Nährstoffaufbereitung - aktueller Stand der Wissenschaft - KLV Vechta
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Nährstoffaufbereitung – aktueller Stand der Wissenschaft Wirtschaftsdünger 2.0 - Möglichkeiten der technischen Aufbereitung von Wirtschaftsdüngern 22.02.2018 Kreishaus Vechta Prof. Dr.-Ing. Christof Wetter Dr.-Ing. Elmar Brügging Daniel Baumkötter M.Eng. Stegerwaldstraße 39 fon +49 (0)2551 / 9 62-725 wetter@fh-muenster.de D-48565 Steinfurt fax +49 (0)2551 / 9 62-717 www.fh-muenster.de/wetter
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
1 Zielsetzung der Gülle- und Gärrestaufbereitung • Regional sehr starke Viehveredelung in Deutschland • Ca. 9.000 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
1 Zielsetzung der Gülle- und Gärrestaufbereitung Zuverlässige Abnahme der Produkte entscheidend für Erfolg einer Aufbereitung! 4 Nährstoffaufbereitung – aktueller Stand der Wissenschaft
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
2 Übersicht der Verfahren 6 Nährstoffaufbereitung – aktueller Stand der Wissenschaft
2 Übersicht der Verfahren 7 Nährstoffaufbereitung – aktueller Stand der Wissenschaft
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, 2010
8 Nährstoffaufbereitung – aktueller Stand der Wissenschaft
3 Separationstechniken
Vergleich verschiedener Separationstechniken
Technik Durchsatz Investkosten Abscheidung Trocken‐
Phosphor rückstand
m³/h € % %
Bogensieb, 10 ‐ 20 10.000 – 25.000 20 – 40 % 25 – 35
Siebbandpresse 4 – 30 > 70.000 50 – 75 % 20 ‐ 25
Dekanterzentrifuge 30 ‐ 100 > 100.000 60 – 80 % 25 ‐ 30
9 Nährstoffaufbereitung – aktueller Stand der Wissenschaft
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 Wissenschaft6 Mest op Maat Versuche zur Gülle- und Gärrestaufbereitung 11 Nährstoffaufbereitung – aktueller Stand der Wissenschaft
3 Separationstechniken
Ergebnisse aus MoM-Versuchsreihe
Durchsatz Mastschweine-
Gärrest Sauengülle Rindergülle
gülle
[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
Elektrische Leistung
RWG Zentrifuge 20 – 29 kWel
Regenis Pressschnecke 2–4 kWel
Silcon 38 – 48 kWel
Bauer Pressschnecke MGR 4–5 kWel
12 Nährstoffaufbereitung – aktueller Stand der Wissenschaft3 Separationstechniken
Ergebnisse aus MoM-Versuchsreihe
Vergleich spezifischer Stromverbrauch
Rindergülle
Sauengülle
RWG Zentrifuge
Regenis Pressschnecke
Silcon
Gärrest
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
13 Spezifischer Stromverbauch
Nährstoffaufbereitung – aktuellerin kWh
Stand
el/m³
der Wissenschaft3 Separationstechniken
Ergebnisse aus MoM-Versuchsreihe
Vergleich Trockensubstanzgehalte im Feststoff
Rindergülle
Sauengülle
RWG Zentrifuge
Regenis Pressschnecke
Silcon
Gärrest
Bauer Pressschnecke MGR
Mastschweinegülle
0 5 10 15 20 25 30 35 40
14 Nährstoffaufbereitung – aktueller Stand der Wissenschaft
Trockensubstanzgehalt in %3 Separationstechniken
Ergebnisse aus MoM-Versuchsreihe
Vergleich Mastschweinegülle
Rohmasse
Trockensubstanz
Stickstoff (N) gesamt
Ammonium‐N (NH4‐N)
RWG Zentrifuge
Phosphor (P2O5)
Regenis Pressschnecke
Silcon
Kalium (K2O)
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 Feststoff3 Separationstechniken
Ergebnisse aus MoM-Versuchsreihe
Vergleich Gärrest
Rohmasse
Trockensubstanz
Stickstoff (N) gesamt
Ammonium‐N (NH4‐N)
RWG Zentrifuge
Phosphor (P2O5)
Regenis Pressschnecke
Silcon
Kalium (K2O)
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 Feststoff3 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 Wissenschaft4 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 www.thermo-system.com
– 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 Wissenschaft4 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)
Hähnchenmist
• Geringerer Ammoniumgehalt ermöglicht
höheren Einsatz dieses Reststoffes in
Biogasanlagen (Ammoniakhemmung)
• Herstellung eines direkt handelsfähigen
Stickstoff-Düngers: 40 %ige
Ammoniumsulfatlösung (ASL)
• Optional: Hygienisierung
19 Nährstoffaufbereitung – aktueller Stand der Wissenschaft4 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 Wissenschaft4 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
4 Teilstromaufbereitung
Beispiel Ammoniakstrippung
• Kolonnen mit Füllkörpern
• Desorption bei 80 - 90 °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 Wissenschaft4 Teilstromaufbereitung
