Grundlagen und Praxis des Betriebs von Kompostierungs- und Vergärungsanlagen mit geringen Emissionen an Treibhausgasen.

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Anton Braun
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1 Grundlagen und Praxis des Betriebs von Kompostierungs- und Vergärungsanlagen mit geringen Emissionen an Treibhausgasen Carsten Cuhls gewitra Ingenieurgesellschaft für Wissenstransfer mbh Troisdorf und Hannover

2 Gliederung Behandlungsverfahren zur Komposterzeugung, Massen Anlagenbeispiele Kompostierung / Vergärung (Fotos) Gasförmige Emissionen, Geruch, Staub, Keime Ermittlung, Vorgehensweise und Messprogramm Kohlenstoffverb.: CO 2, CO,(NM)VOC, Ges.-C, CH 4 (Methan) Stickstoffverbindungen: NO, NH 3, N 2 O (Lachgas) Messergebnisse geschlossene / offene Anlagen Bewertung: TA Luft Bewertung des Treibhauseffektes: CO 2 -Äquivalent Reduktionsmöglichkeiten: gute fachliche Praxis Handlungsempfehlungen: VDI, Stand d. Technik, BVT, BGK BGK Hamburg Carsten Cuhls 2

000 Mg/Jahr Biofilter (THG-Emissionen) Kompost Mechanische

3 Schema einer geschlossenen Kompostierungsanlage (KOA) für Bioabfälle, > Mg/Jahr Biofilter (THG-Emissionen) Kompost Mechanische Aufbereitung Anlieferung Aerobe Stufe Intensivrotte Option: anaerobe Stufe Vergärung BGK Hamburg Carsten Cuhls 3

4 Abgaskamin geschlossene Kompostierungsanlage Hauptrotte (Tafelmiete) mit Eintragsgerät offener Biofilter mit Probenahme BGK Hamburg Carsten Cuhls 4

5 Vergärung: Fermenter, Biofilter (Probenahme) Flüssiges Gärprodukt, offener Tank Angelieferte Marktabfälle und Strukturmaterial Container-Biofilter BGK Hamburg Carsten Cuhls 5

6 Bewertung TA Luft TA Luft (2002), besondere Regelungen für bestimmte Anlagenteilen Nr Anlagen der Nr. 8.5 Kompostierung > Mg/a sollen möglichst geschlossen sein, Mindestabstand > Mg/a müssen geschlossen sein, 500 GE/m³, Staub 10 mg/m³ Nr Anlagen der Nr. 8.6 Anlagen zur biologischen Behandlung von Abfällen > 30 Mg/Tag 500 GE/m³, Staub 10 mg/m³ TA Luft (2002), allgemeine Anforderungen Gesamtkohlenstoff (Ges.-C) Konzentrationswert 50 mg/m³ oder Massenstrom 0,5 kg/h Ammoniak (NH3) Konzentrationswert 30 mg/m³ oder Massenstrom 0,15 kg/h BGK Hamburg Carsten Cuhls 6

7 Ermittlung der THG-Emissionen Auswahl repräsentativer Anlagen, je 2 Messzeiträume Erstellen des Messprogramms: Emissionsquellen (Kamin, Biofilter, passive Quellen) kontinuierliche Analytik: Ges.-C, CH 4, NMVOC, NH 3, N 2 O Abgas: Volumenströme [m³/h] Emissionskonzentrationen [mg/m³) Emissionsmassenströme [kg/h] Halbstunden- / Tagesmittelwerte (TA Luft) KOA Abfalldurchsatz [Mg/h] Ermittlung der Emissionsfaktoren [g/mg], Fehlerbetrachtung, Unsicherheiten Mittelwerte Hochrechnung für Bioabfallverwertung in Deutschland Berechnung der CO 2 -Äquivalente aus CH 4 und N 2 O CH 4 (Faktor 25), N 2 O (Faktor 298), CO 2 (Faktor 0) BGK Hamburg Carsten Cuhls 7

8 Temperatur ( C), Kohlenstoffabbau (%), Ammoniumbildung (mg/kg TM) und ph-wert über die Rottedauer BGK Hamburg Carsten Cuhls 8

