Qualität, Aufbereitung und Verwertung von Gärresten aus Biogasanlagen

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1 Qualität, Aufbereitung und Verwertung von Gärresten aus Biogasanlagen Helmut Döhler, Sven Grebe, Uwe Häußermann, Sebastian Wulf Angepasster Energiepflanzenanbau zur Biogasproduktion im Saarland Eppelborn, 08. Juni 2010

2 Was erwartet Sie...? Einleitung: Die Gärreste verursachen ähnliche Probleme wie die Gülle Nährstoffe und Nährstoffwirkung - Stickstoffwirkung von Gärresten (kurzfristig und langfristig) - Ammoniakemissionen - Phosphorwirkung von Gärresten - Schadstoffe in Gärresten Gärrestaufbereitung - Ziele der Aufbereitung von Gärresten - Verfahrensbeispiele - Kosten der Aufbereitungsverfahren - Vergleichende Bewertung Zusammenfassung

3 Der KTBL-Blick zurück erste KTBL- Veröffentlichung Biogas 50er Jahre Betreuung von Biogasanlagen in Hessen und Bayern 1982 KTBL-Schrift Fortschritte bei Biogas Koordinierung BMBF Projekt Gülleaufbereitung und -verwertung (der Meilenstein zur profession. Biogasanlage) Initiative Expo-2000-Projekt Biogasbetankung ÖPNV 1990 bis.. Politikberatung EEG, Veröffentlichungen, div. Projekte 1993 NawaRo-Bonus 1997 Veröffentlichung 1. Auflage Faustzahlen Biogas Biogasanlagen-Wettbewerb 2009 Kongress KTBL / FNR Biogas Stand und Perspektiven

4 Umweltbelastungen und deren Ursachen bei der Anwendung von Gärresten Intensivierung lokale Konzentration ökonomische Eigenschaften niedriger Nährstoffgehalt hohe Transportkosten hohe Lagerkosten geringe Lager- und Transportwürdigkeit stoffliche Eigenschaften org. geb. N und min. N Gefahr von N-Verlusten Gärrestüberschüsse geringer ökonomischer Nutzen Unsicherheit Düngewirkung Konkurrent Mineraldünger geringe Wertschätzung Fehler bei der Anwendung zu hohe Mengen falsche Termine unzureichende Technik Umweltbelastung Atmosphäre (NH 3 ) Hydrosphäre (org. geb. N/NO 3 /P 2 O 5 ) (Döhler, 1996, verändert)

5 N-Charakteristik von Gärresten und Wirtschaftsdüngern Gärrest mit NawaRo Schweinegülle mit NawaRo Gesamt-N (kg/t) Anteil des NH 4 -N am Gesamt-N (%) 4,7 60 4,5 70 Rindergülle mit NawaRo Rinderjauche Rinderfestmist Rindergülle Schweinegülle 4, org. gebundenes N NH 4 -N kg N t /t Substrat (Döhler, 1996)

6 N-Charakteristik von Gärresten und Wirtschaftsdüngern Gärrest mit NawaRo Schweinegülle mit NawaRo Gesamt-N (kg/t) Anteil des NH 4 -N am Gesamt-N (%) 4,7 60 4,5 70 Rindergülle mit NawaRo Rinderjauche Rinderfestmist Rindergülle Schweinegülle 4, org. gebundenes N NH 4 -N kg N t /t Substrat (Döhler, 1996)

7 N-Charakteristik von Gärresten und Wirtschaftsdüngern Gärrest mit NawaRo Schweinegülle mit NawaRo Gesamt-N (kg/t) Anteil des NH 4 -N am Gesamt-N (%) 4,7 60 4,5 70 Rindergülle mit NawaRo Rinderjauche Rinderfestmist Rindergülle Schweinegülle 4, org. gebundenes N NH 4 -N kg N t /t Substrat (Döhler, 1996)

8 N-Charakteristik von Gärresten und Wirtschaftsdüngern Gärrest mit NawaRo Schweinegülle mit NawaRo Gesamt-N (kg/t) Anteil des NH 4 -N am Gesamt-N (%) 4,7 60 4,5 70 Rindergülle mit NawaRo Rinderjauche Rinderfestmist Rindergülle Schweinegülle 4, org. gebundenes N NH 4 -N kg N t /t Substrat (Döhler, 1996)

9 N-Charakteristik von Gärresten und Wirtschaftsdüngern Gärrest mit NawaRo Schweinegülle mit NawaRo Gesamt-N (kg/t) Anteil des NH 4 -N am Gesamt-N (%) 4,7 60 4,5 70 Rindergülle mit NawaRo Rinderjauche Rinderfestmist Rindergülle Schweinegülle 4, org. gebundenes N NH 4 -N kg N t /t Substrat (Döhler, 1996)

10 Nährstoffgehalte von Gärresten im Vergleich zu Wirtschaftsdünger Wirtschaftsdünger Gärreste Einheit überwiegend Rindergülle Rindergülle und NawaRo Schweinegülle und NawaRo Gärrest und NawaRo Trockenmasse % FM 9,1 7,3 5,6 7,0 Säuregrad ph Verhältnis Kohlenstoff/ Stickstoff C/N Stickstoff (N t ) kg/t FM Ammonium-N (NH4-N) kg/t FM Phosphor (P 2 O 5 ) kg/t FM Organische Masse kg/t FM (LTZ, 2008)

11 Nährstoffgehalte von Gärresten im Vergleich zu Wirtschaftsdünger Wirtschaftsdünger Gärreste Einheit überwiegend Rindergülle Rindergülle und NawaRo Schweinegülle und NawaRo Gärrest und NawaRo Trockenmasse % FM 9,1 7,3 5,6 7,0 Säuregrad ph Verhältnis Kohlenstoff/ Stickstoff C/N Stickstoff (N t ) kg/t FM Ammonium-N (NH4-N) kg/t FM Phosphor (P 2 O 5 ) kg/t FM Organische Masse kg/t FM 74,3 53,3 41,4 51,0 (LTZ, 2008)

