Gülle- und Gärrestbehandlung zur Düngemittelrückgewinnung

Viehzuchtbetriebe, Milchviehbetriebe und Geflügelbetriebe produzieren eine große Menge an Abwasser, das hohe Mengen an organischen Abfällen enthält.

Andere Abwasserbehandlungsverfahren erzeugen ebenfalls Schlamm, der ebenfalls behandelt werden kann, um wertvolle Nebenprodukte zu gewinnen, darunter Düngemittel, die in der Landwirtschaft als Dünger oder zur Kompostierung wiederverwendet werden können.

Die Verwertung von Abfällen durch deren Umwandlung in ein wertvolles Produkt, wie Düngemittel oder sauberes Wasser, ist ein klares Beispiel für Kreislaufwirtschaft.

Wir entwerfen und bauen Anlagen zur Schlamm- und Gärrestbehandlung, die Abfälle in wiederverwendbare Ressourcen und Nebenprodukte umwandeln, wie z.B.:

• Sauberes und wiederverwendbares Wasser.
• Düngemittel.
• Biogas, das zur Erzeugung von thermischer Energie genutzt werden kann.

Die am häufigsten gesammelten Nebenprodukte zur Umwandlung in Düngemittel sind:

• Schlamm aus aeroben Abwasserbehandlungsverfahren.
• Gärreste, die in Biomethanisierungsanlagen produziert werden.

Es ist wichtig zu beachten, dass Schlämme aus der Abwasserbehandlung pathogene Keime und Parasiten enthalten können, die für den Menschen gefährlich sind, wie Salmonellen, Escherichia coli, Ascariden usw. Daher ist deren Verwendung durch Richtlinien geregelt.

Unser System bietet zahlreiche ökologische und wirtschaftliche Vorteile:

• Wir bieten eine Lösung für ein Umweltproblem, indem wir ein sonst schwer und teuer zu behandelndes Abfallprodukt in eine Quelle der Selbstversorgung und Einnahmen für landwirtschaftliche Betriebe verwandeln.
• Die Eigenversorgung mit Wasser, Energie und Düngemitteln aus Abwasser und Schlamm reduziert die Betriebs- und Abfallbewirtschaftungskosten.
• Eigenproduktion von ökologisch verträglichen und hochwertigen Düngemitteln, die bei Überschuss verkauft werden können. Einnahmen können auch durch den Verkauf überschüssiger Energie erzielt werden.

Dieser Kreislaufprozess basiert auf dem Recycling von Produkten, der Optimierung der Nutzung mineralischer Ressourcen, der Rückgewinnung und Einbindung der erzeugten Nebenprodukte, der Minimierung von Emissionen und der Verringerung der Abhängigkeit von nicht erneuerbaren Energiequellen.

Der Biodigestionsprozess wird hauptsächlich durchgeführt, um Biogas zu produzieren, das als Brennstoff aus verschiedenen organischen Abfällen, einschließlich tierischer Exkremente, verwendet werden kann.

Neben der Biogasproduktion reduziert die Biodigestion auch das Schadstoffpotenzial der zur Biogaserzeugung verwendeten Exkremente, indem sie die chemische Sauerstoffforderung (CSB) und die biologische Sauerstoffforderung (BSB) um bis zu 90 % senkt.

Als Ergebnis dieses Prozesses entsteht ein Rückstand namens Gärrest, der eine hohe Konzentration an Nährstoffen und organischer Substanz aufweist und sich ideal als Dünger eignet.

Gärrest ist ein halbfestes Nebenprodukt und kann direkt oder nach der Trennung in zwei Fraktionen, fest und flüssig, angewendet werden, was seine Wirksamkeit erhöht.

Die Vorteile der Umwandlung von Gärrest in Dünger umfassen:

• Im Vergleich zu organischen Abfällen vor der Vergärung sind Gärreste besser für die landwirtschaftliche Nutzung geeignet, erzeugen weniger Gerüche und haben eine höhere hygienische Qualität.
• Gärrest durchläuft einen höheren Mineralisierungsgrad, da organischer Stickstoff und Phosphor während der Fermentation in Mineralien umgewandelt werden. Dies macht ihn mit mineralischen Düngemitteln vergleichbar. Der Preisanstieg letzterer bietet eine Chance für Gärreste.

