezember fallen sehr hohe Konzentrationen im Sammelbecken auf. Die erhöhten Konzentrationen waren sowohl bei niedrigen, als auch bei hohen Wasserständen im Sammelbecken zu messen. Die hohen Konzentrationen fallen aber zeitlich mit einer Überlagerung eines der beiden Silos zusammen. Der Bedarf an Lagerfläche für die Ernte war größer als die Silofläche. Es wurde Silage auch auf Fahrflächen gelagert, welche nicht über das zweisträngige Entwässerungssystem verfügen und direkt in das Sammelbecken entwässert werden. Es ist davon auszugehen, dass Gär und Silagesickersäfte auf diese Weise in das Sammelbecken gelangten. Der volumengewichtete Mittelwert liegt mit 1492 mg/l CSB ges. weit unter denen anderer Anlagen. Der nicht gewichtete Wert beträgt 1484 mg/l CSB ges.. 31

32 Zeitraum Überlagerung der Siloflächen Abbildung 10 (CSB im Jahresverlauf Sammelbecken und Niederschlagsumme Anlage 3) 3.4 Anlage 4 Anlage 4 hat keine klar definierten Silos wie die bisherigen Anlagen, sie befindet sich im Kreis Segeberg. Die Silage wird in mehreren Haufwerken auf einer versiegelten Fläche gelagert. Diese sind zwar abgedeckt, das Niederschlagswasser von den Abdeckungen kann aber nicht gesondert gefasst werden, sondern fließt zusammen mit allen anderen Stoffströmen einem Tiefpunkt zu. Das Niederschlagswasser wird komplett von allen Oberflächen in allen Qualitäten zusammengefasst (Variante 0) und dem Sammelbecken über den Vorlagebehälter (Tiefpunkt) zugeführt. Dieses Wasser wird landwirtschaftlich verwertet. Proben wurden aus dem Vorlagebehälter und dem Sammelbecken entnommen (Abbildung 11). 32

33 Abbildung 11 (Anlage 4 Entwässerung schematisch) Allgemeine Beobachtungen und Datengrundlage Das Konzept der Anlage führt zu erheblichen Abflussvolumina mit hohen Konzentrationen einer Mischung von Stoffstrom 3, 2 und 1a/1b. Das Stoffgemisch hatte stets einen stark jauchigen, sauren Geruch. Der Stoff wird betriebsnah verregnet. Gegen Ende der Untersuchungen berichtete der Anlagenbetreiber von Geruchsproblemen mit dem gelagerten Abwasser und von Problemen bei der Verregnung über Maispflanzen, die Pflanzen waren in einem schlechten Zustand. Möglicherweise konnten die Pflanzen den niedrigen ph Wert des Wassers nur schlecht vertragen. Eine Nutzung des Gär und Silagesickersaftes bzw. des stark verunreinigten Niederschlagswassers im Fermentationsprozess wird nicht vorgenommen. Als Grund werden die Förderbedingungen des Gesetzes zum Ausbau der erneuerbaren Energien bzgl. der Trockenfermentation genannt 6. Beschreibung/ Komponenten Anzahl Werte Einheit Daten grundlage Inst. Elektr. Leist. 1,5 MW el Angabe Betreiber Fermenter 9,2*10 3 m³ KTBL Rechner Gärrestlager (für 6 Monate Lagerzeit) 9,6*10 3 m³ KTBL Rechner Substrate (Mais; Hauptsubstrat) 27*10 3 t/a KTBL Rechner Sammelbecken 2,2*10 3 m³ Messung vor Ort Versiegelte Fläche an Sammelbecken 10,5*10 3 m² Luftbilder Tabelle 5 (Daten Anlage 4) 6 Der Begriff wird im Allgemeinen für Anlagen mit bestimmten Förderbedingungen nach EEG verwendet. Ausschlaggebend für die Genehmigung waren (sind) die Raumbelastung im Fermenter (>3,5 kg TS/m³/d) und die Stapelbarkeit des Substrats (vgl. z.b. (Bundesumweltministerium, 2007)). Nicht entscheidend ist, ob das Endprodukt (Gärrest) fließfähig ist. Auch die Entstehung von Sickersäften infolge der Substratlagerung wird nicht zur Beurteilung der Anlage hinzugezogen. 33

34 3.4.2 Betrachtung Jahresverlauf CSB im Sammelbecken Im Jahresverlauf der CSB Konzentration lässt sich ein ausgeprägter Konzentrationsanstieg erkennen. Dieser stimmt zeitlich mit geringen Wasservolumina im Sammelbecken überein (Abbildung 12). Dieser Trend ist im Winter 13/14 zu erkennen (gegenläufiger Verlauf), allerdings nicht so deutlich im Sommer Hier verlaufen Konzentrationsabnahme und Abnahme des Volumens sowohl gegenläufig, als auch parallel. Tatsächlich wurden vor der letzten Probenahme hohe Niederschläge gemessen (Abbildung 13, Zeitraum ab ). Gleichzeitig war das gelagerte Volumen im Speicherbecken gering. Es ist also davon auszugehen, dass erhebliche Mengen an Abwasser ab diesem Zeitraum landwirtschaftlich verwertet wurden. Daher war der Anteil von Stoffstrom 1b am letzten Termin besonders hoch und die Konzentration von CSB vergleichsweise niedrig. In Trockenphasen ist tendenziell ein Konzentrationsanstieg zu erkennen, da mit einem kontinuierlichen Anfall von Gär und Silagesickersäften zu rechnen ist. Bei Regenwetterperioden sind Verdünnungseffekte zu erkennen. Der volumengewichteten Mittelwert von ca mg/l CSB ges. belegt die höheren Konzentrationen an Gär und Silagesickersäften. Der nicht gewichtete Mittelwert liegt bei mg/l. Der verhältnismäßig deutliche Unterschied zwischen beiden Mittelwerten belegt auch zahlenmäßig die höheren Konzentrationen bei geringen Volumina bzw. Verdünnungseffekte bei großen Volumina (Ausnahme letzter Termin). Abbildung 12 (CSB im Jahresverlauf Sammelbecken Darstellung Wasserstand Anlage 4, Volumen berechnet aus Freibord und Geometrie) 34

35 Abbildung 13 (CSB im Jahresverlauf und Summe Niederschlag Anlage 4) 35

36 3.5 Anlage 5 Die Anlage 5 liegt im Kreis Rendsburg Eckernförde. Auf der Anlage befinden sich vier Silos. Das Entwässerungssystem ist zweisträngig. Die Siloflächen können wahlweise an einen Vorlagebehälter angeschlossen werden, von welchem das Niederschlagswasser in das Gärrestlager gefördert wird, oder an ein Sammelbecken. Alle geöffneten Silos entwässern in das Gärrestlager (Stoffstrom 2 und 3 gemeinsam), geleerte trocken gereinigte Silos entwässern in das Sammelbecken (Stoffstrom 2). Jedes Silo entspricht auf dieser Anlage einem Segment (Abbildung 14). Zusätzlich entwässern Fahrflächen vor den Silos in das Sammelbecken. Aufgrund des beobachteten Zustandes, können diese Flächen dem Stoffstrom 2 zugeordnet werden. Das Niederschlagswasser von Abdeckungen der Silos kann auf den Trennwänden (Breite oben etwa 2 m und begrünt, Seiten aus Betonfertigteilen etwa 20 cm höher als Begrünung) und angrenzenden Grünflächen versickern. Ein Rückfluss des Wassers auf die befestigten Siloflächen kann zu einem gewissen Anteil aber nicht ausgeschlossen werden. Das Entwässerungssystem wurde Variante 2 zugeordnet. Proben wurden aus dem Sammelbecken und dem Vorlagebehälter entnommen. 36

37 Abbildung 14 (Anlage 5 Entwässerung schematisch) 37

38 3.5.1 Allgemeine Beobachtungen und Datengrundlage Die Wasserstände im Sammelbecken blieben über einen langen Zeitraum konstant. Nach dem Absinken des Wasserstandes unter einen bestimmten Pegel wurde ein Ablauf, eine Drainageleitung, im Sammelbecken sichtbar. Dieser Ablauf war nicht genehmigt, die Landesbehörde wurde daraufhin tätig. Probennahmen nach diesem Zeitpunkt wurden nicht mehr durchgeführt. Die Fahrflächen vor den Silos waren meist in einem stark verschmutzten Zustand, hier befanden sich größere Mengen an Silage, welche beim Transport verloren wurden. Auf der Silofläche wurden immer wieder größere Mengen Roggenschrot unbedeckt gelagert. Wahrscheinlich war dieser Stoff für einen teilweise extrem unangenehmen Geruch der Proben aus dem Vorlagebehälter verantwortlich. Nach Angaben des Betreibers wurde der Inhalt des Sammelbeckens nach Bedarf in das Gärrestlager zurückgeführt, um es landwirtschaftlich auszubringen. Das Wasser hatte einen jauchigen Geruch. Teilweise war eine Vermischung mit Gärresten erwünscht, um deren Rühr und Pumpfähigkeit zu erhöhen. Eine Nutzung des Gär und Silagesickersaftes im Fermentationsprozess wird nicht vorgenommen, als Grund werden die Vergütungsbedingungen der Trockenfermentation genannt. Beschreibung/ Komponenten Anzahl Werte Einheit Datengrundlage Inst. Elektr. Leist. 1,6 MW el Angabe Betreiber Fermenter 10,0*10 3 m³ KTBL Rechner Gärrestlager+Nachgärer (6 Monate) 10,0*10 3 m³ KTBL Rechner Silofläche gesamt 4 5,8*10 3 m² Luftbilder Beschickung Hauptsubstrat (Mais) 27*10 3 t FM/a KTBL Rechner Sammelbecken 2,3*10 3 m³ Messung vor Ort Fahrflächen an Sammelbecken 2,6*10 3 m² Pläne Tabelle 6 (Daten Anlage 5) Betrachtung Jahresverlauf CSB im Sammelbecken Die Konzentration im Sammelbecken unterliegt meist nur einer vergleichsweise geringen Variation. Ein Extremwert ist aber besonders auffällig. Dieser fällt mit einem sehr niedrigen Wasserstand im Sammelbecken (ca. 130 m³) zusammen. Im Vergleich zu den sonstigen Füllständen war das Sammelbecken zu dem Zeitpunkt fast gänzlich leer. Durch die Wichtung der Konzentrationen bei der Berechnung des Mittelwerts wird ein übermäßiger Einfluss dieses Messwertes ausgeschlossen. Ein anderer jahreszeitlicher Einfluss, wie etwa die Einlagerung neuer Silage, lässt sich nicht erkennen. Auch die offene Lagerung von Roggenschrot wirkt sich nicht auf die Konzentrationen im Sammelbecken aus, wie aufgrund des Entwässerungssystems zu erwarten wäre. Die Konzentrationen sind demnach nur auf den Zustand der Fahrflächen zurück zu führen. Das gewichtete Mittel der Konzentrationen beträgt 3639 mg/l CSB ges.. Der nicht gewichtete Mittelwert ist mit 4038 mg/l etwas höher. 38

39 Abbildung 15 (CSB im Jahresverlauf Sammelbecken Anlage 5) Abbildung 16 (CSB im Jahresverlauf Sammelbecken und Wasservolumen im Becken Anlage 5) 39

40 3.6 Anlage 6 Die Anlage 6 ist im Kreis Plön gelegen. Zur Lagerung der Silage stehen drei einzelne Silos zur Verfügung, diese sind durch Wände gegeneinander abgetrennt. Das Entwässerungssystem ist vergleichsweise komplex, alle unterschiedlichen Stofffraktionen lassen sich getrennt erfassen. In der Silofläche sind Einläufe für Gär und Silagesickersaft in definierten Abständen vorhanden. Diese sind im Bereich des Anschnitts geöffnet und leiten Stoffstrom 3 einem Vorlagebehälter zu, der anschließend in das Gärrestlager entwässert (Abbildung 17). Im geräumten Bereich (trocken gereinigt) werden die Einläufe verschlossen. Das Wasser fließt dann dem Längsgefälle der Silos folgend (entgegen der Entnahmerichtung) zum Anfang/Kopf des Silos. Hier befinden sich Einläufe die wechselseitig dem Sammelbecken (Stoffstrom 2) oder dem Regenbecken zugeordnet werden können (vollständig geleerte, nass gereinigte Silos). Die Fahrflächen sind prinzipiell an das Sammelbecken angeschlossen, dessen Inhalt vor Ort nach Bedarf versickert wird. An das Regenbecken sind Dachflächen angeschlossen. Ferner geht ihm das Wasser von Siloabdeckungen zu, welches auf den Trennwänden gefasst werden kann. Oberflächenwasser von Fahrflächen kann teilweise auch diffus in Grünflächen versickern. Die Anlage wurde der Variante 4 zugeordnet. Proben wurden kontinuierlich aus dem Sammelbecken (Stoffstrom 2), dem Vorlagebehälter (Stoffstrom 3) und dem Regenbecken (Stoffstrom 1a und 1b) entnommen. 40

41 Abbildung 17 (Anlage 6 Entwässerung schematisch) 41

42 3.6.1 Allgemeine Beobachtungen und Datengrundlage Der Inhalt des Sammelbeckens wird quasi kontinuierlich auf dem Havariewall 7 versickert. Die maximale Speicherkapazität (ca m³) wurde daher in der Regel nur zu etwa einem Drittel ausgenutzt 8. Da lediglich die Fahrflächen und die Segmente, die nicht durch Gär und Silagesickersäfte verunreinigt werden, an das Sammelbecken angeschlossen sind, war die Belastung im Sammelbecken vergleichsweise gering. Das Wasser war meist stark grün verfärbt und fiel durch einen nur leicht jauchigen Geruch auf. Gär und Silagesickersäfte werden nicht im Fermenter verwertet, sondern ins Gärrestlager gepumpt. Auf der Anlage werden neben Mais auch Gülle und Hühnertrockenkot verwendet. Eine Kontamination der Flächen mit Gülle ist ausgeschlossen (geschlossener Kreislauf). Für die Lagerung des Hühnertrockenkots ist eine eigene Lagerfläche vorgesehen, diese ist nicht überdacht. Niederschlagswasser aus diesem Bereich wird in das Sammelbecken geleitet. Trotz dieser Tatsache sind die Belastungen im Sammelbecken gering, aber wahrscheinlich aufgrund der Belastung durch Hühnertrockenkot Sickerwasser höher als auf Anlage 3. Beschreibung/ Komponenten Anzahl Werte Einheit Datengrundlage Inst. Elektr. Leist. 0,55 MW el Angabe Betreiber Fermenter 3,8*10 3 m³ KTBL Rechner Gärrestlager (für 6 Monate Lagerzeit) 4,6*10 3 m³ KTBL Rechner Silofläche gesamt 3 3,9*10 3 m² Luftbilder Beschickung Hauptsubstrat (Mais) ca. 27 t/d Angabe Betreiber Sammelbecken 3,5*10 3 m³ Messung vor Ort Regenbecken 0,5*10 3 m³ Luftbilder Fahrflächen an Sammelbecken 3*10 3 m² Luftbilder Dachflächen an Regenbecken ca.1*10 3 m² Luftbilder Tabelle 7 (Daten Anlage 6) 7 Erdwall um die Anlage, soll im Falle eines Versagens der Behälter Fermenter oder Gärrestlager, das Abfließen von Substrat oder Gärrest verhindern. 8 Ziel der Studie war es nicht, zu prüfen, ob und in welchem Umfang von den zuständigen Behörden genehmigt oder geprüft wird, wie das stark verunreinigte Niederschlagswasser verwertet wird. 42

43 3.6.2 Betrachtung Jahresverlauf CSB im Sammelbecken Abbildung 18 (CSB im Jahresverlauf Sammelbecken und Wasserstand Anlage 6) Der Jahresverlauf zeigt keine deutlichen Unregelmäßigkeiten auf, denen grundsätzlich bestimmte Randbedingungen zugeordnet werden können (Abbildung 18). Einige längere Regenwetterphasen deuten aber auf geringer Konzentrationen im Sammelbecken hin (ab Mai 14 und Mitte Dezember 13). Der volumengewichtete Mittelwert des CSB ges. liegt bei 2430 mg/l und damit am zweitniedrigsten neben Anlage 3. Der nicht gewichtete Wert liegt bei 2353 mg CSB/l. 43

44 3.7 Kurzdarstellung der Anlagen der sporadischen Beprobung Die nicht kontinuierlich besuchten Anlagen sollen im Folgenden kurz dargestellt werden, um die vielfältigen unterschiedlichen Entwässerungssysteme aufzuzeigen. Jahresverläufe lassen sich aufgrund der sporadischen Beprobung nicht darstellen Anlage 7 Anlage 7 befindet sich im Kreis Rendsburg Eckernförde. Hier wurde ein Entwässerungssystem umgesetzt, welches ermöglicht, Schieber im System so umzustellen, dass Bereiche im Anschnitt und Flächen unter der Silage dem Fermenter oder dem Sammelbecken zufließen (Gär und Silagesickersaft). Einläufe im Silo im geräumten, trocken gereinigten Bereich werden durch Verschließen der Einläufe i.d.r. zu einer Hoffläche geleitet. Die Hofflächen sind ständig an das Sammelbecken angeschlossen. Siloabdeckungen werden in ein Regenbecken entwässert. Nass gereinigte Siloflächen lassen sich ebenfalls an das Regenbecken anschließen. Das System kann je nach Steuerung der Schieber allen Varianten 1 4 zugeordnet werden (Abbildung 19). Im Zeitraum der Untersuchung wurden auf dem Feld unterhalb des Sammelbeckens Weidenverdunstungsbeete angelegt, die mit dem Wasser aus dem Sammelbecken beaufschlagt werden sollen. Während der Untersuchungen kam es auf der Anlage zur Lagerung von Mist auf Fahrflächen durch Zulieferer. Dieses Haufwerk war nicht abgedeckt. Diffuse Einträge der Auswaschungen waren auch in das Regenbecken möglich. Proben wurden aus dem Sammelbecken, dem Vorlagebehälter und dem Regenbecken entnommen. Beschreibung/ Komponenten Anzahl Werte Einheit Datengrundlage Inst. elektr. Leist. 0,63 MW el Angabe Betreiber Silofläche gesamt 2 3,6*10 3 m² Pläne Tabelle 8 (Daten zu Anlage 7) 44

45 Abbildung 19 (Entwässerung schematisch Anlage 7) Anlage 8 Das Entwässerungssystem der Anlage 8, die sich im Kreis Nordfriesland befindet, ist der Variante 1 zuzuordnen. Das gesamte stark verunreinigte Niederschlagswasser wird zusammen mit den Gär und Silagesickersäften im Sammelbecken gesammelt. Das Wasser der Siloabdeckungen wird teilweise versickert. Die versiegelte Oberfläche besteht aus Beton, ist sehr rau und ferner mit keinem eindeutigen Gefälle ausgestaltet. Die Silotrennwände sind Erdwälle, die teilweise mit Folie abgedeckt sind. Eine diffuse Versickerung kann nicht 45

46 ausgeschlossen werden. Das Wasser des Sammelbeckens wird einer mesophilen anaeroben Behandlung unterzogen, die parallel zum Hauptfermenter betrieben wird (Abbildung 20). Diese hatte einen Durchsatz von 5 m³/d. Als weitere Behandlungsschritte sollen laut Betreiber eventuell Pflanzenbeete sowie ein Schönungsteich vorgesehen werden. Proben wurden aus dem Sammelbehälter und vom Ablauf der anaeroben Behandlungsstufe entnommen. Eine Reduktion des Sauerstoffbedarfs konnte nach der anaeroben Behandlung festgestellt werden. Wie zu erwarten, werden die Stickstoff und Phosphorgehalte aber nicht reduziert. Beschreibung/ Komponenten Anzahl Werte Einheit Datengrundlage Inst. Elektr. Leist. k.a. MW el Silofläche gesamt 3 3,30*10 3 m² Luftbilder Tabelle 9 (Daten Anlage 8) Abbildung 20 (Anlage 8 Entwässerung schematisch) 46