12 Nährstoffgehalte von Gärresten im Vergleich zu Wirtschaftsdünger Wirtschaftsdünger Gärreste Einheit überwiegend Rindergülle Rindergülle und NawaRo Schweinegülle und NawaRo Gärrest und NawaRo Trockenmasse % FM 9,1 7,3 5,6 7,0 Säuregrad ph 7,3 8,3 8,3 8,3 Verhältnis Kohlenstoff/ Stickstoff C/N Stickstoff (N t ) kg/t FM Ammonium-N (NH4-N) kg/t FM Phosphor (P 2 O 5 ) kg/t FM Organische Masse kg/t FM 74,3 53,3 41,4 51,0 (LTZ, 2008)

13 Nährstoffgehalte von Gärresten im Vergleich zu Wirtschaftsdünger Wirtschaftsdünger Gärreste Einheit überwiegend Rindergülle Rindergülle und NawaRo Schweinegülle und NawaRo Gärrest und NawaRo Trockenmasse % FM 9,1 7,3 5,6 7,0 Säuregrad ph 7,3 8,3 8,3 8,3 Verhältnis Kohlenstoff/ Stickstoff C/N Stickstoff (N t ) kg/t FM 4,1 4,6 4,6 4,7 Ammonium-N (NH4-N) kg/t FM 1,8 2,6 3,1 2,7 Phosphor (P 2 O 5 ) kg/t FM Organische Masse kg/t FM 74,3 53,3 41,4 51,0 (LTZ, 2008)

14 Nährstoffgehalte von Gärresten im Vergleich zu Wirtschaftsdünger Wirtschaftsdünger Gärreste Einheit überwiegend Rindergülle Rindergülle und NawaRo Schweinegülle und NawaRo Gärrest und NawaRo Trockenmasse % FM 9,1 7,3 5,6 7,0 Säuregrad ph 7,3 8,3 8,3 8,3 Verhältnis Kohlenstoff/ Stickstoff C/N 10,8 6,8 5,1 6,4 Stickstoff (N t ) kg/t FM 4,1 4,6 4,6 4,7 Ammonium-N (NH4-N) kg/t FM 1,8 2,6 3,1 2,7 Phosphor (P 2 O 5 ) kg/t FM Organische Masse kg/t FM 74,3 53,3 41,4 51,0 (LTZ, 2008)

15 N-Charakteristik von Gärresten und Wirtschaftsdüngern Gärrest mit NawaRo Schweinegülle mit NawaRo Gesamt-N (kg/t) Anteil des NH 4 -N am Gesamt-N (%) 4,7 60 4,5 70 Rindergülle mit NawaRo Rinderjauche Rinderfestmist Rindergülle Schweinegülle 4, org. gebundenes N NH 4 -N kg N t /t Substrat (Döhler, 1996)

16 N-Charakteristik von Gärresten und Wirtschaftsdüngern Gärrest mit NawaRo Schweinegülle mit NawaRo Gesamt-N (kg/t) Anteil des NH 4 -N am Gesamt-N (%) 4,7 60 4,5 70 Rindergülle mit NawaRo Rinderjauche Rinderfestmist Rindergülle Schweinegülle 4, org. gebundenes N NH 4 -N kg N t /t Substrat (Döhler, 1996)

17 N-Charakteristik von Gärresten und Wirtschaftsdüngern Gärrest mit NawaRo Schweinegülle mit NawaRo Gesamt-N (kg/t) Anteil des NH 4 -N am Gesamt-N (%) 4,7 60 4,5 70 Rindergülle mit NawaRo Rinderjauche Rinderfestmist Rindergülle Schweinegülle 4, org. gebundenes N NH 4 -N kg N t /t Substrat (Döhler, 1996)

18 N-Charakteristik von Gärresten und Wirtschaftsdüngern Gärrest mit NawaRo Schweinegülle mit NawaRo Rindergülle mit NawaRo C/N = 4; ph = 8,5 C/N = 4; ph = 8,5 C/N = 4; ph = 8,5 Gesamt-N (kg/t) Anteil des NH 4 -N am Gesamt-N (%) 4,7 60 4,5 70 4,5 60 Rinderjauche Rinderfestmist Rindergülle Schweinegülle C/N = 8; ph = 7,0 C/N = 8; ph = 7, org. gebundenes N NH 4 -N kg N t /t Substrat (Döhler, 1996)

19 ph-wert Veränderung von Rindergülle unmittelbar nach der Ausbringung 9 8,5 ph 8 7, Zeit (min) (Döhler 1985 (unv.), Döhler et al. 2001)

20 Ammoniakverluste von Gülle und Biogasgülle nach der Ausbringung kumulativer NH 3 -N-Verlust (in % des appl. NH 4 -N) Gülle Zeit (h) (Döhler 1989, verändert)

21 Ammoniakverluste von Gülle und Biogasgülle nach der Ausbringung kumulativer NH 3 -N-Verlust (in % des appl. NH 4 -N) Gülle Biogasgülle Zeit (h) (Döhler 1989, verändert)

22 Ammoniakverluste von Gülle (Gärresten) nach der Ausbringung C kumulativer NH 3 -N-Verlust (in % des appl. NH 4 -N) Dickflüssiger Gärrest Dünnflüssiger Gärrest 15 C C 0 C 25 C 15 C 5 C 0 C Zeit (h) (Döhler 1989, KTBL 2007)

23 Minderung der NH3-Verluste (in % d. appl. NH4) nach der Ausbringung von flüssigen Gärresten (Referenz Prallteller) Ackerland unbewachsen Schleppschlauch dünnflüssige Gärreste Verluste bei Ausbringung mit Prallteller: dickflüssige Gärreste: 50 % bei 15 C dünnflüssige Gärreste: 25 % bei 15 C (Döhler et al / KTBL, 2009)

24 Minderung der NH3-Verluste (in % d. appl. NH4) nach der Ausbringung von flüssigen Gärresten (Referenz Prallteller) Ackerland unbewachsen Schleppschlauch Ackerland mit Bewuchs >30 cm dünnflüssige Gärreste Verluste bei Ausbringung mit Prallteller: dickflüssige Gärreste: 50 % bei 15 C dünnflüssige Gärreste: 25 % bei 15 C (Döhler et al / KTBL, 2009)