Das folgende Diagramm zeigt die Hauptprozesse und Technologien einer Anlage, die darauf ausgelegt ist, die auf landwirtschaftlichen Betrieben anfallenden Abfälle in wertvolle Ressourcen und Nebenprodukte umzuwandeln.

1. Gärrestbehandlung. Die Abfallprodukte (flüssiger Schlamm (*) + Tiermist) werden in die Rohstofftanks zur Lagerung und Mischung geleitet.

2. Anaerobe Vergärung von Mist. Die Abfallmischung wird zur anaeroben biologischen Vergärung in die Fermenter geleitet, wodurch Biogas und ein Gärrest gewonnen werden, aus dem eine flüssige Fraktion (88 %) und eine feste Fraktion (2 %) getrennt werden.

3. Biogasproduktion und -aufbereitung auf landwirtschaftlichen Betrieben. Das Biogas wird zur Kraft-Wärme-Kopplungsanlage geleitet, um in Strom und Wärme umgewandelt zu werden. Alternativ kann durch Reinigung des Biogases Biomethan erzeugt werden.

4. Konzentration und Düngemittelproduktion. Die flüssige Fraktion des Gärrests, die wertvolle organische Nährstoffe und Mineralien enthält, durchläuft mehrere Konzentrationsphasen mittels mechanischer und thermischer Systeme, wodurch ein konzentrierter Flüssigdünger gewonnen wird, der verkauft werden kann, sowie sauberes Wasser, das eingeleitet oder wiederverwendet werden kann.

Sobald Schlämme mit Biomasse vermischt und in einem Biogasfermenter in Biogas umgewandelt wurden, wird dieses Biogas in einem Verbrennungsmotor in elektrische Energie umgewandelt. Nach diesem Verwertungsprozess entsteht ein Effluent, das aufgrund seiner hohen Konzentration an Ammoniumsalzen, bekannt als Gärrest, nicht eingeleitet werden darf.

Mechanische Trennverfahren gefolgt von einem Membransystem können den festen Anteil, der als Dünger verwendet werden kann, vom flüssigen Anteil trennen, der als Abfall behandelt werden muss.

Das Problem bei diesem Prozess, ohne zusätzliche Stufen hinzuzufügen, ist, dass kein hochwertiger Dünger erzeugt wird, da die Trennung von Flüssigkeiten und Feststoffen sowie die Konzentration der organischen Substanz nicht vollständig effektiv sind.

Dieser minderwertige Dünger hat zwei Nachteile:

• Verschwendung eines erheblichen Teils der Feststoffe und organischen Substanz im Gärrest, die nicht getrennt werden können, was zu einer deutlich geringeren Menge an Dünger führt und das potenzielle Einkommen aus dessen Verkauf reduziert.
• Erhöhtes Abfallvolumen, das behandelt werden muss, da das gesamte Material, das nicht zur Düngemittelproduktion verwendet wird, zu Abfall wird, was wirtschaftliche Kosten verursacht – potenzielle Einnahmen werden zu Ausgaben.

Aus diesen Gründen ist es rentabler und effizienter, das Volumen des Gärrests direkt in der Anlage zu reduzieren und die erhebliche Menge an verlorenem Dünger zurückzugewinnen.

Um dies zu erreichen, wird der Gärrest in einem Vakuumverdampfer behandelt, der die Rückgewinnung von 97 % reinem Wasser ermöglicht, während ein Konzentrat entsteht, das in einem Kompostbehälter wieder in stabilisierten Dünger umgewandelt werden kann.

Ein Vakuumverdampfer kann zwischen 90 % und 99 % des Wassers von Feststoffen und organischer Substanz trennen, was die Herstellung eines hochkonzentrierten Düngers ermöglicht.

