Ergebnisse aus Praxisversuchen: Gärrestbehandlung zur gezielten Rückführung von Spurenelementen in den Fermenter

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Irma Maier
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Fakultät Ressourcenmanagement Fachgebiet Nachhaltige Energie- und Umwelttechnik NEUTec Ergebnisse aus Praxisversuchen: Gärrestbehandlung zur gezielten Rückführung von

1 Fakultät Ressourcenmanagement Fachgebiet Nachhaltige Energie- und Umwelttechnik NEUTec Ergebnisse aus Praxisversuchen: Gärrestbehandlung zur gezielten Rückführung von Spurenelementen in den Fermenter Spurenelemente in Biogasanlagen Wirkungsweise, Versorgungswege, Handlungsempfehlungen Kirsten Loewe, Achim Loewen, Rainer Wallmann, Waldemar Ganagin

2 Einleitende Fragestellung Kann die Rückführung der flüssigen Fraktion der Gärreste in den Fermenter eine Verbesserung des Substratabbaus im Fermenter leisten und kann dies mit einer verbesserten Spurenelementversorgung begründet werden?

3 Inhalte des Vortrages 1. Methodik 2. Entwicklung eines Aktivitätstests zur Beurteilung des Effektes der Rückführung der flüssigen Fraktion 3. Ergebnisse zur Separation von Gärresten aus Praxisanlagen mit Untersuchung der Spurenelementverteilung in den Fraktionen 4. Ergebnisse der großtechnischen Versuche zur Rückführung der flüssigen Fraktion in den Fermenter

4 1. Methodik a. Separation b. Aktivitätstests mittels Ankom RF Gas Production System c. Untersuchte Fragestellungen bei der Entwicklung des Aktivitätstests d. Bilanzierung der Makro- und Mikronährstoffe e. Großtechnische Versuche

5 1. a. Methodik - Separation Gärrest Pressschneckenseparator: ~ 1,5 m 3 /h; Siebspaltgröße: 0,5 mm bzw. 1,0 mm Flüssige Fraktion Feststoff Laborzentrifuge: U/min (-> g); 5 min Überstand Schlamm Wasserbad: 80 C; 120 min Erhitzter Überstand

6 1.b. Methodik - Ankom RF Gas Production System Ankom RF Gas Production System Regelmäßige Aufzeichnung des Drucks im Kopfraum definierter Entlastungsdruck (50 mbar) sehr gute Auflösung der Abbaukinetik Input: Fermenterinhalt und Standardsubstrat Bedingungen: mesophil, Doppelbestimmung, Nullprobe(n)

7 1.c. Methodik Untersuchte Fragestellungen für die Entwicklung des Aktivitätstests Führt die Zugabe der flüssigen Gärrestfraktion zu einer Fermenterprobe zu einem verbesserten Abbau des Standardsubstrats? Lässt sich ein positiver Effekt auch durch die Zugabe von Wasser statt der flüssigen Gärrestfraktion erzielen? Kann der positive Effekt auch durch die Rückführung von Mikroorganismen in der Flüssigfraktion hervorgerufen werden?

8 1.d. Methodik Bilanzierung der Nährstoffe Analytik der Nährstoffe in den unterschiedlichen Fraktionen aus der Separation mit Pressschneckenseparator Cd, Cr, Mo, Pb, Co, Ni, Mn mittels Graphitrohr-AAS K, Ca, Mg, Fe, Zn mittels Flammen-AAS C, H, N mittels CHN-Elementanalysator Gärrest Flüssige Fraktion Feststoff

1.e. Methodik großtechnische Versuche Aufnahme der Prozessparameter / Begleitanalytik

Rahmenbedingungen: Biogasanlage mit 2 unabhängigen Linien, Volumen HF und NF je ca.

Maissilage; GPS und Rindergülle Gärrestrückführung für einen Zeitraum von 6 Wochen

9 1.e. Methodik großtechnische Versuche Aufnahme der Prozessparameter / Begleitanalytik Kompostierungsversuche IST- Zustand Versuchs phase I Versuchs phase II Aktivitätstests Rahmenbedingungen: Biogasanlage mit 2 unabhängigen Linien, Volumen HF und NF je ca m³, Substrate: haupts. Maissilage; GPS und Rindergülle Gärrestrückführung für einen Zeitraum von 6 Wochen (Versuchsphase I) (ges. rezirkulierte Menge 675 m³) Begleitanalytik (TS, ots, FOS/TAC, Spurenelemente, NH 4 -N, organische Säuren) und Auswertung Betriebstagebuch

