DE102005026372A1

DE102005026372A1 - Anordnung und Verfahren zur Aufbereitung von Gärresten

Info

Publication number: DE102005026372A1
Application number: DE102005026372A
Authority: DE
Inventors: Winfried Hitze; Daniela Richter
Original assignee: Richter Daniela Dipl-Inform
Current assignee: HITZE, WINFRIED, PROF. DR.-ING., 48163 MUENSTE, DE; Big Dutchman International GmbH
Priority date: 2005-06-07
Filing date: 2005-06-07
Publication date: 2006-12-14

Abstract

Die Erfindung schlägt eine Anordnung und ein Verfahren zur Aufbereitung von Gärresten vor, wobei die folgenden Komponenten und Verfahrensschritte vorgesehen sind: DOLLAR A zur Grobfiltrierung werden die Grob-Feststoffe der Gärreste bis herab zu einer Größe von etwa 80 bis 100 mum in einer Wendel-Filterpresse von der flüssigen Phase getrennt, DOLLAR A zur Feinfiltrierung wird die verbleibende flüssige Phase einem Zyklonfilter zugeführt, in welchem Partikel bis herab zu einer Größe von etwa 10 bis 20 mum aus der flüssigen Phase abgeschieden werden.

Description

Da gut abbaufähige, relativ wenig Cadmium enthaltende Phosphatlagerstätten nahezu erschöpft sind, zählen nicht Erdöl und Erdgas sondern primär Phosphat zu den bereits heute knappen Rohstoffen.
Deshalb ist die Rückgewinnung der Phosphatkomponente aus tierischen Exkrementen wie z. B. aus Gülle und aus den Cosubstraten und damit aus den Gärresten der Biogasanlagen insgesamt wünschenswert. Das gilt ebenso für die Güllen, die nicht in einer Biogasanlage eingesetzt werden, so für Schweine- und Rindergülle, zumal diese einen hohen Anteil partikelgebundenen und trotzdem sofort pflanzenverfügbaren Phosphor enthalten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, welches eine möglichst effiziente Rückgewinnung der Phosphatkomponente aus tierischen Exkrementen wie z. B. aus Gülle und aus den Cosubstraten und damit aus den Gärresten der Biogasanlagen möglichst wirtschaftlich ermöglicht. Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtungsanordnung anzugeben.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Anordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Verfahren mit den Verfahrensschritten nach Anspruch 12.

Erfindungsgemäß ist eine erste Gärrest-Aufbereitungsstufe als eine neu entwickelte Fest/Flüssig-Trennstufe ausgestaltet, bestehend aus einer Wendel-Filter-Presse und einem Zyklonfilter, welche folgende Vorteile aufweist:

a) Sie ermöglicht die grundsätzliche Entfernung allen Feststoffes mit einer Partikelgröße von 20 μm oder größer aus der Gärrestlösung. Dadurch wird eine gegebenenfalls nachgeschaltete weitere Aufbereitungsstufe, insbesondere bevorzugt in Form einer Vibrations-Membranfiltrationsstufe, stets ausreichend entlastet.
b) Sie ermöglicht die Gewinnung sämtlichen partikelgebundenen Phosphates. Das sind über 90% vom Gesamtphosphat im Gärrest. Gegebenfalls kann – was nicht in jedem Fall erforderlich ist – die Partikelernte auch unterhalb 20 μm Partikelgröße ermöglicht werden, soweit das wirtschaftlich sinnvoll ist. In diesem Fall kann der Einsatz eines 10 μm-Siebes im Zyklonfilter und/oder der Einsatz eines Flockmittels vorgesehen werden.
c) Sie ermöglicht, auf jedem Nutztierhof die vorhandene Rohgülle in eine phosphathaltige Partikelfraktion und in eine weitgehend phosphatfreie Gülle (mit viel Kalium und Ammoniak/Ammonium) aufzutrennen.
d) Sie kann mit vergleichsweise kleinen baulichen Abmessungen ausgestaltet und somit – auch vom Gewicht her – problemlos transportabel sein.