Beispiel Flockung
• Auf Stärke basierende Flockungsmittel
• Abscheidung von Partikeln (Trocken-
substanz) und damit verbundener
Nährstoffe (vor allem Phosphor)
• Häufig Verdünnung nötig
• Erzeugung eines partikelfreien Über-
standes möglich
• Versuche bisher
nur im Labor-
maßstab Flockung unseparierter Schweine-
gülle ohne Verdünnung
23 Nährstoffaufbereitung – aktueller Stand der Wissenschaft5 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
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 Wissenschaft5 Kombinierte Verfahren Phosphorrückgewinnung aus Klärschlamm • Einführung einer Rückgewinnungspflicht für Phosphor (ab 2029) mit der neuen Klärschlammverordnung (27.09.2017) • 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
5 Kombinierte Verfahren
Phosphorrückgewinnung aus Klärschlamm
Kategorisierung von Verfahren zur Phosphorrückgewinnung
Abwasser / Klär-
Medium Prozess- Faulschlamm schlamm / Asche
wasser Asche
Verfahren Kristallisa- Adsorption / Nass- Metallurgie Nass- Thermo-
tions- / Fällung chemischer chemischer chemischer
Fällungs- Aufschluss Aufschluss Aufschluss
verfahren
Technologie- - Ostara - FixPhos - Stuttgarter - MePhrec - LEACH- - Ash-Dec /
beispiele PEARL- - Air Prex Verfahren - ATZ- Phos Outo tec
Prozess - Berliner - Budenheim Eisenbadrea - PASCH - Reco-Phos
- P-RoC Verfahren Verfahren ktor - SESAL- - Therm-Phos
- Gifhorner Phos
Verfahren
Pinnekamp et al. 2013
27 Nährstoffaufbereitung – aktueller Stand der Wissenschaft5 Kombinierte Verfahren
Phosphorrückgewinnung aus Klärschlamm
Produkte
• Magnesium-Ammonium-Phosphat (MAP; Struvit)
• Calcium- und Magnesium-Phosphate
• Aluminium- und Eisen-Phosphate
• Phosphorsäure
www.iswa.uni-stuttgart.de
www.bwb.de
28 Nährstoffaufbereitung – aktueller Stand der Wissenschaft6 Mest op Maat
Nachhaltiger Dünger nach Maß
Die 13 Projektpartner:
Laufzeit: 07.10.2015 – 30.06.2019
Die Fördermittelgeber:
Weitere Informationen unter: www.mestopmaat.eu
29 Nährstoffaufbereitung – aktueller Stand der Wissenschaft6 Mest op Maat
Motivation
- Hohe regionale Überschüsse an Nährstoffen in der
viehveredelungsstarken Projektregion
- Wachsende Transportmengen
Landkreis
tierischer Ausscheidungen; Emsland
auch grenzüberschreitend Grafschaft
Provincie Bentheim
- Bedarf an Nährstoffen in Overijssel
Ackerbauregionen
Kreis
- Bessere energetische Provincie
Steinfurt
Gelderland
Ausnutzung vorhandener
Stadt
Reststoffe Kreis
Borken
Kreis
Mün-
ster
Coesfeld Kreis
Warendorf
© EuroGeographics bezüglich der Verwaltungsgrenzen
30 Nährstoffaufbereitung – aktueller Stand der Wissenschaft6 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
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 Aufbereitungs-
technologien 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 Wissenschaft6 Mest op Maat
Informationsaustausch und Netzwerken
Homepage: www.mestopmaat.eu
• Zweisprachig (D & NL)
• Übersicht rechtlicher Vorgaben zu Anfall, Verarbeitung, Transport und
Anwendung von Dünger in Deutschland und den Niederlanden
33 Nährstoffaufbereitung – aktueller Stand der Wissenschaft6 Mest op Maat Informationsaustausch und Netzwerken 34 Nährstoffaufbereitung – aktueller Stand der Wissenschaft
6 Mest op Maat
Mobile NIRS-Analytik
Nahinfrarotspektroskopie (NIRS)
• Neues Einsatzfeld der Technologie
• Mobile Echtzeit-Analytik der
Gülleinhaltsstoffe
• Nährstoffgesteuerte Ausbringung Zunhammer VAN-CONTROL (m-u-t GmbH)
• Parameter:
– TS-Gehalt
– Gesamt-N
– NH4-N
– P2O5
– K2O
35 Nährstoffaufbereitung – aktueller Stand der Wissenschaft
John Deere Manure Sensing (Carl Zeiss Spectroscopy GmbH)NIRS-Analytik 36 Nährstoffaufbereitung – aktueller Stand der Wissenschaft
6 Mest op Maat
Mobile NIRS-Analytik
Stickstoff (Nges)
10%
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 26 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 Wissenschaft7 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
Kontakt
Prof. Dr.-Ing. Christof Wetter
FH Münster – University of Applied Sciences
Fachbereich Energie·Gebäude·Umwelt
Stegerwaldstraße 39
48565 Steinfurt
Tel : +49 (0) 2551 9-62725
Fax : +49 (0) 2551 9-62715
Mob: +49 (0) 171 9222 933
Mail: christof.wetter@fh-muenster.de
Web: www.fh-muenster.de/wetter
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