25 Minderung der NH3-Verluste (in % d. appl. NH4) nach der Ausbringung von flüssigen Gärresten (Referenz Prallteller) Ackerland unbewachsen Schleppschlauch Ackerland mit Bewuchs >30 cm Grünland, niedriger Bewuchs (bis 10 cm) Grünland, höherer Bewuchs (bis 30 cm) dünnflüssige Gärreste Verluste bei Ausbringung mit Prallteller: dickflüssige Gärreste: 50 % bei 15 C dünnflüssige Gärreste: 25 % bei 15 C (Döhler et al / KTBL, 2009)

26 Minderung der NH3-Verluste (in % d. appl. NH4) nach der Ausbringung von flüssigen Gärresten (Referenz Prallteller) Ackerland unbewachsen Schleppschlauch Ackerland mit Bewuchs >30 cm Grünland, niedriger Bewuchs (bis 10 cm) Grünland, höherer Bewuchs (bis 30 cm) Ackerland dünnflüssige Gärreste Schleppschuh Grünland Verluste bei Ausbringung mit Prallteller: dickflüssige Gärreste: 50 % bei 15 C dünnflüssige Gärreste: 25 % bei 15 C (Döhler et al / KTBL, 2009)

27 Minderung der NH3-Verluste (in % d. appl. NH4) nach der Ausbringung von flüssigen Gärresten (Referenz Prallteller) Ackerland unbewachsen Schleppschlauch Ackerland mit Bewuchs >30 cm Grünland, niedriger Bewuchs (bis 10 cm) Grünland, höherer Bewuchs (bis 30 cm) Ackerland dünnflüssige Gärreste Grünland Schleppschuh Gülleschlitz Grünland Verluste bei Ausbringung mit Prallteller: dickflüssige Gärreste: 50 % bei 15 C dünnflüssige Gärreste: 25 % bei 15 C (Döhler et al / KTBL, 2009)

28 Minderung der NH3-Verluste (in % d. appl. NH4) nach der Ausbringung von flüssigen Gärresten (Referenz Prallteller) Ackerland unbewachsen Schleppschlauch Ackerland mit Bewuchs >30 cm Grünland, niedriger Bewuchs (bis 10 cm) Grünland, höherer Bewuchs (bis 30 cm) Ackerland dünnflüssige Gärreste Grünland Ackerland Schleppschuh Gülleschlitz Güllegrubber Grünland Verluste bei Ausbringung mit Prallteller: dickflüssige Gärreste: 50 % bei 15 C dünnflüssige Gärreste: 25 % bei 15 C (Döhler et al / KTBL, 2009)

29 Minderung der NH3-Verluste (in % d. appl. NH4) nach der Ausbringung von flüssigen Gärresten (Referenz Prallteller) Ackerland unbewachsen Schleppschlauch Ackerland mit Bewuchs >30 cm Grünland, niedriger Bewuchs (bis 10 cm) Grünland, höherer Bewuchs (bis 30 cm) Ackerland dünnflüssige Gärreste Grünland Ackerland Schleppschuh direkte Gülleschlitgrubberarbeitung Gülle- Ein- Grünland Ackerland Verluste bei Ausbringung mit Prallteller: dickflüssige Gärreste: 50 % bei 15 C dünnflüssige Gärreste: 25 % bei 15 C (Döhler et al / KTBL, 2009)

30 Minderung der NH3-Verluste (in % d. appl. NH4) nach der Ausbringung von flüssigen Gärresten (Referenz Prallteller) Ackerland unbewachsen Schleppschlauch Ackerland mit Bewuchs >30 cm Grünland, niedriger Bewuchs (bis 10 cm) Grünland, höherer Bewuchs (bis 30 cm) Ackerland Grünland Ackerland Schleppschuh direkte Gülleschlitgrubberarbeitung Gülle- Ein- Grünland dünnflüssige Gärreste dickflüssige Gärreste Ackerland Verluste bei Ausbringung mit Prallteller: dickflüssige Gärreste: 50 % bei 15 C dünnflüssige Gärreste: 25 % bei 15 C (Döhler et al / KTBL, 2009)

31 Kurzfristig und langfristig verfügbarer Stickstoff aus organischen Düngern N-Fraktion im Anbaujahr verfügbar löslich NH 4 org. gebunden leicht abbaubar langfristig verfügbar organisch gebunden schwer abbaubar Vertreter Schweinegülle Rindergülle Jauche Stallmist Biokompost Schlempe Hornmehl

32 N-Ausnutzung von Roh- und Biogasgülle im Gefäßversuch mit W. Weidelgras N-Ausnutzung Basis NH4N [%] N appl. = 100 % Rohgülle nicht eingearbeitet Siehe auch: Meßner, 1988, LfL Bayern,1986 Rohgülle, flach eingearbeitet Rohgülle 5cm tief Biogasgülle 5 cm tief Nitratdünger (Döhler, 1988, verändert)

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34 N-Charakteristik von Gärresten und Wirtschaftsdüngern Gärrest mit NawaRo Schweinegülle mit NawaRo Rindergülle mit NawaRo C/N = 4; ph = 8,5 C/N = 4; ph = 8,5 C/N = 4; ph = 8,5 Gesamt-N (kg/t) Anteil des NH 4 -N am Gesamt-N (%) 4,7 60 4,5 70 4,5 60 Rinderjauche Rinderfestmist Rindergülle Schweinegülle C/N = 8; ph = 7,0 C/N = 8; ph = 7, org. gebundenes N NH 4 -N kg N t /t Substrat (Döhler, 1996)

35 Kurzfristige N-Wirkung flüssiger Gärreste und Aufbereitungsprodukte im Gefäßversuch (Hafer; 0,5gNH4-N) C/N-Verhältnis N -Verw ertung d urch H afer (M inerald ünger = 100) Konzentrat Feingülle Biogasgülle (KTBL/BMBF/ Gutser, 1997) übliche Gülle Mineraldünger

36 Mittlere Mineraldüngeräquivalente für die Ertragsleistung von Stallmist, Gülle und Gärresten Mist Gülle Gärrest Gärrest Gülle 0 Stallmist Rinde rgülle Sep ar. Gärre st RG/SG ko mpostiert Separ. Gärrest RG kompostiert Separ. RG o.vergärung, o. Komp. Ergebnisse auf den Standorten: (KTBL/BMBF, 1: Oldenburg (tu), 2: Bernburg (ul), 3: Weihenstephan (ul); Gutser 1997) Mittelwerte über drei Jahre; Düngung: 150 bzw. 160 kg N/ha und Jahr.