9 Stickstoffumsetzungen und Lachgasbildung: Nitrifikation und Denitrifikation, BGK Hamburg Carsten Cuhls 9

10 Verlauf der Bildung von Lachgas während der Kompostierung BGK Hamburg Carsten Cuhls 10

11 Kohlenstoffumsetzungen und Methanbildung BGK Hamburg Carsten Cuhls 11

12 Ergebnisse offener KOA Problematik: diffuse Emissionsquelle! Probenahme mittels statischer Hauben Nachteil: kleinräumige Aufnahme, < 1m² Fläche, Heterogenität = mangelnde Repräsentativität, berücksichtigt keine Konvektion, ungeeignet! Statische Haube BGK Hamburg Carsten Cuhls 12

13 Beispiel: offene KOA Problematik: diffuse Emissionsquelle! Probenahme mittels großem Windtunnel Vorteil: großräumige Aufnahme, temporäre Einhausung 10 m offener Mietenlänge, = hohe Repräsentativität, Mehrfachmessung wünschenswert! Windtunnelabluft Windtunnelzuluft BGK Hamburg Carsten Cuhls 13

14 Beispiel: offene KOA C-Emissionen aus Mietenoberfläche: Methode Windtunnel, Abluft Zuluft CH4, mg/m3 n;tl N2O, mg/m3 n;tl 45 CH 4, mg/m³ n;tl Probenahmestellen 2 Zuluft 3 Abluft 4 Abluft Anreicherung im Tunnel N 2 O, mg/m³ n;tl :30 11:45 12:00 12:15 12:30 12:45 13:00 13:15 13:30 13:45 14:00 14:15 14:30 14:45 15:00 15:15 BGK Hamburg Carsten Cuhls 14

15 Qualitätskontrolle: Messung der Porengase im Mietenkörper, mit Stechsonde und mobiler Gasanalysator (O 2, CO 2, CH 4 ) Methode BGK: Messung der Mieten-Porengase und der Luftdurchlässigkeit in situ BGK Hamburg Carsten Cuhls 15

16 Ausblick: Korrelation zwischen Porengaskonzentration und Emissionsmassenstrom Qualitätsprüfung Tunnel-Messmethode: CH 4, g/(mg x d) y = 49,764Ln(x) - 40,149 R 2 = 0, Sonden-Messmethode: CH 4, Vol.-% BGK Hamburg Carsten Cuhls 16

17 Beispiel: geschlossene KOA C-Konzentrationen vor/nach Biofilter: keine Methanreduktion!, guter NMVOC-Abbau vbf: Ges.-C (HSMW), mg/m³ n;tl nbf: Ges.-C (HSMW), mg/m³ n;tl vbf: CH4 (HSMW), mg/m³ n;tl vbf: NMVOC (HSMW), mg/m³ n;tl nbf: CH4 (HSMW), mg/m³ n;tl nbf: NMVOC (HSMW), mg/m³ n;tl Ges.-C; CH 4 ; NMVOC, mg/m³ n;tl Ges.-C; CH 4 ; NMVOC, mg/m³ n;tl BGK Hamburg Carsten Cuhls 17

18 CH 4 -Emissionsfaktoren, g/mg Ergebnisse CH 4 aus den Behandlungsverfahren ZwLager NR (FertigK) HR (FrischK) V (Gärprod) Anl.+MA m³ Biogas / Mg Methan-Emissionsfaktoren Biogasertragskurve (60% CH 4 ) aus Bioabfall Tage kg CH4 / Mg KOA g, tg (FrischK) KOA g, tg (FertigK) KOA sm (Bio+Grün) KOA o (Bio+Grün) KOA o (Grün) Vergärung KOA V+NR mit Nachrotte BGK Hamburg Carsten Cuhls 18

19 Ergebnisse N 2 O aus den Behandlungsverfahren ZwLager NR (FertigK) Lachgas-Emissionsfaktoren N 2 O-Emissionsfaktoren, g/mg HR (FrischK) V (Gärprod) Anl.+MA 20 0 KOA g, tg (FrischK) KOA g, tg (FertigK) KOA sm (Bio+Grün) Vergärung mit Nachrotte KOA o (Bio+Grün) KOA o (Grün) KOA V+NR BGK Hamburg Carsten Cuhls 19