Anhand von rein schematischen Darstellungen wird ein Ausführungsbeispiel dieser Gerätekombination nachfolgend näher erläutert, wobei
1 einen Vertikalschnitt durch eine Wendel-Filter-Presse,
2 einen Vertikalschnitt durch einen Zyklonfilter, und
3 einen Horizontalschnitt durch einen Zyklonfilter darstellt.
Die Wendel-Filter-Presse trennt die Feststoffe in Abhängigkeit vom Porendurchmesser des Siebeinsatzes bis zu 80 μm, überwiegend bis zu 100 μm Partikelgröße besonders schonend, ohne Anwendung eines höheren Pressdrucks, mit einem Restfeuchtegehalt von ca. 73 % bis zu ca. 78 % ab. Hierfür wird der durch Rühren homogenisierte Gärrest in einem Siebzylinder durch eine innen laufende Wendel in die Höhe gefördert. Dabei verliert die Gärrestmasse mit jedem Hub-cm an Flüssigkeit, darin die Partikel, die praktisch ohne besonderen Druckaufwand das Zylindersieb passieren können. Eine größere Hubhöhe als vorzugsweise etwa 700 mm kann insbesondere bei der Anwednung der Wendel-Filter-Presse für Gärreste nachteilig sein, da ein zu hoher Trocknungsgrad zum Verstopfen der Wendel-Filter-Presse in ihrem oberen Bereich führen kann. Die Lochung der Zylindersiebe kann in Anpassung an die jeweiligen Anforderungen entsprechend gewählt werden und beträgt z. B. 80 μm bis 100 μm, wobei besonders vorteilhaft ein 100 μm-Zylindersieb einsetzbar ist.
An Stelle einer Wendel-Filter-Presse mit einer einzigen Wendel kann vorteilhaft eine gruppenweise Anordnung von drei oder mehr parallel betriebenen Wendeln vorgesehen sein, jeweils mit eigenem die Wendel umgebendem Sieb, so dass z. B. eine Durchsatzleistung von 1 m³/h mit einer derartigen Anordnung erzielbar ist. In praktischen Versuchen haben sich insbesondere Gruppen von vier Wendeln zur Erzielung einer Durchsatzleistung von 1 m³/h bewährt. Je nach Bedarf können baukastenartig mehrere Wendel-Filter-Pressen bzw. mehrere Gruppen vorgesehen sein, um die gewünschte Leistungsfähigkeit der Gesamtanlage zu ermöglichen.
Der ablaufende Gärrest enthält nach dem druckarmen Durchgang durch die Wendel-Filter-Presse neben dem voll löslichen Extrakt somit fast ausschließlich Partikel der Größe unterhalb 100 μm.
Durch Austausch der Wendel besteht die Möglichkeit, das Gerät auch als Pressschnecke einzusetzen, was den Wassergehalt im ausgetragenen Material bis auf 70% herabsetzt. Das Sieb wird in derartigen Fällen vorzugsweise mechanisch zusätzlich gestützt. Bei einem Einsatz der Wendel als Pressschnecke können auch Partikel einer Größe von mehr als 100 μm ein 100 μm-Sieb passieren.
Der nachgeschaltete Zyklonfilter ist bevorzugt mit einem Rundsieb mit 20 μm-Lochung ausgestattet. Bedarfsweise kann er alternativ auch mit einem Rundsieb mit 10 μm-Lochung ausgestattet werden, wobei nachfolgend rein beispielhaft davon ausgegangen wird, dass ein 20 μm-Sieb verwendet wird. Durch einen direkt über der Sieboberfläche rotierenden Rotor wird am Sieb ein starker Sog erzeugt, wodurch das Sieb permanent gereinigt wird. Der Rotor kann beispielsweise mit 800 min^–1 umlaufen und so angeordnet sein, dass er die Sieboberfläche nicht berührt. Flügel oder Lamellen des Rotors können so ausgerichtet und/oder geformt sein, dass eine Sogwirkung an der Sieboberfläche noch verstärkt wird.
Mit diesem Gerät wird der Partikelbereich unter 300 μm bis bevorzugt 20 μm als eine im Vergleich zum unbehandelten Gärrest dickflüssige Masse dem bereits einmal vorbehandelten Gärrest entnommen. Überwiegend enthält die ausgetragene Masse noch ca. 20 % bis zum Teil 30 % an Phosphat, ausgehend von dem Gesamtphosphatgehalt im unbehandelten Gärrest, der die Ausgangsmenge von 100 % bildet. Deshalb wird diese Masse/m³ Gärrest vollständig dem zuvor ausgetragenen Feststoff/m³ Gärrest zugegeben.
Ist die Zyklonfilter-Fraktion jedoch praktisch phosphatfrei, so wird sie im Rahmen des Gesamtverfahrens zusammen mit dem Retentat aus einer später noch näher erläuterten Umkehrosmosestufe-3 – und wenn die Aufarbeitung des Retentats aus einer Umkehrosmosestufe-2 nicht lohnt – dann auch zusammen mit dem Retentat aus Stufe 2 in den Güllevorratsbehälter gegeben, aus dem die Gülle (oder sonstige Flüssigkonzentrate) unter Rühren in die Biogasanlage eingespeist wird.
Insbesondere Gärreste mit einem geringen Partikelanteil oberhalb 100 μm, aber einem hohen Partikelanteil unterhalb von 20 μm, können nicht nur vorteilhaft mit der 10 μm-Siebvariante im Zyklonfilter behandelt werden, sondern vorteilhaft mittels einer gezielten Flockung des Gärrestes vor dem Zyklonfilterdurchgang behandelt werden. Dies führt über die ausgetragene Masse zu einem verbesserten Phosphataustrag, da nicht nur der Partikelbereich zwischen 20 μm und 10 μm durch das neue Sieb erfasst wird, sondern über die Flockung auch die noch kleineren Partikel mit ausgetragen werden können, da sie mitsamt den Flocken vom Sieb erfasst werden können. Eine Flockung allein zur Entlastung der bereits vorerwähnten Vibrationsmembranfiltrationstufe ist auch hier nicht notwendig.
Die vorgeschlagene mechanische Aufbereitungsanlage aus Wendel-Filter-Presse und Zyklonfilter bietet im Vergleich zu anderen mechanischen Gärrestaufbereitungen wie Siebpressschnecke und Dekanter folgende Vorteile:

• Die mechanische Aufbereitungsstufe, bestehend aus der Wendel-Filter-Presse und dem Zyklonfilter, ermöglicht 1.) die Aufbereitung von Gärresten aus der Biogaserzeugung, 2.) eine umfassende Trennung der Feststoffkomponenten aus Güllen, 3.) die Aufarbeitung von hoch partikelhaltigen Abwässern, so von Schlachthofabwässern, und 4.) auch den Einsatz im Lebensmittelsektor als Wendel-Filter-Presse Je nach Einsatzzweck ist eine Ausführung in den jeweils entsprechenden Materialien vorgesehen. Die Wendel-Filter-Presse und der Zyklonfilter bilden eine neue, leistungsstarke Gerätekombination.
• Diese Gerätekombination, welche die geforderte Partikelabtrennung schafft, erlaubt eine konstant scharfe, definierte Partikelabtrennung unter besonders wirtschaftlichen Bedingungen.
• Verlangt die Praxis einen erhöhten Pressdruck ist der Wendel-Filter-Presse, so ist eine entsprechende Umrüstung durch den Austausch der Wendel und den Einschub einer Siebstütze leicht möglich. Dies kann auch als Nachrüstung erfolgen und bei Bedarf ebenso einfach wieder rückgängig gemacht werden, so dass mit geringem Aufwand eine Anpassung an unterschiedliche Erfordernisse möglich ist.
• Die von der Materialzusammensetzung, Stoffkonzentration und Viskosität der aufzubereitenden Stoffgemische unabhängige Partikelabtrennung bis herunter auf 100 μm bzw. 80 μm Partikelgröße basiert auf dem genannten Siebeinsatz der Wedel-Filter-Presse. Dessen Maßhaltigkeit kann im Dauereinsatz vorzugsweise durch eine entsprechende Beschichtung gesichert werden, wobei z. B. das unter dem Handelsnamen „Teflon" bekannte PTFE als Beschichtungsmaterial in Frage kommt.
• Gerade dieser konstante Feinpartikelaustrag durch Feinsiebeinsatz – ohne und mit Flockmittel – erlaubt es, aus Gärresten und aus Güllen den partikelgebundenen Phosphatanteil möglichst quantitativ abzuschöpfen, so dass ein Feststoff mit mindestens 3 % P₂O₅ (bezogen auf die Trockenmasse TM) erhalten wird.

Dieser feuchte Feststoff wird mittels Abfallwärme – vorzugsweise aus der Biogasverbrennung – getrocknet und dabei voll pasteurisiert, wobei der Ammoniak enthaltende Schwaden im Säurebad gebunden und diese Säure in der weiteren Gärrestaufbereitung eingesetzt wird.
Der Trocknungsgrad und die weitere mechanische Bearbeitung der Gesamtmasse kann je nach Betriebsbedingungen und den jeweiligen Gegebenheiten positiv beeinflusst werden, z. B. vorteilhaft durch den Zusatz von Strohmehl zur Feuchtmasse, da dieses selbst phosphathaltig ist und über eine hohe Wasseraufnahmekapazität verfügt.
Das Trockenprodukt wird mit mineralischem Phosphat aus der sauberen Verbrennung eines Teils dieses Produktes mittels Methan definiert oberhalb 3 % P₂O₅ (bezogen auf TM) eingestellt und inhaltlich voll deklariert als streufähiges Granulat und/oder als pelletierter und/oder sauber verbrannt als rein mineralischer Phosphatdünger abgepackt angeboten. Die bei der Produktverbrennung entstehende Abfallwärme kann für die Produkttrocknung voll genutzt werden.
Auf die vorbeschriebene Weise kann das aus den Güllen und aus den Gärresten stammende partikelgebundene Phosphat in den Wirtschaftskreislauf wesentlich gezielter eingebracht werden, und es kann in genau definierter Phosphatmenge dort ausgebracht werden, wo es gebraucht wird. Weitere Vorteile bestehen in den folgenden Aspekten:

• Das Baukastenprinzip dieser Anlage erlaubt die direkte maschinentechnische und energetische Anpassung an jede pro Std. zu verarbeitende Gärrestmenge, so für 1 m³/Std. und ebenso für 10 m³/Std. und mehr. Damit ist auch die Möglichkeit gegeben, das Gerät in entsprechender Ausführung als Feinsieb-Pressschnecke (100 μm-Sieb) sieb-Pressschnecke (100 μm-Sieb) einzusetzen.
• Da der Druck und die Drehzahlen im System Wendel-Filter-Presse im praktischen Einsatz überwiegend niedrig liegen und sich im Zyklonfilter nur ein einziges Teil bewegt, nämlich der berührungsfrei arbeitende Rotor aus Edelstahl zur Reinigung der Filteroberfläche, ist das gesamte mechanische System, dem Einsatz entsprechend robust ausgeführt, auch langlebig und wenig störanfällig.
• Wird der Energieaufwand für die Verarbeitung von 1 m³ Gärrest mit Hilfe dieser Mechanik auch mit anderen mechanischen Systemen, so mit dem Dekanter und mit der Siebpressschnecke, verglichen, so liegt das System Wendel-Filter-Presse/Zyklonfilter um bis zu 70 % energetisch günstiger und dementsprechend wirtschaftlicher.
• Die Handlichkeit der Geräteeinheit erlaubt es, diese auch direkt auf landwirtschaftlichen Höfen zu installieren. Es kann bei derartigen Anwendungen vorgesehen sein, dass die Gülle vor Ort in eine Feststoffphase mit partikulär gebundenem Phosphat und in eine phosphatarme bis praktisch phosphatfreie, aber viel Ammoniak/Ammonium und Kalium enthaltende Dünngülle aufgetrennt wird.