37 Verlauf der mittelfristigen N-Ausnutzung nach einmaliger Gärrest-Applikation Jährliche N-Ausnutzung in % kg N t /ha aus Gärrest gutes Management schlechtes Management Jahr Annahmen: jährliche Applikation von 93 kg N/ha NH 4 -N + 48 kg N/ha org. geb. N mit 10 % Mineralisation im 1. Jahr, 5 % Mineralisation im 2. Jahr und 3 % Mineralisation ab dem 3. Jahr rote Linie: 90 % NH 3 -Verlust bei Ausbringung blaue Linie: 10 % NH 3 -Verlust bei Ausbringung (nach Döhler 1996)

38 Kurzfristig und langfristig verfügbarer Stickstoff aus organischen Düngern N-Fraktion im Anbaujahr verfügbar löslich NH 4 org. gebunden leicht abbaubar langfristig verfügbar organisch gebunden schwer abbaubar Vertreter Schweinegülle Rindergülle Gärreste Jauche Stallmist Biokompost Schlempe Hornmehl

39 Verlauf der Mineralisation von organisch gebundenem Stickstoff bei jährlicher, langjähriger Gärrestapplikation kg N/ha jährlich ausgebrachte Menge org. geb. N 40 kg N/ha davon pflanzenverfügbar Jahr Annahmen: jährliche Applikation von 48 kg N/ha org. geb. N mit 10 % Mineralisation im 1. Jahr, 5 % Mineralisation im 2. Jahr und 3 % Mineralisation ab dem 3. Jahr (nach Döhler 1996)

40 Ausbringzeiträume für flüssige Gärreste und Wirtschaftsdünger Feldfrüchte JUL AUG SEP OKT NOV DEZ JAN FEB MÄR APR MAI JUN Weizen, Triticale, Roggen Wintergerste 1) 2) 1) 2) Hafer, Futtergerste Winterraps 1) 2) Silo, Körnermais 3) Zucker-, Futterrüben Kartoffeln Feldgras Wiesen, Mähweiden Sperrfrist nach DüV 4 Abs. 5 3) 3) Zwischenfrüchte Strohrotte 4) 4) gute Ausnutzung weniger gute Ausnutzung 1) Nur wenn N-Bedarf vorhanden, sofortige Einarbeitung 2) Maximal 40 kg Ammonium-N oder 80 kg Gesamtstickstoff/ha 3) Im März mit Nitrifikationshemmer, sofortige Einarbeitung 4) Maximal 40 kg Ammonium-N oder 80 kg Gesamtstickstoff/ha, sofortige Einarbeitung (KTBL, 2009)

41 Nährstoffgehalte von Gärresten im Vergleich zu Wirtschaftsdünger Wirtschaftsdünger Gärreste Einheit überwiegend Rindergülle Rindergülle und NawaRo Schweinegülle und NawaRo Gärrest und NawaRo Trockenmasse % FM 9,1 7,3 5,6 7,0 Säuregrad ph 7,3 8,3 8,3 8,3 Verhältnis Kohlenstoff/ Stickstoff C/N 10,8 6,8 5,1 6,4 Stickstoff (N t ) kg/t FM 4,1 4,6 4,6 4,7 Ammonium-N (NH4-N) kg/t FM 1,8 2,6 3,1 2,7 Phosphor (P 2 O 5 ) kg/t FM Organische Masse kg/t FM 74,3 53,3 41,4 51,0 (LTZ, 2008)

42 Nährstoffgehalte von Gärresten im Vergleich zu Wirtschaftsdünger Wirtschaftsdünger Gärreste Einheit überwiegend Rindergülle Rindergülle und NawaRo Schweinegülle und NawaRo Gärrest und NawaRo Trockenmasse % FM 9,1 7,3 5,6 7,0 Säuregrad ph 7,3 8,3 8,3 8,3 Verhältnis Kohlenstoff/ Stickstoff C/N 10,8 6,8 5,1 6,4 Stickstoff (N t ) kg/t FM 4,1 4,6 4,6 4,7 Ammonium-N (NH4-N) kg/t FM 1,8 2,6 3,1 2,7 Phosphor (P 2 O 5 ) kg/t FM 1,9 2,5 3,5 1,8 Organische Masse kg/t FM 74,3 53,3 41,4 51,0 (LTZ, 2008)

43 Löslichkeitsuntersuchung zur P 2 O 5 Wirkung von Gärresten (CaCl 2 bzw. CAL Extrakt) Lösliche Gehalte in % Gesamtgehalt Ammonium - N Gärprodukt Gülle Phosphor Kalium Magnesium (LTZ, 2008)

44 Gefäßversuch zur P 2 O 5 Wirkung von Gärresten auf Basis des Gesamtpflanzenertrages (Körnermais) Ausnutzung % Ausnutzung des Phosphors des Phosphors % A u s n u tz u n g d e s P h o s p h o rs Schweinegülle Rindergülle Gärprodukt 10 Schweinegülle // NawaRo 1 g P2O5 0 / Gefäß 1,5 g P2O5 / Gefäß Mittelwert Schweinegülle Rindergülle Gärprodukt Schweinegülle / 1 g P2O5 / Gefäß 1,5 g P2O5 / Gefäß Mittelwert NawaRo Gärprodukt Rindergülle / NawaRo Gärprodukt Rindergülle / NawaRo (LTZ, 2008)

