Nährstoffaufbereitung aktueller Stand der Wissenschaft

Transkript

1 Nährstoffaufbereitung aktueller Stand der Wissenschaft Wirtschaftsdünger Möglichkeiten der technischen Aufbereitung von Wirtschaftsdüngern Kreishaus Vechta Prof. Dr.-Ing. Christof Wetter Dr.-Ing. Elmar Brügging Daniel Baumkötter M.Eng. Stegerwaldstraße 39 fon +49 (0)2551 / wetter@fh-muenster.de D Steinfurt fax +49 (0)2551 /

2 Gliederung 1 Zielsetzung der Gülle- und Gärrestaufbereitung 2 Übersicht der Verfahren 3 Separationstechniken 4 Teilstromaufbereitung 5 Kombinierte Verfahren 6 Mest op Maat Nachhaltiger Dünger nach Maß 7 Ausblick und Fazit 2 Nährstoffaufbereitung aktueller Stand der Wissenschaft

3 1 Zielsetzung der Gülle- und Gärrestaufbereitung Regional sehr starke Viehveredelung in Deutschland Ca Biogasanlagen in Deutschland Geringe Transportwürdigkeit der anfallenden Gülle Entlastung von Regionen mit Nährstoffüberangebot Aufbereitung bietet neue Optionen für die Verwertung der tierischen Ausscheidungen und Gärreste Verringerung von Entsorgungskosten und Reduktion von Lagerkosten Erzeugung von handelbaren Düngemitteln Vermeidung von Emissionen 3 Nährstoffaufbereitung aktueller Stand der Wissenschaft

4 1 Zielsetzung der Gülle- und Gärrestaufbereitung Zuverlässige Abnahme der Produkte entscheidend für Erfolg einer Aufbereitung! 4 Nährstoffaufbereitung aktueller Stand der Wissenschaft

5 2 Übersicht der Verfahren Teil- und vollaufbereitende Verfahren Teilaufbereitende Verfahren Separation (Entwässerung) Trocknung (evtl. anschließende Kompaktierung) Fällung und Flockung; Flotation Verdampfung (Einengung) Ammoniakentfernung (Strippung) Kompostierung Biologische Verfahren ähnlich einer Abwasserreinigungsanlage Vollaufbereitende Verfahren Membranverfahren mit Aufbereitung der Flüssigkeiten bis zur Einleitfähigkeit Spezialverfahren mit Verdampfung und Einleitung der aufbereiteten Kondensate 5 Nährstoffaufbereitung aktueller Stand der Wissenschaft

6 2 Übersicht der Verfahren 6 Nährstoffaufbereitung aktueller Stand der Wissenschaft

7 2 Übersicht der Verfahren 7 Nährstoffaufbereitung aktueller Stand der Wissenschaft

8 3 Separationstechniken Separationstechniken entwässern Schlämme Enthaltene Nährstoffe teilen sich unterschiedlich stark auf die erzeugte feste und flüssige Fraktion auf Optional: Zugabe von Fällungs- und Flockungsmitteln Die Wahl der richtigen Separationstechnik entscheidet der Substrateinsatz und die Weiterverarbeitung der Fraktionen * Gülle * Gülle Pressschnecke Dekanterzentrifuge *Fuchs, W., Drosg, B.: Technologiebewertung von Gärrestbehandlungs- und Verwertungskonzepten, IFA Tulln, Nährstoffaufbereitung aktueller Stand der Wissenschaft

9 3 Separationstechniken Vergleich verschiedener Separationstechniken Technik Durchsatz Investkosten Abscheidung Phosphor Trockenrückstand m³/h % % Bogensieb, Trommelfilter << 30 % < 25 Feinseparation 1 2 < % < 25 Pressschnecke 4 15 > % Siebbandpresse 4 30 > % Dekanterzentrifuge > % Nährstoffaufbereitung aktueller Stand der Wissenschaft

