Untersuchungen zu den stofflichen Umsetzungen bei der aerob-thermophilen Belüftung und

212 Pages·2002·3.01 MB·German

by  Jochen Hahne

Untersuchungen zu den stofflichen Umsetzungen bei der
aerob-thermophilen Belüftung und Einsatz des Verfahrens
zur Nährstoffabtrennung aus Schweinegülle
Von der Gemeinsamen Naturwissenschaftlichen Fakultät
der Technischen Universität Carolo-Wilhelmina
zu Braunschweig
zur Erlangung des Grades eines
Doktors der Naturwissenschaften
(Dr.rer.nat.)
genehmigte
Dissertation
von Jochen Hahne
aus Hannover
1. Referent: Prof. Dr. K.-D. Vorlop
2. Referent: Privatdozent Dr. H.-J. Jördening
eingereicht am: 06.09.2001
mündliche Prüfung (Disputation) am: 17.12.2001
2002
(Druckjahr)
Vorveröffentlichungen der Dissertation
Teilergebnisse aus dieser Arbeit wurden mit Genehmigung der Gemeinsamen
Naturwissenschaftlichen Fakultät, vertreten durch den Mentor, in folgenden Beiträgen vorab
veröffentlicht.
Publikationen
Schuchardt, F.; Hahne, J.; Janssen, J.; Sonnenberg, H.: Halbtechnische Untersuchungen zur
Nährstoffabtrennung und –verwertung aus Flüssigmist durch aerob-thermophile Behandlung.
Zwischenbericht 1 zum BMFT-Forschungsvorhaben 02-WA90/21. Institutsbericht M 176,
Braunschweig (1991).
Schuchardt, F.; Hahne, J.; Janssen, J.; Sonnenberg, H.: Halbtechnische Untersuchungen zur
Nährstoffabtrennung und – verwertung aus Flüssigmist durch aerob-thermophile
Behandlung. Zwischenbericht 2 zum BMFT-Forschungsvorhaben 02-WA90/21.
Institutsbericht M 180, Braunschweig (1992).
Hahne, J.; Janssen, J.; Schuchardt, F.; Sonnenberg, H.: Treatment of liquid manure with
nutrient recovery. In: REUR Technical series 21: Biotechnologies for pollution control and
energy: 226 – 244 (1992).
Schuchardt, F.; Hahne, J.; Janssen, J.; Sonnenberg, H.: Halbtechnische Untersuchungen zur
Nährstoffabtrennung und –verwertung aus Flüssigmist durch aerob-thermophile Behandlung.
Abschlussbericht zum BMFT-Forschungsvorhaben 02-WA90/21. Institutsbericht M 188,
Braunschweig (1993).
Schuchardt, F.; Hahne, J.; Sonnenberg, H.; Janssen, J.: Nährstoffabtrennung und –
verwertung aus Flüssigmist durch aerob-thermophile Behandlung. In KTBL (Hrsg.):
Umweltverträgliche Gülleaufbereitung: 66 – 75, Darmstadt (1994).
Hahne, J.; Schuchardt, F.: Güllebehandlung zur Nährstoffentlastung und
Emissionsminderung. Landtechnik 49: 215 - 216 (1994).
Schuchardt, F.; Hahne, J.: Ein neues Verfahren zur Nährstoffentlastung von Gülle.
Entsorgungspraxis 12: 54 – 59 (1994).
Hahne, J.; Schuchardt, F.: Güllebehandlungsanlage Cloppenburg-Stapelfeld. 1. Bericht zum
wissenschaftlichen Begleitprogramm. Institutsbericht M 192, Braunschweig (1994).
Hahne, J.; Schuchardt, F.: Güllebehandlungsanlage Cloppenburg-Stapelfeld. 2. Bericht zum
wissenschaftlichen Begleitprogramm. Institutsbericht M 193, Braunschweig (1995).
Schuchardt, F.; Hahne, J.; Sonnenberg, H.; Fink, A.: Verfahren zur Reduzierung von
Nährstoffen in der Gülle. Korrespondenz Abwasser 42: 56 – 62 (1995).
Hahne, J.; Schuchardt, F.; Fink, A.: Aerob-thermophile Güllebehandlung zur N-Elimination
und Entseuchung. Korrespondenz Abwasser 43: 1256 – 1263 (1996).
Hahne, J.: Stickstoffabtrennung aus Gülle. Entsorgungspraxis 14: 46 – 49 (1996).
Hahne, J.; Schuchardt, F.: Güllebehandlungsanlage Cloppenburg-Stapelfeld. 3. Bericht zum
wissenschaftlichen Begleitprogramm. Institutsbericht M 194, Braunschweig (1996).
Hahne, J.; Beck, J.; Oechsner, H.: Management of livestock manure in Germany.
Ingenieries, special issue: 11 – 22 (1996).
Schuchardt, F.; Hahne, J.: Aerobe Behandlung landwirtschaftlicher Reststoffe. In: Hösel, G.;
Bilitewski, B.; Schenkel, W.; Schnurer, H. (Hrsg.): Müllhandbuch, Band 4, Kennziffer 5657: 1
– 33. Erich Schmidt Verlag, Berlin (1996).
Hahne, J.; Schuchardt, F.: Aerob-thermophile Güllebehandlung mit Stickstoffabtrennung. gwf
Abwasser Spezial 138: 2 – 7 (1997).
Hahne, J.; Schuchardt, F.: Aerob-thermophile Nährstoffabtrennung aus Gülle. In: KTBL
(Hrsg.): Umweltverträgliche Gülleaufbereitung und –verwertung. KTBL-Arbeitspapier 242:
68 – 76 (1997).
Hahne, J.; Schuchardt, F.: Güllebehandlungsanlage Cloppenburg-Stapelfeld. 4. Bericht zum