Die erhöhte Düngemittelproduktion und die Einsparungen durch die geringere Menge an Abfall, die entsorgt werden muss, kompensieren die Anfangsinvestition in den Vakuumverdampfer mehr als, wodurch dies die kosteneffizienteste und effektivste Lösung auf mittlere Sicht ist.

Zu den Vorteilen gehören:

• Erhöhte Rückgewinnung von Dünger und erhebliche Kosteneinsparungen durch die Nichtentsorgung von flüssigem Gärrest als Abfall.
• Das während des Verdampfungsprozesses gewonnene saubere Wasser (Kondensat) kann als Mischwasser zu Beginn des Biogasprozesses verwendet oder bei Bedarf sicher eingeleitet werden.
• Das kombinierte Düngemittelprodukt kann weiter getrocknet und in Trocken­dünger umgewandelt werden.
  Eine Verdampfungsanlage ist effizienter bei der Wasserentfernung aus Gärrest als eine Trocknungsanlage.
  Erhöhte Düngerverkäufe verbessern die Rentabilität der Biogasanlage.
• Gärrest ist eine Substanz, die Anlagen verschmutzt und somit Stillstandszeiten verlängert. Abgeschabte Oberflächenverdampfer gewährleisten einen unterbrechungsfreien Betrieb.
• Verdampfer können Gärrest auf hohe Dichtekonzentrationen konzentrieren und hochviskose Konzentrate erzeugen.

Für die Rückgewinnung von Phosphor in Form von Festdünger kann dieser als Struvit kristallisiert werden, ein langsam freisetzender Mineraldünger, der aus Magnesium, Phosphor und Stickstoff besteht und einen niedrigen Metallgehalt aufweist. Struvit gibt Nährstoffe allmählich an den Boden ab, fördert die Pflanzenaufnahme und reduziert Oberflächenverluste, die in Gewässer gelangen können.

Zusätzlich kann die Herstellung von flüssigen Düngemitteln, die reich an Ammonium sind, durch einen Adsorptions-Desorptions-Prozess mit Zeolithen und Membrankontaktoren realisierbar sein. In einigen Fällen erfordert das Erreichen eines spezifischen Verhältnisses der Hauptnährstoffe die Entfernung von überschüssigem Stickstoff, was durch einen Prozess unter mikroaerophilen Bedingungen mit geringem Energieverbrauch erreicht werden kann.

Eine weitere Methode zur Umwandlung von Abfällen in Dünger besteht darin, die Abfälle mit anderen organischen Reststoffen und Mineraldüngern zu mischen, um die Nährstoffgehalte (N/P/K) auf kommerzielle Werte anzupassen. Anschließend wird die resultierende Mischung in einen Vakuumverdampfer eingebracht, um Wasser zu entfernen und das Material in einen stabilen und leicht verwendbaren Feststoff zu verwandeln.

Die Anwendung von Düngemitteln ist eine wesentliche landwirtschaftliche Praxis mit dem Hauptziel, die Bodenfruchtbarkeit zu erhalten. Sie sollte nicht nur darauf abzielen, die von den Pflanzen entnommenen Nährstoffe zu ersetzen, sondern auch die durch Auswaschung, Rückbildung und Erosion verlorenen Nährstoffe ausgleichen.

Düngemittel ermöglichen die Auffüllung dieser entnommenen essentiellen Nährstoffe und machen sie für die Pflanzen verfügbar.

Komplexe NPK-Düngemittel sind Produkte, die zwei oder drei Hauptnährstoffe (N, P, K) enthalten und möglicherweise auch sekundäre Nährstoffe (Ca, Mg, S) sowie Mikronährstoffe (Zn, Cu, B usw.) einschließen. Sie werden angewendet, um den Nährstoffgehalt des Bodens auszugleichen und zu verbessern, wobei die Bedürfnisse der vorgesehenen Kulturpflanze und der erwartete Ertrag berücksichtigt werden. Düngemittel können in fester (granularer) oder flüssiger Form vorliegen, wobei letztere zunehmend verbreitet ist.