45 Was erwartet Sie...? Einleitung: Die Gärreste verursachen ähnliche Probleme wie die Gülle Nährstoffe und Nährstoffwirkung - Stickstoffwirkung von Gärresten (kurzfristig und langfristig) - Ammoniakemissionen - Phosphorwirkung von Gärresten - Schadstoffe in Gärresten Gärrestaufbereitung - Ziele der Aufbereitung von Gärresten - Verfahrensbeispiele - Kosten der Aufbereitungsverfahren - Vergleichende Bewertung Zusammenfassung

46 Warum Gärreste behandeln? Export von Nährstoffen Einsparung von Lagerungs- und Ausbringungskosten Verkauf von Aufbereitungsprodukten Transport- und lagerungsfähige flüssige Dünger Minderung von Umweltbelastungen Nährstoffentlastung der Flüssigphase Vermeidung flüchtiger Luft- und Atmosphärenschadstoffe Abbau geruchsintensiver Komponenten Inaktivierung von Krankheitskeimen und Unkrautsamen Nach Weiland, KTBL 2001, verändert

47 Allgemeine Verfahrensprinzipien der Gärrestaufbereitung Aufbereitungsverfahren physikalisch chemisch biologisch Feststoffabtrennung Flockung Trocknung Eindampfung Membranverfahren Kompostierung Nitrifikation / Denitrifikation Strippung Fällung Eliminierung von Nährstoffen

48 Massenbilanz der Produkte 100% Gärrest Feste Phase Flüssige Phase /Konzentrat Prozesswasser gereinigtes Abwasser/Abluft 80% 60% 40% 20% 0% Ausbringung Separierung Bandtrockner Bandtrockner (100% Wärme) Membrantechnik Eindampfung Strippung

49 Massenbilanz der Produkte 100% Gärrest Feste Phase Flüssige Phase /Konzentrat Prozesswasser gereinigtes Abwasser/Abluft 80% 60% 40% 20% 0% Ausbringung Separierung Bandtrockner Bandtrockner (100% Wärme) Membrantechnik Eindampfung Strippung

50 Massenbilanz der Produkte 100% Gärrest Feste Phase Flüssige Phase /Konzentrat Prozesswasser gereinigtes Abwasser/Abluft 80% 60% 40% 20% 0% Ausbringung Separierung Bandtrockner Bandtrockner (100% Wärme) Membrantechnik Eindampfung Strippung

51 Massenbilanz der Produkte 100% Gärrest Feste Phase Flüssige Phase /Konzentrat Prozesswasser gereinigtes Abwasser/Abluft 80% 60% 40% 20% 0% Ausbringung Separierung Bandtrockner Bandtrockner (100% Wärme) Membrantechnik Eindampfung Strippung

52 Massenbilanz der Produkte 100% Gärrest Feste Phase Flüssige Phase /Konzentrat Prozesswasser gereinigtes Abwasser/Abluft 80% 60% 40% 20% 0% Ausbringung Separierung Bandtrockner Bandtrockner (100% Wärme) Membrantechnik Eindampfung Strippung

53 Massenbilanz der Produkte 100% Gärrest Feste Phase Flüssige Phase /Konzentrat Prozesswasser gereinigtes Abwasser/Abluft 80% 60% 40% 20% 0% Ausbringung Separierung Bandtrockner Bandtrockner (100% Wärme) Membrantechnik Eindampfung Strippung

54 Nährstoffkonzentrationen der Produkte Norg NH4-N P2O5 K2O Einleitung Verfahren Produkte & Kosten Zusammenfassung Nä hrstoffe [kg/t] Flüssig Fest Flüssig Fest Flüssig Fest Flüssig Fest Flüssig Fest Flüssig Separierun Ausbringun g g Bandtrockne r Membran Verdampfun g Strippung

55 Nährstoffkonzentrationen der Produkte Flüssig Fest Flüssig Fest Flüssig Fest Flüssig Fest Flüssig Nä hrstoffe [kg/t] Fest Flüssig Norg NH4-N P2O5 K2O Separierun Ausbringun g Bandtrockne g r Membran Verdampfun g 80,6 kg/t Strippung

56 Nährstoffkonzentrationen der Produkte Flüssig Fest Flüssig Fest Flüssig Fest Flüssig Fest Flüssig Nä hrstoffe [kg/t] Fest Flüssig Norg NH4-N P2O5 K2O Separierun Ausbringun g Bandtrockne g r Membran Verdampfun g 80,6 kg/t Strippung

57 Nährstoffkonzentrationen der Produkte Flüssig Fest Flüssig Fest Flüssig Fest Flüssig Fest Flüssig Nä hrstoffe [kg/t] Fest Flüssig Norg NH4-N P2O5 K2O Separierun Ausbringun g Bandtrockne g r Membran Verdampfun g 80,6 kg/t Strippung

58 Spezifische Kosten der Aufbereitung /m 3 Gärrest ,35 2,36 2,24 2,01 0,41 0,36 1,50 2,00 2,23 2,11 1,62 2,06 1,47 2,11 0,82 2,08 3,48 2,57 0,77 0,91 5,86 3,84 3,81 1,41 1,34 1,47 0,70 1,36 0,66 4,50 1,84 1,38 1,55 4,55 5, Ausbringung Separierung Bandtrockner Bandtrockner (100%) Membrantechnik Eindampfung Strippung Fixe Kosten Energie (el.) Energie (th.) Betriebsstoffe Ausbringung Transport Nährstoffe KWK-Bonus

59 Spezifische Kosten der Aufbereitung /m 3 Gärrest ,41 1,34 2,11 1,62 1,47 0,70 2,23 2,06 1,47 1,36 0,66 2,11 0,82 4,50 1,84 2,08 3,48 2,35 2,57 1,38 2,36 1,55 0,77 0,91 2,24 2,01 5,86 0,41 3,84 3,81 4,55 5,25 0,36 1,50 2,00-4,40-4,40-4,26-4,08-4,40-4,40-4, Ausbringung Separierung Bandtrockner Bandtrockner (100%) Membrantechnik Eindampfung Strippung Fixe Kosten Energie (el.) Energie (th.) Betriebsstoffe Ausbringung Transport Nährstoffe KWK-Bonus