Der Feststoffanteil der Gülle kann dann entweder der Biogasanlage zugeführt werden oder er wird allein bzw. zusammen mit dem Feststoff aus der Gärrestaufbereitung direkt zu Phosphatdünger, vor allem auch zu mineralischem Phosphatdünger verarbeitet.
An die erste Gärrest-Aufbereitungsstufe aus Wendel-Filter-Presse und Zyklonfilter schließt sich vorteilhaft eine zweite Aufbereitungsstufe für die Gärreste an, wobei in dieser zweiten Auf bereitungsstufe die Anwendung verschiedener Systeme der Membranfiltertechnik vorgesehen ist. Dabei ist zu beachten, dass alle Gärreste, die die mechanische Feststofftrennung und damit die beschriebene 1. Verarbeitungsstufe durchlaufen haben, neben der echt löslichen Stoffgruppe auch verschiedene Mengen an organischem und anorganischem Schwebtrub enthalten, darin vor allem unterschiedliche Anteile an Schwebkalk. Dieser Schwebtrub kann filtertechnisch sehr problematisch sein.
Ein erstes bekanntes Filtersystem der Membranfiltertechnik stellt die klassische Ultrafiltration (UF) dar. Sie ist im Röhrenmodulsystem gebaut und mit entsprechenden Filtern versehen, die vorrangig den Bereich von oberhalb 10⁵ bis unterhalb 10⁴ Dalton abdecken. Hier wird dem auftretenden Scaling und Fouling durch entsprechend ausgewähltes Filtermaterial (Antifouling), mit dem Produkt angepasster Porung, vor allem aber durch eine dem Produkt angepasste Membranüberströmung begegnet.
Das erfordert durch die Membrangestaltung und größere Überströmung einen entsprechend hohen Energieverbrauch. Auch verlangt gerade diese klassische Filtertechnik eine starke Vorabsenkung der organischen und anorganischen Schwebstoffkomponenten durch einen erhöhten Zusatz von strukturgebendem Material (Maissilage, Grünroggen etc.) in den Gäransatz der Biogasanlage und/oder vor oder nach der mechanischen Aufbereitung (dann mit wiederholter mechanischer Aufbereitung) eine ausreichende Flockung.
Ein weiterer Nachteil ist bei Gärresten, Güllen und Schlachthofabwässern die doch relativ geringe Fluxrate von ca. 10 Liter pro m² und Stunde und die dabei begrenzte Aufkonzentrierung des UF-Retentats in diesem System.
Ein zweites bekanntes Filtersystem der Membranfiltertechnik, welches für die Aufarbeitung von Gärresten, Güllen, extrakthalti gen Schlachthofabwässern bereits wesentlich günstiger ist, stellt das sogenannte Rotationsmembranfiltersystem dar, ausgestattet mit Membranplatten, so mit rotierenden Keramikfilterplatten.
Der Filtrationsbereich schließt neben dem klassischen UF-Bereich etwa 10⁵ bis 10⁴ Dalton und darunter hier auch 10³ Dalton bereits voll mit ein. Außer dem um ca. 50 % geringeren Energieaufwand im Vergleich zur OF ist vor allem die auf Partikel wirksame Zentrifugalkraft als ein zusätzlicher und sehr wirksamer Antiscalingfaktor hervorzuheben, der die Fluxrate und die Retentataufkonzentrierung deutlich verbessert.
Die Gärreste bei Verwendung von Geflügelkot/Geflügelgülle weisen im Gäransatz über 4 kg Schwebkalk/m³ auf, was den Einsatz von Keramikmembranen dann sehr problematisch macht und eine entsprechende Vorabscheidung durch Flockung erfordert.
Vorschlagsgemäß wird daher ein Membranfiltersystem der sogenannten Vibrationsfiltertechnik angewendet. Hier wirken auf die Scaling/Fouling auslösenden Partikel keine Zentrifugalkräfte ein, sondern durch starke Vibration des gesamten Systems auf den Scheibenmembranen erzeugte Scherkräfte.
Diese Scherkräfte stoßen sich absetzende, die Membranporung nicht passierende Partikel von der Membranoberfläche ab und verhindern damit eine Membranbelegung. Damit kann das Filtersystem – mit den entsprechenden Scheibenmembranen versehen – in der Mikro-, Ultra- und Nanofiltration und sogar im Ionenbereich der Umkehrosmose mit guten Fluxraten und einem nochmals deutlich verringerten Energieaufwand (nur ca. 25 % im Vergleich zur UF) eingesetzt werden.
4 zeigt rein schematisch in einer perspektivischen Darstellung das Funktionsprinzip der Antriebseinheit eines Vibrationsfiltersystems.
Praktische Versuche haben den Vorteil des Vibrationsfiltersystems bei der Gärrestfiltration verdeutlicht, sowohl ohne wie mit einer vorherigen Ansäuerung.
Eine Aufkonzentrierung der Gärrest-Trockenmasse (TM) auf das 5 bis 6-fache der Ausgangs-TM zeigte, dass es bei Fluxraten von ca. 15 Liter gegen Ende der Aufkonzentrierung durchaus sicher ist, ein Flüssigkonzentrat mit ca. 15 % Gesamtextrakt mit dem Retentat zu erhalten. Zusammen mit dem ebenso aufkonzentrierten Retentat aus der ersten Stufe der Umkehrosmose ist dieses Mischprodukt die Grundlage für ein NK-Flüssigdüngerkonzentrat.
Dieses grundsätzliche Verfahren ohne und mit Vorsäuerung des Gärrestes zur weiteren Gärrestaufbereitung aus Biogasanlagen nach mechanischer Abtrennstufe, insbesondere auch unter Einbeziehung der Herstellung eines verkaufsfähigen Flüssigdüngerkonzentrates auf NK-Basis, kann entsprechend den folgenden drei Möglichkeiten ausgestaltet werden:

a) Die Gärreste aus Biogasanlagen werden nach einer mechanischen Aufbereitung mit Hilfe einer Vibrationsmembranfilteranlage, diese als Mikro- oder Ultra- oder Nanofiltrationsanlage oder auf dem Umkehrosmose-Ionensektor arbeitend, entsprechend aufbereitet. Bevorzugt vor der Filterung können die Gärreste angesäuert oder auch nicht angesäuert werden.
b) Die hieraus anfallenden Retentate, gesteuert aufkonzentriert und zwar bevorzugt auf das 5- bis 6-fache der Gärrest-Ausgangskonzetration, geben zusammen mit dem ebenso gezielt aufkonzentrierten Retentat aus der ersten Umkehrosmose-Stufe das Ausgangskonzentrat für ein NK-Flüssigdüngerkonzentrat oder sie bilden bereits das fertige NK-Flüssigdüngerkonzentrat. Durch gezielte Säuerung enthält das Produkt keinen Ammoniak und ein großer Teil des Ammoniums ist im Produkt weniger löslich, da in Salzform vorliegend.
c) Dieses NK-Flüssigdüngerkonzentrat, zuvor aufbereitet oder nicht aufbereitet, wird mit dem zuvor getrockneten Phosphatdünger aus der mechanischen Aufbereitungsstufe gezielt ausgemischt und der neue NPK-Dünger zu einem streufähig definiert eingestellten Dünger aufgearbeitet.

Das Verfahren kann weiterhin wie folgt vorteilhaft ausgestaltet werden:

• In Fällen, in denen der pH-Wert von Gärresten vor und nach der mechanischen Verarbeitungsstufe im pH-Bereich von 7,8 bis 8,3 liegt, beträgt der leicht flüchtige Ammoniakanteil vom Gesamtammonium (= 100 %) ca. 5 % bis 8 % und kann auch bis zu 10 % ansteigen. Eine Säuerung der Gärreste vor der Filtration auf zumindest pH 6,8 und – wenn es die Pufferkapazität erlaubt – auch auf pH 6,5 bis 6,0, überführt alles Ammoniak in Ammonium, über 50% des Ammoniums in Ammoniumsalz, bevorzugt in Ammoniumsulfat, und verbessert damit die Filtration hinsichtlich der Fluxrate deutlich. Zur Säuerung des Filtrates kann u. a. auch die Säure (bevorzugt Schwefelsäure) aus einem üblicherweise ohnehin vorgesehenen Luftwäscher der Trocknungsanlage (nachstehend beschrieben) mit eingesetzt.
• Das Retentat aus der ersten Stufe der Umkehrosmose wird mit einem pH-Wert bis zu 6,0 dem Hauptretentat aus der Vibrationsmembrananlage zugemischt.

Die Nachbereitung des hieraus entstandenen Vorkonzentrates hat verschiedene Ziele:
So soll die Gesamt-Trockensubstanz (TS) des Konzentrates, vor allem aber das Gesamtstickstoffangebot und das Kaliumangebot fest eingestellt werden. Außerdem ist das NK-Flüssigdüngerkonzentrat frei von Ammoniak und über 50 % des Ammoniums liegt in einer weniger löslichen Salzform vor, bevorzugt als Ammoniumsulfat, das dem Produkt den Nachteil vieler Wirtschaftsdünger, nämlich nur Ammonium mit hoher Löslichkeit zu haben, nimmt. Auch der ausgemischte NPK-Dünger weist diesen Vorteil auf.
Vorteilhaft kann eine dritte und letzte Aufbereitungsstufe vorgesehen sein, in welcher mit Hilfe der Umkehrosmose das Permeat aus der Vibrationsmembranfilteranlage behandelt wird, wobei die Umkehrosmose vorteilhaft in 2-stufiger oder in 3-stufiger Ausführung, unter gezieltem Säureeinsatz erfolgt.
Die eigentlichen Mengenelemente in einem solchen Permeat sind die einwertigen Kationen Natrium, Kalium und Ammonium sowie die einwertigen Anionen Chlorid und Nitrat. Die übrigen Kationen und Anionen werden dem Spurenelementesektor zugeordnet, auch wenn sie in etlichen mg/Liter Permeat vorkommen.
Gerade Ammonium als Ammoniumhydroxid, aber auch das Nitrat und Nitrit sowie etliche der Spurenelemente, einschließlich möglicher toxischer Elemente, verlangen einen hohen Reini gungsaufwand, zumal die erlaubten Abwasser-Einleitwerte örtlich sehr unterschiedlich sind. Deshalb müssen alle Prozesswässer aus Biogasanlagen als Abwässer den Einleitkriterien für Abwasser der nächstgelegenen öffentlichen Kläranlage voll entsprechen.
Vor allem Ammonium zeigt einen vergleichbaren Membranschlupf mit dem Kalium. Da aber heute die vorgeschriebenen Abwasser-Ammoniumwerte gegen Null tendieren, ist nicht nur der Einsatz einer dreistufigen Umkehrosmose, sondern zusätzlich auch die gezielte Permeatsäuerung notwendig.
Die gezielte Säuerung, hier bevorzugt mit Schwefelsäure, setzt Ammoniumhydroxid in Ammoniumsulfat bzw. in die Salzform der eingesetzten Säure um. Insbesondere Ammoniumsulfat – bekannt als Ammoniumsulfatdünger – wird von den Membranen der Umkehrosmose gut zurückgehalten, was die Ammoniumwerte im Prozesswasser stark absenkt, so die Ammoniumkomponente entsprechend durchsulfatisiert ist. Die neueren Anforderungen, einleitfähiges Abwasser zuvor im Ammoniumgehalt gegen Null einzustellen, kann durch eine einmalige Vorsäuerung des Ausgangspermeats jedoch nicht mehr sicher erreicht werden. Deshalb ist eine Nachsäuerung auch der Permeate nach der ersten und zweiten Umkehrosmosestufe vorgesehen.
Ein bevorzugtes Verfahren kann daher wie folgt ausgestaltet werden: Bei Einsatz einer 2-stufigen, bevorzugt aber 3-stufigen Umkehrosmose ist nicht nur das Umkehrosmose-Ausgangspermeat zu säuern, unter bevorzugtem Einsatz von Schwefelsäure, sondern es sind auch die nachfolgenden Permeate aus Umkehrosmosestufe 1 und 2 zu säuern, bevorzugt mit Schwefelsäure und zwar stöchiometrisch. Bevorzugt wird dabei eine Ammoniumschnellerfassung angewandt.
Ablaufende zu saure Prozesswässer können preiswert durch ein Kalksteinfilter auf einen pH-Wert von etwa 7,0 angehoben werden.
5 veranschaulicht in Form eines Blockschaltbildes den verfahrenstechnischen Gesamtablauf des Verfahrens zum Aufbereiten von Gärresten aus Biogasanlagen in die drei Komponenten Feststoffdünger, Flüssigdüngerkonzentrat sowie direkt einleitfähiges Wasser. In dem Blockschaltbild ist mit „1" gekennzeichnet, dass das Material vor der Wendel-Filterpresse geflockt wird und danach beide Stationen durchläuft. Mit „2" ist gekennzeichnet, dass das Material die Wendel-Filterpresse durchläuft, die Flüssigphase geflockt wird und danach nur den Zyklonfilter durchläuft.
Vorteilhaft kann der Einsatz von Grünalgen zur Biogasgewinnung in ein übergeordnetes Gesamtverfahren einbezogen werden:
In den NawaRo-Biogasanlagen (wobei NawaRo für „nachwachsende Rohstoffe" steht) ist Mais als Maissilage einer der wichtigsten Methanbringer. Auch in den Nicht-NawaRo-Anlagen wird Mais, wenn auch in geringeren Mengen, zur Verbesserung und Stabilisierung der Gärung eingesetzt. Mais ist somit ein sehr wichtiger Rohstoff für die Biogaswirtschaft. Aber ein ebenso wichtiger Rohstoff ist das Produkt für die Nutztieraufzucht. Mais für die Biogasanlagen darf auf Stilllegungsflächen angebaut werden, aber die Ernte von diesen Flächen deckt bereits den heutigen Branchenbedarf bei weitem nicht. Somit wird immer mehr verfügbares Ackerland für den Anbau von „Biogasmais" eingesetzt. Da die Biogaswirtschaft vorzugsweise weiter wachsen soll, die Nutztierzüchter jedoch bereits heute einen Mangel an Futtermais anmelden, ergibt sich ein starker Mais-Engpass.
Bei bestehenden und zukünftigen Biogasanlagen, wenn sie mit der oben beschriebenen, vorgeschlagenen Verfahrenstechnik ausgerüstet sind, liegen mit dem Vorhandensein von