20 NH 3 -Emissionsfaktoren, g/mg Ergebnisse NH 3 aus den Behandlungsverfahren Ammoniak-Emissionsfaktoren ZwLager NR (FertigK) HR (FrischK) V (Gärprod) Anl.+MA KOA g, tg (FrischK) KOA g, tg (FertigK) KOA sm (Bio+Grün) KOA o (Bio+Grün) KOA o (Grün) Vergärung KOA V+NR mit Nachrotte BGK Hamburg Carsten Cuhls 20

21 Emissionsminderung (THG) bei Biofiltern (Auswertung > 30 Anlagen) 2,0 2,0 1,0 0,0-1,0 0,6 0,1 0,9 0,6 Ges.-C CH4 NMVOC NH3 N2O CO2-Äq. -0,6 1,0 0,0-1,0 Biofilter-Wirkungsgrade -2,0-3,0-4,0-3 -2,0-3,0-4,0 Biofilter-Wirkungsgrade -5,0-5,0-6,0-6,0-7,0-7,0-8,0-8,0 BGK Hamburg Carsten Cuhls 21

22 Handlungsempfehlungen für eine gute fachliche Praxis (THG) Etwa 10% des Bio- und Grünabfalls wird von Vergärungsanlagen verarbeit, 90% teilen sich geschlossene und offene Kompostierungsanlagen. Geschlossene Anlagen verfügen über eine aktive Belüftung und Abluftreinigung (Biofilter), Umsetzaggregate Offene Anlagen verfügen in der Regel nur über Umsetzaggregate Offene KOA sind grundsätzlich nicht schlechter als geschlossene KOA. Der Betrieb ist entscheidend!!! Günstige Literatur-Werte sind historisch. Die aktuelle Praxis zeigt, dass der Betrieb nicht auf die Reduktion von THG ausgelegt ist. Die geschlossene Anlage kann über die aktive Belüftung Defizite (Poren, Wasser) im Rottematerial besser ausgleichen. Hohe Emissionen resultieren meistens aus mangelnder fachliche Praxis: Mangelnde Mietengeometrie, Strukturmaterial und Umsetzintervalle führen zu schlechter Belüftung, ungenügende O 2 -Versorgung ( CH 4 ). Die besten KOA emittieren nahezu kein Methan, NMVOC wird zu > 90% im Biofilter abgebaut. TA Luft Emissionswerte werden eingehalten!!! BGK Hamburg Carsten Cuhls 22

23 Handlungsempfehlungen für eine gute fachliche Praxis (THG) N 2 O entsteht vorwiegend in der Nachrotte (Nitrifikation), deshalb Mieten nicht auskühlen lassen und auf weites C:N Verhältnis achten. Biofilter reduzieren CH 4 nicht, wohl aber NH 3, was zu sek. N 2 O führt. Offene KOA mit Membranabdeckung können über die aktive Belüftung ein sehr günstiges Emissionsniveau (CH 4, N 2 O, NH 3 ) erreichen. Vergärungsanlagen emittieren aus flüssigem Gärprodukt und aus der Nachrotte erhebliche Mengen an CH 4, bis zu 5-10% des Biogasertrags. Hier besteht erhebliches Optimierungspotential am Treibhauseffekt. Nach TA Luft sind Emissionswerte für NH 3 und Ges.-C nicht eingehalten. Als Mittel der Bioabfallverwertung resultieren g/mg für CH 4, 99 g/mg für N 2 O, 450 g/mg für NH 3 und 330 g/mg für NMVOC. Die CO 2 -Äquivalente belaufen sich auf Ø 100 kg CO 2 -Äq/Mg. Die Anteile am nat. Emissionsinventar liegen zwischen 0,40 und 0,64 % für CH 4, N 2 O und NH 3 (0,05% der Summe der CO 2 -Äq in Deutschland). BGK: Betrieb von Kompostierungsanlagen mit geringen Emissionen THG BGK Hamburg Carsten Cuhls 23

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