47 3.7.3 Anlage 9 Die Anlage liegt im Kreis Nordfriesland. Das gesamte Niederschlagswasser wird zusammen mit Gär und Silagesickersaft in einem Vorlagebehälter gesammelt und dem Gärrestlager zugeführt. Auf der Anlage wird vor allem Grassilage als Substrat verwendet. Auf Grund des hohen Trockensubstanzgehaltes im Fermenter wird die Zugabe des verschmutzten Niederschlagswassers durch den Betreiber als positiv bewertet. Ob dieser Umstand auch für andere Anlagen zutrifft, die überwiegend Gras verwerten, sollte durch weitere Untersuchungen geprüft werden. Die Anlage scheint nach und nach erweitert worden zu sein. Die Hofflächen scheinen im Eigenbau erweitert worden zu sein. Eine hohe Rauheit der Flächen ist auch hier vorhanden. Ein Havarie Becken, welches den Niederschlagsabfluss infolge von Starkregenereignissen zwischenspeichert, kann als Zwischenspeicher angesehen werden. Drei stillgelegte Güllebehälter in näherer Umgebung fungieren als externe Gärrestlager. Das Entwässerungssystem wird nicht dargestellt. Proben konnten nur aus einem Vorlagebehälter entnommen werden (Mischung Stoffstrom 2 und 3). Das Entwässerungssystem entspricht Variante 0 (vgl. Anlage 4), alle Stoffströme werden gemeinsam gefasst. Ein Unterschied hinsichtlich der Entwässerung besteht lediglich in der Verwertung der anfallenden Volumina (hier ausschließlich im Fermentationsprozess), es wird keine Trockenfermentation vorgenommen. Beschreibung/ Komponenten Anzahl Werte Einheit Datengrundlage Inst. Elektr. Leist. 0,526 MW el Angabe Betreiber Silofläche gesamt 2 2,97*10 3 m² Luftbilder Tabelle 10 (Daten Anlage 9) Anlage 10 Die Anlage befindet sich in der Stadt Lübeck. Das verunreinigte Niederschlagswasser aller Flächen wird gemeinsam mit dem Gär und Silagesickersaft über einen Vorlagebehälter mit Tauchpumpe dem Gärrestlager bzw. dem Fermenter zugeleitet. Das Wasser von Siloabdeckungen kann vor Ort im bewachsenen Oberboden versickern. Das Entwässerungssystem entspricht Variante 1 und dem von Anlage 8, allerdings ohne Sammelbecken und anaerobe Behandlung (Abbildung 20). Proben wurden aus einem Vorlagebehälter entnommen (Mischung Stoffstrom 2 und 3). Einer der Probetermine fand kurz vor einem Regenereignis statt, dementsprechend gering waren die Konzentrationen in der Probe. Dieser Umstand muss im Folgenden beachtet werden. Beschreibung/ Komponenten Anzahl Werte Einheit Datengrundlage Inst. Elektr. Leist. 0,5 MW el Angabe Betreiber Silofläche gesamt 3 3,4*10 3 m² Luftbilder Tabelle 11 (Daten Anlage 10) Anlage 11 Das Entwässerungssystem der im Kreis Schleswig Flensburg gelegenen Biogasanlage kann der Variante 2 zugeordnet werden (Abbildung 21). Im Regenbecken wird ausschließlich das Niederschlagswasser von den Siloabdeckungen gefasst und in ein angrenzendes Gewässer eingeleitet. Die Einleiterlaubnis gilt für Werte bis 50 mg CSB/l. Es erfolgt einmal im Jahr eine 47

48 Probenahme durch die UWB. Aufgrund der Einleitung wurde ein Entwässerungssystem welches den Stoffstrom 1b (Wasser von vollständig geleerten und nassgereinigten Silos) getrennt erfassen kann, nicht genehmigt. Dadurch soll vermutlich eine übermäßige Verschmutzung des Vorfluters verhindert werden. Gär und Silagesickersaft (Stoffstrom 3) wird in einem Vorlagebehälter gesammelt und dem Fermenter zugeleitet. Das gespeicherte Volumen des Sammelbeckens (Stoffstrom 2 und zeitweise 1b) wird auf Felder ausgebracht (erlaubt nach Genehmigung 300 l/(m² a)). Silo 3 war beim ersten Besuch etwas überlagert, daher war im Ablauf vor dem Silo eine Pumpe installiert, die den Gär und Silagesickersaft dem Vorlagebehälter zuführt, um eine Verschmutzung des Sammelbeckens auszuschließen. Proben wurden aus dem Sammelbecken, dem Regenbecken und dem Vorlagebehälter entnommen. Beschreibung/ Komponenten Anzahl Werte Einheit Datengrundlage Inst. Elektr. Leist. 0,59 MW el Angabe Betreiber Silofläche gesamt 3 3,8*10 3 m² Luftbilder Tabelle 12 (Daten Anlage 11) 48

49 Abbildung 21 (Entwässerung schematisch Anlage 11) Anlage 12 Anlage 12 befindet sich im Kreis Stormarn. Alles Wasser der versiegelten Flächen wird über einen Vorlagebehälter in ein gasdichtes Sammelbecken geleitet, das als externes Gärrestlager fungiert. Das Niederschlagswasser von Siloabdeckungen und Dachflächen versickert vor Ort auf den Grünflächen. Das Entwässerungssystem entspricht Variante 1 (vgl. Abbildung 20). Proben wurden aus dem Vorlagebehälter entnommen. 49

50 Beschreibung/ Komponenten Anzahl Werte Einheit Datengrundlage Inst. Elektr. Leist. 0,537 MW el Angabe Betreiber Silofläche gesamt 3 5*10 3 m² Luftbilder Tabelle 13 (Daten Anlage 12) 50

51 4 Vergleich der Entwässerungssysteme Um die Entwässerungssysteme der einzelnen Anlagen miteinander vergleichen zu können, müssen Frachten zugrunde gelegt werden. Hierfür müssen die Mengen an Niederschlagswasser der verschiedenen Fraktionen in ihrer Größe über ingenieurhydrologische Berechnungen abgeschätzt werden. Die Funktion des zugrundeliegenden Modells wurde bereits in Kapitel 2 erläutert. Flächen und Angaben zur Steuerung des jeweiligen Entwässerungssystems sind in Kapitel Darstellung der untersuchten Anlagen aufgeführt. Im Folgenden werden die Annahmen des Modells anhand der Beobachtungen vor Ort am Beispiel von Anlage 1 zunächst auf Plausibilität überprüft. Anschließend werden die berechneten Zuflüsse zu den Sammelbecken und soweit vorhanden zum Regenbecken oder dem Lagervolumen für Gär und Silagesickersaft 9 berechnet. Mithilfe der Werte sollen anschließend Frachten berechnet werden. 4.1 Plausibilitätskontrolle Abflussmodell Es wurde vorausgesetzt, dass der Flächenvorschub mit dem die Silos entleert werden über das Jahr linear verläuft. Dies wurde vor Ort in guter Übereinstimmung wiedergefunden, da die Anlagen in der Regel kontinuierlich beschickt werden, sowie die Lagerhöhen in unterschiedlichen Silos einer Anlage in der Regel sehr ähnlich sind. Im Modell ergaben sich signifikante Unterschiede bzgl. der berechneten Abflüsse, je nachdem ob Flächen mit Stoffstrom 1b gesondert entwässert werden oder nicht (vgl. Kapitel 2; z.b.: Variante 2 Abbildung 2 mit Variante 3 Abbildung 3). Die Annahme, dass große Flächenanteile also komplett geleert an das Regenbecken angeschlossen werden oder weitestgehend abgedeckt sind, ist demnach bei der Berechnung besonders sensitiv hinsichtlich der anfallenden Wassermengen. Für die Anlage 1 (Variante 3) wird daher folgend exemplarisch für fünf Untersuchungstermine diese Situation dargestellt (Abbildung 22). Die Annahme, dass bei diesem Entwässerungssystem mit drei Silos aufgrund der Entnahme maximal etwa 30% der gesamten Silofläche für das Sammelbecken abflusswirksam ist (vgl. Kapitel 2), wird bestätigt. Die restlichen Siloflächen sind entweder abgedeckt oder vollständig geleert und entwässern damit in das Regenbecken. Besonders hervorzuheben ist die Tatsache, dass dies auch nach der Einlagerung einer Sommerfrucht gilt (vgl. Abbildung 22, am ist Silo 3 leer und am gefüllt). Es ist für die Bilanzierung des Zuflusses zum Regenbecken unerheblich, ob die Flächen als geleert oder abgedeckt in das RB entwässern (Abbildung 22). Die Berechnung des Gesamtabflusses aus den Siloflächen unter den Modellannahmen sollte daher plausible Ergebnisse liefern. Eine weitere mögliche Ungenauigkeit liegt darin bergründet, dass Regendaten einer einzigen Regenstation für alle Anlagen verwendet werden. Dies wird dadurch relativiert, dass Jahressummen betrachtet werden. Einzelne extreme Regen werden die Berechnung des jährlichen Abflusses nicht soweit beeinflussen, dass eine Abschätzung der Frachten in der Größenordnung unzulässig wird. 9 Hier wird nur der Teil angegeben, welcher sich aus dem Niederschlag und der Segmentgröße im Anschnitt ergibt. Der nicht durch Regen beeinflusste Abfluss an Gär und Silagesickersäften wird hier nicht für die Beurteilung des Bewässerungssystems herangezogen werden (vgl. hierzu auch Fußnote 11) 51

52 Datum Silo 1 Silo 2 Silo komplett geleert (ohne Bild) Einlagerung Silage Abbildung 22 (Aufteilung der Siloflächen auf der Anlage 1 für fünf Termine des Untersuchungszeitraums.) 52

53 4.2 Berechnung von Zuflüssen und Stickstofffrachten Nach der Prüfung auf Plausibilität werden mit dem Modell Zuflüsse im Untersuchungszeitraum berechnet. Um die Frachten, die den Sammelbehältern zuflossen, aus den gemessenen mittleren Konzentrationen berechnen zu können muss auch die Verdunstung aus dem Behälter und der Niederschlag auf diesen berücksichtigt werden. Dies ist notwendig, da die Konzentrationen einschließlich dieser Effekte gemessen wurden. Es wird die Menge an Niederschlagswasser, die direkt auf die Oberfläche der Sammelbehälter fiel abzgl. der Verdunstung von der mittleren Oberfläche (Wasserstand) addiert. Für die Berechnung der täglichen Verdunstung wurde der Ansatz nach Brandt in ATV DVWK M165 verwendet 10. Auf den untersuchten Anlagen der kontinuierlichen Beprobung müssen im Untersuchungsraum nach der Berechnung etwa folgende Mengen dem Sammelbecken, dem Regenbecken oder dem zugeflossen sein (Tabelle 14). Für Anlagen, auf denen Stoffstrom 3 zusammen mit 2 im Sammelbecken gelagert wird, entfällt der Zufluss zum Gärrestlager / Fermenter, er ist im Sammelbecken enthalten. In der Tabelle wird ferner die Summe des Zuflusses an das Sammelbecken und zum Gärrestlager / Fermenter bezogen auf das Gärrestlagervolumen angegeben, der Kennwert wird im Folgenden zum Vergleich herangezogen. Der Anteil des Gärsaftes, der nur infolge TS Gehalt oder Vertikaldruck im Silo anfällt wurde vernachlässigt Mit diesem Ansatz wurden für den Untersuchungszeitraum 657 mm Verdunstung von der freien Wasserfläche berechnet. Bei einem Gesamtniederschlag von 767 mm im Untersuchungszeitraum (Station Wittenborn) wirkt sich die zusätzlich anfallende Menge aber gering aus. Daraus ergibt sich ein Saldo (mithin eine effektive Speicheränderung) von 110 mm. Somit mussten zusätzlich zum Zufluss (von den versiegelten Flächen 110 Liter je m² Oberfläche der Sammelbecken, in diesen gespeichert werden. Für eine Bemessung der Speicher ist diese Größe im Vergleich zum Zufluss unerheblich, nicht aber für die Interpretation der Messungen der Studie. Der Anteil ist bereits in Tabelle 14 beim Zufluss an das Sammelbecken berücksichtigt. 11 Für eine Abschätzung des Gärsaftanfalls (GSS) aus der Silage wird die in (Kahlstatt, 1999) zitierte von Weißbach 1974 publizierte Formel (GSS [kg/t FM] = 1026,0 3,426 TS Gehalt Pflanzenmaterial [g/kg FM] + 143,4 ln(vertikaldruck [kp/cm²]) verwendet. Es ergibt sich rechnerisch erst ab einem TS Gehalt von unter 27 % und einer Stapelhöhe von über 8 m ein Gärsaftabfluss (Druck berechnet für Lagerungsdichte 0,7 t/m³). Der Anteil bleibt für eine Mengen Bilanzierung unerheblich. Diese Stapelhöhe wurde zudem nur auf Anlage 4 erreicht, weiter ist nicht bekannt welcher Trockensubstanzgehalt tatsächlich eingebaut wurde. Nicht unerheblich für eine Kontamination sind aber auch sehr geringe Mengen an Gärsaft. Dieser Einfluss ist aber durch die Beprobung erfasst. 53

54 Berechnung Zufluss nach Modell (Eingangsdaten: Niederschlag Station 5280 Sept.13 Aug.14: 767mm) Stoffstrom an Sammelbecken Zufluss 12 an Sammel Becken [m³/a] Zufluss 13 an Regenbecken [m³/a] Zufluss an Fermenter/ Gärrestlager [m³/a] erf. Größe Gärrestlager [m³] Anteil Summe SB und Stoffstrom 3 an Gärrestlager [%] Anlage 1 (Var.3) 2 und % Anlage 2 (Var.3) 2 und % Anlage 3 (Var.2) % Anlage 4 (Var.0) 2 und % Anlage 5 (Var.2) % Anlage 6 (Var.4) % Tabelle 14 (Berechnung Zufluss im Untersuchung Zeitraum Anlage 1 6, Stoffstrom 1, 2, 3) Für die Bewertung der Ausbringung des Wassers sind Stickstofffrachten besonders geeignet. Daher werden mithilfe der mittleren Stickstoffkonzentration in den jeweiligen Bauwerken, bzw. mit der gewichteten mittleren Stickstoffkonzentration der Sammelbecken, Frachten berechnet. Um einen Vergleich der Anlagen untereinander zu ermöglichen, wird zudem angegeben, wieviel Stickstoff in die Stoffströmen 1, 2 und 3 gelangte, bezogen auf die Größe der BGAs. Diese spezifische Fracht N ges. gibt eine Auskunft darüber, wie gut auf der betreffenden Anlage die Silage vor Auswaschungen durch Regenwasser insgesamt geschützt wurde, unabhängig davon über welchen Wasserpfad diese ausgetragen werden (Tabelle 15, letzte Spalte). Fracht N ges. an SB [kg/a] Fracht N ges. an RB [kg/a] Fracht N ges. nur Stoff 3 [kg/a] Fracht N ges. Summe [kg/a] Größe BGA [MWinst,el] spez. Fracht N ges. [kg N/MW inst,el. ] Anlage 1 (Var.3) , Anlage 2 (Var.3) 431 ca , Anlage 3 (Var.2) , Anlage 4 (Var.0) , Anlage 5 (Var.2) ,6 889 Anlage 6 (Var.4) , Tabelle 15 (Frachten an N die in das jeweilige Bauwerk bzw. über den Stoffstrom (3) und als Summe ausgetragen wurden; Verlust N bezogen auf Anlagengröße, für die Fracht zum Sammelbecken wurden gewichtete Stickstoffkonzentrationen verwendet) 12 Incl. mittlerer Niederschlag auf maximale Oberfläche (a max x b max ) abzüglich Verdunstung (657 mm) von der mittleren Oberflächen (siehe Anhang Wasservolumen) 13 Für die Bilanzierung der Regenbecken (mit deutlicher kleinerer Oberfläche als die Sammelbehälter und deutlich größerem Zufluss, wird der Einfluss von Niederschlag/Verdunstung auf/von der freien Wasseroberfläche) vernachlässigt. 14 Berechnet für eine Lagerzeit von 6 Monaten mit dem Rechenprogramm des Kuratoriums für Technik und Bautechnik in der Landwirtschaft vgl. Fußnote 4. 54

55 4.3 Bewertung Varianten 0 5 hinsichtlich Stickstofffracht und Lagermengen In der Studie soll die Möglichkeit untersucht werden Stoffstrom 2 soweit zu minimieren, um ihn entweder mit Stoffstrom 3 im Fermentationsprozess zu nutzen oder dem Gärrestlager zuführen zu können. Ferner soll die landwirtschaftliche Ausbringung bewertet werden. Genauere Betrachtungen zur Größe der zulässigen Beregnung mit dem Abwasser werden in Kapitel 9 aufgeführt. Variante 0: Bei diesem Entwässerungssystem (alle Flächen entwässern in das Sammelbecken, auch Abdeckungen) entstehen sehr große Mengen an Abwasser, die auf der Anlage 4 eine Größenordnung von 64 % des Gärrestlagers 15 im Jahr verursachten. Weiter wurden auf dieser Anlage sehr große Frachten von Stickstoff mit dem Stoffgemisch mobilisiert (rund 2900 kg N/a). Variante 1:. Variante 1 wurde in der kontinuierlichen Untersuchung nicht beprobt, es stehen also keine Angaben zur Verfügung, um Frachten zum Sammelbecken direkt zu berechnen. Es kann aber aus den Messungen auf den Anlagen mit Variante 2 berechnet werden, welche Menge den Sammelbecken zugeflossen wären, falls auf diesen Anlagen ein Entwässerungssystem der Variante 1 praktiziert worden wäre. Der Unterschied zwischen Variante 1 und 2 besteht nur darin, dass dem SB bei Variante 1 auch Stoffstrom 3 zufließt. Die theoretisch gesammelte Menge im SB ergibt sich durch Addition 16 der Frachten von Stoffstrom 2 mit Stoffstroms 3 der Anlagen 3 und 5. In der Summe ergibt sich eine Fracht von 210 und 1423 kg N/a, für Anlagen welche ansonsten mit Anlage 3 und Anlage 5 vergleichbar gewesen wären. Diese große Spannweite in der Fracht ergibt sich durch sehr hohe Werte auf der Anlage 5 für Stoffstrom 3. Die sich ergebende Jahresfracht, welche im Sammelbecken gesammelt worden wäre, hängt bei dieser Variante mithin sehr stark von der Arbeitsweise des Betreibers ab. Auf sauberen Anlagen mit geringem Anfall von Gär und Silagesickersaft entstünden geringere Frachten. Auf Anlagen, auf denen größere Flächen im Anschnitt unbedeckt bleiben bzw. Regenwasser anders in die Silage eindringt oder die Flächen stark verschmutzt sind, resultieren sehr große Frachten. In beiden Fällen würden zudem Mengen entstehen, die in der Jahressumme 30 46% des Gärrestvolumens eines halben Jahres ausmachen und dementsprechend kaum mitbehandelt werden könnten. Variante 2: Auf den Anlagen 3 und 5 wird der Bereich des Anschnitts gesondert gefasst (Stoffstrom 3) und dem Fermenter bzw. dem Gärrestlager zugeführt. Die gesondert gefassten Mengen liegen bei 3 10% des Gärrestvolumens eines halben Jahres. Zu Anlage 5 ist anzumerken, dass sie aus vielen Silos aufgebaut ist, wobei jedes als einzelnes Segment aufgefasst wird. Die Segmente sind also relativ groß. Dementsprechend wird auch der Abfluss von Stoffstrom 3 etwas größer. Die getrennte Erfassung des Stoffstroms 3 führt zu relativ geringen Stickstofffrachten im Stoffstrom 2 auf Anlage 3 (126 kg N/a) und mäßigen 15 Die Größe des Gärrestlagers wurde für eine sechs monatige Lagerung der Gärreste mit dem KTBL Rechner nachgerechnet. 16 Z. B. Anlage 5: = 1423 kg N/a 55