– ausreichend Abfallwärme,
– genügend chemisch/mikrobiologisch einwandfreiem Nutzwasser statt Abwasser,
– einer breiten Düngemittel – Nährstoffpalette,
– überwiegend ausreichender Wirtschaftsfläche um die Biogasanlagen,

Die Züchtung von Grünalgen für Futterzwecke und als Lebensmittel ist bekannt. Neu ist die Anwendung einer Grünalgenart mit höherem Kohlenhydratanteil und weniger Eiweiß für den Einsatz zur Biogasgewinnung.
Dazu können flache, mit Teichfolien wasserdicht ausgekleidete Bodenmulden, diese am Boden mit Warmwasser-Heizschläuchen ausgestattet, mit entsprechender Dünger-Nährlösung befüllt werden und darin die Grünalgen unter Belüftung und unter Nutzung der Sonnenenergie vermehrt werden. Hat sich der Algenbestand genügend verdichtet, so wird der für die Biogasanlage benötigte jeweilige Tagesbedarf entnommen, abgepresst und thermisch aufgeschlossen (siehe nachstehend) und so laufend in die Biogasanlage mit eingespeist.
Vorteilhaft kann der Einsatz einer Aufbereitungsanlage mit Abluftwäscher wie folgt vorgesehen sein:

• zur Aufbereitung der Phosphat-Feststoffkomponente, dieser zugemischt der Feststoffaustrag aus Rohgülle vom Hof des Nutztierhalters, zum Phosphat-Handelsdünger,
• zur Aufbereitung des Flüssigkonzentrates zum NK-Flüssigkonzentrat-Handelsdünger,
• beide Düngerkomponenten zusätzlich aufbereitet und ausgemischt zum NPK-Handelsdünger,
• zur Aufbereitung von Grünalgen für den Fermentereinsatz – alles unter voller Nutzung der Biogasanlagen-Abwärme.

Beide Düngerprodukte, der noch feuchte, bevorzugt Phosphat enthaltende Feststoffdünger wie auch der bevorzugt Gesamtstickstoff und Kalium enthaltende Flüssigdünger, mit bereits weitgehender Bindung der Ammoniumkomponente als Ammoniumsulfat, sind zunächst flächengebundene Wirtschaftsdünger und keine Handelsdünger (EG-Dünger). Hierfür bedarf es der weiteren Aufarbeitung, die entsprechend energieintensiv ist, wie nachstehendes Rechenbeispiel aufzeigt:
Beginn des Rechenbeispiels:
Energiebedarf für die Düngemittelaufbereitung bei einer 1.000 kW _el. -Biogasanlage

Ermittlung der verwendbaren elektrischen und verwendbaren thermischen Energie in Anlehnung an die Beispiel-Analyse aus dem Leitfaden zum Bau einer Biogasanlage Band I, erstellt von der Fachochschule Münster in Zusammenarbeit mit dem Umweltamt des Kreises Steinfurt.