60 Spezifische Kosten der Aufbereitung /m 3 Gärrest ,41 1,34 2,11 1,62 1,47 0,70 2,23 2,06 1,47 1,36 0,66 2,11 0,82 4,50 1,84 2,08 3,48 2,35 2,57 1,38 2,36 1,55 0,77 0,91 2,24 2,01 5,86 0,41 3,84 3,81 4,55 5,25 0,36 1,50 2,00-4,40-4,40-4,26-4,08-4,40-4,40-4, ,25-4,22-3,94-1,61-9 Ausbringung Separierung Bandtrockner Bandtrockner (100%) Membrantechnik Eindampfung Strippung Fixe Kosten Energie (el.) Energie (th.) Betriebsstoffe Ausbringung Transport Nährstoffe KWK-Bonus

61 Spezifische Kosten der Aufbereitung /m 3 Gärrest ,84 2,59 5,01 4,07 7,46 6,48 5, Ausbringung Separierung Bandtrockner Bandtrockner (100%) Membrantechnik Eindampfung Strippung Fixe Kosten Energie (el.) Energie (th.) Betriebsstoffe Ausbringung Transport Nährstoffe KWK-Bonus Mehrkosten

62 Spezifische Kosten der Aufbereitung /m 3 Gärrest ,84 2,59 5,01 4,07 7,46 6,48 5, Ausbringung Separierung Bandtrockner Bandtrockner (100%) Membrantechnik Eindampfung Strippung Fixe Kosten Energie (el.) Energie (th.) Betriebsstoffe Ausbringung Transport Nährstoffe KWK-Bonus Mehrkosten

63 Spezifische Kosten verglichen mit Ausbringung /m 3 Gärrest ,76 3,17 2,23 5,62 4,64 3, Ausbringung Separierung Bandtrockner Bandtrockner (100%) Membrantechnik Eindampfung Strippung Fixe Kosten Energie (el.) Energie (th.) Betriebsstoffe Ausbringung Transport Nährstoffe KWK-Bonus Mehrkosten

64 Spezifische Kosten verglichen mit Ausbringung /m 3 Gärrest ,76 3,17 2,23 5,62 4,64 3, Ausbringung Separierung Bandtrockner Bandtrockner (100%) Membrantechnik Eindampfung Strippung Fixe Kosten Energie (el.) Energie (th.) Betriebsstoffe Ausbringung Transport Nährstoffe KWK-Bonus Mehrkosten

65 Spezifische Kosten verglichen mit Ausbringung /m 3 Gärrest ,76 0,60-1,25 5,62 0,14 1, Ausbringung Separierung Bandtrockner Bandtrockner (100%) Membrantechnik Eindampfung Strippung Fixe Kosten Energie (el.) Energie (th.) Betriebsstoffe Ausbringung Transport Nährstoffe KWK-Bonus Mehrkosten MK ohne Wärme

66 Bewertung Vergleichende Bewertung der Verfahren Separierung Trockung Membrantechnik Eindampfung Strippung Funktionssicherheit ++ +/o + o o Stand der Umsetzung o o Kosten + (++)/o o/- o +/o Verwertbarkeit Produkte Festphase o +/o o o o Flüssig (nährstoffreich) o o Flüssig (nährstoffarm) + o o

67 Zusammenfassung Anhand der Eigenschaften der Gärreste lassen sich die wichtigsten Grundsätze für deren Einsatz als Dünger ableiten Dabei kann weitestgehend auf die Kenntnisse und Erfahrungen mit den flüssigen Wirtschaftsdüngern zurückgegriffen werden Vermeidung von Ammoniakemissionen ist oberstes Gebot Bei richtiger Terminierung der Ausbringung und der Vermeidung von Ausbringungsverlusten kann auch Gärrest wie Gülle als Mineraldüngerersatz ausgebracht werden Vorzugsweise sollten Ausbringungszeitpunkte im Frühjahr genutzt werden Einarbeitung auf unbewachsenem Feld und Schleppschlauch, Schleppschuhtechnik im wachsenden Bestand oder die Ausbringung bei Bei richtiger Terminierung der Ausbringung und der Vermeidung von Ausbringungsverlusten kann auch Gärrest wie Gülle als Mineraldüngerersatz ausgebracht werden

68 Zusammenfassung Kosten für kleinere und mittlere Biogasanlagen höher, als direkte landwirtschaftliche Verwertung Kosteneffizienz ist stark standort- und anlagenabhängig Aufbereitungsprodukte lassen bisher nur selten eine Vermarktung zu Aber Total-Aufbereitung kann sinnvoll sein: - in flächenknappen Regionen mit hohen Nährstoffüberschüssen - für Großbiogasanlagen - an Standorten mit Wohn- oder Erholungsfunktion - wenn spezielle Aufbereitungsprodukte vermarktet werden können

69 Stickstoffbilanz für Stickstoff am Beispiel Mais bei einer Gärrestmenge von 30 m 3 /ha (Applikation vor der Aussaat mit sofortiger Einarbeitung) 6 Nährstoffabfuhr der Haupternteprodukte 235 kg/ha 5 Düngebedarf 187 kg/ha 48 kg/ha 4 Ausgebrachte Nährstoffmenge 143 kg/ha Kulturspezifischer Korrekturfaktor 3 NH4 - N Anteil 93 kg/ha Verlust org. geb. N Anteil 50 kg/ha 2 1 Nach 5- jähriger Anw endung verfügbar Düngebedarf zu 52% gedeckt 98 kg/ha Verbleibender Nährstoffbedarf 89 kg/ha kg N / ha (KTBL, Faustzahlen Biogas 2009)