10 3 Separationstechniken Ergebnisse aus MoM-Versuchsreihe Versuchsreihe zur Gülle- und Gärrestseparation Zeitraum: 12. bis 22. Juli 2016 Substrate: Gärrest, Mastschweine-, Sauen- und Rindergülle Separationstechniken Zentrifuge der RWG Emsland Süd Pressschnecke der REW Regenis Separator von Silcon (Vaccum Vibration System V2S) Bauer Pressschnecke MGR (Referenz) Datenerfassung Massenströme Stromverbräuche Nährstoffgehalte und Trockensubstanzgehalte 10 Nährstoffaufbereitung aktueller Stand der Wissenschaft

11 6 Mest op Maat Versuche zur Gülle- und Gärrestaufbereitung 11 Nährstoffaufbereitung aktueller Stand der Wissenschaft

12 3 Separationstechniken Ergebnisse aus MoM-Versuchsreihe Durchsatz Elektrische Leistung Mastschweinegülle Gärrest Sauengülle Rindergülle [m³/h] [m³/h] [m³/h] [m³/h] RWG Zentrifuge 31,0 20,0 31,0 22,0 Regenis Pressschnecke 2,4 9,0 6,7 7,1 Silcon 57,0 56,7 72,0 87,0 Bauer Pressschnecke MGR 16,9 17,8 12,7 14,4 RWG Zentrifuge kw el Regenis Pressschnecke 2 4 kw el Silcon kw el Bauer Pressschnecke MGR 4 5 kw el 12 Nährstoffaufbereitung aktueller Stand der Wissenschaft

13 3 Separationstechniken Ergebnisse aus MoM-Versuchsreihe Vergleich spezifischer Stromverbrauch Rindergülle Sauengülle Gärrest RWG Zentrifuge Regenis Pressschnecke Silcon Bauer Pressschnecke MGR Mastschweinegülle 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 2,6 Spezifischer Stromverbauch in kwh el /m³ 13 Nährstoffaufbereitung aktueller Stand der Wissenschaft

14 3 Separationstechniken Ergebnisse aus MoM-Versuchsreihe Vergleich Trockensubstanzgehalte im Feststoff Rindergülle Sauengülle Gärrest RWG Zentrifuge Regenis Pressschnecke Silcon Bauer Pressschnecke MGR Mastschweinegülle Trockensubstanzgehalt in % 14 Nährstoffaufbereitung aktueller Stand der Wissenschaft

15 3 Separationstechniken Ergebnisse aus MoM-Versuchsreihe Vergleich Mastschweinegülle Rohmasse Trockensubstanz Stickstoff (N) gesamt Ammonium N (NH4 N) Phosphor (P2O5) Kalium (K2O) RWG Zentrifuge Regenis Pressschnecke Silcon Bauer Pressschnecke MGR Magnesium (MgO) Calcium (CaO) Schwefel (S) gesamt 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% 15 Nährstoffaufbereitung aktueller Stand der Wissenschaft Abscheidegrad Feststoff

16 3 Separationstechniken Ergebnisse aus MoM-Versuchsreihe Vergleich Gärrest Rohmasse Trockensubstanz Stickstoff (N) gesamt Ammonium N (NH4 N) Phosphor (P2O5) Kalium (K2O) RWG Zentrifuge Regenis Pressschnecke Silcon Bauer Pressschnecke MGR Magnesium (MgO) Calcium (CaO) Schwefel (S) gesamt 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 16 Nährstoffaufbereitung aktueller Stand der Wissenschaft Abscheidegrad Feststoff

17 3 Separationstechniken Ergebnisse aus MoM-Versuchsreihe Stärken und Eignung in Abhängigkeit vom Anwendungsfall RWG Zentrifuge Schweinegülle (höchste Durchsätze und Abscheidegrade) Höchste Phosphor-Abscheidung (bis zu 80 %) Regenis Pressschnecke Gärrest (höchster TS-Gehalt im Feststoff) Für stationären Betrieb (niedrige Durchsätze) Silcon Hohe TS-Gehalte im Feststoff (bei Schweinegülle bis zu 35 %) Für überbetrieblichen Einsatz (hoher Durchsatz) z.b. Feststoff aus Rindergülle für Biogas Bauer Pressschnecke Niedriger Stromverbrauch Universell einsetzbar 17 Nährstoffaufbereitung aktueller Stand der Wissenschaft