56 Frachten auf Anlage 5 (280 kg N/a). Hierbei muss relativierend berücksichtigt werden, dass Anlage 5 eine deutlich höhere installierte elektrische Leistung aufweist und daher mehr Substrat lagern muss. Auf beiden Anlagen entstehen vergleichbar große Abflussvolumina, welche dem SB zufließen (2514 und 1957 m³/a). Auf Anlage 3 fließt sogar mehr Wasser ab, trotz geringerer installierter elektrischer Leistung. Als Ursache sind die etwas überdimensionierten Fahrflächen zu nennen, die ebenfalls in das SB entwässern. Eine Mitbehandlung dieser Mengen von Stoffstrom 2 bzw. eine Lagerung im Gärrestlager erscheint nicht mehr möglich. Anlage 3 besitzt ein Regenbecken dem nur das Wasser der Dachflächen und der Siloabdeckung zufließt. Die Mengen die hier zuflossen betrugen 2526 m³/a bei einer Stickstofffracht von 13 kg N/a (entspricht einer mittleren Konzentration von 5 mg N/l). Die Behandlungsmaßnahme wird als ausreichend eingeschätzt, da das Wasser im Anschluss versickert wird. Auf Anlage 11 wurde ebenfalls Variante 2 umgesetzt. Die gemessenen Konzentrationen waren mit Anlage 3 in allen Bereichen vergleichbar. Variante 3: Anlagen 1 und 2 entwässern die Stoffströme 2 und 3 gemeinsam in ein Sammelbecken. Sie besitzen aber die Möglichkeit Wasser von leeren und nass gereinigten Silos als Stoffstrom 1b gesondert zu fassen (zusammen mit 1a). Auf Anlage 1 wird 1a/1b vor der Versickerung in einem Regenbecken gesammelt, auf Anlage 2 sofort versickert. Der Vorteil des Entwässerungssystems liegt in der deutlichen Reduzierung der anfallenden Mengen von Stoffstrom 2. Auf den Anlagen flossen dem Sammelbecken nur 813 und 1085 m³/a im Untersuchungsjahr zu. Da aber auch der Stoffstrom 3 mitgesammelt wird, waren die Frachten höher als bei Variante 2 (358 bzw. 431 kg N/a). Da die Menge stark gegenüber den Varianten 0 bis 2 reduziert wurde, ist eine Mitbehandlung im Fermentationsprozess oder eine gemeinsame Lagerung mit dem Gärrest möglich. Allerdings beträgt der Anteil der Stoffströme 2 und 3 noch immer 25 und 26 % des Gärrestvolumens eines halben Jahres. Auf der Anlage 1 wird diese Nutzung im Fermentationsprozess dennoch ohne Probleme durchgeführt. Das Risiko dieser Entwässerungsvariante liegt in einer Kontamination des Regenbeckens durch anhaftende Gärsäuren an der Oberfläche der geleerten Silos, die mit Stoffstrom 1b abgewaschen werden können. Auf Anlage 1 wurde immerhin eine Fracht von 97 kg N mit einer Wassermenge 1b von 2930 m³ versickert (33 mg N/l). Ob die Größe der Fracht auf unzureichende Nassreinigung zurückzuführen ist, kann nicht bestimmt werden. Nur wenn entsprechend große Flächen zur Versickerung des Stoffstroms 1b gewählt werden und immer ein direkter Abfluss in die Vorflut verhindert wird, scheint eine Versickerung im Oberboden als Behandlungsmaßnahme ausreichend. Eine weitere Düngung der Flächen sollte unterbunden werden. Ausgeschlossen werden sollte auf jeden Fall eine Einleitung des Stoffstroms 1b in die Vorflut. Variante 4: Auf der Anlage 6 wird die Variante 4 praktiziert, auf der Anlage 7 der sporadischen Untersuchung ist eine solche Variante ebenfalls möglich, wird derzeit aber nicht praktiziert. 56

57 Stoffstrom 3 wird im Bereich des Anschnitts des Silos gesondert gefasst und in das Gärrestlager geleitet. Hier müssen nur geringe Mengen aufgenommen werden (zur Lagerung des Gär und Silagesickersaftes werden 4 % des Gärrestlagers benötigt). Im Stoffstrom 3 sind aber nahezu 60 % der gesamten Stickstoffverluste enthalten (319 kg N/a von 569 kg N/a). Dementsprechend mäßig bis gering ist die Fracht, welche im Sammelbecken gelagert wurde, etwa 184 kg N/a bei einer Zufluss Menge von 2268 m³. Das Abflussvolumen ist vergleichsweise groß und auf große Hof und Fahrflächen zurückzuführen. Anlage 6 unterhält ebenfalls ein Regenbecken, dem 1a und 1b zufließen. Wie bereits für Variante 3 auf Anlage 1 festgestellt, liegt die Fracht an Stickstoff, welche dem Regenbecken zufließt, deutlich höher als auf Anlage 3 (hier fließt nur Kategorie 1a). Für das Untersuchungsjahr wurde eine Fracht von 67 kg N bei einem jährlichen Zufluss von 2396 m³ berechnet (28 mg N/l). Es gelten die gleichen Schlussfolgerungen wie zuvor. 4.4 Bewertung der Stickstoffverluste im gesamten Entwässerungssystem Der relative Gesamtstickstoff Verlust über alle Wasserpfade (vgl. Kapitel 4.2) wird als Kennzahl für die Bewertung herangezogen (Tabelle 16) Variante Fracht N ges. Summe [kg/a] Größe BGA [MWinst,el] spez. Fracht N ges. [kg N/MW inst,el. ] Anlage 1 Variante , Anlage 2 Variante , Anlage 3 Variante , Anlage 4 Variante , Anlage 5 Variante ,6 889 Anlage 6 Variante , Tabelle 16 (Nährstoffverluste N im gesamten Entwässerungssystem; Summe der Stoffströme 1,2 und 3 der Anlagen 1 6 im Untersuchungszeitraum) Die größten Verluste entstehen auf der Anlage 4 (Variante 0), sie lassen sich damit begründen, dass der Niederschlagsabfluss von Abdeckungen der Silos nicht gesondert gefasst wird. In der Folge bricht vermehrt Regenwasser in die Silage ein und Gär und Silagesickersaft mit hohen Stickstoffkonzentrationen entsteht. Ferner wurde auf der Anlage 4 die größte Stapelhöhe aller Anlagen mit rund 8 m gemessen. Alle anderen Anlagen hatten Stapelhöhen um 6 m. Dadurch entsteht unter Umständen infolge des Vertikaldrucks ein etwas erhöhter Austritt von Gär und Silagesickersaft (vgl. Fußnote 11, Kap. 4.2), in jedem Fall wird der Bereich des abgedeckten Anschnitts aber größer. Gleichwertig hinsichtlich der entstehenden Verluste sind die Entwässerungssysteme der Anlagen 1, 2, 5 und 6 zu bewerten. Auf allen diesen Anlagen wird das Wasser der Siloabdeckungen gesondert gefasst. Die stark mit verstreuter Silage verschmutzten Flächen auf der Anlage 5 führten insgesamt zu keinen stärkeren Verlusten als auf Anlagen 1, 2 und 6. Auf beiden Anlagen (1 und 6) wurde hingegen teils Hühnertrockenkot unbedeckt gelagert, diese unterschiedlichen Verschmutzungspotentiale (Streuverluste, Hühnertrockenkot) scheinen sich bzgl. der Stickstoff Verluste zu kompensieren. Auf Anlage 3 sind die Verluste insgesamt am geringsten (398 kg N/MW inst,el ), wie es auch die Betrachtung im Kapitel 6 zeigt. Wahrscheinlich sind auf dieser Anlage insgesamt deutlich weniger Gär und Silagesickersäfte ausgetreten. Ursächlich dürfte zu einem der 57

58 Trockensubstanzgehalt des eingelagerten Mais gewesen sein. Eine weitere Ursache der geringen Stickstofffrachten auf Anlage 3 könnte darin begründet liegen, dass auf dieser Anlage zu keinem Zeitpunkt zugekaufte Substrate (z.b. Festmist oder Hühnertrockenkot) unbedeckt auf den Siloflächen zwischengelagert wurden. 58

59 5 Ergebnisse Stoffzusammensetzung Sammelbecken Im Folgenden werden die erhobenen Daten hinsichtlich der Stoffzusammensetzung diskutiert. Im Kapitel 5 werden die Messwerte aus den Sammelbecken besprochen, im Kapitel 6 wird noch einmal speziell auf Messwerte in den Vorlageschächten eingegangen. Alle Messwerte sind im Anhang enthalten. 5.1 Qualitative Beurteilung des stark verunreinigten Niederschlagswasser Im Allgemeinen ist das verunreinigte Niederschlagswasser in den Sammelbecken sauer. Der kleinste gemessene ph Wert war 3,8 (Anlage 1 am ). Im Mittel aller Messungen (alle Anlagen) lag er bei 5,2. In wenigen Fällen (28 von 156 Proben aus den Sammelbecken) lagen neutrale Bedingungen vor. In der Vorstudie wurde das Verhältnis zwischen CSB und BSB 5 untersucht, um eine Aussage zur Abbaubarkeit der Stoffzusammensetzung zu ermöglichen. Es wurde festgestellt, dass die Proben in der Regel ein Großteil leicht abbaubarer Stoffe enthielten. In denselben Proben war zugleich auch der Anteil des gelösten CSB hoch. Auch in der Hauptstudie konnte festgestellt werden, dass von 153 Proben aus den Sammelbecken bei 91 Proben der Anteil des gelösten CSB am Gesamt CSB über 85 % lag. Auffällig war, dass solchen Proben bei denen der ph Wert über 6 lag, entweder ein deutlich kleinerer Anteil von gelöstem CSB am Gesamt CSB hatten oder insgesamt schwächer belastet waren. Diese Proben stammten von Anlagen auf denen eine vergleichsweise gute Trennung zwischen Stoffstrom 3 und 2 erfolgte. Alle diese Bedingungen waren aber nicht hinreichend für einen ph Wert im neutralen Bereich. Im Rahmen der Untersuchungen wurde eine Bachelorarbeit zur Behandlung des Stoffstroms 2 verfasst 17. Hierbei wurden Proben verschiedener Biogasanlagen mit Belebtschlamm der Versuchs und Ausbildungskläranlage Reinfeld geimpft und in statischen Batchversuchen der Abbau des CSB unter dem Einfluss verschiedener Faktoren beobachtet. Die Versuche wurden als Faktorenversuche ausgewertet, variiert wurden die Faktoren: Belüftung, ph Neutralisation der Probe mit NaOH und Temperatur im Batchreaktor. Beobachtet wurde der Einfluss auf folgende Zielgrößen: relative Veränderung des CSB im Filtrat und in der homogenisierten Probe. Die Versuche zeigten, dass bei hohen Temperaturen (im Versuch um 30 C) und/oder bei Belüftung der Behälter eine deutliche Abnahme des CSB festzustellen ist. Bei niedrigen Temperaturen (im Versuch um 20 C) findet ohne technische Belüftung kaum ein Abbau des CSB Gehaltes statt. Der Einfluss der Neutralisation mit NaOH auf den Abbau des CSB war gering. Es konnte vielmehr festgestellt werden, dass bei hoher Temperatur und/oder Belüftung auch ohne Neutralisation der ph Wert mit der Verweilzeit zunimmt. Aus den allgemeinen Beobachtungen und Laborversuchen lassen sich folgenden Aussagen ableiten, die bei der Beurteilung möglicher Behandlungenmaßnahmen oder qualitativer Einschätzung der Belastungen in den Sammelbecken hilfreich sein könnten: Die Verschmutzung des stark verunreinigten Niederschlagswassers ist auf Beimengungen oder Auswaschungen von Gär und Silagesickersäften zurückzuführen. Letztere enthalten große Mengen organischer Säuren. Der ph Wert des stark verunreinigten Niederschlagswassers ist daher in der Regel niedrig, der 17 (Zhecheng, 2014) 59

60 Geruch des Abwassers ist jauchig säuerlich und es ist meist gelblich bräunlich gefärbt und optisch nicht klar. Bei hohen Belastungen mit sauerstoffzehrenden Bestandteilen kann ohne technische Belüftung nicht mit nennenswertem aeroben Abbau der organischen Säuren gerechnet werden. Bei hohen Temperaturen ist ein anaerober Abbau des CSB mit der Folge eines steigenden ph Werts möglich. Dieser anaerobe Abbau kann zu Geruchsproblemen führen. Ein aerober Abbau des CSB ist unter technischer Belüftung möglich, er ist leicht abbaubar. Bei sehr geringen Beimengungen mit Gär und Silagesickersäften im Stoffstrom 2 können biologische Umsetzungsprozesse in nennenswertem Umfang stattfinden. Das Wasser wird durch Algen grünlich gefärbt. Tendenziell ist mit höheren ph Werten (5 7) zu rechnen. Das Verhältnis des gelösten CSB am Gesamt CSB nimmt mit der Umsetzung ab. Das Abwasser ist aber meist noch immer hoch mit gelösten sauerstoffzehrenden Stoffen belastet (CSB filt. >> 150 mg/l). Für eine Nitrifikation des gelösten Stickstoffs liegen in den Sammelbecken in der Regel ein zu geringer ph Wert (Hemmung) und zu wenig Sauerstoff vor. 60

61 5.2 Ermittlung von Richtwerten zur Abschätzung der Stoffzusammensetzung von Stoffstrom 2 und Gesamt Stickstoffgehalt und chemischer Sauerstoffbedarf Wie zuvor erläutert, kann der CSB unter Umständen bei hohen Temperaturen einem anaeroben Abbau unterliegen. Eine Denitrifikation ist hingegen unwahrscheinlich, da eine zuvor notwendige Nitrifikation infolge anaerober Bedingungen in den Sammelbecken nicht stattfinden kann. Für die sechs kontinuierlich beprobten Biogasanlagen wurde geprüft, ob ein signifikanter Unterschied der Proben aus den Sammelbecken bezüglich des Verhältnisses N ges. /CSB ges. im Sommer und Winter 18 besteht. Kommt es zu Umsetzungen, muss sich das Verhältnis ändern. Diese These wurde mithilfe eines Vergleichs der Mittelwerte geprüft (t Test). Dafür wurden die Verhältnisse N ges. /CSB ges. in zwei Gruppen, Sommer und Winter, eingeteilt. Geprüft wurde die Nullhypothese, dass die Mittelwerte der beiden Gruppen sich nicht unterschieden. Die Hypothese muss abgelehnt werden (Fehler erster Art 5%). Offensichtlich gibt es einen statistisch signifikanten Unterschied zwischen dem Verhältnis im Sommer und im Winter. Das Verhältnis N ges. /CSB ges. im Sommer größer (Tabelle 17). Das kann mit einem möglichen Abbau von CSB im Sommer erklärt werden. Da der Stickstoff nicht nitrifiziert wird, nimmt er relativ zum CSB zu. Vergleich zweier Mittelwerte mit unbekannter Varianz Ho: μ1 μ2=0 Variable 1 Winter (N ges. /CSB ges. ) Variable 2 Sommer (N ges. /CSB ges. ) Mittelwert (μ) 0,033 0,040 Varianz 5,06E 05 1,14E 04 Beobachtungen Wahrscheinlichkeit Fehler 1. Art (α) 5% Hypothetische Differenz der Mittelwerte 0 Freiheitsgrade (f) 136 t Statistik 4,94 Kritischer t Wert bei zweiseitigem t Test c = t α/2,f 1,98 t = 4,94>1,98 > Ho ist abzulehnen Tabelle 17 (Vergleich Verhältnisse N ges.. /CSB ges. im Winter und Soomer mit t Test) Dieses Phänomen lässt sich auch graphisch darstellen, wenn das Verhältnis N ges. / CSB ges. als gleitendes Mittel im zeitlichen Verlauf aufgetragen wird, zusätzlich werden einige Werte der Tagestemperatur der DWD Station 5280 zum Vergleich dargestellt (Abbildung 23). Das Ergebnis unterstreicht die Plausibilität der Messergebnisse. 18 hydrologisches Winter und Sommerhalbjahr ( ; ) 61

62 Abbildung 23 (Verhältnis CSB/N im Jahresverlauf und Lufttemperatur DWD Station 5280) Für eine Abschätzung des N ges. werden getrennt nach Sommer und Winter Regressionen berechnet. Aus den Sammelbecken standen insgesamt 158 Datenpaare CSB ges. und N ges. zur Verfügung. 138 Datenpaare wurden für die Berechnung einer linearen Regression der beiden Parameter verwendet (Abbildung 24). Die verbleibenden 20 Datenpaare wurden für eine Fehlerbestimmung verwendet (unabhängiger Datensatz). Abbildung 24 (Regression zwischen CSB und Stickstoff für Winter und Sommer in den Sammelbecken) 62

63 Ein linearer Zusammenhang ist eindeutig zu erkennen. Je mehr CSB in der Probe enthalten ist, umso höher ist auch der Stickstoffgehalt. Ein hohes Bestimmtheitsmaß ermöglicht aber noch keine Aussage über die Genauigkeit einer Schätzung auf Basis der berechneten Regression. Die Größe des Bestimmtheitsmaßes hängt auch von der Spannweite der Daten ab. Daher wurden 20 Paare dazu verwendet, die Genauigkeit der Schätzung unabhängig zu überprüfen. Die 20 Paare wurden aus Proben von den Biogasanlagen der nicht kontinuierlichen stichprobenartigen Beprobung der Anlagen 7 12 ermittelt. Betrachtet wurde der relative Fehler 19 (di) der Schätzung bezogen auf den Messwert. Es wurden mehrere Modelle zur Bestimmung des N ges. mithilfe des CSB ges. Gehaltes geprüft (Tabelle 18). Modellbeschreibung Ansatz Modell relativer Standardfehler der Schätzung [ ] lineare. Regression Sommer und Winter lineare. Regression je Sommer und Winter N ges. = CSB ges. x 0, ,3 0,19 Winter: N ges. = CSB ges. x 0,029+17,6 Sommer: N ges. = CSB ges. x 0,034+26,4 0,18 mittleres Verh 20. N ges. / CSB ges. Sommer und Winter mittleres Verh. N ges. / CSB ges. je Sommer und Winter N ges. = CSB ges. x 0,032 0,30 Winter: N ges. = CSB ges. x 0,033 Sommer: N ges. = CSB ges. x 0,032 0,20 Tabelle 18 (Gegenüberstellung der Genauigkeit der Schätzung des Stickstoffgehaltes einer Probe mithilfe des CSB für verschiedene Berechnungsansätze) Die genaueste Schätzung des Stickstoffgehaltes mithilfe des CSB kann mit einem Regressionsmodell erfolgen, welches den Stickstoffgehalt aus dem CSB mit im Sommer und Winterhalbjahr unterschiedlichen Funktionen schätzt: Im Winter kann angenommen werden: N ges. CSB ges. x 0,029+17,6 ; alle Konzentrationen in mg/l Im Sommer kann angenommen werden: N ges. CSB ges. x 0,034+26,4 ; alle Konzentrationen in mg/l Der relativ. Standardfehler des so geschätzten N ges. liegt auf Basis des Prüfdatensatzes bei ± 18 % des tatsächlichen Stickstoffgehalts. 19 di = (N ges.probe N ges.regression ) / N ges.probe 20 Mittleres Verhältnis zwischen CSB und Stickstoff, entspricht dem Mittelwert der Werte gesamte Stickstoffkonzentration geteilt durch gesamte CSB Konzentration der Proben. 63

