Gärrest-Aufbereitungstechniken im Vergleich: So dreht sich das Nährstoffkarussell
Das Projekt Nährwert befasste sich mit technischen Lösungen, N und P aus Gärresten in transportwürdige, umweltgerechte und zugleich marktfähige Formen zu überführen.
Lösungen für Nährstoffüberschüsse in Veredlungsregionen zu finden, war Ziel des Projekts Nährwert. Biogasanlagen spielen hierbei als Nährstoffdrehscheibe eine zentrale Rolle, betonte Prof. Walter Stinner vom Deutschen Biomasseforschungszentrum (DBFZ) auf der Abschlussveranstaltung im Dezember 2024 in Hannover.
Denn sie können bei richtiger Kombination von Technik und Management die mit Wirtschaftsdüngern verbundenen Hygiene- und Emissionsprobleme minimieren. Sie bündeln regionale Nährstoffströme und verteilen sie anschließend wieder — im besten Fall auch 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.
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Lösungen für Nährstoffüberschüsse in Veredlungsregionen zu finden, war Ziel des Projekts Nährwert. Biogasanlagen spielen hierbei als Nährstoffdrehscheibe eine zentrale Rolle, betonte Prof. Walter Stinner vom Deutschen Biomasseforschungszentrum (DBFZ) auf der Abschlussveranstaltung im Dezember 2024 in Hannover.
Denn sie können bei richtiger Kombination von Technik und Management die mit Wirtschaftsdüngern verbundenen Hygiene- und Emissionsprobleme minimieren. Sie bündeln regionale Nährstoffströme und verteilen sie anschließend wieder — im besten Fall auch 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.
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Im Projekt Nährwert wurde die Nährstoffabscheidung verschiedener, marktverfügbarer Aufbereitungstechniken in der Praxis untersucht. Dazu zählten mechanische Verfahren mit Pressschnecken-Separatoren, einem Vakuumseparator und einer Dekanterzentrifuge sowie chemisch-physikalische Aufbereitungsverfahren mit Luftstrippung und Vakuumverdampfung.
Unter die Lupe genommen haben die Projektpartner außerdem, welchen Effekt die Rückführung separierter Feststoffe in den Fermenter auf die Methanproduktion und auf die Charakteristik der Gärprodukte hat, und wie sich die Separation auf die folgenden Aufbereitungsschritte auswirkt.
Pressschnecken-Separatoren sind in der Praxis am weitesten verbreitet.
(Bildquelle: Tovornik)
Bei der Dekanterzentrifuge beschleunigt eine Trommel das zu separierende Produkt. Durch die Zentrifugalkraft trennen sich Feststoffe und Flüssigkeit.
(Bildquelle: Tovornik)
Der Vakuumseparator arbeitet mit Unterdruck und sehr feinen Sieben mit nur 80 bis 200 µm Maschenweite.
(Bildquelle: Zäh)
An den Praxisvergleichen nahmen die Hersteller agriKomp, Börger, Regenis, Stallkamp und Vogelsang mit ihren Pressschnecken-Separatoren, Betebe mit dem 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 Pressschnecken-Separatoren bei Gärrest als Inputmaterial hohe Nährstoffabscheidegrade erreichen. Die flüssige Phase ist dadurch entsprechend nährstoffärmer. In Abhängigkeit von der Maschenweite des verwendeten Siebs 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 ist im Wesentlichen für die Effizienz der Separation verantwortlich, sagt Cem Hanrath von der Fachhochschule 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 an dem besonders niedrigen Trockensubstanzgehalt der Schweinegülle. Aufgrund des geringen TS-Gehalts sei die Massenabscheidung der Feststoffe bei Schweinegülle geringer als bei Gärresten oder Rindergülle.
Mit einem feinen Sieb im Pressschnecken-Separator und unter Umständen höherer Schneckendrehzahl lassen sich Phosphor-Abscheidegrade von über 40 % erreichen. Auch bei Stickstoff sind Abscheidegrade bis 35 % möglich.
(Bildquelle: Grafik: top agrar, Vorlage: FH Münster)
Dekanterzentrifugen erreichen hohe Phosphor-Abscheidegrade von rund 70 %. Der Vakuumseparator erzielte im Praxistest Phosphor-Abscheidungen von 44 und 54 %.
(Bildquelle: Grafik: top agrar, Vorlage: FH Münster)
Deutlich höhere Phosphor-Abscheidegrade als Pressschnecken-Separatoren 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 Pressschnecken-Separatoren 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 erhöhen — sowohl von Feststoffen als auch von Stickstoff und Phosphor.