18 4 Teilstromaufbereitung Feste Phase Trocknung Auf TS-Gehalt > 90 % Band-, Trommel-, Schubwende- oder Solartrockner Vorherige Separation und/oder Rückmischung mit getrocknetem Material Heizmedium: Aufgeheizte Luft oder Abgas Nachbehandlung der Abluft notwendig (Staub und Ammoniak) Kompaktierung Indirekte Granulierung Pelletierung oder Brikettierung Thermische Verwertung möglich Kompostierung Zugabe von Strukturmaterial Trocknung eines Teil- oder des Gesamtstromes 18 Nährstoffaufbereitung aktueller Stand der Wissenschaft

19 4 Teilstromaufbereitung Stickstoffentfrachtung mit Hilfe von Branntkalk Gezielte Entfernung von Ammonium-Stickstoff aus Wirtschaftsdünger (z.b. Geflügelmist) Freisetzung von Ammoniak durch Erhitzung und Verschiebung des ph-wertes (chemische Reaktion von Branntkalk mit Wasser exotherm) Geringerer Ammoniumgehalt ermöglicht höheren Einsatz dieses Reststoffes in Biogasanlagen (Ammoniakhemmung) Herstellung eines direkt handelsfähigen Stickstoff-Düngers: 40 %ige Ammoniumsulfatlösung (ASL) Optional: Hygienisierung Hähnchenmist 19 Nährstoffaufbereitung aktueller Stand der Wissenschaft

20 4 Teilstromaufbereitung Flüssige Phase Fällung / Flockung Flotation Verdampfung Vollaufbereitung Ultrafiltration mit anschließender Umkehrosmose Einleitfähiges Filtrat und nährstoffreiches Konzentrat Biologische Behandlung Bisher häufig nur Pilotanlagen 20 Nährstoffaufbereitung aktueller Stand der Wissenschaft

21 4 Teilstromaufbereitung Beispiel Ammoniakstrippung Gezielte Abtrennung von Ammonium-Stickstoff Vermeidung von Ammoniakemissionen Herstellung eines direkt handelsfähigen Stickstoff-Düngers: 40 %ige Ammoniumsulfatlösung (ASL) Betriebsstoffe: Schwefelsäure, ggf. Natronlauge Verfahren mit Nutzung von Calciumsulfat anstatt Schwefelsäure bekannt (Anastrip) Strippung kann Bestandteil einer vollständigen Gärrestaufbereitung sein Verwertung der anfallenden Wärme aus der Biogas- Verstromung (KWK) 21 Nährstoffaufbereitung aktueller Stand der Wissenschaft

22 4 Teilstromaufbereitung Beispiel Ammoniakstrippung Kolonnen mit Füllkörpern Desorption bei C Trockenrückstand 3-5 % TR Definierte Partikel unter 100 µm Kein Einsatz von Natronlauge zur ph-wert Anhebung Kein Einsatz von Entschäumern Reinigung mit Wasser Bis zu 90 % Ammonium-Reduktion realisierbar 22 Nährstoffaufbereitung aktueller Stand der Wissenschaft

23 4 Teilstromaufbereitung Beispiel Flockung Auf Stärke basierende Flockungsmittel Abscheidung von Partikeln (Trockensubstanz) und damit verbundener Nährstoffe (vor allem Phosphor) Häufig Verdünnung nötig Erzeugung eines partikelfreien Überstandes möglich Versuche bisher nur im Labormaßstab Flockung unseparierter Schweinegülle ohne Verdünnung 23 Nährstoffaufbereitung aktueller Stand der Wissenschaft

24 5 Kombinierte Verfahren Entfrachtung von Stickstoff und Phosphor Zusammenschaltung verschiedener Anlagen mit dem Ziel der Entfrachtung von N und P (keine Vollaufbereitung) Separation mit kombinierter Fällung / Flockung / Flotation P-reicher Feststoff oder P-Salz und Feststoff Ammoniak-Strippung Ammoniumsulfatlösung (ASL) Kalium-reiches Wasser mit geringen Gehalten an N und P Ausbringung in Anlagennähe 24 Nährstoffaufbereitung aktueller Stand der Wissenschaft