64 5.2.2 Beurteilung des Gehalts an gelösten anorganischen Stickstoffverbindungen (NH 4 N, NO 3 N und NO 2 N) Ammoniumgehalt Für direkt pflanzenverfügbare Stickstofffraktionen, vornehmlich NH 4 N, zeigten die Daten keinen Zusammenhang zwischen dem CSB filt. oder CSB ges.. Eine Berechnung des NH 4 N Gehaltes mithilfe eines linearen Regressionsmodells auf Basis des CSB Gehaltes ist ungenau. Dies lässt sich unter anderem daran erkennen, dass das Verhältnis zwischen dem gesamten Stickstoffgehalt und dem Ammoniumgehalt einer starken Variation unterliegt (Abbildung 25). Da zwischen dem gesamten Stickstoffgehalt und dem chemischen Sauerstoffbedarf ein Zusammenhang gefunden wurde, muss ein berechneter Zusammenhang zwischen CSB und Ammonium dann die gesamte Varianz beinhalten, welche das Verhältnis zwischen N ges. und Ammonium über den untersuchten Zeitraum aufweist. Abbildung 25 zeigt den Anteil des Ammoniums am gesamten Stickstoff für jede Messung von Proben aus den Sammelbecken der kontinuierlich beprobten Anlagen. Auf der x Achse ist der mittlere Gesamtstickstoffgehalt der jeweiligen Anlage aufgetragen. Abbildung 25 (Anteile Ammonium am Gesamtstickstoff Anlagen 1 6 über ein Jahr) Die Daten wurden ferner dahin untersucht, ob das Verhältnis N ges. /NH 4 N einen ausgeprägten jahreszeitlichen Verlauf aufweist. Ein solcher Zusammenhang konnte ebenfalls nicht gefunden werden. Ebenso scheint die Varianz alle Anlagen in ähnlichem Maße zu betreffen. Die Stickstofffraktionen sind ständigen Umsetzungsprozessen ausgesetzt, z.b. wird durch anaerobe Prozesse und Hydrolyse der partikuläre Stickstoffanteil zu Ammonium abgebaut. Einheitliche Zusammenhänge müssten vorliegen, wenn ein fester Zusammenhang zwischen CSB und NH 4 N gefunden werden soll. Diese liegen nicht vor. Vielfältige Einflüsse auf die Umsetzung des organischen Stickstoffs zu Ammonium sind denkbar, u.a.: Aufenthaltszeit des Abwassers im Sammelbecken 64

65 Wasser und Lufttemperatur Konzentrationen an organischen Säuren in der Sammelbecken (Hemmung der Prozesse) Einflüsse auf die Biozönose im Sammelbecken (z.b. Reste von Pflanzenschutzmitteln etc.) Demzufolge kann für eine einfache Schätzung kein einheitlicher Zusammenhang zwischen CSB und Ammonium vorgegeben werden. Allerdings kann festgestellt werden, dass der Anteil von Ammonium am Gesamtstickstoffgehalt i.d.r. deutlich über 10 % liegt. Daher wird empfohlen, den Ammoniumgehalt zu messen. Alternativ kann der Ammoniumgehalt über den N ges. grob abgeschätzt werden. Im Mittel aller Proben aus den Sammelbecken lag der Ammoniumstickstoffgehalt bei 43 % des Gesamtstickstoffgehalts. Nitrat und Nitrit Über das Sondermessprogramm wurden auch die oxidierten anorganischen Stickstoffverbindungen NO 2 N und NO 3 N gemessen. Die Bestimmung des Nitratstickstoffs wurde durch den hohen CSB erschwert. Ein zu hoher CSB führt methodenbedingt zu Mehrbefunden an Nitratstickstoff. Daher mussten die Proben teilweise soweit verdünnt werden, dass der Messbereich für die Nitratbestimmung unterschritten war. In solchen Fällen ist nur eine Angabe kleiner als möglich. Für die folgende Diskussion wurde angenommen, dass der Nitratgehalt solcher Proben an dieser Obergrenze liegt. Dennoch ist der Gehalt gering und spielt für die Bewertung eine untergeordnete Rolle. Der Mittelwert des NO 3 N aller Messungen des Sonderprogramms aus den Sammelbecken lag bei 3 % des N ges.. Von 63 Proben, hatten nur vier Proben einen Nitratstickstoffgehalt von mehr als 10 % des N ges.. Diese erhöhten Proben wurden alle im Sommer gemessen, das Maximum lag bei 17 %. Auch für die Beurteilung des Gehaltes an Nitritstickstoff wurde wie bei Nitratstickstoff der maximal mögliche Gehalt angenommen, wenn der Messbereich der Analyse unterschritten war. Der Mittelwert von 63 Proben lag bei 0,18 mg NO 2 N/l, maximal wurde ein Wert von 0,81 mg NO 2 N/l gemessen. Der Mittelwert liegt stöchiometrisch umgerechnet bei 0,6 mg NO 2 N/l und damit nur leicht über dem Grenzwert nach Trinkwasserverordnung Im Hinblick auf die Konzentrationen anderer Stoffe ist der Gehalt an Nitrit daher als unauffällig zu bezeichnen und für eine Bewertung des Nährstoffgehalts nicht maßgebend. Nitrat entsteht bei Oxidation von Ammonium über Nitrit. Beide Stoffe kommen in den Sammelbecken im Vergleich zum Ammonium in nur geringen Mengen vor. Dies verdeutlicht erneut die anaeroben Lagerbedingungen in den Sammelbecken. Im Sommer kann tendenziell mit etwas höheren Gehalten gerechnet werden, da die Nitrifikation schneller bei höheren Temperaturen verläuft. Sollte eine Ausbringung im Sommer auf Basis einer Messung des Ammoniumgehaltes erfolgen, sollte auch der Nitratgehalt festgestellt werden. Für die Beurteilung der Düngewirkung ist der Gehalt an Ammonium entscheidend. Es muss betont werden, dass sich das Verhältnis zwischen Nitrat und Ammonium nach Ausbringung auf eine größere Fläche sehr schnell ändern kann, da infolge des erhöhten Sauerstoffangebotes eine Nitrifikation erfolgen kann. 65

66 Es muss ferner auch davon ausgegangen werden, dass sich der Anteil des schnell verfügbaren Stickstoffs nach Ausbringung erhöhen kann. Aus Kapitel 5.1 kann abgeleitet werden, dass die organischen Stoffe leicht abbaubar sind und daher schnell umgesetzt werden können. Der Anteil der mineralischen Stickstofffraktionen (pflanzlich verfügbar) wird sich daher noch erhöhen. In aerober Umgebung wird das Ammonium zudem nitrifiziert und in leicht mobiles Nitrat umgewandelt, welches besonders leicht auswaschbar ist und in tiefere nicht mehr vom Wurzelsaum erreichbare Bodenschichten verfrachtet werden kann und damit schneller in das Grundwasser gelangen kann Beschreibung des Verhältnisses gelöster und partikulärer Stoffe (CSB filt. / CSB ges. ) Das Verhältnis zwischen CSB filt. /CSB ges. kann herangezogen werden, um die Proben aus den Sammelbecken hinsichtlich möglicher Weiterbehandlungen und der Abbaubarkeit der Bestandteile zu beurteilen. Es wurde bereits eingehend erläutert (Kapitel 5.1), dass in der Vorstudie Proben mit einem hohen Anteil an löslichem CSB i.d.r. ein günstiges Verhältnis zwischen BSB 5 und CSB aufzeigten. Zum anderen wurde während der Probennahme festgestellt, dass Proben von weniger belasteten Sammelbecken deutlich erkennbar Algen oder Wasserlinsen enthalten können Die Daten wurden hinsichtlich eines jahreszeitlichen Einflusses auf das Verhältnis CSB filt. / CSB ges. analysiert. Für alle Anlagen kann dieser Einfluss nicht erkannt werden. Werden hingegen nur Anlagen mit geringer Belastung betrachtet, ist festzustellen, dass im Sommer ein niedrigeres Verhältnis vorliegt. Auf Anlagen mit höherer Belastung liegt der CSB das ganze Jahr über überwiegend gelöst vor. Im Mittel aller Proben über ein Jahr der kontinuierlichen Beobachtungen liegt der gelöste Anteil bei 76 %. Der Zusammenhang lässt sich graphisch gut darstellen. In Abbildung 26 ist zu erkennen, dass unterhalb einer Konzentration von etwa 5000 mg/l (CSB ges. ), der Wertebereich zwischen 0 und 1 (Anteil CSB filt. ) relativ gleichmäßig besetzt ist. Ab etwa 5000 mg/l kommen fast nur noch Werte zwischen 0,8 und 1 vor. Werte über 1 sind auf zufällige Messfehler zurückzuführen, ebenso sind einzelne Ausreißer enthalten. In Abbildung 26 sind ebenso die mittleren Anteile des gelösten CSB als anlagenspezifische Werte als ausgekreuzte Quadrate aufgetragen. Hier ist eindeutig ein Trend zu erkennen: Je geringer die Belastung insgesamt, umso geringer ist auch der Anteil der gelösten Verbindungen am gesamten Sauerstoffbedarf im Mittel. Allerdings kann auch auf diesen Anlagen im Winter ein CSB filt. Anteil von 80 % und größer am CSB ges. erreicht werden. 66

67 relativer Anteil CSB im Filtrat am gesamten CSB 1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 Anlage3 Anteil gelöster CSB Anlage2 Anlage5 Anlage6 Anlage1 Anlage4 Verhältnis CSBfilt/CSBhom anlagenspez. Mittelwert gesanter CSB in der Probe oder anlagenspez. Mittelwert aller Proben [mg/l] Abbildung 26 (Anteil gelöster CSB am Gesamt CSB sortiert nach aufsteigender Konzentration) Phosphorgehalt Über das Sondermessprogramm wurden der Gesamt Phosphor und der gelöste Anteil als PO 4 P bestimmt. Der Zusammenhang zwischen dem Phosphorgehalt (P ges ) und dem CSB ist signifikant (Abbildung 27), wenn der gesamte Bereich der gemessenen Konzentrationen zugrunde gelegt wird. Zudem lag der Anteil des gelösten PO 4 P am Gesamt P im Mittel aller Proben 21 aus den Sammelbecken bei 90 %. 21 Insgesamt 32 Proben aus Sammelbecken, bei denen sowohl opo 4 P und P ges. Gehalt analysiert wurde. Auch bei weiteren 13 Proben aus den Vorlageschächten lag der Anteil opo 4 P am P ges. Gehalt im Mittel bei 86 % und bestätigt damit die Aussage. 67

68 P ges. [mg/l] y = 0,009x + 5,5 R² = 0,98 Ausreißer 200 Sammelbecken Pges und CSBhom 100 Vorlageschacht Pges und CSBhom CSB ges. [mg/l] Abbildung 27 (Regression zwischen CSB ges. und P ges. berechnet aus den Proben der Sammelbecken, zur Kontrolle Proben aus den Vorlageschächten) Das in Abbildung 27 dargestellte Regressionsmodell wurde auf Basis der Datenpaare des Sondermessprogramms auf den Anlagen der kontinuierlichen Messung berechnet. Mithilfe weiterer sieben Datenpaare der restlichen Anlagen mit Sammelbecken und den Datenpaaren der Proben aus den Vorlageschächten, wurde das Modell mit einer unabhängigen Datenreihe auf seine Genauigkeit geprüft. Ein Datenpaar wurde als Ausreißer aufgrund weiterer stark abweichender Verhältnisse (TS R / CSB ges. ; N ges. / CSB ges. und P ges / CSB ges. ) nicht berücksichtigt. Für die Prüfung standen damit 19 Datenpaare (P ges. und CSB ges. ) zur Verfügung. Der relative Standardfehler der Schätzung des P ges. auf Grundlage des CSB ges. betrug im Mittel 19% des tatsächlichen P ges.. Eine Umrechnung auf den P 2 O 5 Gehalt ist nicht enthalten. Der P ges. im stark verunreinigten Niederschlagswasser und Gär und Silagesickersaft kann mithilfe des CSB ges. einer Probe mit folgender Gleichung abgeschätzt werden: P ges. CSB ges. 0, ,5 ; alle Konzentrationen in mg/l P, nicht als mg P 2 O Kaliumwerte in den Sammelbecken Die Messungen des Kaliumgehaltes mit Küvetten Tests erwiesen sich auf Grundlage der eigenen Überprüfungen der Messungen mit Standards und Aufstockungen als ungenau (Kapitel 1.2.3). Die Ungenauigkeit des Testes spiegelt sich im Regressionsmodell zwischen Kalium und CSB wider (Abbildung 28). Grundsätzlich kann zwar ein linearer Zusammenhang vermutet werden (je höher der CSB umso höher auch der Kaliumgehalt), für eine Schätzung in der Praxis scheint ein solches Model aber ungeeignet. 68

69 K + [mg/l] y = 0,051x + 93,2 R² = 0, CSB ges. aus Sammelbecken [mg/l] Abbildung 28 (Regression zwischen CSB und Kalium im Sammelbecken) Kalium ist ein wichtiger Pflanzennährstoff und muss daher auch in der Silage und sollte auch in den Gär und Silagesickersäften in einer dem Stickstoffgehalt vergleichbaren Größe vorkommen. Der Stoff ist leicht wasserlöslich. Grundsätzlich muss also auch mit relevanten Mengen an Kalium im Oberflächenabfluss gerechnet werden. Um eine grobe Abschätzung des Kaliumgehaltes auf Grundlage der Messungen zu ermöglichen, wird das Verhältnis zwischen gemessenem Kaliumgehalt und gesamten Stickstoff aller Messungen gebildet und als Histogramm dargestellt (Abbildung 29). Eine Verhältnisangabe zum gesamten Stickstoffgehalt eignet sich insbesondere, da für dieses Verhältnis Angaben z. B. in Düngeempfehlungen, für die Zusammensetzung von Pflanzen oder von Silage und Gärsaften existieren und damit auf Plausibilität geprüft werden können. Abbildung 29 (Darstellung der Verhältnisse K/N ges. als Histogramm) Abbildung 29 zeigt sowohl für alle Datenpaare als auch für die Proben aus den Sammelbecken eine rechtsschiefe Verteilung. Der Median scheint geeignet, den Kaliumgehalt auf Grundlage eines bekannten Stickstoffgehaltes abzuschätzen. Der Median beträgt 0,66. Das bedeutet, der Kaliumgehalt wird mit größter Wahrscheinlichkeit bei etwa 66 % des Stickstoffgehaltes liegen, die Schätzung muss als sehr grob aufgefasst werden: 69

70 K + N ges. x 0,66 ; alle Angaben in mg / l Kaliumgehalt als K, nicht als K 2 O Beurteilung des Stoffstroms stark verunreinigtes Niederschlagswasser" nach DüV Im Sinne des Düngerechtes wird geprüft, ob in einem ausgebrachten Stoff ein wesentlicher Nährstoffgehalt enthalten ist (DüV 2). Per Definition trifft dies zu, wenn mehr als 1,5% der Trockenmasse Stickstoff oder mehr als 0,5% Phosphor enthalten ist. Abbildung 30 zeigt die Messdaten aller Proben aus den Sammelbecken, wobei auf der x Achse der Trockensubstanzgehalt und auf den y Achsen die N ges. bzw. der P ges. in logarithmischer Skalierung aufgetragen sind. Zusätzlich sind die Grenzwerte 1,5 % TS und 0,5 % TS als Geraden dargestellt. Alle Datenpunkte N ges. über der Gerade 1,5 % TS erfüllen die Bedingung wesentlicher Nährstoffgehalt Stickstoff, die Datenpunkte Pges. über der Gerade 0,5 % TS für den Nährstoff Phosphor respektive. Von 155 analysierten Proben wurde die Bedingung für Stickstoff nur einmal nicht erfüllt. Bei dieser Probe handelte es sich um eine wenig belastete Probe, bei welcher bei Probennahme wahrscheinlich relativ viel Sediment mit aufgenommen wurde (Probe Nr. 40). Für die Gehalte an P ges. (als P 2 O 5 ) liegen fast alle über der 0,5 % TS Gerade, nur bei einer Messung liegt der Datenpunkt nahe der Geraden. Es ist die gleiche Probe (Nr. 40). Es erhärtet sich die Annahme, dass es sich bei dieser Probe hinsichtlich des TS um einen Ausreißer handelt. Neben dieser Bedingung wurden die Proben aus den Sammelbecken darauf hin geprüft, ob ein wesentlicher Gehalt an verfügbaren Stickstoff vorliegt. Hiervon ist nach Definition der DüV immer auszugehen, wenn ein wesentlicher Nährstoffgehalt an Stickstoff vorliegt und mehr als 10 % gelöst sind. Auch diese Bedingung hätte für fast alle Proben zugetroffen, da der Gehalt an gelöstem Ammonium in der Regel sehr hoch ist. Nur bei sieben von 155 Proben lag der Ammoniumgehalt unter 10 % des N ges. 22. Diese sieben Proben wurden im Hochsommer aus Sammelbecken mit großer Oberfläche entnommen. Zu den Zeitpunkten waren in den Behältern zudem nur geringe Volumina gelagert. 22 Trifft bei den Proben mit den Nummern 40, 41, 377, 378, 401, 402, und 410 zu. 70

71 Trockensubstanzgehalt der Proben aus den Sammelbecken und Stickstoff (logarithmisch, links) bzw. Phosphor (logarithmisch, rechts) N ges. in mg/l (logarithmisch) Nges. Pges. als P205 1,5% TS 0,5% TS N ges. : 155 Datenpaare P ges. : 60 Datenpaare P ges. als P 2 O 5 in mg/l (logarithmisch) 1 1 0,0 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0 30,0 35,0 Trockensubstanzgehalt der Probe in g/l Abbildung 30 (Beurteilung der Proben aus den Sammelbecken nach DüV, Anteil Stickstoff bzw.. P 2 O 5 am Trockensubstanzgehalt) Werden die Grundsätze der DüV auf das stark verschmutze Niederschlagswasser angewendet, muss grundsätzlich von einem wesentlichen Nährstoffgehalt (sowohl Phosphor als auch Stickstoff) und einem wesentlichen Gehalt an verfügbarem Stickstoff ausgegangen werden. Die genannten Grenzwerte werden in der Regel überschritten, da die relevanten Stoffe meist gelöst und im Vergleich zu häuslichem Abwasser in hohen Konzentrationen vorkommen und ferner der Trockenmassegehalt der flüssigen Proben im Vergleich zu Düngemitteln gering ist. Das bedeutet, dass im Grunde für alle stark verunreinigten Niederschlagswässer von Biogasanlagen, die Grundsätze der DüV zur Anwendung 23 eingehalten werden sollten. 23 Vgl. (DüV, 2006, 3 ff.) 71

