Das Projekt Nährwert befasste sich mit technischen Lösungen, N und P aus Gärresten in transportwürdige, umweltgerechte und zugleich marktfähige Formen zu überführen.
Am 31. Dezember 2024 endete das Projekt Nährwert. Dessen Ziel war es, Lösungen für Nährstoffüberschüsse in Veredlungsregionen zu finden. Biogasanlagen spielen hierbei als Nährstoffdrehscheibe eine zentrale Rolle. Sie können bei richtiger Kombination von Technik und Management die mit Wirtschaftsdüngern verbundenen Hygiene- und Emissionsprobleme minimieren. Und sie bündeln regionale Nährstoffströme und verteilen sie anschließend wieder – im besten Fall in Marktfruchtregionen mit hohem Nährstoffbedarf. Dazu müssen ausreichende Mengen an N und P aus den Gärresten in transportwürdige, marktfähige Formen überführt werden, und das möglichst kostengünstig und emissionsarm.
Im Projekt Nährwert wurde die Nährstoffabscheidung verschiedener marktverfügbarer Aufbereitungstechniken in der Praxis untersucht. Dazu zählten mechanische Verfahren mit Pressschneckenseparatoren, einem Vakuumseparator und einer Dekanterzentrifuge sowie chemisch-physikalische Aufbereitungsverfahren mit Luftstrippung und Vakuumverdampfung. Unter die Lupe nahmen die Projektpartner zudem, welchen Effekt die Rückführung separierter Feststoffe in den Fermenter auf die Methanproduktion, die Charakteristik der Gärprodukte und damit auch auf folgende Aufbereitungsschritte hat.
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Am 31. Dezember 2024 endete das Projekt Nährwert. Dessen Ziel war es, Lösungen für Nährstoffüberschüsse in Veredlungsregionen zu finden. Biogasanlagen spielen hierbei als Nährstoffdrehscheibe eine zentrale Rolle. Sie können bei richtiger Kombination von Technik und Management die mit Wirtschaftsdüngern verbundenen Hygiene- und Emissionsprobleme minimieren. Und sie bündeln regionale Nährstoffströme und verteilen sie anschließend wieder – im besten Fall in Marktfruchtregionen mit hohem Nährstoffbedarf. Dazu müssen ausreichende Mengen an N und P aus den Gärresten in transportwürdige, marktfähige Formen überführt werden, und das möglichst kostengünstig und emissionsarm.
Im Projekt Nährwert wurde die Nährstoffabscheidung verschiedener marktverfügbarer Aufbereitungstechniken in der Praxis untersucht. Dazu zählten mechanische Verfahren mit Pressschneckenseparatoren, einem Vakuumseparator und einer Dekanterzentrifuge sowie chemisch-physikalische Aufbereitungsverfahren mit Luftstrippung und Vakuumverdampfung. Unter die Lupe nahmen die Projektpartner zudem, welchen Effekt die Rückführung separierter Feststoffe in den Fermenter auf die Methanproduktion, die Charakteristik der Gärprodukte und damit auch auf folgende Aufbereitungsschritte hat.
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An den Praxisvergleichen nahmen die Hersteller Agrikomp, Börger, Regenis, Stallkamp und Vogelsang mit ihren Pressschneckenseparatoren sowie BeTeBe mit ihrem Vakuumseparator VakuSep sowie GEA und Huning Umwelttechnik mit einer Dekanterzentrifuge teil. Auf acht Biogasanlagen ermittelte die FH Münster die Nährstoff- und Feststoff-Abscheideraten der verschiedenen mechanischen Aufbereitungstechniken. Zusätzlich untersuchten die Forschenden auf zwei Biogasanlagen die Stickstoff-Entfrachtung der Vakuumverdampfung Vapogant von Biogastechnik Süd und der Luftstrippung ByoFlex von Byosis.
Separatoren und Dekanter
Wie die Untersuchungen der FH Münster zeigen, können Pressschneckenseparatoren hohe Nährstoffabscheidegrade erreichen, wenn das Inputmaterial Gärrest ist. Die flüssige Phase ist dadurch entsprechend nährstoffärmer.
Abhängig von der Maschenweite des verwendeten Siebes und von der Schneckendrehzahl lassen sich bis zu 45 % des Phosphats und bis zu 35 % des Stickstoffs aus dem Gärrest separieren und mit dem Feststoff abscheiden. Der Filterkuchen sei dabei im Wesentlichen für die Effizienz der Separation verantwortlich, sagt Cem Hanrath von der FH Münster.
Bei Schweinegülle sieht das Separationsergebnis oftmals anders aus, wie Christin Meyer von der Landwirtschaftskammer Niedersachsen in ihrem Vortrag über das parallel laufende Modell- und Demonstrationsvorhaben SlurryUpgrade berichtete. Dies läge neben der unterschiedlichen Nährstoffzusammensetzung insbesondere am niedrigen Trockensubstanzgehalt der Schweinegülle. Aufgrund des geringen TS-Gehalts sei die Massenabscheidung der Feststoffe bei Schweinegülle geringer als bei Gärresten oder Rindergülle.