10 Inhalte des Vortrages 1. Methodik 2. Ergebnisse der Entwicklung des Aktivitätstests zur Beurteilung des Effektes der Rückführung der flüssigen Fraktion 3. Ergebnisse zur Separation von Gärresten aus Praxisanlagen mit Untersuchung der Spurenelementverteilung in unterschiedlichen Fraktionen 4. Ergebnisse der großtechnischen Versuche zur Rückführung der flüssigen Fraktion in den Fermenter

11 2. Ergebnisse der Entwicklung des Aktivitätstests 1/2 Aktivitätstest ist geeignet, um die Rückführung der flüssigen Fraktion der Gärreste zu simulieren Rückführung führt zu einer Begünstigung des Abbaus Es wird mit einem ots-verhältnis von 0,5 gearbeitet Laufzeit Aktivitätstest 7 Tage Temperierung sowohl in Klimakammer als auch im Wasserbad möglich Verdünnung mit Wasser führt im Aktivitätstest zu einem schlechteren Abbau des Standardsubstrats Einsatz von erhitztem Überstand führt zu einer leichten Verbesserung des Abbaus -> Verbesserung des Abbaus durch Rückführung der flüssigen Fraktion ist nicht auf Rückführung der Mikroorganismen zurückzuführen

12 2. Ergebnisse der Entwicklung des Aktivitätstests 2/2 Hauptfermenterprobe mit unterschiedlichen Anteilen an Überstand aus Nachfermenterprobe

13 Inhalte des Vortrages 1. Methodik 2. Ergebnisse der Entwicklung des Aktivitätstests zur Beurteilung des Effektes der Rückführung der flüssigen Fraktion 3. Ergebnisse zur Separation von Gärresten aus Praxisanlagen mit Untersuchung der Spurenelementverteilung in unterschiedlichen Fraktionen 4. Ergebnisse der großtechnischen Versuche zur Rückführung der flüssigen Fraktion in den Fermenter

14 3. Ergebnisse Massenbilanzierung Separationsversuche Die Massenbilanz und die Bestimmung von TS und ots ergibt folgende Ergebnisse (n=11): Anteil [Massen%] TS [%] ots [%TS] Gärrest NF 5,8 74,2 Feststoff 9,2 20,7 85,8 Flüssigphase 90,8 3,7 67,8

15 100% 3. Ergebnisse Massenverteilung der Mikro- und Makronährstoffe in fester und flüssiger Phase 80% 60% 40% 20% 0% A1A2A3 A1A2A3 A1A2A3 A1A2A3 A1A2A3 A1A2A3 A1A2A3 A1A2A3 A1A3 A1A3 A1A3 A1A3 A1A3 A1A3 A1A3 Cd Cr Mo Pb Co Ni Mn Cu K Ca Mg Fe Zn C N Flüssig Fest

16 3. Ergebnisse Konzentrationen ausgewählter Spurenelemente (Ni und Co), ots-bezug

17 Inhalte des Vortrages 1. Methodik 2. Ergebnisse der Entwicklung des Aktivitätstests zur Beurteilung des Effektes der Rückführung der flüssigen Fraktion 3. Ergebnisse zur Separation von Gärresten aus Praxisanlagen mit Untersuchung der Spurenelementverteilung in unterschiedlichen Fraktionen 4. Ergebnisse der großtechnischen Versuche zur Rückführung der flüssigen Fraktion in den Fermenter

18 4. Großtechnische Versuche Basis für Durchführung Der entwickelte Aktivitätstest zeigt in einem Anlagenscreening einen positiven Effekt der Gärrestrückführung auf den Abbau des Standardsubstrats Cellulose Auf Basis der Erkenntnisse werden die großtechnischen Versuche zur Separation von Gärresten aus dem Nachfermenter und Rückführung eines Teilstroms der Flüssigfraktion in den Hauptfermenter durchgeführt Die separierte Gärrestmenge entspricht 1/3 der abtransportierten Gärreste aus dem Nachfermenter in das Gärrestlager Diese Größenordnung wurde aufgrund der rel. kurzen Versuchsdauer im Vergleich zur Verweilzeit im Fermenter gewählt Bei permanenter Rückführung muss diese Menge reduziert werden, da die Rückführung der Flüssigfraktion die Verweilzeit im Fermenter verringert