72 6 Belastung des Gär und Silagesickersaftes und Vergleich von Messwerten aus Vorlageschächten In der Literatur kann eine sehr große Bandbreite von Konzentrationen für die organische Belastung und chemische Zusammensetzung von flüssigen Abgängen aus Anlagen zum Lagern von Silage gefunden werden. Eine Zusammenfassung lässt sich z. B. in einer Dissertation zu diesem Thema finden (Kahlstatt, 1999). Erschwert wird die Interpretation der Angaben allgemein zusätzlich, da die Begriffe Gärsaft oder Silagesickersaft zumeist nicht einheitlich verwendet werden. Silagesickersaft und Gärsaft kann nach dem Grund der Entstehung unterschieden werden. Silagesickersaft entsteht, wenn Regenwasser in die Silage eindringt und lösliche Bestandteile auswäscht. Gärsaft entsteht unabhängig vom Regenwasser als Nebenprodukt der Gärung (Kahlstatt, 1999). Allgemein werden beide Fraktionen als gleichwertig hinsichtlich der Bestandteile beschrieben. Um die unterschiedlichen Ursachen der Entstehung zu betonen, wird in dieser Arbeit der Begriff Gär und Silagesickersaft verwendet. Die zuvor genannten Ursachen der Entstehung legen die Vermutung nahe, dass die große Variationsbreite der Angaben zu Konzentrationen, wie sie (Kahlstatt, 1999, S. 15) z.b. für den Parameter N ges : 0,5 bis 3,9 kg/m³ darstellt, letztendlich auf einer mehr oder weniger starken Verdünnung durch Regenwasser beruht. Ein Vergleich mit Angaben verschiedener Behörden zum Stickstoffgehalt von Gär und Silagesickersaft 24 legt die Vermutung nahe, dass für diese Merkblätter ein Mittelwert oder Median zugrunde gelegt wurde. Für das Auftreten von reinem Gärsaft werden an einigen Stellen Angaben in Abhängigkeit des Trockensubstanzgehaltes der Silage und dem vorhandenen Vertikaldruck angegeben (vgl. z.b. Kapitel 4.2; Fußnote 11). Bei sehr hohem Trockensubstanzgehalt wird davon ausgegangen, dass kein Gärsaft entsteht. Ein Abfluss im Bereich des Anschnitts der Silos wurde jedoch auf allen Anlagen ganzjährig und unabhängig vom Wetter beobachtet. Neben einer Beprobung der Sammelbecken wurden im Grundmessprogramm Mischproben aus den Vorlageschächten entnommen (vgl. Kapitel 3). Diesen fließt je nach Entwässerungssystem entweder nur der Bereich des Anschnitts (Gär und Silagesickersaft) oder der gesamte Silobereich zu (vgl. Kapitel 3). In Tabelle 19 sind die Ergebnisse einer statistischen Auswertung der Proben aus den Vorlageschächten aufgeführt. In der Abbildung 33 ist zudem der Anteil des Ammoniumgehaltes (löslicher N Anteil) sowie der Anteil des CSB filt. am CSB ges. über das untersuchte Jahr dargestellt. 24 (Bayerisches Landesamt für Umwelt, 2012): N ges. : 1,5 kg/m³, (Landwirtschaftliches Technologiezentrum Augustenberg, 2008): N ges. : 1,3 kg/m³ oder (Landwirtschaftsberatung, 2011): 0,8 1,5 kg/m³, 72

73 N ges. alle Anlagen [kg/m³] N ges. Anlage 1 [kg/m³] N ges. Anlage 2 [kg/m³] 73 N ges. Anlage 3 [kg/m³] N ges. Anlage 4 [kg/m³] N ges. Anlage 5 [kg/m³] N ges. Anlage 6 [kg/m³] Anzahl Min 0,02 0,30 0,15 0,15 0,25 0,28 1,03 Max 3,11 2,88 2,36 0,82 2,80 2,76 2,92 Mittel 1,36 1,55 1,17 0,43 1,40 1,18 1,71 Median 1,33 1,57 1,37 0,35 1,37 1,12 1,57 Standardabweichung 0,86 0,90 0,72 0,25 0,70 0,74 0,45 Tabelle 19 (statistische Auswertung der Belastung in den Vorlagebehälter) Die Werte fast aller Anlagen der kontinuierlichen Beprobung (1, 2, 4, 5 und 6) liegen in dem Bereich der in den genannten Veröffentlichungen für die Belastungen von Gär und Silagesickersäften angegeben wird (gilt für Mittelwert und Median). Die Belastung mit Stickstoff in den Vorlageschächten ist hoch. Nur Anlage 3 weicht deutlich ab (Median 0,35 kg N/m³). Das den Vorlageschächten zufließende Wasser ist im Mittel aufgrund seiner Belastung als Gär und Silagesickersaft zu bezeichnen. Es muss betont werden, dass die Ergebnisse in Tabelle 19 für die Anlagen 1 bis 6 im Rahmen einer Untersuchung über ein Jahr zustande kamen. Die Ergebnisse widersprechen damit der allgemeinen Auffassung, dass insbesondere nur nach Beginn der Silierung, mit hoher Verschmutzung zu rechnen ist. Vielmehr entsteht ganzjährig, auch wenn der Gärprozess abgeschlossen ist, im Bereich des Silos ein Stoffgemisch welches aufgrund seiner Belastung dem reinen Gärsaft gleichwertig ist. Ob sich die Entstehung des Stoffgemisches auf das Eindringen von Regenwasser in den Anschnittsbereich oder auf die Prozesse der Gärung im Silostock begründet, ist dabei unerheblich. Auf der Mehrzahl der untersuchten Anlagen scheint sich eine Vermischung von Stoffstrom 2 und 3 nicht auf die mit Stickstoff Belastung im Vorlagebehälter auszuwirken. Unterschiede bestehen aber hinsichtlich der Extremwerte (Minimal und Maximalwert) und der Standardabweichung. Diese Unterschiede lassen sich mit dem Entwässerungssystem, den Unterschieden im Silomanagement und der Probennahme begründen. Die Erläuterungen folgen und müssen auf Grundlage der Beobachtungen vor Ort begründet werden. Die Vorlagebehälter haben in der Regel ein geringes Volumen (wenige Kubikmeter). Während eines Regenereignisses wird das Volumen daher mehrfach ausgetauscht. Nach dem Ereignis verursacht der langsam und verzögert durch den Anschnitt sickernde Gär und Silagesickersaft eine stete Erhöhung der Konzentrationen an N ges. im Schacht. Die Maximalwerte in Tabelle 19 entsprechen also Messungen zu einem Zeitpunkt bei dem ein hoher Trockenwetterabfluss im Vorlagebehälter vorhanden war (Stoffstrom 3). Die Minimalwerte repräsentieren einen geringeren Anteil von Stoffstrom 3 und eine stärkere Verdünnung mit Niederschlagswasser. Je größer die Fläche ist von der Stoffstrom 2 dem Schacht zufließen kann, umso größer muss auch die Standardabweichung sein, da der Grad der Verdünnung vom Zufluss des Stoffstroms 2 abhängig ist. Exemplarisch ist dieser bei Anlage 6 erkennbar, die durch eine sehr kleine Segmentfläche für Stoffstrom 2 charakterisiert ist (Tabelle 14, Zufluss an Fermenter).

74 Auf den Anlagen 1, 2, 4 und 5 waren die Anteile der angeschlossenen Flächen, welchen der Stoffstrom 2 zuzuweisen ist, deutlich größer. Entsprechend ist die Standardabweichung höher und die Minimalwerte sehr viel kleiner. Die Maximalwerte erreichen aber die gleiche Größenordnung. Sie repräsentieren den Trockenwetterabfluss von Gär und Silagesickersaft. Die Messwerte auf Anlage 3 unterschieden sich von den anderen Anlagen erheblich und waren insgesamt sehr viel niedriger. Auch die Standardabweichung ist am kleinsten. Wie bei Anlage 6 wurde nur der Bereich des Anschnitts dem Schacht zugeleitet. Dies erklärt die kleine Standardabweichung. Zudem ist der Schacht groß, was zu einer zusätzlichen Dämpfung führt, da sich Änderungen in der Zulaufkonzentration nur verzögert bemerkbar machen. Insgesamt können die niedrigen Werte aber nur mit einem geringen Abfluss von Gär und Silagesickersäften erklärt werden. Möglicherweise unterschied sich der Trockensubstanzgehalt der Silage auf dieser Anlage von den anderen Anlagen erheblich. Die Stapelhöhe und die Ausbildung der Abdeckung waren auf allen der sechs Anlagen vergleichbar (6 8 m). Der Einfluss von Niederschlagsereignissen auf die Konzentration von Gär und Silagesickersäften in den Vorlageschächten lässt sich bedingt auch an den Jahresverläufen erkennen, obwohl die Beprobung nicht auf Regentage abgestimmt war. In den Abbildung 31 und Abbildung 32 sind die Konzentrationsverläufe von jeweils zwei räumlich nahe zusammenliegenden Anlagen in Abhängigkeit des Niederschlags dargestellt. Dieser lässt sich an der Niederschlagssummenlinie ablesen. Bereiche mit großer Steigung entsprechen Regenphasen. Zeitraum Silierung Grün Roggen Abbildung 31 (Vergleich Konzentrationen im Vorlagebehälter Anlage 1 und 3) 74

75 Abbildung 32 (Vergleich Konzentrationen im Vorlagebehälter Anlage 4 und 5) Die Ähnlichkeit in den Verläufen der einzelnen Anlagen ist eindeutig erkennbar. Teilweise lassen sich die Extremwerte den Regenwetter /Trockenwetterphasen zuordnen. Phasen mit großer Steigung in der Niederschlagsdauerlinie zeigen tendenziell niedrigere Konzentrationen im Jahresverlauf auf (Abbildung 31, Abbildung 32). Phasen mit geringerer Steigung fallen zeitlich mit hohen Konzentrationen im Vorlagebehälter zusammen. Obschon nur eine Tendenz erkannt werden kann, da die Probennahme nicht auf solche Ereignisse abgestimmt waren und auch keine Messung des Niederschlags vor Ort vorgenommen wurde. Eine lang anhaltende hohe Konzentration wurde auf der Anlage 1 ab Mai 2014 gemessen. Diese Phase fällt zeitlich mit der Einlagerung von Grün Roggen Silage zusammen (Abbildung 31). 75

76 Abbildung 33 zeigt die Anteile des Ammonium und des CSB im Filtrat am gesamten Stickstoff bzw. CSB aller Proben aus den Vorlageschächten im Jahresverlauf. Löslicher Anteil CSB; Anteil NH 4 N am N ges. 160% 140% 120% 100% 80% 60% 40% 20% NH4N/Nges CSBfilt/CSBges 0% Abbildung 33 (Darstellung der Anteile der löslichen Verbindungen am Gesamtgehalt des jeweiligen Stoffes im Jahresverlauf, Proben aus dem Vorlagebehälter aller Anlagen) Der gelöste Anteil des CSB liegt meist zwischen 80 und 100 %. Werte über 100 % sind auf zufällige Messfehler zurückzuführen. Der Ammoniumanteil am Gesamtstickstoff ist im Vergleich zu den Verhältnissen in den Sammelbecken geringer (vgl. hierzu Abbildung 25) und liegt in der Regel zwischen 10 und 40 %. Es ist anzunehmen, dass sich der Anteil des Ammoniums bei längerer Aufenthaltszeit durch Hydrolyse und Mineralisation des partikulären Stickstoffs noch deutlich erhöht. Die gemessenen Werte der Konzentrationen in den Vorlageschächten stimmen mit Angaben anderer Autoren bzgl. der Belastung von Gär und Silagesickersäften in der Bandbreite überein 25. Der reine Gärsaft (nur aus der Gärung, ohne Sickersaft) scheint im Allgemeinen hinsichtlich seines N ges. allerdings eher etwas unterschätzt zu werden. Da es in der Praxis aber kaum möglich ist diesen ohne Sickersaft zu fassen, ist der Effekt ohne Auswirkungen, solange die anfallende Menge des Regenwassers im Anschnitt berücksichtigt wird und nicht ausschließlich eine Berechnung auf Basis des Trockensubstanzgehaltes zugrunde gelegt wird. Für die Berechnungen der Belastung und der Nährstoffkonzentrationen im Gär und Silagesickersaft sollte unabhängig von der Herkunft ein mittlerer Wert von N ges. = 1,3 kg/m³ angesetzt werden. Dieser Stoff tritt in Abhängigkeit des Zusammenspieles von Trockensubstanzgehalt und Vertikaldruck im Silo sowie nach Einbruch von Regenwasser in den Anschnitt auf. Die Menge des eindringenden Regenwassers ist bei der Planung von Auffangbehältern und bei der Ausbringung zu berücksichtigen. Für eine Abschätzung anderer relevanter Verbindungen (P, K) können die Näherungsformeln für den Stoffstrom 2 herangezogen werden (Kapitel 5.2). Durch Messung des Nährstoffgehaltes ist wahrscheinlich aber eine effizientere landwirtschaftliche Nutzung 25 (Bayerisches Landesamt für Umwelt, 2012), (Kahlstatt, 1999), (Bardgett, James, & Leemans, 1995), (Dunlea & Dodd, 1988), (Landwirtschaftsberatung, 2011) 76

77 möglich. Näherungsformeln sollten daher nur zur Plausibilitätsprüfung herangezogen werden. 6.1 Abgleich der Näherungsformeln mit Angaben zu ähnlichen Stoffgruppen Eine Betrachtung der Verhältnisse der Stoffgruppen N:K:P untereinander ermöglicht den Vergleich verschiedener Stoffgemische und den Abgleich mit berechneten Werten unter Zuhilfenahme der Richtwerte qualitativ (Tabelle 21). Als Bezugswert zur Berechnung eines fiktiven Stoffgemisches mittels der Näherungsformeln wurde der Median des gesamten CSB aller Messungen aus den Vorlageschächten gebildet, dieser Wert entspricht in etwa dem mittleren Abfluss von Gär und Silagesickersaft (aus Tabelle 20). CSB ges. alle Anlagen [kg/m³] Anzahl Daten 133 Min 0,36 Max 139,72 Mittel 49,64 Median 51,08 Standardabweichung 30,91 Tabelle 20 (CSB ges. alle Proben der Vorlageschächte) 77

78 Um die Stoffgemische miteinander vergleichen zu können, wurden alle Massenangaben zusätzlich relativ auf die Phosphorkonzentration bezogen. Für die Berechnung wurden die Konzentrationen des jeweiligen Elementes herangezogen, wie für Wasserproben üblich. Für die Umrechnung der Angaben von Stoffgemischen aus dem landwirtschaftlichen Bereich, wurden folgende stöchiometrisch 26 begründeten Faktoren verwendet: 1 mg P 2,3 mg P 2 O 5 1 mg K 1,2 mg K 2 O Stoffgruppe N K P Silomais (35%TS) 0,47 kg N 0,56/1,2 0,20/2,3 in kg/dt FM =0,47 kg K + /m³ =0,09 kg P/m³ N/P bzw. K/P (Masse jeweiliger Parameter relativ bezogen auf P) 5,2 5,2 1 (Bayerische Landesanstalt für Landwirtschaft, 2013) Inhalt Gärsaft in kg/m³ 1,5 kg N/m³ 4/1,2 = 3,3 kg K + /m³ 0,3/2,3 =0,13 kg P/m³ (Bayerisches Landesamt für Umwelt, 2012) N/P bzw. K/P Silagesickersaft als Düngemittel kg/m³ N/P bzw. K/P 11 1,3 kg N/m³ 27 3,0 25 5,0/1,2 = 4,2 kg K + /m³ 9,5 1 1,0/2,3 =0,44 kg P/m³ 1 (Landwirtschaftliches Technologiezentrum Augustenberg, 2008) Oberflächenabfluss auf 5*10^4*0,034 0,66*1726 5*10^4*0,009 Berechnung mit BGA, berechnet für +26,4 =1139 mg K + /l +5,5 Näherungswerte auf c(csb ges. )= 5*10^5mg/l =1726 mg N/l = 1,1 kg K + /m³ =456 mg P/l Basis Median CSB =1,7 kg N/m³ =0,5 kg P/m³ Vorlagebehälter und Näherungsformel N/P bzw. K/P 3,4 2,2 1 Tabelle 21 (Vergleich Stoffzusammensetzung absolut und bezogen auf Phosphor im Silomais und in Gär und Silagesickersaft nach verschiedenen Autoren für N,P und K) Hinsichtlich des Stickstoffanteils zeigen die berechneten Werte mithilfe der Näherungsformeln bei einem CSB von mg/l gute Übereinstimmungen mit den Angaben zu Gär und Silagesickersaft aus anderen Quellen (1,7 bzw. 1,5 oder 1,3 kg N/m³). Auch beim Phosphorgehalt stimmt der berechnete Wert gut mit einer Quelle überein (0,5 bzw. 0,44 kg P/m³ (Landwirtschaftliches Technologiezentrum Augustenberg, 2008)). Hinsichtlich der Angabe vom (Bayerisches Landesamt für Umwelt, 2012) zeigen sich beim Phosphorgehalt Abweichungen, allerdings erscheinen hier die Massenanteile sowohl von N und K bezogen auf P sehr hoch. Möglicherweise wurde der Phosphorgehalt unterschätzt. Beim Kaliumgehalt sind die Angaben sowohl von (Bayerisches Landesamt für Umwelt, 2012) und (Landwirtschaftliches Technologiezentrum Augustenberg, 2008) größer als die Schätzungen für einen CSB Gehalt von mg/l im Gär und Silagesickersaft (je 3,3; 4,2 und 1,1 kg K + /m³). Es ist möglich, dass die Kaliumwerte mit den Näherungsformeln 26 1gP (2*31+5*16)/2/31 = 2,3 gp 2 O 5 ; 1gK (2*39+16)/2/39 = 1,2 gk 2 O 27 Laut Quelle der Stickstoff der mindestens im Anwendungsjahr auf die Düngung anrechenbar ist. 78

79 unterschätzt werden, Probleme bei der Kaliumbestimmung wurden bereits angesprochen. Da Kaliumsalze gut wasserlöslich sind, spricht dieses tendenziell für ein höheres Massenverhältnis Kalium/Phosphor im Silagesickersaft als im Ausgangssubstrat, wie es sich in der Tendenz aus den beiden Quellen ergibt. Die Massenverhältnisse N/P und K/P, wie sie sich aus den berechneten Werten mit den Näherungsformeln ergeben, liegen hingegen am nächsten an der Stoffzusammensetzung des Ausgangssubstrats. Grundsätzlich erscheinen daher die auf Basis der Näherungsformeln geschätzten Werte für N und P als plausibel. Hinsichtlich des Kaliumgehaltes sollten die Werte sehr vorsichtig verwendet werden. 79

80 ZUSAMMENFASSUNG UND DISKUSSION 7 Empfehlungen zu Entwässerungsverfahren und Betrieb 7.1 Maßnahmen zur Behandlung Stoffstrom 1a und 1b Die gängigen Maßnahmen auf BGAs, Regenwasser der Kategorie 1a im Becken zu sammeln und anschließend vor Ort zu versickern, werden auf Basis der Messungen in den Regenbecken der Anlagen 3 und 12 als günstig bewertet. In den Regenbecken wurden zudem stets Bedingungen vorgefunden, die eine Assimilation gelöster Stoffe ermöglichten (Algen, Daphnien). Bei einer Bewertung der Zustände in Regenbecken sollten daher Analysewerte des Filtrats zugrunde gelegt werden (NH 4 N oder CSB filt. ). Wird nur der gesamte Chemische Sauerstoffbedarf (CSB ges. ) oder der N ges. (der homogenisierten Probe) herangezogen, wird die Biomasse der Algen mitgemessen. Diese verursachen aber keine akute Sauerstoffzehrung bei einer Einleitung in die Vorflut, bei einer Versickerung werden sie im Oberboden festgehalten. Die Ergebnisse zeigen aber auch, dass bei einer Mitbehandlung des Stoffstroms 1b i.d.r. mit einer höheren Konzentration zu rechnen ist. Ein CSB im Filtrat von 150 mg/l wurde auf allen Anlagen, die Wasser der Kategorie 1b ebenso im Regenbecken sammeln, an mehreren Terminen überschritten. Aus diesem Grund und besonders im Hinblick auf die Gefahr bei Havarien ist eine Versickerung über den bewachsenen Oberboden einer Einleitung in die Vorflut nach der Behandlung in einem Regenbecken immer vorzuziehen. 7.2 Maßnahmen zur Minimierung des Stoffstroms 2 Die Möglichkeit, vollständig geleerte und nass gereinigte Siloflächen über ein Regenbecken gesondert als Kategorie 1b zu entwässern, hat entscheidenden Einfluss auf die Menge des Stoffstroms 2. Die Menge des Stoffstroms 2 wird erheblich reduziert (vgl. Kapitel 2 ). Es müssen dann im Sammelbecken nach überschläglicher Berechnung Mengen des Stoffstroms 2 gesammelt werden, welche durchaus auch in der Fermentation genutzt oder zusammen mit dem Gärrest gelagert und ausgebracht werden können. Das Gärrestlager müsste entsprechend etwas größer gewählt werden. Bei den Anlagen 1 und 2 hatte die Menge von Stoffstrom 2 etwa eine Größe, die 25% des halbjährlichen Gärrestes 28 der Anlage entsprach (Kapitel 4.2, Tabelle 14 (Berechnung Zufluss im Untersuchung Zeitraum Anlage 1 6, Stoffstrom 1, 2, 3)). Günstig wirkt sich auch eine große Zahl kleiner Silos auf die Größe der abflusswirksamen Fläche und damit auf das anfallende Volumen von stark verunreinigtem Niederschlagswasser aus. Zu beachten ist bei der Bemessung des Abflussvolumens, dass es für die mengenmäßige Abschätzung unerheblich ist, ob vollständig geleerte Silos nass gereinigt an das Regenbecken angeschlossen sind oder neu befüllt werden und daher über die Abdeckung an das Regenbecken entwässern. Die Flächen werden in beiden Fällen nicht für Stoffstrom 2 und 3 abflusswirksam. Das heißt auch, dass eine Nutzung von Pflanzen mit verschiedenen Erntezeitpunkten (Sommerfrucht, Winterfrucht) sich günstig auf das Silomanagement und die Größe der abflusswirksamen Fläche auswirkt. Die Siloflächen werden bei mehreren Ernten besser ausgenutzt und sind daher im Mittel häufiger abgedeckt. Die Darstellungen in Kapitel 2 können hier helfen die Aufteilung der Flächen besser abzuschätzen und so den Zufluss zu verschiedenen Speichern zu berechnen. 28 Gärrestvolumen, welches in einem halben Jahr aus dem Fermentationsprozess (Biogas) anfällt. 80