Deutlich höhere Phosphor-Abscheidegrade als Pressschneckenseparatoren erzielen Dekanterzentrifugen. Bei den Praxiseinsätzen der FH Münster konnte der Dekanter von GEA bis zu 75 % des Phosphors zusammen mit der festen Phase abscheiden. Auch der eingesetzte Vakuumseparator VakuSep von BeTeBe erzielte beim Phosphor vergleichsweise hohe Abscheidegrade zwischen 35 und 55 %.
Wie bei den Pressschneckenseparatoren untersuchten die Forschenden auch beim Dekanter verschiedene Einstellungen. Sie variierten hier die Trommeldrehzahl und die Differenzdrehzahl zwischen Trommel und Förderschnecke. Durch die Erhöhung der Differenzdrehzahl ließen sich die Abscheidegrade sowohl von Feststoffen als auch von Stickstoff und Phosphor erhöhen.
Um im Anschluss an eine Feststoffseparation den Stickstoff aus der flüssigen Phase zu eliminieren, eignen sich die Luftstrippung oder die Vakuumverdampfung. Bei der Luftstrippung wird durch Zugabe von Natronlauge der pH-Wert im Substrat angehoben. Gleichzeitig wird das Material erhitzt und homogenisiert. Die Erhöhung von pH-Wert und Temperatur bewirkt, dass Ammoniak entweicht. Die Stripluft spült es innerhalb des Prozesses weiter.
Bei der Vakuumverdampfung wird die Gärrest-Flüssigkeit unter Vakuum und durch Zufuhr von Wärme zum Kochen gebracht. Der Ammoniak wird hier zusammen mit dem entstehenden Dampf ausgetragen.
Beide Verfahren können mehr als 80 % des Stickstoffs aus der flüssigen Phase des Gärrests herausholen, wobei der Wärmebedarf der Vakuumverdampfung mit rund 120 kWh/m³ um ein Vielfaches höher ist als bei der Luftstrippung. Gleichzeitig stellt sich bei der Vakuumverdampfung eine erhebliche Mengenreduktion um etwa 50 % ein, was bei knappem Lagerraum auf der Biogasanlage von Vorteil ist. Beim Strombedarf unterscheiden sich die Verfahren nur wenig. Etwa 5 bis 10 kWh/m³ sind hier anzusetzen. Bei beiden Verfahren entsteht als Endprodukt eine Ammoniumsulfatlösung (ASL).
Um herauszufinden, welche Methode die höchstmögliche Stickstoff-Entfrachtung bei geringstmöglichem Energieeinsatz bewirkt, variierten die Forschenden der FH Münster bei der Luftstrippung den pH im Substrat und die Temperatur. Mit Blick auf die Wirtschaftlichkeit lag das Optimum für den im Praxisversuch eingesetzten Gärrest bei 50 °C und pH 9,5.
In weiteren Arbeitspaketen des Projekts Nährwert ging es um die Optimierung der Prozesskette durch innovative Techniken wie die MAP-Fällung oder das Silieren von Stroh zusammen mit Gärrest.
Die MAP-Fällung soll die Emissionen aus Wirtschaftsdünger oder Gärresten minimieren. Durch die Zugabe von Magnesium wird das leicht flüchtige Ammonium an Phosphat gebunden. Es fällt als Magnesiumammoniumphosphat (MAP) aus – auch als Struvit bekannt. Für die Düngung hat das Vorteile: Der Stickstoff ist als Ammonium stabilisiert.
Das Silieren von Stroh würde Gärrestlagervolumen und Transportkosten sparen. Auf Laborebene sind die Gasausbeuten aus Stroh und die Energieeffizienz gut. Doch praxistauglich ist das Verfahren noch nicht.
Fazit für die Praxis
In seiner Zusammenfassung betonte Cem Hanrath, dass bereits viele ausgereifte, etablierte Verfahren zur mechanischen Aufbereitung und zur Abscheidung der Nährstoffe aus Gärresten verfügbar seien. Dekanterzentrifugen können große Mengen des im Gärrest befindlichen Phosphors in die feste Phase abscheiden. Die Kombination aus Pressschnecke mit nachgeschalteter Dekanterzentrifuge ist wirtschaftlich nicht immer sinnvoll.
Mit chemisch-physikalisch wirkenden Verfahren wie der Luftstrippung oder der Vakuumverdampfung lässt sich die Ammonium-Stickstofffracht der flüssigen Phase des Gärprodukts um bis zu 91 % senken und eine marktfähige Ammoniumsulfatlösung (ASL) erzeugen.
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