70 Stickstoffbilanz am Beispiel einer 4 gliedrigen Fruchtfolge bei 64 m 3 Gärrestapplikation 6 Nährstoffabfuhr der Haupternteprodukte 660 kg/ha 5 Düngebedarf 702 kg/ha 4 Ausgebrachte Nährstoffmenge 305 kg/ha 3 NH4 - N Anteil Verlust 198 kg/ha 107 kg/ha org. geb. N Anteil 2 1 Nach 5- jähriger Anwendung verfügbar 196 kg/ha Düngebedarf zu 28% gedeckt Verbleibender Nährstoffbedarf 506 kg/ha kg N / ha (KTBL, Faustzahlen Biogas 2009)

71 Nährstoffbilanz für Phosphor am Beispiel Mais bei einer Gärrestmenge von 30 m 3 /ha (Applikation vor der Aussaat mit sofortiger Einarbeitung) 6 Nährstoffabfuhr der Haupternteprodukte 98 kg/ha 5 Düngebedarf 83 kg/ha 15 kg/ha 4 Ausgebrachte Nährstoffmenge 56 kg/ha Kulturspezifischer Korrekturfaktor 3 Im Anwendungsjahr wirksam 56 kg/ha 2 Nach 5 jähriger Anwendung verfügbar 56 kg/ha 1 Düngebedarf zu 67% gedeckt Nährstoffbedarf 83 kg/ha kg P 2 O 5 / ha (KTBL, Faustzahlen Biogas 2009)

72 Energieaufwand - Düngestrategien FF Raps- Mais- WW-WG (Döhler 2008) Energieaufwand [MJ/ha] Rindergülle/Gärrest Klärschlamm Kompost Mineraldünger Düngerlagerung Mineraldüngerherstellung Transport - Ind. Energieaufwand Ausbringung - Ind. Energieaufwand Transport - Dir. Energieaufwand Ausbringung - Dir. Energieaufwand (Döhler 2008)

73 Klimagasbilanzen für 6 europäische Biogasanlagen dt. fossiler Strommix ,8 (0,723 kg CO 2 eq/kwh el ) 0,8 0,6 0,6 0,4 0,4 k g CO 2eq/k W hel 0,2 0,0-0,2 Gutschrift Wärmenutzung Gutschrift Wirtschaftsdünger Emissionen Gärrestlager Diffuse Emissionen Methanschlupf 0,2 0,0-0,2 kg CO2eq/kW hel -0,4 Glycerin NawaRo-/Biomasse-Transport 214-0,4-0,6 NawaRo-Anbau -0,6-0,8 Biogasanlage Betrieb Biogasanlage Errichtung 382-0,8 A B C DCO2eq Emissionen E F (Roth et al. 2009)

74 Eigenschaften von Gärresten 3,5 3, ,9 BWS (kg CaO/t FM) Basisch wirksame Stoffe 5,2 6,4 5,1 6,8 10,8 C/N Verhältnis Kohlenstoff/ Stickstoff 8,3 8,3 8,3 8,3 7,3 ph Säuregrad 6,1 7,0 5,6 7,3 9,1 % FM 1) Trockenmasse Gärrest Abfall (und NawaRo) Gärest NawaRo Schwein e- gülle und NawaRo Rindergülle und NawaRo Überwiegend Rindergülle Einheit Parameter Gärreste Rohgülle

75 Nährstoffe von Gärresten und Wirtschaftsdüngern im Vergleich (LTZ, 2008) kg/t FM Rohgülle Gärreste Parameter Überwiegend Rindergülle Bezeichnung Rindergülle und NawaRo Schweinegülle und NawaRo Gärest NawaRo Gärrest Abfall (und NawaRo) Stickstoff N gesamt 4,1 4,6 4,6 4,7 4,8 Ammonium -N NH 4 -N 1,8 2,6 3,1 2,7 2,9 Phosphor P 2 O 5 1,9 2,5 3,5 1,8 1,8 Kalium K 2 O 4,1 5,3 4,2 5,0 3,9 Magnesium MgO 1,02 0,91 0,82 0,84 0,7 Kalzium CaO 2,3 2,2 1,6 2,1 2,1 Schwefel S 0,41 0,35 0,29 0,33 0,32 Organische Substanz o. S. 74,3 53,3 41,4 51,0 42,0

76 Schwermetallgehalte von Gärresten und Wirtschaftsdüngern im Vergleich (KTBL, 2005; LTZ, 2008) Gärreste LTZ et al Ausschöpfung d. Deklarationswerte DüMV Ausschöpfung d. Grenzwerte nach DüMV Ausschöpfung der Grenzwerte nach BioAbfV Rindergülle KTBL 2005 Schweinegülle KTBL 2005 mg/kg TM % % % mg/kg TM mg/kg TM Pb 2,9 2,9 1,9 < 5 3,2 4,8 Cd 0, ,3 17 0,3 0,5 Cr 9,0 3-1) 9 5,3 6,9 Ni 7,5 18,8 9,4 15 6,1 8,1 Cu ) (35) - 2) Zn ) (158) - 2) Hg 0,03 6 3,0 < ) nur Grenzwert für Cr(VI) 2) DüMV enthält keinen Grenzwert 3) Deklarationswert für Wirtschafsdünger

77 Infektionserreger in Flüssigmist und organischen Abfällen (Klingler, 1996) Bakterien Viren Parasiten Salmonellen (RG, SG, HK) Escherichia coli (RG) Milzbrandbakterien (RG) Brucellen (RG, SG) Leptospiren (RG, SG) Mykobakterien (RG, SG, HK) Rotlaufbakterien (SG) Clostridien (HK) Streptokokken Enterobacter Erreger der Maul- und Klauenseuche Schweinepest Bläschenkrankheit der Schweine Schweineinfluenza Oldenburger Schweineseuche (TGE) Rota-Virus-Infektionen Teschener Erkrankung Aujeszky sche Krankheit Atypische Geflügelpest Blauzungenerkrankung Retro-, Parvo-, Echo-, Enteroviren Spulwürmer Palisadenwürmer Saugwürmer Leberegel Lungenwürmer Magendarmwürmer