81 7.3 Verwertung der Stoffströme 2 und/oder 3 Auf den Anlagen 1 und 3 wird bereits Stoffstrom 2 und 3 bzw. nur Stoffstrom 3 dem Fermentationsprozess zugeführt. Probleme im Prozess wurden von den Betreibern nicht genannt. Nach Rückfrage wurde sich auf Anlage 6 aber gegen Nutzung des Stoffstroms 3 im Prozess entschieden (trotz vergleichsweise geringen Volumens). Er wird im Gärrestlager gespeichert. Auf den Anlagen 4 und 5 wurden als Gründe für einen Verzicht auf Stoffstrom 3 bzw. 2 und 3 im Fermentationsprozess die Förderbedingungen des EEG hinsichtlich eines Bonus bei der Trockenfermentation genannt. Auf Basis der Beobachtungen auf Anlage 1 und 3 kann festgestellt werden, dass verfahrenstechnische Gründe nicht gegen eine Nutzung sprechen. Dies bestätigt sich auch durch die Beobachtungen zum anaeroben Abbau des CSB im stark verunreinigten Niederschlagswasser (Kapitel 5.1). Prozesse wie auf Anlage 1 und 3 könnte zudem durch Abwärme verbessert werden (Temperaturanpassung der Stoffströme vor Zugabe in den Fermenter). Einen wesentlichen Beitrag zur Methangewinnung wird der Stoffstrom 2 im Gegensatz zu Stoffstrom 3 aber nicht haben. Der Stoffstrom 2 erhöht jedoch die Rührfähigkeit und die Pumpfähigkeit und wird aus diesem Grund auf der Anlage 9 im Fermentationsprozess genutzt und als positiv bewertet. Es entstehen aber ebenso zusätzliche Kosten bei der Ausbringung des Gärrestes. (Böhner & Loch, 2011) nennen rund 4 /m³ bei einem Transportweg von 10 km. Wenn daher aus wirtschaftlichen Gründen keine Nutzung von Stoffstrom 2 möglich oder erwünscht ist, sollte ein Entwässerungssystem nach Variante 4 bevorzugt werden (mindestens sollte Variante 2 vorhanden sein). Der Gär und Silagesickersaft im Bereich des Anschnitts wird gesondert gefasst und im Gärrestlager (zuvor evtl. Fermentation) gespeichert. Die Mengen 29 betragen im Beispiel nur 3 10 % des halbjährlichen Gärrestvolumens, eine Lagerung ist daher unproblematisch (vgl. Tabelle 14, Anlagen 5 und 6). Die Stickstofffrachten im Sammelbecken können dadurch deutlich reduziert werden und eine getrennte Lagerung des Gär und Silagesickersaft wirkt sich positiv auf den ph Wert und den Geruch des Sammelbeckens aus. Gegenüber Variante 2 wird in Variante 4 zusätzlich die gesamte Menge an Wasser deutlich reduziert (Stoffstrom 1b kann ins Regenbecken geleitet werden). Die Gefahr von Abschwemmungen in den Vorfluter, infolge übermäßiger Aufbringung auf die Böden wird dadurch deutlich reduziert. 7.4 Minimierung und Umgang mit Gär und Silagesickersäften Eine fachgerechte Entwässerung der Silo Abdeckungen ist immer notwendig, um Nährstoffverluste in das Entwässerungssystem zu vermeiden. Nicht gefasstes Wasser führt zu Auswaschungen der Silage mit in der Folge entstehender Gär und Silagesickersäfte. Diese war auf Anlage 4 mit Variante 0 (alle Flächen gemeinsam in ein Sammelbecken) die wahrscheinlichste Ursache für hohe Nähstoffverluste. 29 Die Mengen an Stoffstrom 3 können aus der Größe und Anzahl der Segmente berechnet werden, die diesem Stoffstrom zugeordnet werden. Die Größe dieser Fläche (A GS ) im Jahresmittel wird multipliziert mit dem mittleren jährlichen Niederschlag (h N ) und einem mittleren Abflussbeiwert (Ψ m ). Die Menge entspricht dem Stoffstrom 3, welcher infolge von Niederschlag im Bereich des Anschnittes entsteht: Ψ m A GS h N =V GS A muss anhand des Entwässerungssystems der jeweiligen Anlage bestimmt werden (vgl. Kapitel 2), für Ψ m kann 0,9 angenommen werden und h N ergibt sich aus der Lage der Anlage (Klimaraum). 81

82 Die Variante ist hinsichtlich der entstehenden Frachten an Stickstoff, aber auch der extrem großen Menge an stark verschmutztem Regenwasser im Untersuchungsjahr (6183 m³) weder ökonomisch noch ökologisch sinnvoll. Das Entwässerungssystem der Variante 0 stellt keine Anforderungen an die Betreiber, verursacht aber ökologische und ökonomische Folgeprobleme. Eine betriebsnahe Verwendung des Gemisches der Stoffströme 1, 2 und 3 scheint bei Einhaltung der guten fachlichen Praxis nicht möglich (6183 m³ mit 2918 kg N/a auf Anlage 4). Für die Lagerung der Silage ist eine Abdeckung zu empfehlen, welche es ermöglicht, anfallendes Regenwasser von der Silage wegzuführen und ein Rückließen zum Haufwerk zu verhindern und unnötige Nährstoffverluste zu vermeiden. Alle Substrate sollten abgedeckt werden, auch solche die zugekauft und nicht siliert werden (z.b. Roggenschrot, Hühnertrockenkot, Festmist, etc.). In der Literatur und in der Praxis werden häufig bestimmte Grenzwerte zitiert, die zu Bedingungen führen, bei denen kein Gärsaft mehr entsteht. Oft wird ein Grenzwert von 30 % Trockensubstanzgehalt des Pflanzenmaterials genannt, bei heute üblichen Stapelhöhen etwas höhere Werte um 35 %. (Wyss & Rohner, 1996) geben beispielsweise an, dass ab einem TS Gehalt von 30 % und mehr praktisch kein Gärsaft anfällt. Ihre eigenen Darstellungen zeigen hingegen, dass bei einzelnen Versuchen bei einem TS Gehalt von % noch immer ein Austritt von 0 50 l Gärsaft pro Tonne Silage gemessen werden konnte. Für die Bemessung der Lagerung kann diese Menge möglicherweise im Vergleich zur Entstehung sonstiger Abwasserfraktionen vernachlässigt werden, obschon bei großen Anlagen auch hier bereits einige hundert bis tausend Kubikmeter Lagerraum notwendig werden. Aus Sicht des Gewässerschutzes darf aber auch diese Menge nicht vernachlässigt werden. Das Gefährdungspotential ist extrem hoch, besonders wenn Teile dieser Fraktion in kleine Vorfluter gelangen sollten. Durch die eigenen Messungen wurde in Kapitel 6 ferner belegt, dass das ganze Jahr über in Silos im Bereich des Anschnitts und unter der Silage ein Stoff anfällt der schon aufgrund seiner Eigenschaften als Gär und Silagesickersaft angesprochen werden muss. Schon aus dem Gesetz zur Ordnung des Wasserhaushaltes ergibt sich der Grundsatz, die bestmögliche Trennung der Stoffströme anzustreben 30. Gleiches gilt wenn die Abwasserverordnung angewendet wird. Die Notwendigkeit Gär und Silagesickersaft in Behältern zu fassen, ohne Verbindung zu Abwasserbeseitigungsanlagen, ergibt sich aus der Landesbauordnung 31 und der Landesverordnung über Anlagen zum Umgang mit wassergefährdenden Stoffen 32. Bei der Bemessung muss auch das mitgefasste Niederschlagswasser berücksichtigt werden, hierfür sind ingenieurhydrologische Berechnungen nötig (vgl. Fußnote 29). Es ist in der Praxis nicht möglich Stoffstrom 3 gänzlich ohne Regenwasser zu sammeln (außer Flachsilos würden überdacht). 7.5 Zusammenfassung der Empfehlungen zum Entwässerungsverfahren und Betrieb Gär und Silagesickersäfte sollen grundsätzlich in den Fermentationsprozess oder in das Gärrestlager geleitet werden. Auch das stark verunreinigte Niederschlagswasser kann mit in das Gärrestlager geleitet werden und zusammen mit den Gärresten als Dünger ausgebracht 30 (WHG, S. 1, 5, 27 und 57). 31 (LBO SH, S. 45) 32 (VaWs, S. 21 c) 82

83 werden, so besteht die geringste Gefährdung für die Wasserkörper und die Nährstoffe werden am besten ausgenutzt. Wenn allerdings aus wirtschaftlichen Gründen eine getrennte landwirtschaftliche Verwertung des stark verunreinigten Niederschlagswassers (Stoffstrom 2) angestrebt wird, ist ein Entwässerungssystem der Variante 4 vorzusehen (Variante 2 muss mindestens vorhanden sein). Mit diesem System kann die Menge und die Belastung des anfallenden Abwassers im Sammelbecken erheblich reduziert werden. Das System stellt aber auch erhöhte Anforderungen an den Betreiber. Besonders wichtig ist dann der sorgsame Umgang mit dem Gär und Silagesickersaft, er muss ganzjährig vollständig separat vom stark verunreinigten Niederschlagswasser gefasst werden. Die offene Lagerung von Substraten (unbedeckte Haufen von Mist, Hühnertrockenkot, etc.) sollte auf solchen Anlagen grundsätzlich auch für kurze Zeiträume untersagt werden. Diese Lagerbedingungen von ergänzenden/zugekauften Substraten scheinen zu erheblichen Nährstoffeinträgen in das stark verunreinigte Niederschlagswasser zu führen (Kap. 4.4). In der Praxis wurde eine solche Lagerung auf Flächen die an des Sammelbecken angeschlossen waren mehrfach beobachtet (vgl. Kap ; Kap ; Kap ). Dem Betreiber müssen die Folgen von punktueller Einleitung von stark verunreinigtem Niederschlagswasser in den Vorflut oder das Grundwasser bewusster werden. Die Substanzen verursachen eine starke Sauerstoffzehrung, die Nährstoffe eutrophieren und der hohe Anteil an Ammonium kann in Abhängigkeit des ph Wertes fischgiftige Konzentrationen von Ammoniak verursachen. Hier scheint vereinzelt ein zu sorgloser Umgang vorzuherrschen, wie die in Kapitel beschriebene Drainageleitung aufzeigt. Werden die zuvor genannten Grundsätze bei der Planung und Bewirtschaftung aber eingehalten, scheint eine weitergehende Behandlung des stark verunreinigten Niederschlagswassers aber nicht notwendig. Es ist energetisch sinnvoll das Wasser ortsnah landwirtschaftlich zu nutzen. In Kapitel 9 werden dazu Empfehlungen hergeleitet. 8 Bewertung der stofflichen Zusammensetzung in den Sammelbecken Aus den Untersuchungen kann abgeleitet werden, dass die Höhe der Stoffkonzentrationen in den Sammelbehältern anlagenspezifisch ist und insbesondere von der Qualität der Trennung des Stoffstromes 3 von Stoffstrom 2 abhängt. Teilweise fielen besondere Zeitpunkte während des Betriebsjahres (z.b. Silierung) mit Extremwerten in der Belastung der Stoffströme zusammen, dies war aber nicht grundsätzlich der Fall. Exakte Vorhersagen sind nicht möglich, da eine Vielzahl von nicht steuerbaren und anlagenspezifischen Parametern die Konzentrationen in den Sammelbecken beeinflussen (Niederschlag, Trockensubstanzgehalt der Silage, Sauberkeit der Flächen u.v.m.). Umso mehr ist es für die richtige Beurteilung des Abwassers wichtig, Zusammenhänge zwischen verschiedenen Stoffgruppen zu kennen, um aus wenigen Messungen viele Informationen ziehen zu können. Etwa 40 % der Biogasanlagen in Schleswig Holstein sammeln stark verschmutztes Niederschlagswasser in Sammelbecken. Ein Schwerpunkt im Umgang mit Stoffstrom 2 und/oder 3 in Schleswig Holstein ist die landwirtschaftliche Verwertung. Um diese Verwertung genauer zu beurteilen, ist eine Einschätzung des Abwassers nach Düngerecht notwendig. Zur Beurteilung von Abwasser wird oft der chemische Sauerstoffbedarf (CSB) als Summenparameter herangezogen. Es sollten daher nach Möglichkeit Richtwerte abgeleitet werden, um vom CSB auf andere Stoffgruppen zu 83

84 schließen. Solche Abschätzungen konnten für die Parameter N/P/K abgeleitet werden. Für die Parameter N und P konnte eine akzeptable Genauigkeit erreicht werden. Für den Parameter Kalium muss die Abschätzung als grob bezeichnet werden, dies liegt in der Genauigkeit der Analysemethode begründet (vgl. Kapitel 1.2.3). Die düngerelevanten Nährstoffe auf Biogasanlagen lassen sich auf Basis der Untersuchungen mithilfe des CSB ges. wie folgt abschätzen: Winterhalbjahr N ges CSB ges. 0, ,6 ; alle Konzentrationen in mg/l Sommerhalbjahr N ges CSB ges. 0, ,4; alle Konzentrationen in mg/l P ges. CSB ges. 0, ,5 ; alle Konzentrationen in mg/l, Phosphor als mg P K + N ges 0,66 ; alle Konzentrationen in mg/l, Kaliumgehalt als mg K Angaben zur Genauigkeit der Näherungsformeln sind in Kapitel 5.2 aufgeführt. Die Stoffzusammensetzung des stark verunreinigten Niederschlagswasser kann auf Basis dieser empirisch abgeleiteten Beziehungen abgeschätzt werden, die Ergebnisse zeigen eine ähnliche Zusammensetzung bzgl. N/P/K wie das eingelagerte Substrat. Grundsätzlich ist die direkte Messung der Parameter N ges. und P ges. genauer. Die Bestimmung beider Parameter ist nicht aufwendiger als die Messung des CSB und kann mit einfachen Küvetten Tests durchgeführt werden. Eine Messung sollte daher immer einer Schätzung vorgezogen werden. Das verunreinigte Niederschlagswasser ist sauer. Ein Abbau der organischen Säuren ist in schwach belasteten Sammelbecken möglich, in Batchversuchen (Labor) konnte zudem ein Abbau der Säuren durch aeroben Abbau (Belüftung) und im anaerob mesophilen Bereich festgestellt werden. Auf Basis der Messungen in den Vorlageschächten konnten Aussagen zum Auftreten und zur Qualität von Gär und Silagesickersäften gemacht werden. Dieser Stoffstrom wurde das ganze Jahr über im Bereich des Anschnitts auf allen Anlagen beobachtet. Im Mittel aller Proben der kontinuierlichen Untersuchungen lag der Gehalt an gesamten Stickstoff bei N ges. = 1,3 kg N/m³ und liegt damit im Bereich anderer Untersuchungen (vgl. Fußnote 24) genannt wird. Bei den eigenen Untersuchungen waren Verdünnungseffekte durch Niederschlag enthalten. Die relative Zusammensetzung bzgl. der Parameter CSB/N/P/K ist mit der des Stoffstroms 2 vergleichbar. Der Nährstoffgehalt ist hoch, eine Vermischung mit verunreinigtem Niederschlagswasser, welches außerhalb des Anschnittes entsteht, ist aus ökonomischen Gründen nicht sinnvoll. 9 Bemerkungen zum Umgang mit Niederschlagswasser von Biogasanlagen 9.1 Empfehlung zur Verwendung von stark verunreinigtem Niederschlagswasser (Stoffstrom 2) und Gär und Silagesickersäften (Stoffstrom 3) als Dünger Es wird grundsätzlich empfohlen, die mengenmäßige Entstehung an Stoffstrom 2 und 3 zu minimieren (vgl. Kapitel 2, Variante 3 und 4) und anschließend die verbleibenden Mengen gemeinsam im Fermentationsprozess zu verwenden oder zusammen mit dem Gärrest zu 84

85 lagern. Das Stoffgemisch (Stoffstrom 2 und 3) sollte immer als Dünger verwendet werden, idealerweise zusammen mit den Gärresten. Das Silomanagement, die Anzahl der Silos und eine effiziente Nutzung der Siloflächen (mehrfache Füllung und Leerung im Jahresverlauf) sind Maßnahmen die einen sehr großen Einfluss auf die abflusswirksame Fläche, auf denen Stoffstrom 2 und 3 anfällt, haben. Nach Berechnungen entstanden auf den Anlage 1 und 2 in einem Jahr Mengen an Stoffstrom 2 und 3, die in der Summe etwa 25% des Volumens des halbjährlich anfallenden Gärrestes entsprachen. Die Kapazität des Gärrestlagers dürfte daher in vielen Fällen ausreichen, um ebenfalls die Stroffströme 2 und 3 aufzunehmen. Es wird daher empfohlen, solche Mengen mit dem Gärrest zusammen zu lagern und als Düngemittel zu verwenden. So besteht die geringste Gefährdung für die Wasserkörper und die Nährstoffe werden am besten ausgenutzt. Die saure Wirkung des Abwassers mindert zudem wahrscheinlich die Höhe von Stickstoffemissionen aus dem Gärrest bei Ausbringung und/oder Lagerung (vgl. Dissoziationsgleichgewicht NH 3 NH 4 + ). Der Stoffstrom 2 erhöht ferner die Rührfähigkeit und die Pumpfähigkeit der Gärreste. Vereinzelt wird er aus diesem Grund auf Anlagen mit dem Gärrest verwertet oder im Fermentationsprozess genutzt. Gär und Silagesickersäfte sollten grundsätzlich in den Fermentationsprozess oder in das Gärrestlager geleitet werden. Auch das stark verunreinigte Niederschlagswasser kann in das Gärrestlager geleitet werden und zusammen mit den Gärresten als Dünger verwendet werden. Vorrausetzung ist ein geeignetes Silomanagement, um die niederschlagsbürtigen Abwässer mengenmäßig zu minimieren. Nach den Erfahrungen der Untersuchungen werden die Inhaltsstoffe der Stoffströme 2 und 3 bisher nicht in den jährlichen betrieblichen Nährstoffvergleichen 33 berücksichtigt, zumindest scheint es keine geeignete Datengrundlage zu geben. Grundsätzlich sollten bei der Ausbringung die Regeln der DüV beachtet werden. Der Nährstoff im stark verunreinigten Niederschlagswasser muss bei der Ermittlung des Düngebedarfs berücksichtigt werden (DüV, 2006, S. 3), selbst wenn die Ausbringung rechtlich nur als Bewässerung eingestuft würde. Die Stickstofffracht, die mit dem Abwasser zusätzlich zu den Gärresten ausgebracht wird, sollte über die gemessenen mittleren Konzentrationen und das anfallende Volumen berechnet werden. Hierfür ist die Entnahme repräsentativer Mischproben aus dem Gesamtvolumen des Wassers notwendig. Für die Bestimmung der Parameter sollten die Einheitsverfahren zur Wasser, Abwasser und Schlamm Untersuchung und vergleichbare Methoden verwendet werden (z.b. spezielle Küvetten Test). Möglich wäre auch eine orientierende Abschätzung anhand der spez. Stickstofffrachten in Tabelle 15. Dann sollten Angaben zum Entwässerungssystem, der Anlagengröße oder zur mittleren Konzentrationen im Sammelbecken bekannt sein. Bei gemeinsamer Ausbringung mit dem Gärrest muss diese Fracht zum Stickstoff aus dem Gärrest addiert werden. 33 Solche Vergleiche (Bilanz Zufuhr Abfuhr von Nährstoffen) müssen nach DüV für Bewirtschaftungseinheiten durchgeführt werden. 85