Derzeit gibt es eine wachsende Nachfrage nach Düngemitteln sowie die Entstehung einer erheblichen Menge an Abfällen, von denen viele wertvolle Nährstoffe (N/P/K) enthalten. In diesem Zusammenhang ist es notwendig, Kreislaufwirtschaftssysteme zu fördern, die die Düngemittelproduktion aus Abfällen ermöglichen, Nebenprodukte aufwerten und in den Kreislauf integrieren, Emissionen minimieren und die Abhängigkeit von nicht erneuerbaren Energiequellen reduzieren.

Studien haben gezeigt, dass die Zugabe von Branntkalk zu diesen Schlämmen Krankheitserreger eliminiert. Die Zugabe von Kalk zu Schlamm reduziert Gerüche und den Gehalt an Krankheitserregern, indem ein hoher pH-Wert erzeugt wird, der für biologische Aktivität ungünstig ist. Die während der anaeroben Zersetzung organischer Substanz freigesetzten Gase enthalten Stickstoff und Schwefel und sind die Hauptquelle für unangenehme Gerüche aus Schlamm. Wenn Kalk hinzugefügt wird, werden die an der Zersetzung beteiligten Mikroorganismen in dieser stark alkalischen Umgebung stark gehemmt oder zerstört. Krankheitserreger durchlaufen einen ähnlichen Prozess.

Während des Prozesses der Schlammbehandlung mit Branntkalk ist es notwendig, den pH-Wert für mindestens 2 Stunden über 12 zu halten, um die Zerstörung der Krankheitserreger sicherzustellen und eine ausreichende Restalkalität bereitzustellen, um ein Absinken des pH-Werts unter 11 zu verhindern. Dies ermöglicht ausreichend Zeit für die Lagerung oder Entsorgung des stabilisierten Schlamms.

Die Menge an Kalk, die zur Stabilisierung von Schlamm erforderlich ist, hängt von seiner Zusammensetzung, dem Feststoffgehalt und der Verweilzeit ab. Grob variiert der Bereich von 6 % bis 51 %. Primärschlämme benötigen die geringste Menge Kalk, während Belebtschlämme die größte Menge erfordern.

Es gibt andere Schlammbehandlungsmethoden, wie aerobe und anaerobe Faulung, aber die Kalkbehandlung bietet größere Vorteile hinsichtlich der Wiederverwendung, da sie ein größeres Volumen an nutzbarem Produkt liefert und die notwendige Neutralisation für saure Böden ohne zusätzliche Kosten bereitstellt.

Die hohe Kalkdosierung beeinflusst auch die physikalischen und chemischen Eigenschaften des Schlamms. Diese Reaktionen führen zu einer Reduktion des Stickstoffs, der als begrenzender Faktor für die Menge an Schlamm wirkt, die auf den Boden aufgebracht werden kann. Dies ermöglicht eine größere Menge Schlamm pro Flächeneinheit und verbessert die Feuchtigkeitsverlustkapazität sowie die Eigenschaften sekundärer Flüssigkeiten.

Ein weiterer Vorteil dieses Systems ist, dass es eine gute Alternative sein kann, wenn zusätzliche Schlammbehandlungsmethoden benötigt werden. Die Kalkstabilisierung kann schnell eingeleitet und abgeschlossen werden. Daher kann sie bestehende Anlagen ergänzen, wenn die Schlammvolumina die Auslegungswerte überschreiten, die Verbrennung bei Brennstoffmangel ersetzen oder während Wartungsarbeiten eingesetzt werden.

Diese Schlammbehandlungsmethode ist kostengünstiger als andere Methoden und bietet ein effektives und sicheres Mittel zur endgültigen Entsorgung von Schlamm, wodurch Risiken für die menschliche Gesundheit und Umweltschäden vermieden werden. Sobald der Schlamm behandelt und stabilisiert ist, kann er sicher entsorgt werden. Er ist ideal für die Landwirtschaft, da sein hoher Kalkgehalt ihn zu einem hochwertigen Dünger für saure Böden macht, der organische Materialien und Nährstoffe enthält.