Stickstoff eleminieren
Um im Anschluss an eine Feststoffseparation den Stickstoff aus der flüssigen Phase abzuscheiden, eignen sich die Luftstrippung oder Vakuumverdampfung. Bei 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. Das 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 bei der Vakuumverdampfung mit rund 120 kWh pro m³ um ein Vielfaches höher ist als bei Luftstrippung. Gleichzeitig stellt sich bei der Vakuumverdampfung eine erhebliche Mengenreduktion um etwa 50 % ein. Das ist bei knappem Lagerraum von Vorteil. Beim Strombedarf unterscheiden sich die Verfahren wenig. Etwa 5 bis 10 kWh/m³ sind hier anzusetzen. Bei beiden Verfahren entsteht als Endprodukt Ammoniumsulfatlösung (ASL).
Um herauszufinden, welche Methode bei der Luftstrippung die höchstmögliche Stickstoff-Entfrachtung bei geringstmöglichem Energieeinsatz bewirkt, variierten die Forschenden der FH Münster den pH-
Wert 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 seiner Zusammenfassung betonte Cem Hanrath, dass bereits viele ausgereifte, etablierte Verfahren zur mechanischen Aufbereitung und zur Abscheidung der Nährstoffe aus Gärresten verfügbar sind. Dekanterzentrifugen können große Mengen des im Gärrest befindlichen Phosphors in die feste Phase abscheiden.
Die Kombination aus Pressschnecke mit nachgeschalteter Dekanterzentrifuge ist wirtschaftlich nur sinnvoll, wenn eine hohe Konzentration von Phosphor im Feststoff erzielt werden soll. 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.
In weiteren Arbeitspaketen des Projekts Nährwert ging es um die Optimierung der Prozesskette durch innovative Techniken wie die MAP- bzw. die Struvit-Fällung oder der Silierung von Stroh zusammen mit Gärrest. Die MAP-Fällung soll die Emissionen aus Wirtschaftsdünger oder Gärresten minimieren. Das Silieren von Stroh mit Gärresten würde Gärrestlagervolumen und Transportkosten sparen.
Auf Laborebene sind die Gasausbeuten aus dem Stroh und die Energieeffizienz gut. Doch praxistauglich ist das Verfahren noch nicht. Denn die Verluste durch Verderb an der Siloanschnittfläche sind hoch, weil die Säurebildung in der Gärrest-Stroh-Silage nicht ausreicht. Der Gärrest puffert den pH-Wert in der Silage sehr stark. Außerdem gibt es am Anschnitt Geruch durch die Emission von Ammoniak.
Durch die Zugabe von Melasse ließen sich der pH-Wert senken und die Emissionen reduzieren. Das funktioniert technisch, aber ökonomisch nicht. Deswegen will das DBFZ nun in einem Nachfolgeprojekt das Stroh durch Zugabe eines Enzyms (von Biopract) verzuckern.
Für die MAP-Fällung wird durch Zugabe von Magnesium zum Gärrest das flüchtige Ammonium an Phosphat gebunden. Es fällt als Magnesium-Ammoniumphosphat (MAP) aus — auch als Struvit bekannt. Für die Düngung hat das Vorteile: MAP hat eine geringe Löslichkeit in Wasser, aber eine hohe Säurelöslichkeit. Der Stickstoff ist als Ammonium stabilisiert.
Im Rahmen des Projekts Nährwert hat das DBFZ verschiedene Substanzen bzw. Mittel zur Struvit-Fällung zunächst in wässrigen Lösungen untersucht. Als Fällungsmittel dienten Kieserit (gemahlen und gelöst), Bittersalz, Magnesiumchlorid sowie eine Salzlösung. Variiert wurde außerdem der pH von 7,5 über 8,0 bis 8,5.
Die erste Erkenntnis aus den Laborversuchen: Der pH-Wert sollte möglichst 8 betragen oder höher sein. Die Magnesium-Quelle als Fällungsmittel sollte gut löslich oder gelöst sein. Gelöstes Kieserit, Bittersalz und Magnesiumchlorid eignen sich in etwa gleich gut.
Fazit
Mit der richtigen Einstellung und einem geeigneten Sieb können Pressschnecken-Separatoren bei Gärresten gute Nährstoff-Abscheidegrade erreichen. Wer mehr will, braucht für eine hohe Phophor-Abscheidung eine Dekanterzentrifuge und für die Stickstoff-Abtrennung aus der flüssigen Separationsphase die Luftstrippung oder die Vakuumverdampfung.
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