86 Bei der Ausbringung sind dann alle Vorschriften der DüV hinsichtlich des Umgangs mit Düngemitteln zu beachten (z. B. bzgl. der Bodeneigenschaften: wassergesättigt, gefroren, Schnee bedeckt, Neigung (DüV, 2006, S. 3 und 4)). Es darf bei der Ausbringung des Düngers zu keiner Situation kommen, bei der flüssige Stoffe in das Grundwasser oder in Oberflächengewässer gelangen. Das bedeutet, die Ausbringung von flüssigem Dünger muss mengenmäßig sowohl zeitlich (Sperrfristen) als auch räumlich (Gabe) begrenzt werden. Wie folgend in Kapitel 9.2 hergeleitet wird, kann in der Regel eine Menge von 150 m³/ha je Gabe ausgebracht werden, ohne eine sofortige Versickerung in nicht durchwurzelte Bereiche zu riskieren. Allerdings darf der Boden vorher nicht nass oder stark feucht sein. Er muss aufnahmefähig sein, er darf maximal feucht sein 34. Bei Ausbringung von Stoffstrom 2 und 3 zusammen mit den Gärresten wird aber i.d.r. der Nährstoffgehalt die Gabe begrenzen und nicht das Speichervolumen des Bodens. Hier spielt das Mischungsverhältnis eine Rolle. Eine Begrenzung auf maximal 150 m³/ha je Gabe für solche flüssigen Mischungen ist daher trotzdem sinnvoll, unabhängig vom Nährstoffgehalt. 9.2 Ausbringung von stark verunreinigtem Niederschlagswasser (Stoffstrom 2) Aus betriebswirtschaftlichen und ökologischen Gründen (z. B. Transportwürdigkeit) wird in Schleswig Holstein teilweise der Ansatz verfolgt, das stark verunreinigte Niederschlagswasser betriebsnah auf landwirtschaftlichen Flächen, bevorzugt Grünland, zu entsorgen (Bewässerung). Genaue Angaben zu Menge und Stofffrachten lagen bisher nicht vor. Eine solche Art der Ausbringung sollte aber ebenso vor dem Hintergrund der Nährstoffausnutzung, wie vor dem Grenzwert der Nitratrichtlinie für Grundwasser bewertet werden. Aus Sicht der Autoren scheint dieser Ansatz erhebliche zusätzliche Schwierigkeiten und Gefahren mit sich zu bringen. Sinnvoller erscheinen, wie zuvor dargestellt, eine Minimierung der Abwassermengen und eine gemeinsame Verwertung der Abwässer mit dem Gärrest. Hier werden nun Empfehlungen ausgegeben, welche Anforderungen bei der Beregnung von stark verunreinigtem Niederschlagswasser mindestens einzuhalten sind. Sie gelten ausdrücklich nur für Anlagen, die den Bereich des Anschnitts gesondert entwässern (Sammelbecken ohne Stoffstrom 3) und nur für Stoffstrom 2. Im Allgemeinen kann davon ausgegangen werden, dass eine Trennung erfolgt, wenn bestimmte Grenzwerte eingehalten werden. Das Abwasser kann dann über bewachsenen Oberboden behandelt werden. Die dafür erforderliche Fläche ist zu bemessen. Bei Einhaltung folgender Grenzwerte kann angenommen werden, dass keine Gär und Silagesickersäfte im Sammelbecken gelagert werden: der N ges. ist kleiner als 110 mg/l oder der CSB ges. ist kleiner als 3250 mg/l Die Werte sollen von zugelassenen Laboren anhand einer Mischprobe nach den Einheitsverfahren zur Wasser, Abwasser und Schlamm Untersuchung oder vergleichbaren 34 Nach (Bodenkundliche Kartieranleitung, 1982) entspricht dies etwa einem pf Wert von 2,7 bis 2,1. Im Gelände kann der Zustand einfach vor Ort geschätzt werden, es gilt: Bindige Böden: Ausrollbar bis auf 3mm ohne zu zerbröckeln, dunkelt bei Wassergabe nicht nach, schwer eindrückbar. Nicht bindige Böden: Finger werden etwas feucht, auch durch Klopfen am Bohrer kein Wasseraustritt aus den Poren, dunkelt bei Wasserzugabe nicht nach. 86

87 Methoden monatlich ermittelt werden (z.b. spezielle Küvetten Test). Die Grenzwerte beziehen sich auf den Gesamtgehalt des jeweiligen Parameters (homogenisierte Probe), nicht dem gelösten Teil in der Probe. Die Konzentrationen sind anhand einer Mischprobe 35 aus dem Sammelbecken zu bestimmen. Die Grenzwerte orientieren sich an dem 75% Quantil Werten der Messungen auf Anlagen, die über ein Trennsystem verfügen und im Rahmen einer Studie über ein Jahr untersucht wurden. Sie geben also lediglich einen Erfahrungswert wieder, der bei entsprechendem Silomanagement eingehalten werden kann. Die Werte lassen keine genauen Aussagen zur Wirkung auf Pflanze oder Boden zu. Insbesondere bestehen keine Langzeiterfahrungen. Im Rahmen der allgemeinen Sorgfaltspflichten (WHG) muss sichergestellt werden, dass das stark verunreinigte Niederschlagswassers im effektiven Wurzelraum des Bodens aufgenommen werden kann. Weiter muss die Bindung der löslichen Nährstoffe abgeschätzt werden, dieser Schätzung liegt die Annahme zugrunde, dass dieser Prozess vorwiegend durch die Aufnahme von Stickstoff in die Biomasse (Grasschnitt) beschrieben werden kann. Vorausgesetzt wird ferner, dass diese Fläche bewirtschaftet wird (Ernte und Pflege), aber nicht weiter gedüngt oder beweidet wird. Um die Berechnung einfach und auf möglichst viele Naturräume in Schleswig Holstein anwenden zu können, sind gewisse pauschale Annahmen notwendig. Daher sind in der Berechnung Sicherheiten enthalten 36, um die Variabilität in den Randbedingungen aufzufangen. Sollte von dieser Berechnung abgewichen werden, müssen daher entsprechende Nachweise deutlich detaillierter durchgeführt werden. Die Bemessung der erforderlichen Flächengröße (Verregnung) wird zuerst unter Berücksichtigung der mengenmäßigen Beschickung und anschließend unter Berücksichtigung einer Nährstoffbilanz durchgeführt, die schärfere Anforderung ist maßgebend. Anforderung 1: Bemessung der erforderlichen Flächengröße auf Basis der Wassermenge Das maximale Wasservolumen, dass von einem Boden gegen die Schwerkraft gehalten werden kann und das insgesamt den Pflanzen zur Aufnahme zur Verfügung steht wird aus der nutzbaren Feldkapazität und dem effektivem Wurzelraum berechnet (nutzbare Feldkapazität des effektiven Wurzelraums: nfkwe). Nach dem hydrologischen Atlas Deutschland 37 kann für Naturräume in Schleswig Holstein mit geringer Speicherfähigkeit der Böden etwa folgender Wert zugeordnet werden: nfkwe: 50mm Mit etwas Sicherheit wird von diesem Speichervermögen 30 % als maximale Gabe pro Zeitintervall angesetzt. Dies wird damit begründet, dass der Anfangswassergehalt des Bodens zu 50% der nfkwe angenommen wird und eine Nässe größer als 80% der nfkwe das Pflanzenwachstum negativ beeinflusst. 35 Die Mischproben sind aus Einzelproben von mind. 500ml aus je drei unterschiedlichen Tiefen an mindestens zwei Stellen der Sammelbecken zu bilden. 36 z.b. hinsichtlich der Wasserspeicherfähigkeit der Böden, der Sickerwassermenge und der Stickstofffracht. In dieser Empfehlung wird z. B. pauschal nur eine geringe nutzbare Feldkapazität angesetzt. 37 (Bundesanstalt für Gewässerkunde (Projektleitung), 2000, S. 4.3) 87

88 Aus dem Ansatz ergibt sich eine Gabe je Zeitintervall von maximal: 150 m³/ha Die Gabe sollte erst dann wiederholt werden, wenn diese Menge theoretisch wieder verdunsten konnte (und die gelösten Nährstoffe aufgenommen wurden). Die mittlere jährliche potentielle Gras Referenzverdunstung liegt laut dem hydrologischen Atlas Deutschland in Schleswig Holstein relativ einheitlich zwischen 500 und 575 mm/a (Region Fehmarn etwas höher). Der monatliche Anteil variiert hingegen stark. Mit den Angaben des hydrologischen Atlas lässt sich die mittlere tägliche potentielle Gras Referenzverdunstung bestimmen und damit das Zeitintervall t, welches zur Verdunstung von 150 m³/ha (entspricht einer Verdunstung von 15 mm) in verschiedenen Monaten notwendig ist (Tabelle 22). mittlere tägliche pot. Gras Referenzverdunstung bei 550 mm mittlere jährliche Verdunstung in SH Jan Feb Mrz Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez ET o [mm/d] 0,4 0,5 1,1 1,8 2,5 2,7 2,8 2,5 1,6 1,1 0,5 0,4 t in Tagen für ET o = 15 mm ( 150 m³/ha) Tabelle 22 (mittlere tägliche Gras Referenzverdunstung in SH nach Monaten und daraus berechnete Dauer bis zur Verdunstung einer Wassermenge von 150 m³/ha) Aus Tabelle 22 ist indirekt erkennbar, dass es vor allem im Winter zur Sickerwasserbildung kommt. In dem Zeitraum November bis Februar sollte daher kein stark verunreinigtes Niederschlagswasser ausgebracht werden. In den verbleibenden Monaten kann die Gabe von maximal 150 m³/ha im Abstand von 5 14 Tagen je nach Monat ausgebracht werden. Pauschal wird ein Zeitintervall von 10 Tagen für eine Gabe von 150 m³/ha angesetzt. Das bedeutet nach einer Gabe, wird etwa ein Zeitraum von 10 Tagen benötigt, bis der Boden wieder aufnahmefähig ist. Im Schnitt ergibt sich damit eine maximale Menge, bei Begrenzung von je drei Gaben in acht Monate, von (8 3)/a 150 m³/ha = 3600 m³/(a ha), die pro Hektar und Jahr maximal ausgebracht werden sollte. Der jährliche anfallende Menge von Stoffstrom 2 kann anhand von Überlegungen betreffend der Aufteilung der Silofläche im Jahresverlauf, weiteren Angaben zu sonstigen versiegelten Flächen, einem mittleren Abflussbeiwert (i. d. R. 0,9 für Asphalt) und dem mittleren jährlichen Niederschlag am Standort abgeschätzt werden. Nach Berechnung der jährlich anfallenden Menge an Stoffstrom 2, kann der Flächenbedarf an Grünland für die Verregnung berechnet werden: Je 3600 m³/a Stoffstrom 2 wird eine Fläche zur Behandlung von einem Hektar benötigt. Eine Berücksichtigung des Niederschlags, der zusätzlich zur künstlichen Beregnung fällt, ist an dieser Stelle nicht mehr sinnvoll. Im Ansatz ist bereits Sicherheit (geringe Speicherfähigkeit des Bodens und nur anteilige Ausnutzung der nfkwe) enthalten. Sollen aktuelle/jüngste Niederschläge berücksichtigt werden, muss eine detaillierte und 88

89 standortangepasste Steuerung der künstlichen Beregnung umgesetzt werden (z.b. Messung der Bodenfeuchte, Berechnung des Bodenwasserhaushalts) und ein individueller Nachweis geführt werden. Die Autoren empfehlen dennoch, die Ausbringung auf nasse Böden zu untersagen (vgl. Fußnote 34). Damit kann vermieden werden, dass nach starken Regenperioden stark verunreinigtes Niederschlagswasser ausgebracht wird und die Stofffrachten in nicht durchwurzelte Bereiche versickern. Im Rahmen dieser Empfehlung können solche Nachweise nicht besprochen werden. Folgende Anforderungen sind immer an den Betrieb der Versickerungsfläche zu stellen: Die Verregnung von stark verunreinigtem Niederschlagswasser über dem bewachsenen Oberboden soll je Gabe auf maximal 150 m³/ha begrenzt werden. Gaben dürfen nur in den Monaten März bis Oktober erfolgen. Maximal ist die Ausbringung einer Menge von 450 m³/ha je Monat möglich. Die gesamte Beschickung, als Summe der gesamten künstlichen Beregnung, darf im Jahr maximal 3600 m³/ha betragen. Nasse Böden dürfen nicht beregnet werden, der Boden muss aufnahmefähig sein (vgl. Fußnote 34). Gaben im Zeitraum November bis Februar müssen vermieden werden. Der Betreiber der Behandlungsanlage muss sicherstellen, dass kein stark verunreinigtes Niederschlagswasser in Oberflächengewässer abfließt. Anforderung 2: Bemessung der erforderlichen Flächengröße auf Basis der Nährstofffrachten Neben der mengenmäßigen Begrenzung, dürfen Nährstoffausträge, welche möglicherweise mit dem natürlichen Sickerwasser ausgetragen werden, bestimmte Grenzwerte nicht überschreiten. Als Grenzwert wird als Mindestkriterium der Grenzwert der Nitratrichtlinie/ Trinkwasserverordnung herangezogen. Der zweite Teil des Nachweises, beruht auf einem Nährstoffsaldo für Stickstoff und einer Verdünnung mit dem natürlichen (ohne künstlichen Beregnung) mittleren Sickerwasseranfall (entsprechen der natürlichen Grundwasserneubildung) am Standort. Auch hier werden an zwei Stellen Sicherheiten im Nachweis berücksichtigt: Zum einen in der pauschalen Annahme der Stickstofffracht des Stoffstroms 2, zum anderen in der Berechnung der Verdünnung nur auf Basis des natürlichen Sickerwasseranteils. Auf Anlagen, die nur den Stoffstrom 2 im Sammelbecken lagern, wurden spezifische Nährstofffrachten in einem Bereich von kg N/MW inst.el. gemessen (Tabelle 15, Spalte 2 dividiert durch Spalte 6). Für die Bemessung wird eine jährliche spezifische Nährstofffracht im Sammelbecken, von 400 kg N/MW inst.el. angenommen. Diese Stickstofffracht soll bedarfsgerecht auf betriebsnahen Grünflächen ausgebracht werden, eine weitere Düngung (Kultursubstrate, Wirtschaftsdünger etc.) sollte dann nicht vorgenommen werden. In der Berechnung wird die Stickstoffdeposition der Denitrifikation im Boden und anderen Verlusten bei der Aufbringung gleichgesetzt und daher vernachlässigt. Die Stickstofflieferung aus Ernteresten der Vorfrucht (hier Grünland) wird zu 40 kg N/ha nach (DüV, 2006, S. Anlage 2) angesetzt. Der Ausgangszustand N min des Bodens 38 wird zu Null angenommen, da der Berechnung ein langjähriges Gleichgewicht zugrunde liegt. 38 Mineralische N Gehalt des Bodens (Summe aus NH 4 N, NO x N) 89

90 Die abgefahrenen Ernteprodukte (Grasschnitt) werden pauschal mit 100 dt TM/ha 39 und einem Stickstoffgehalt 40 von 2,7 kg N/dt TM berücksichtigt, das heißt 270 kg N/ha (mittlere Verhältnisse SH). Der sich ergebende Saldo wird durch die, nach Bodenart und Standort zu bestimmende Sickerwasserhöhe 41 des mittleren Niederschlags dividiert. Hierfür können z. B. regionale Faktoren g 1 aus dem Erläuterungsbericht zum Entwurf Merkblatt M2 neu (Grottker & Heemeier, Erläuterungsbericht zum LANU Merkblatt M2 neu; Hinweise zum Umgang mit Regenwasser, 2009) zur Berechnung verwendet werden (vgl. Anhang 1). Die Fläche ist dann so groß zu wählen, dass ein Grenzwert von 50 mg NO 3 /l eingehalten wird (Grenzwert der Nitratrichtlinie und der Trinkwasserverordnung). Dies entspricht einem Grenzwert von 11,3 mg N/l, bzw. 0,0113 kg N/m³ (Angabe bezogen nur auf das Gewicht des Stickstoffes, anstelle des Molekulargewichtes von Nitrat). Der Vorteil einer solchen einfachen Berechnung liegt darin, dass sowohl Anlagengröße und Standortfaktoren (z.b. Bodenart, regionale Niederschlagverteilung) berücksichtigt werden können. Die Berechnung wird an einem Beispiel dargestellt. Beispiel Berechnung: Standort Nordfriesland (h N,Mittel : ca. 825mm 42, g 1 : 0, ); Installierte elektrische Leistung der Anlage: 0,5 MW inst.el. Schritt 1 Berechnung Mobilisierung N Stoffstrom 2: 0,5 MW inst.el. 400 kg N/MW inst.el. =200 kg N/a Schritt 2 Berechnung Sickerwasserhöhe pro Hektar nach Standort: 825mm/a 10 m³/(mm ha) 0,427= 3523 m³/(a ha) Schritt 3 Berechnung Abfuhrsaldo (Abfuhr Grasschnitt abzgl. Nachlieferung N aus Ernterest) 270 kg N/ha 40 kg N/ha = 230 kg N/ha Schritt 4 Berechnung der notwendigen Fläche A erf. [ha] zur Ausbringung bei Einhaltung Grenzwert Nitratrichtlinie 0,0113 kg N/m³: Grenzwert = ( N Stoffstrom 2 / A erf. Abfuhrsaldo) / Sickerwasserhöhe 0,0113 kg N/m³ = (200 kg N /A erf. 230 kg N/ha)/ 3523 m³/(a ha) 1a A erf. = 200/(0, )= 0,7 ha 39 Quelle: und ackerfutterbau/dauergruenland/ 40 (DüV, 2006) 41 Entspricht der jährlichen Grundwasserneubildung 42 Quelle: ein_node.html 43 vgl. Anhang 1 90