Nebenrechnung-1:

Bruttoenergieerzeugung: 100%

davon:

Prozessenergie u. Energieverluste: 23%

verwendbare thermische Energie 35%

verwendbare elektrische Energie 42%

Kontrollsumme 100%

Verhältnis verwendbarer thermischer Energie zu verwendbarer elektrischer Energie: = 42/35 = 1,2
Bei einer Biogasanlage mit einer verwendbaren elektrischen Energie von 1.000 kWh steht eine verwendbare thermische Energie von ca. 1.200,00 kWh zur Verfügung.
Ende Nebenrechnung-1.
Energiebedarf zur Verdampfung von 1 kg Wasser aus einer Suspension:ca. 0,9 kWh/kg
Bei einer 1.000 kWh-Anlage beträgt der Fermenterablauf, ca.: 5,0 m³/h
ausgetragener Feststoff mit ca. 20% TS, ca.: 100 kg/h
(Austrag Filter-Presse + Austrag Zyklonfilter)
hieran anhaftendes Wasser, ca.: 400 Liter/h
Feststoffdüngertrocknung/Granulierung; Volumenreduzierung, ca.: 375 Liter/h
von 20 % TS (80% Wasser) auf 95 % TS (5% Wasser)

Feststoffdüngertrocknung/Granulierung:

Energiebedarf, ca.: 337,5 kW_th./h
von 20 % TS (80% Wasser) auf 95 % TS (5% Wasser)
+ Sicherheitszuschlag für
Wärmeübergänge etc., 33,3, = ca. 450,00 kW_th./h
ausgetragenes Konzentrat aus 5,0 m³/h, ca. 750 kg/h

Pasteurisierung Flüssigdünger-Konzentrat:

Energiebedarf 750 kg × 55 °C/860, ca.: 50 kW/h
verwendbare thermische Energie gesamt: 1.200,00 kW/h
abzüglich Energiebedarf Feststofftrocknung/Granulierung: 450,00 kW/h
abzüglich Energiebedarf Pasteurisierung Flüssigdünger-Konzentrat: 50,00 kW/h
verbleibende thermische Energie um weitere Trocknungs-, Granulierungs- und Pasteurisationsaufgaben in bezahlter Dienstleistung zu übernehmen: 700,00 kW/h
Ende des Rechenbeispiels

Die Aufbereitungsanlage besteht vorzugsweise aus den 3 folgenden Maschineneinheiten:

1.) einem Verdampfer, der feuchte Feststoffe und flüssige Düngemittel bei etwa 105°C–110°C einengt,
2.) einem Trockner (bis etwa 110 °C) in welchem das Material auf eine einstellbare Restfeuchte von 5% bis 10% oder mehr nachgetrocknet wird. Das zum Teil brockige Material wird hieraus direkt auf die gewünschte Granulatgröße vermahlen,
3.) einem mit heißer Säure, bevorzugt Schwefelsäure, befüllten Luftwäscher, in dem u. a. Ammoniak zu bevorzugt Ammoniumsulfat gebunden wird, Geruchsstoffe zerstört werden und die Luft mit dem Wasserdampf nach Tröpfchenabscheidung geruchlos austritt.

6 gibt einen schematischen Überblick über sämtliche Komponenten der gesamten Anlage, bestehend aus einer Biogasanlage mit Gärrest-Komplettaufbereitung. Dabei sind innerhalb des Gesamtrahmnes, der die gesamte Anlage repräsentiert, gestrichelte Rahmen eingezeichnet, welche jeweils die Komponenten zum Trocknen und Pelletieren, zur Fest-Flüssig-Separation sowie zur Wasseraufbereitung und Flüssigdüngergewinnung enthalten,
und
7 zeigt als Blockschaltbild schematisch das Verfahren zur Erzeugung von Feststoff-, Flüssig- und Kombidünger als Handelsdünger aus den bereits aufbereiteten Gärresten.
Feuchter, phosphathaltiger Feststoffdünger kann mittels der vorbeschriebenen Aufbereitungsanlage voll sterilisiert, getrocknet und vermahlen werden.
Die Phosphateinstellung erfolgt durch entsprechende Zumischung von mineralischem Phosphat, welches aus der sauberen Verbrennung des eigenen Produktes mittels Methan erhalten werden kann oder ein Handelsprodukt ist.
Der Flüssigdünger wird auf zumindest 70°C erhitzt und 60 min. auf dieser Temperatur gehalten, filtriert und der Gesamtstickstoff sowie das Kalium durch Zusatz von Ammoniumsulfat und Kalisalz fest eingestellt.
Frische Grünalgenmasse kann in der Vorerhitzungseinheit entsprechend inaktiviert und aufgeschlossen werden.
Aus der vorbeschriebenen Verfahrensweise ergeben sich die folgenden beiden Vorteile:

1.) Die ansonsten ungenutzt in die Umgebung abgegebene und daher auch als „Abfallwärme" bezeichnete Prozesswärme der Biogasanlagen kann für die eigene Düngemittelaufbereitung und für die Grünalgenzucht/Aufbereitung voll genutzt werden.
2.) Das in der Säure des Luftwäschers aufgefangene Ammoniak wird durch Zugabe der Säure in das Filtrat vor der Membranfiltration im Flüssigdünger voll erfasst und die Waschsäure gleichzeitig entsorgt.