19 4. Umsetzung der großtechnischen Versuche

20 4. Vergleich des Regelbetriebs mit der Phase mit zusätzlicher Rückführung der flüssigen Gärrestfraktion 1/2 Regelbetrieb Linie 1 Regelbetrieb Linie 2 Rückführung Linie 1 Regelbetrieb Linie 2 Referenz (Biogas Messprogramm II, FNR 2009) ots-abbau [%] 78,0 77,4 81,2 77, (ø 76) Methanausbeute [Nm³ CH4 /t ots ] (ø 371)

21 4. Vergleich des Regelbetriebs mit Versuchsphase 1 (Rückführung der flüssigen Gärrestfraktion) 2/2

22 4. Spurenelementversorgung nach großtechnischen Versuchen zur Gärrestrückführung (FM-Bezug) Linie HF1 HF1 HF2 HF2 Differenz H1-H2 Probe vor Rückf. nach Rückf. vor Rückf. nach Rückf. vor Rückf. nach Rückf. Mg ,8-42,6 Na ,9-28,7 Ca ,4-56,2 Cu 1,82 1,78 1,96 1,97-0,1-0,2 Ni 0,29 0,30 0,28 0,33 0,01 0,0 Zn 9,05 8,37 9,80 13,09-0,7-4,7 Fe ,6 0,34 Mo 0,26 0,24 0,25 0,24 0,02-0,001 Co 0,19 0,16 0,18 0,15 0,01 0,005 Mn 18,07 16,60 17,93 17,34 0,1-0,74 Cd 0,02 0,02 0,02 0,02-0,0003-0,0005 Cr 0,27 0,27 0,26 0,30 0,01-0,03 Pb 0,07 0,06 0,07 0,08-0,002-0,01 mg/g FM HF1 besser versorgt als HF2, FM Bezug HF1 schlechter versorgt als HF2, FM Bezug

23 4. Spurenelementversorgung nach großtechnischen Versuchen zur Gärrestrückführung (TS-Bezug) Linie HF1 HF1 HF2 HF2 Differenz H1-H2 Probe vor Rückf. nach Rückf. vor Rückf. nach Rückf. vor Rückf. nach Rückf. Mg ,7-183,7 Na ,2-153,2 Ca ,3 132,5 Cu 24,53 26,05 25,87 26,90-1,3-0,8 Ni 3,95 4,36 3,72 4,46 0,2-0,1 Zn 121,64 122,34 129,05 178,60-7,4-56,3 Fe ,4 250,9 Mo 3,51 3,49 3,24 3,27 0,3 0,2 Co 2,55 2,31 2,32 2,09 0,2 0,2 Mn 242,87 242,64 236,20 236,58 6,7 6,1 Cd 0,23 0,23 0,23 0,22 0,001 0,009 Cr 3,68 4,00 3,48 4,08 0,2-0,08 Pb 0,91 0,91 0,92 1,03-0,005-0,12 mg/g TS HF1 besser versorgt als HF2, TS Bezug HF1 schlechter versorgt als HF2, TS Bezug

24 4. Spurenelementkonzentrationen in den Fraktionen 1/2

25 4. Spurenelementkonzentrationen in den Fraktionen 2/2

26 4. Aktivitätstests großtechnischer Versuch

27 4. Zusammenfassung der Ergebnisse der großtechnischen Versuche Erhöhung des ots-abbaus um ca. 4 bis 5 % (rel.) in der Linie mit Gärrestrückführung Methanausbeute der Gesamtanlage steigt von 430 auf 447 Nm 3 /t ots Trotz gefallener Spurenelementkonzentrationen verbesserter ots-abbau im großtechnischen Versuch Fazit: Zur Beurteilung der Spurenelementversorgung muss tiefer in den Bereich der Bioverfügbarkeit eingestiegen werden In der Praxis muss für den langfristigen Betrieb ein Optimum zwischen verbessertem Abbau und reduzierter Verweilzeit ermittelt werden

28 Ergebnisse aus Praxisversuchen: Gärrestbehandlung zur gezielten Rückführung von Spurenelementen in den Fermenter Vielen Dank für die Aufmerksamkeit Dipl.-Ing. (FH) Kirsten Loewe HAWK HOCHSCHULE FÜR ANGEWANDTE WISSENSCHAFT UND KUNST HILDESHEIM / HOLZMINDEN / GÖTTINGEN FAKULTÄT RESSOURCENMANAGEMENT FACHGEBIET NACHHALTIGE ENERGIE- UND UMWELTTECHNIK NEUTEC RUDOLF-DIESEL-STR. 12 D GÖTTINGEN TEL.: FAX.: loewe@hawk-hhg.de

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