25 5 Kombinierte Verfahren Beispiel Phosphorabtrennung Separation mit kombinierter Phosphor-Fällung Säurezugabe löst gebundenen Phosphor Separation zur Abtrennung P-armen Feststoffs Fällung des gelösten Phosphors durch Anhebung ph-wert Abscheidung als Phosphor-Salz (z.b. Calciumphosphat) 25 Nährstoffaufbereitung aktueller Stand der Wissenschaft

26 5 Kombinierte Verfahren Phosphorrückgewinnung aus Klärschlamm Einführung einer Rückgewinnungspflicht für Phosphor (ab 2029) mit der neuen Klärschlammverordnung ( ) Ca. 2/3 des anfallenden Klärschlamms in Deutschland wird aktuell thermisch verwertet Entwicklungsstand: Erprobungsphase einzelner Betrieb von halb- und großtechnischen Anlagen Bisher keine Untersuchungen zur Übertragbarkeit der Verfahren auf Gülle und Gärreste 26 Nährstoffaufbereitung aktueller Stand der Wissenschaft

27 5 Kombinierte Verfahren Phosphorrückgewinnung aus Klärschlamm Kategorisierung von Verfahren zur Phosphorrückgewinnung Medium Faulschlamm Abwasser / Prozesswasser Klärschlamm / Asche Asche Verfahren Adsorption / Fällung Kristallisations- / Fällungsverfahren Nasschemischer Aufschluss Metallurgie Nasschemischer Aufschluss Thermochemischer Aufschluss Technologiebeispiele - Ostara PEARL- Prozess - P-RoC - FixPhos - Air Prex - Berliner Verfahren - Stuttgarter Verfahren - Budenheim Verfahren - Gifhorner Verfahren - MePhrec - ATZ- Eisenbadrea ktor - LEACH- Phos - PASCH - SESAL- Phos - Ash-Dec / Outo tec - Reco-Phos - Therm-Phos Pinnekamp et al Nährstoffaufbereitung aktueller Stand der Wissenschaft

28 5 Kombinierte Verfahren Phosphorrückgewinnung aus Klärschlamm Produkte Magnesium-Ammonium-Phosphat (MAP; Struvit) Calcium- und Magnesium-Phosphate Aluminium- und Eisen-Phosphate Phosphorsäure Nährstoffaufbereitung aktueller Stand der Wissenschaft

29 6 Mest op Maat Nachhaltiger Dünger nach Maß Die 13 Projektpartner: Laufzeit: Die Fördermittelgeber: Weitere Informationen unter: 29 Nährstoffaufbereitung aktueller Stand der Wissenschaft

30 6 Mest op Maat Motivation - Hohe regionale Überschüsse an Nährstoffen in der viehveredelungsstarken Projektregion - Wachsende Transportmengen tierischer Ausscheidungen; auch grenzüberschreitend - Bedarf an Nährstoffen in Ackerbauregionen - Bessere energetische Ausnutzung vorhandener Reststoffe Provincie Gelderland Provincie Overijssel Grafschaft Bentheim Kreis Borken Landkreis Emsland Kreis Coesfeld Kreis Steinfurt Stadt Münster Kreis Warendorf EuroGeographics bezüglich der Verwaltungsgrenzen 30 Nährstoffaufbereitung aktueller Stand der Wissenschaft

31 6 Mest op Maat Projektziele Entlang der Wertschöpfungskette - Optimierung der Gülle- und Gärrest-Behandlung - Wertstoffgewinnung und Kostenreduzierung - Stoffliche und energetische Nutzung - Nachfrageorientierte Behandlung - Bedarfsgerechte Düngung 31 Nährstoffaufbereitung aktueller Stand der Wissenschaft