91 Die erforderlichen Flächen, die sich aus beiden Anforderungen ergeben, sind gegenüberzustellen. Die jeweils größere Fläche ist dann maßgebend. Grundsätzliches zur Ausbringung Grundsätzlich sollten Anforderungen nach 3 der DüV berücksichtigt werden. Eine Ausbringung in Phasen des Pflanzenwachstums ist zu bevorzugen. Ausbringung auf drainierten Flächen sollte untersagt werden. Der Boden muss sich für den Anbau von Gras eignen (ausgeschlossen sind selbstverständlich z.b. Flächen mit Altlasten). Aufgrund der organischen Säuren, die während der Milchsäuregärung in der Silage entstehen, sind die verunreinigten Niederschlagswässer auf den Biogasanlagen sauer, der ph Wert der hochkonzentrierten Proben lag bei 3 bis 4. In Laborversuchen zur Ausbringung von Gär und Silagesickersäften konnte kein signifikanter Einfluss auf den ph Wert des Bodens festgestellt werden (Bardgett, James, & Leemans, 1995). Die Aussagen sollten jedoch nicht auf eine langfristige Ausbringung pauschal übertragen werden. Sowohl die leicht abbaubaren (und eher schwachen) Säuren, als auch die Nitrifikation des Ammoniums führt tendenziell zur Versauerung des Bodens. Insbesondere wenn langfristig die gleichen Flächen verwendet werden, sollte aber eine Überprüfung der ph Werte erfolgen (dann auch eine Prüfung im Hinblick auf den Phosphorgehalt des Bodens). Zur Ausbringung von Gär und Silagesickersäften und stark verunreinigtem Niederschlagswasser lassen sich Zusammenfassungen verschiedener Feld und Laborversuche finden (Kahlstatt, 1999, S. 22). Es lässt sich erkennen, dass die Düngewirkung signifikant ist. Eine Überdüngung (besonders Gär und Silagesickersaft) führt aber zu Pflanzenschäden besonders bei salzempfindlichen Pflanzen. Eine unsachgemäße Ausbringung führt zur Verlagerung der Bestandteile in Bodenzonen unterhalb des durchwurzelten Bereichs. Stark verunreinigtes Niederschlagswasser von Biogasanlagen auf denen Gär und Silagesickersaft nicht gesondert gefasst wird, soll zusammen mit dem Gärrest als Dünger ausgebracht werden, Nährstoffe sind vollständig nach DüV zu berücksichtigen. Die vereinfachte Ausbringung kann nicht angewendet werden. 10 Weitergehende Behandlungsmaßnahmen Bisherige Ausführungen zeigen, dass eine Trennung der verschiedenen Fraktionen des Regenwassers auf einigen Biogasanlagen so weit erfolgt, dass eine weitere Behandlung nicht notwendig ist. Das Wasser aus den Sammelbecken kann auf vergleichsweise kleinen Flächen energetisch ohne zusätzlichen Aufwand und kostengünstig verwendet werden. Teilweise ist auch eine Lagerung in Sammelbecken nicht notwendig, stark belastetes Wasser kann ebenso im Fermenter verwendet oder mit dem Gärrest gelagert werden, wenn die Menge durch sinnvolles Silo Management reduziert wird. Weitergehende Maßnahmen sind in solchen Fällen nicht notwendig (vgl. Kapitel 7). Auf Anlagen auf denen kein funktionierendes Konzept der Trennung implementiert ist, entstehen hingegen teils erhebliche Abwassermengen mit hohen Konzentrationen. Die Frachten und Konzentrationen an sauerstoffzehrenden Substanzen und Nährstoffen sind so groß, das eine vereinfachte betriebsnahe Ausbringung auf Grünland in Frage gestellt werden muss. 91

92 Im Fall der Ablehnung einer Mitbehandlung der hoch belasteten Niederschlagswässer im Fermentationsprozess und zeitgleichem Anspruch auf eine vereinfachte Ausbringung, werden folgend mögliche Behandlungsmaßnahmen diskutiert. Sedimentation in den Becken: Leicht absetzbare Stoffe setzten sich in den Sammelbecken ab. Eine weitere Reduktion ist auch durch eine Vergrößerung der Becken oder bauliche Umgestaltung kaum möglich, da ein Großteil der Stoffe in gelöster Form vorliegt. Anaerobe/Aerobe Behandlung: Durch eine anaerobe Behandlung kann der CSB verringert werden. Die aber ebenso stark sauerstoffzehrenden Mengen an Ammonium werden dadurch ebenso wie der Nährstoffgehalt nicht verringert. Auch bei einer reinen aeroben Behandlung kann der Nährstoffgehalt nicht reduziert werden. Der Ammoniumstickstoff kann aber zu Nitrat oxidiert werden, liegt dann aber in einer Form vor, die im Boden deutlich leichter verfrachtet werden kann. Phosphor kann hingegen gut an Bodenpartikeln adsorbiert werden. In beiden Fällen (anaerob/ aerob) wird die Denitrifikationskapazität sogar negativ verändert. Weitergehende technische Behandlungsmaßnahmen und Ziele sollten daher immer auch den Stickstoff (bei Versickerung) und den Phosphorgehalt (Einleitung) im Blick behalten. Stickstoffkonzentrationen können durch eine Kombination der Verfahren Deni und Nitrifikation reduziert werden. Für eine vereinfachte Ausbringung muss gleichzeitig der Phosphorgehalt gesenkt werden. Hier wären weitere Maßnahmen wie Fällung und Filtration oder Adsorption notwendig, was aber erhebliche Feststoffmengen produziert. Filtration: Es besteht die Möglichkeit eine Filtration des Abwassers durchzuführen, um Ablaufwerte zu erreichen, die eine landwirtschaftliche Ausbringung auf einer kleinen Fläche ermöglichen. Basierend auf den Messungen werden solche Maßnahmen aber aufgrund des hohen Anteils gelöster Stoffe kritisch eingeschätzt. Bereits 1988 kamen (Dunlea & Dodd, 1988) nach Versuchen der Reinigung von Silagesickersaft mittels Membranfiltration zu dem Ergebnis, dass eine Reduktion der löslichen Bestandteile möglich ist, als alleinige Behandlungsmaßnahme aufgrund der geringen Durchflussraten in landwirtschaftlichen Betrieben aber nicht sinnvoll erscheint. Der energetische Aufwand kann z.b. anhand von Kennwerten aus der Gärrest Separation von (Brüß) für eine Ultrafiltration auf 13 kwh/m³ grob abgeschätzt werden (bei 20 Cent/kWh etwa 2,6 /m³). Demgegenüber stehen bei Anwendung als Dünger Transportkosten von etwa 4 /m³ bei 10 km Entfernung (Böhner & Loch, 2011). Ein wirtschaftlicher Vorteil ist nicht sofort ersichtlich, zumal nach der Filtration einige Konzentrationen (z.b. von Ammonium) noch immer so hoch sein können, dass eine Einleitung in kleine Vorfluter auszuschließen ist. Daher bleibt neben dem Betrieb der Filtration (inkl. Überwachung) eine Ausbringung des filtrierten Wassers notwendig (Dunlea & Dodd, 1988). Naturnahe Verfahren Naturnahe Verfahren wie Pflanzenbeete kombinieren viele Effekte, da im Beet sowohl anaerobe als auch aerobe Bereiche vorliegen. Zudem findet eine Adsorption und eine gewisse Filtration partikulärer Bestandteile statt. Der Energieaufwand ist vergleichsweise 92

93 gering. Es ist denkbar, dass bei entsprechender Beschickung der Nährstoffgehalt soweit reduziert werden kann, dass anschließend eine vereinfachte Ausbringung/Versickerung über den bewachsenen Bodenhorizont möglich ist. Hier stehen bislang keine Erfahrungswerte zur Verfügung. Eine erhebliche Nährstoffreduktion scheint aber nicht möglich. Getrennte Erfassung des Trockenwetterabflusses Auf Anlangen auf denen die getrennte Erfassung des Gär und Silagesickersaftes nicht möglich ist, könnte eine erhebliche Reduktion der Fracht im Sammelbecken durch geringe bauliche Erweiterungen erreicht werden. Der besonders stark belastete Anteil des Abwassers ist der langsam, aber mehr oder weniger kontinuierlich, abfließende Gär und Silagesickersaft (besonders in Trockenwetterphasen) und der Anteil meist zu Beginn eines Regens entsteht (Regenvorgeschichte). Der Anteil am gesamten Abfluss ist gering und die Abflüsse (l/s) klein. An bestimmten Stellen im System solcher Anlagen ist es mithin möglich diesen Anteil durch Prinzipien wie bei einem Streichwehr 44 oder durch leistungsschwache Pumpen (die nur kleine Abflüsse fördern können) getrennt zu fassen. Dieser Anteil kann dann getrennt gelagert (Gärrestlager) oder im Fermentationsprozess verwendet werden. Solche Maßnahmen sollten aber immer nur als Notlösung zur Sanierung oder als zusätzliche Behandlungsschritte eingesetzt werden. Versagt das Trennsystem z.b. wenn Pumpen ausfallen, gelangt der hochbelastete Gär und Silagesickersaft wieder in das Sammelbecken. Im Kreis Ostholstein wurden mit solchen Systemen Erfahrungen gesammelt. 44 Im Kreis Ostholstein wurden mit solchen Systemen experimentell einige Erfahrungen gesammelt. 93

94 Verzeichnisse Literaturverzeichnis Bardgett, R., James, L., & Leemans, D. (1995). Microbal biomass and activity in a grassland soil amended with different application rates of Silage effluent A laboratory study. Bioresource Technology (52), S Bayerische Landesanstalt für Landwirtschaft. (2013). Von Nährstoffgehalte von Haupt und Zwischenfrüchten: abgerufen Bayerisches Landesamt für Umwelt. (2012). Silagesickersaft und Gewässerschutz. Augsburg: Bayerische Landesanstalt für Landwirtschaft (LfL). Bodenkundliche Kartieranleitung. (1982). 3. verbesserte und erweiterte Auflage. Hannover. Böhner, R., & Loch, V. (2011). Gülle und Gärresttransport (Teil 1). Freising: Arbeitsgemeinschaft Landtechnik und landwirtschaftliches Bauwesen in Bayern e. V. Brüß, U. (kein Datum). Gärrestaufbereitung mit Membranen Einführung und Erfahrungen. Gelsenkirchen: A3 Water Solutions GmbH. Bundesanstalt für Gewässerkunde (Projektleitung). (2000). Hydrologischer Atlas Deutschland. Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit. Bundesumweltministerium. (Januar 2007). KI III 4/KI III 2. Berlin. DüngeG. (2009). Düngegesetz. BRD. Dunlea, A. P., & Dodd, V. A. (2. August 1988). The Application of membrane filtration to silage effluent. University College Dublin, Ireland: Department of Agricultural and Food Engineering. DüV. (2006). Düngeverordnung DüV. BRD. DüV, Anlage 1, Stickstoffgehalt pflanzlicher Erzeugnisse. (kein Datum). Grottker, M., & Heemeier, B. ( ). Erläuterungsbericht zum LANU Merkblatt M2 neu; Hinweise zum Umgang mit Regenwasser. Grottker, M., v. Grafenstein, M., Schlauß, S., & Deng, H. (2015). Optimierung des Wassermanagements auf ausgewählten Biogasanlagen in Schleswig Holstein. Lübeck. Kahlstatt, J. ( ). Feld und Laborversuche zum Auftreten von Silageabwässern aus Flachsilonlagen unter besonderer Berücksichtigung der Umweltverträglichkeit. Vollständiger Abdruck der von der Fakultät für Landwirtschaft und Gartenbau der Technischen Universität München zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktors der Agrarwissenschaften genehmigten Dissertation. TU München. Landwirtschaftliches Technologiezentrum Augustenberg. (2008). Merkblatt zur Düngeverordnung. Forchheim: Landwirtschaftliches Technologiezentrum Augustenberg. Landwirtschaftsberatung, L. (2011). Fachinformation: Silagesickersaft umweltgerecht lagern und verwerten. Rostock: LMS Landwirtschaftsberatung MV/SH GmbH. LBO SH. (kein Datum). Landesbauordnung für das Land Schleswig Holstein. Projektgruppen VAwS und Abwasser. (2014). Hinweise zu wasserrechtlichen Anforderungen an Biogasanlagen mir Gärsubstraten landwirtschaftlicher Herkunft; Entwurf Bad Oldesloe: Projektgruppen VAwS und Abwasser des AK Wasserwirtschaft der AG Umwelt im Schleswig Holsteinischen Landkreistag und Städteverbund. 94

95 VaWs. (kein Datum). Landesverordnung über Anlagen zum Umgang mit wassergefährdenden Stoffen (Anlagenverordnung VAwS). WHG. (kein Datum). Gesetz zur Ordnung des Wasserhaushalts (WHG). Wyss, U., & Rohner, R. (1996). Gärsaftanfall der Silagen vom TS Gehalt abhängig. Agrarforschung 3 (4), S Zhecheng, G. (2014). Treatment of surface runoff of biogas plants. nicht veröffentlichte Bachelorthesis. 11 Tabellenverzeichnis Tabelle 1 (Übersicht der Anlagen und Art des Entwässerungssystems, SB: Sammelbecken). 20 Tabelle 2 (Daten Anlage 1) Tabelle 3 (Daten Anlage 2) Tabelle 4 (Daten Anlage 3) Tabelle 5 (Daten Anlage 4) Tabelle 6 (Daten Anlage 5) Tabelle 7 (Daten Anlage 6) Tabelle 8 (Daten zu Anlage 7) Tabelle 9 (Daten Anlage 8) Tabelle 10 (Daten Anlage 9) Tabelle 11 (Daten Anlage 10) Tabelle 12 (Daten Anlage 11) Tabelle 13 (Daten Anlage 12) Tabelle 14 (Berechnung Zufluss im Untersuchung Zeitraum Anlage 1 6, Stoffstrom 1, 2, 3). 54 Tabelle 15 (Frachten an N die in das jeweilige Bauwerk bzw. über den Stoffstrom (3) und als Summe ausgetragen wurden; Verlust N bezogen auf Anlagengröße, für die Fracht zum Sammelbecken wurden gewichtete Stickstoffkonzentrationen verwendet) Tabelle 16 (Nährstoffverluste N im gesamten Entwässerungssystem; Summe der Stoffströme 1,2 und 3 der Anlagen 1 6 im Untersuchungszeitraum) Tabelle 17 (Vergleich Verhältnisse N ges.. /CSB ges. im Winter und Soomer mit t Test) Tabelle 18 (Gegenüberstellung der Genauigkeit der Schätzung des Stickstoffgehaltes einer Probe mithilfe des CSB für verschiedene Berechnungsansätze) Tabelle 19 (statistische Auswertung der Belastung in den Vorlagebehälter) Tabelle 20 (CSB ges. alle Proben der Vorlageschächte) Tabelle 21 (Vergleich Stoffzusammensetzung absolut und bezogen auf Phosphor im Silomais und in Gär und Silagesickersaft nach verschiedenen Autoren für N,P und K) Tabelle 22 (mittlere tägliche Gras Referenzverdunstung in SH nach Monaten und daraus berechnete Dauer bis zur Verdunstung einer Wassermenge von 150 m³/ha) Tabelle 23 (g1 Werte für Regionen in SH mit stark unterschiedlichen Bodeneigenschaften) Abbildungsverzeichnis Abbildung 1 (Aufteilung der Silofläche bei Variante 1 über ein Jahr, Bezeichnungen siehe Abkürzungen) Abbildung 2 (Aufteilung der Siloflächen Variante 2, bei der Größe eines Segmentes von 5% der gesamten Silofläche, Bezeichnungen siehe Abkürzungen)

96 Abbildung 3 (Flächenaufteilung bei Variante 3, mit 3 gleich großen Silos, Bezeichnungen siehe Abkürzungen) Abbildung 4 (Variante 4 Kombination aus Varianten 2 und 3, Bezeichnungen siehe Abkürzungen) Abbildung 5 (Anlage 1 Entwässerungssystem schematisch dargestellt) Abbildung 6 (CSB im Jahresverlauf Sammelbecken Anlage 1) Abbildung 7 (Schematischer Entwässerungsplan Anlage 2) Abbildung 8 (CSB im Jahresverlauf Sammelbecken Anlage 2) Abbildung 9 (Anlage 3 Entwässerung schematisch) Abbildung 10 (CSB im Jahresverlauf Sammelbecken und Niederschlagsumme Anlage 3) Abbildung 11 (Anlage 4 Entwässerung schematisch) Abbildung 12 (CSB im Jahresverlauf Sammelbecken Darstellung Wasserstand Anlage 4, Volumen berechnet aus Freibord und Geometrie) Abbildung 13 (CSB im Jahresverlauf und Summe Niederschlag Anlage 4) Abbildung 14 (Anlage 5 Entwässerung schematisch) Abbildung 15 (CSB im Jahresverlauf Sammelbecken Anlage 5) Abbildung 16 (CSB im Jahresverlauf Sammelbecken und Wasservolumen im Becken Anlage 5) Abbildung 17 (Anlage 6 Entwässerung schematisch) Abbildung 18 (CSB im Jahresverlauf Sammelbecken und Wasserstand Anlage 6) Abbildung 19 (Entwässerung schematisch Anlage 7) Abbildung 20 (Anlage 8 Entwässerung schematisch) Abbildung 21 (Entwässerung schematisch Anlage 11) Abbildung 22 (Aufteilung der Siloflächen auf der Anlage 1 für fünf Termine des Untersuchungszeitraums.) Abbildung 23 (Verhältnis CSB/N im Jahresverlauf und Lufttemperatur DWD Station 5280).. 62 Abbildung 24 (Regression zwischen CSB und Stickstoff für Winter und Sommer in den Sammelbecken) Abbildung 25 (Anteile Ammonium am Gesamtstickstoff Anlagen 1 6 über ein Jahr) Abbildung 26 (Anteil gelöster CSB am Gesamt CSB sortiert nach aufsteigender Konzentration) Abbildung 27 (Regression zwischen CSB ges. und P ges. berechnet aus den Proben der Sammelbecken, zur Kontrolle Proben aus den Vorlageschächten) Abbildung 28 (Regression zwischen CSB und Kalium im Sammelbecken) Abbildung 29 (Darstellung der Verhältnisse K/N ges. als Histogramm) Abbildung 30 (Beurteilung der Proben aus den Sammelbecken nach DüV, Anteil Stickstoff bzw.. P 2 O 5 am Trockensubstanzgehalt) Abbildung 31 (Vergleich Konzentrationen im Vorlagebehälter Anlage 1 und 3) Abbildung 32 (Vergleich Konzentrationen im Vorlagebehälter Anlage 4 und 5) Abbildung 33 (Darstellung der Anteile der löslichen Verbindungen am Gesamtgehalt des jeweiligen Stoffes im Jahresverlauf, Proben aus dem Vorlagebehälter aller Anlagen) Abbildung 34 (Naturräume SH, mit einheitlichen Sickerhöhenanteilen)

97 Anhang Anhang 1: Anteil der versickerungswirksamen Fläche nach dem SCS Verfahren (Sickerwasserhöhe), langjährige Mittelwerte nach Naturräumen und Kreisen für Schleswig Holstein nach: (Grottker & Heemeier, Erläuterungsbericht zum LANU Merkblatt M2 neu; Hinweise zum Umgang mit Regenwasser, 2009)) Naturraum Region / Landkreis TF Nr. Anteil der versickerungswirksamen Fläche (g 1 ) Hügelland Geest Marsch Ostholstein(Fehmarn) H 1 0,222 Ostholstein H 2 0,258 Plön H 3 0,281 Kiel H 4 0,326 Rendsburg Eckernförde H 5 0,360 Schleswig Flensburg H 6 0,360 Flensburg H 7 0,396 Segeberg H 8 0,344 Lübeck H 9 0,308 Stormarn H 10 0,356 Herzogtum Lauenburg H 11 0,283 Nordfriesland G 1 0,427 Schleswig Flensburg G 2 0,448 Dithmarschen G 3 0,446 Rendsburg Eckernförde G 4 0,427 Steinburg G 5 0,376 Neumünster G 6 0,370 Segeberg G 7 0,361 Plön G 8 0,370 Pinneberg G 9 0,402 Stormarn G 10 0,425 Herzogtum Lauenburg G 11 0,318 Nordfriesische Inseln M 1 0,442 Nordfriesland (Nord) M 2 0,350 Halbinsel Nordstrand M 3 0,135 Nordfriesland (Süd) M 4 0,462 Dithmarschen M 5 0,256 Dithmarschen (Südost) M 6 0,398 Steinburg M 7 0,384 Pinneberg M 8 0,391 Tabelle 23 (g1 Werte für Regionen in SH mit stark unterschiedlichen Bodeneigenschaften)

98 Abbildung 34 (Naturräume SH, mit einheitlichen Sickerhöhenanteilen)