78 Vorkommen von Salmonellen in Substraten und Gärresten von Biogasanlagen Rohgülle Gärreste Rindergülle, Schweinegülle, klinisch gesund Überwiegend Rindergü lle Güllen und NawaRo Bioabfall und NawaRo Probenza hl Salmonel -len positiv % 2,5 3,8 0 3,2 11,1 Jahr der Probenahme bis 2008 Quelle Philipp (1991) LTZ (2008)

79 Inhalt Wirtschaftsdüngern auf die Eigenschaften des Gärrestes genannt: Minderung von Geruchsemissionen durch Abbau flüchtiger organischer Verbindungen Weitgehender Abbau kurzkettiger organischer Säuren und demzufolge Minimierung des Risikos für Blattverätzungen Verbesserung der rheologischen (Fließ-)Eigenschaften und demzufolge Verminderung von Blattverschmutzungen an Futterpflanzen und geringerer Aufwand bei der Homogensierung und Verbesserung der kurzfristigen Stickstoffwirkung durch die Erhöhung des Gehaltes an schnellwirksamen Stickstoff Abtötung oder Inaktivierung von Unkrautsamen und Krankheitskeimen (tierpathogene und phytopathogene)

80 Inhalt Die Trockenmassegehalte von Gärresten (im Mittel 7 % der FM) sind um ca. 2 % niedriger als die von Rohgülle. Die Gehalte an Gesamt-Stickstoff sind in Gärresten mit Schweinegülle und Bioabfällen niedriger als in Gärresten aus pflanzlicher Biomasse und Rindergülle. Das C/N Verhältnis liegt in Gärresten bei etwa 5 bis 6 und damit deutlich unter dem von Rohgülle (C/N:10) Der Abbau organischer Substanz bewirkt eine Überführung von organisch in anorganisch gebundenen Stickstoff und demzufolge einen höheren Anteil der Ammoniumfraktion (ca. 60 bis 70) am Gesamt-N in Gärresten. Gärreste mit Beimischung von Schweinegülle- und Bioabfallgärreste weisen tendenziell höhere Phosphorgehalte auf, höhere Gehalte an Ammoniumstickstoff, dagegen geringere TM-, und Kaliumgehalte sowie geringere Gehalte an organischer Substanz Hinsichtlich der Nährstoffe Magnesium, Kalzium und Schwefel sind keine eindeutigen Unterschiede festzustellen

81 Inhalt Einleitung: Die Gärreste verursachen ähnliche Probleme wie die Gülle Die Bedeutung der organischen Düngung für die Energie- und Klimagasbilanzierung Der (notwendige) Blick zurück, oder : was wissen wir schon? Die Ammoniakemissionen von Gärresten Die Stickstoffwirkung von Gärresten Klärungsbedarf Lachgasemissionen Die Phosphorwirkung von Gärresten Exemplarische Nährstoffbilanzen Zusammenfassung

82 N-Verfügbarkeit organischer Düngerstoffe im Jahr der Anwendung (Basis: Mineraldünger-Äquivalente [%]) Düngungsniveau: Ø kg Ges. N je ha und Jahr MDÄ Langfristig % % Festmist Bioabfallkompost % Klärschlamm Leguminosenschrote Flüssigmist (Rind) Schlempe Gründüngung (C/N!) entwässerter Klärschlamm Hühnertrockenkot Biogasgülle Jauche Fleisch-/Blutmehle Flüssigmist (Huhn) Fleischknochenmehle Gärrest (Kofermentation) Horn-, Feder-, Lederdünger wo steht der Biogasreststoffe - landw. Biomasse neue NawaRo Gärrest? kurzfristige Mineraldünger-Äquivalente (%) (Gutser, 2005)

83 Entwicklung der Stickstoffpools bei langjähriger Gärrestapplikation Gesamtmenge organisch geb. N kg N/ha davon mineralisierte Menge N davon verbleibende Menge organisch geb. N Jahr Annahmen: jährliche Applikation von 48 kg N/ha org. geb. N mit 10 % Mineralisation im 1. Jahr, 5 % Mineralisation im 2. Jahr und 3 % Mineralisation ab dem 3. Jahr (nach Döhler 1996)

84 Inhalt Einleitung: Die Gärreste verursachen ähnliche Probleme wie die Gülle Die Bedeutung der organischen Düngung für die Energie- und Klimagasbilanzierung Der (notwendige) Blick zurück, oder : was wissen wir schon? Die Ammoniakemissionen von Gärresten Die Stickstoffwirkung von Gärresten Klärungsbedarf Lachgasemissionen Die Phosphorwirkung von Gärresten Exemplarische Nährstoffbilanzen Zusammenfassung

85 Lachgasemissionen bei organischer und mineralischer Düngung (Sandboden mit Silomais) 2,0 1,5 mineral N slurry N kg N 2 O-N ha -1 1,0 0,5 0, N fertilization [kg N ha -1 ] Ruser, 2008 Van Groenigen, Kasper, Velthof, van den Pool-van Dasselaar & Kuikman (2004)

86 Mittlere Lachgasemissionen durch organische und mineralische Stickstoffdüngung auf Untersuchungsstandorten in Deutschland Annual emission Minimum - maximum CO 2 equivalents fert. prod. Total CO 2 equivalents kg N 2 O-N ha -1 a -1 kg CO 2 ha -1 a -1 Organic 5,65 1,30 12, Mineral 2,6 0,97 16, Kaiser & Ruser, 2000

87 N-Verfügbarkeit organischer Düngerstoffe im Jahr der Anwendung (Basis: Mineraldünger-Äquivalente [%]) Düngungsniveau: Ø kg Ges. N je ha und Jahr % Jauche Fleisch-/Blutmehle Flüssigmist (Huhn) Fleischknochenmehle Hühnertrockenkot MDÄ Langfristig % % Klärschlamm Leguminosenschrote Biogasgülle (Kofermentation) Horn-, Feder-, Lederdünger Biogasgülle Biogasreststoffe - landw. Biomasse Flüssigmist (Rind) Schlempe Gründüngung (C/N!) Festmist entwässerter Klärschlamm Bioabfallkompost kurzfristige Mineraldünger-Äquivalente (%) (Gutser, 2005)