32 6 Mest op Maat Inhalt des Projektes - Transparente Darstellung von Anfall, Überschuss und Transport tierischer Ausscheidungen und Nährstofffrachten im Projektgebiet - Ermittlung der Interessen der Abnehmerseite für bedarfsoptimierte Produkte - Untersuchung und Bewertung innovativer Aufbereitungstechnologien und Verwertungskonzepte Bestehende und neue Technologien und Konzepte Im Labor- und Praxismaßstab Grenzüberschreitende Exkursionen und Expertenworkshops - Hebung von Optimierungspotenzialen bei bestehenden Techniken und Weiterentwicklung neuer Technologien - Überführung in technisch ausgereifte Konzepte und Realisierung in Pilotanlagen (inkl. Logistik und Ausbringung) 32 Nährstoffaufbereitung aktueller Stand der Wissenschaft

33 6 Mest op Maat Informationsaustausch und Netzwerken Homepage: Zweisprachig (D & NL) Übersicht rechtlicher Vorgaben zu Anfall, Verarbeitung, Transport und Anwendung von Dünger in Deutschland und den Niederlanden 33 Nährstoffaufbereitung aktueller Stand der Wissenschaft

34 6 Mest op Maat Informationsaustausch und Netzwerken 34 Nährstoffaufbereitung aktueller Stand der Wissenschaft

35 6 Mest op Maat Mobile NIRS-Analytik Nahinfrarotspektroskopie (NIRS) Neues Einsatzfeld der Technologie Mobile Echtzeit-Analytik der Gülleinhaltsstoffe Nährstoffgesteuerte Ausbringung Parameter: TS-Gehalt Gesamt-N NH 4 -N P 2 O 5 K 2 O Zunhammer VAN-CONTROL (m-u-t GmbH) 35 Nährstoffaufbereitung aktueller Stand der Wissenschaft John Deere Manure Sensing (Carl Zeiss Spectroscopy GmbH)

36 NIRS-Analytik 36 Nährstoffaufbereitung aktueller Stand der Wissenschaft

37 6 Mest op Maat Mobile NIRS-Analytik 10% Stickstoff (N ges ) 5% 0% 5% 10% 15% 20% 79 % 25% Milchviehgülle Schweinegülle 1 Schweinegülle 2 Schweinegülle 3 Gärrest aus Endlager Gärrest aus Nachgärer 37 Nährstoffaufbereitung aktueller Stand der Wissenschaft Labor 1 Labor 2 Labor 3 Labor 4 Labor 5 NIR Sensor 1 NIR Sensor 2

38 6 Mest op Maat Ausblick Fortführung der technischen Versuche zur Gülle- und Gärrestaufbereitung Erfassung und Auswertung der Daten zum Nährstofftransport in der Projektregion Entwicklung von Zukunftsszenarien unter Berücksichtigung verfügbarer technischer Aufbereitungsverfahren Definition und Darstellung der Kundenwünsche welche Anforderungen werden von den Abnehmern / Anwendern an aufbereitete Güllen und Gärreste gestellt? Ziel: Optimierung der gesamten Wertschöpfungskette für eine zukunftsfähige Gülle- und Gärrestverwertung 38 Nährstoffaufbereitung aktueller Stand der Wissenschaft

39 7 Fazit und Ausblick Nährstoffaufbereitung und Wahl der richtigen Technik ist vor allem abhängig von Substrat und Standort Zuverlässige Abnehmer für aufbereitete Nährstoffe entscheidend für Erfolg einer Aufbereitung Optimierungspotenziale sind nach wie vor vorhanden Separation an vielen Biogasanlagen etabliert Sinnvolle Gärrestnutzung für erfolgreichen Anlagenbetrieb unerlässlich Steigender Kostendruck und technischer Fortschritt lassen anspruchsvollere Aufbereitungsverfahren erwarten 39 Nährstoffaufbereitung aktueller Stand der Wissenschaft

40 Kontakt Prof. Dr.-Ing. Christof Wetter FH Münster University of Applied Sciences Fachbereich Energie Gebäude Umwelt Stegerwaldstraße Steinfurt Tel : +49 (0) Fax : +49 (0) Mob: +49 (0) Mail: christof.wetter@fh-muenster.de Web: 40 Nährstoffaufbereitung aktueller Stand der Wissenschaft