Claims

Anordnung zur Aufbereitung von Gärresten, welche die folgenden Komponenten aufweist: eine Wendel-Filterpresse zur Fest-Flüssig-Trennung, mit • einer aufrecht angeordneten Wendel, welche einen wendelförmigen, nach oben aufsteigenden Kanal aufweist, • einem die Wendel umgebenden Sieb, • einem unteren Zulauf für eine die Gärreste enthaltende flüssige Suspension, • einem Auslass für flüssiges Filtrat, • und einem Auslass für Feststoffe, sowie einen Zyklonfilter, mit • einem rohrförmigen Feinsieb, • einem außerhalb des Feinsiebes angeordneten Roh-Fluid-Einlass, • einem an das Innere des Feinsiebes anschließenden Rein-Fluid-Auslass, • einem ebenfalls außerhalb des Feinsiebes angeordneten Feststoffaustrag, • sowie einem Rotor, der außen um das Feinsieb umläuft.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Anordnung ein Vibrationsmembranfilter nachgeordnet ist, mit mehreren etwa parallel und im Abstand zueinander angeordneten Filtermembranen, die in ihrer Membranflächenebene hin- und herbeweglich angetrieben sind.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Sieb der Wendel-Filterpresse eine Lochung aufweist, die nicht größer ist als 100 μm.
Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Sieb in der Wendel-Filterpresse eine Lochung von höchstens 80 μm Lochgröße aufweist.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wendel der Wendel-Filterpresse eine Höhe von etwa 70 cm nicht überschreitet.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils eine Gruppe von wenigstens drei Wendel-Filterpressen parallel zusammengeschaltet ist, wobei je nach gewünschtem Materialdurchsatz eine oder mehrere dieser Gruppen vorgesehen sind.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wendel der Wendel-Filterpresse als Pressschnecke ausgestaltet ist, wobei das Sieb der Wendel-Filterpresse mechanisch abgestützt ist.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sieb der Wendel-Filter-Presse eine Oberflächenbeschichtung aufweist.
Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenbeschich tung den unter dem Handelsnamen „Teflon" bekannten Werkstoff PTFE enthält.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Feinsieb des Zyklonfilters eine Lochung von höchstens 20 μm Lochgröße aufweist.
Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Feinsieb des Zyklonfilters eine Lochung von höchstens 10 μm Lochgröße aufweist.
Verfahren zur Aufbereitung von Gärresten, welches unter anderem die folgenden Verfahrensschritte umfasst: • zur Grobfiltrierung werden die Grob-Festsoffe der Gärreste bis herab zu einer Größe von etwa 80 bis 100 μm in einer Wendel-Filterpresse von der flüssigen Phase getrennt, • zur Feinfiltrierung wird die verbleibende flüssige Phase einem Zyklonfilter zugeführt, in welchem Partikel bis herab zu einer Größe von etwa 10 bis 20 μm aus der flüssigen Phase abgeschieden werden.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der flüssigen Phase, bevor sie dem Zyklonfilter zugeführt wird, ein Flockungsmittel zugesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die nach der Feinfiltrierung verbleibende flüssige Phase zur Feinstfiltrierung einem Membranfilter zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die flüssige Phase einem Vibrationsmembranfilter zu geführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die nach der Fein- oder der Feinstfiltrierung verbleibende flüssige Phase mittels Umkehrosmose filtriert wird.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die flüssige Phase zwei- oder mehrfach mittels Umkehrosmose filtriert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der feuchte Feststoff mittels Abfallwärme getrocknet wird.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der feuchte Feststoff mittels Abfallwärme aus der Biogasverbrennung getrocknet wird.
Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass der feuchte Feststoff mittels Abfallwärme in einem derartigen Ausmaß getrocknet wird, dass er dabei vollständig pasteurisiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Ammoniak enthaltende Schwaden in einem Säurebad gebunden und diese Säure in der weiteren Gärrestaufbereitung eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Trocknungsgrad des feuchten Feststoffes durch den Zusatz von Strohmehl zur Feuchtmasse auf einen vorbestimmten Wert eingestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil des getrockneten Feststof fes als Trockenprodukt mit Methan sauber verbrannt wird und dem übrigen Trockenprodukt zugemischt wird, derart, dass ein definierter Phosphatanteil von mehr als 3 % P₂O₅, bezogen auf die Trockenmasse, eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die bei der Produktverbrennung entstehende Abfallwärme für die Produkttrocknung genutzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Gärrest-Trockenmasse auf das 5 bis 6-fache der Ausgangs-Trockenmasse aufkonzentriert wird und ein Flüssigkonzentrat mit ca. 15 % Gesamtextrakt mit dem Retentat aus der Membranfiltrierung gewonnen wird.
Verfahren nach den Ansprüchen 17 und 25, dadurch gekennzeichnet, dass das Retentat aus der Membranfiltrierung zusammen mit dem aufkonzentrierten Retentat aus der ersten Stufe der Umkehrosmose als Mischprodukt für die Herstellung eines NK-Flüssigdüngerkonzentrates verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass das Mischprodukt die Grundlage eines NK-Flüssigdüngerkonzentrates bildet.
Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass das Mischprodukt das fertige NK-Flüssigdüngerkonzentrat bildet.
Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass das NK-Flüssigdüngerkonzentrat mit zuvor getrocknetem Phosphatdünger aus der mechanischen Aufbereitungsstufe gezielt zu einem NPK-Dünger ausgemischt wird.
Verfahren nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass der NPK-Dünger zu einem streufähigen Handelsdünger eingestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass Grünalgen zur Biogasgewinnung verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass eine Grünalgenart mit hohem Kohlenhydratanteil und wenig Eiweiß verwendet wird.