wissenschaftlichen Begleitprogramm. Institutsbericht M 196, Braunschweig (1997).
Hahne, J.; Schwarz, K.: Phosphatabtrennung und – rückgewinnung aus organisch
hochbelasteter Gülle. Wasser Abwasser Praxis 6: 33 – 37 (1997).
Hahne, J.; Schuchardt, F.: FAL process for nutrient recovery from manure and disinfection.
Proceedings of the 4th meeting of the EU Concerted action CT94 1897: 115 – 121, Rennes
(1997).
Hahne, J.; Schuchardt, F.: New process for nutrient reduction from manure and disinfection.
Dechema e.V. (Hrsg.): International meeting on chemical engineering, environmental
protection and biotechnology, Abstracts of the lecture group „Environmental technology,
sustainable development, water recovery and saving“, 2 Seiten, ACHEMA, Frankfurt/M.
(1997).
Schuchardt, F.; Hahne, J.: Verwertung von Güllefeststoffen in einem Kompostwerk.
Abfallwirtschaftsjournal 9: 28 – 31 (1997).
Hahne, J.; Schuchardt, F.: Abschlussbericht zum wissenschaftlichen Begleitprogramm zur
Güllebehandlungsanlage Cloppenburg-Stapelfeld. Institutsbericht M 202, Braunschweig
(1998).
Hahne, J.; Schuchardt, F.: Process of nutrient reduction and disinfection of manure. UTA
International 7: 185 - 186 (1998).
Hahne, J.; Schuchardt, F.: Processo para desinfeccao e reducao de nutrientes nos efluentes
de exploracoes pecuarias. Tecnologias Do Ambiente 7: 18 – 20 (1999).
Tagungsbeiträge
Schuchardt, F.; Hahne, J.; Sonnenberg, H.; Janssen, J.: Nährstoffabtrennung und –
verwertung aus Flüssigmist durch aerob-thermophile Behandlung. (Vortrag), 1. BMFT-
Statusseminar, Surwold-Börgermoor (1993).
Hahne, J.; Schuchardt, F.: FAL process for nutrient recovery from manure and disinfection.
(Vortrag), EU Concerted Action 1897, 4th meeting, Rennes (1996).
Schuchardt, F.; Hahne, J.: Emissionsminderung, Reststoffverwertung – Problematik und
Minderungsansätze. (Poster), EuroTier Hannover (1996).
Schuchardt, F.; Hahne, J.: Nährstoffabtrennung und Entseuchung von Gülle. (Poster),
EuroTier Hannover (1996).
Hahne, J.; Schuchardt, F.: Aerob-thermophile Nährstoffabtrennung aus Gülle. (Vortrag),
KTBL- Fachgespräch „Umweltverträgliche Gülleaufbereitung und – verwertung,
Braunschweig (1997).
Hahne, J.; Schuchardt, F.: Nährstoffabtrennung und Entseuchung von Gülle. (Poster),
ACHEMA Frankfurt/M. (1997).
Hahne, J.; Schuchardt, F.: Neues Verfahren zur Nährstoffabtrennung und Entseuchung von
Gülle. (Vortrag), ACHEMA Frankfurt/M. (1997).
Hahne, J.; Schuchardt, F.: Nährstoffabtrennung und Entseuchung von Gülle. (Poster),
AGRITECHNICA Hannover (1997).
Hahne, J.; Schuchardt, F.: Process for nutrient reduction and disinfection of manure. In
Voermans, A. M.; Monteny, G.(Editors): Proceedings of the international Symposium
„Ammonia and odour emissions from animal production facilities. (Vortrag), Vinkeloord,
Niederlande (1997).
Hahne, J.; Schuchardt, F.: Neues Verfahren zur Nährstoffabtrennung und Entseuchung von
Gülle. (Poster), Dechema – Jahrestagung, Wiesbaden (1998).
Hahne, J.; Schuchardt, F.: Nutrient separation from liquid manure and disinfection. (Poster),
EuroTier Hannover (1998).
Hahne, J.; Schuchardt, F.: Heißfermentation. (Poster), Biotechnologie-Forum, TU-
Braunschweig (1999).
Hahne, J.; Schuchardt, F.: Nährstoffabtrennung und Entseuchung von Gülle. Möglichkeiten
der Gülleaufbereitung und – verwertung. Fachtagung „Gülleverwertung – Neue Ansätze für
die Landwirtschaft“. (Poster), Gülzow (1999).
Hahne, J.; Schuchardt, F.: Nährstoffabtrennung und Entseuchung von Gülle. (Poster),
AGRITECHNICA Hannover (1999).
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung, Problemstellung und Zielsetzung 1
2 Stand des Wissens 4
2.1 Seuchenhygienische Aspekte 4
2.1.1 Entseuchende Wirkung der Güllebelüftung 4
2.2 Geruchsminderung bei der Güllebelüftung 8
2.3 Kohlenstoffumsatz bei der Güllebelüftung 10
2.4 Stickstoffumsatz bei der Güllebelüftung 13
3 Material und Methoden 19
3.1 Substrate 19
3.2 Versuchsanlagen 21
3.2.1 Versuchsanlage für Versuche im batch- und halbtechnischen Maßstab 21
3.2.2 Demonstrationsanlage 24
3.3 Analyse-Verfahren 29
4 Ergebnisse 31
4.1 batch-Versuche 31
4.1.1 pH-Wert und elektrische Leitfähigkeit 31
4.1.2 Sauerstoff, Kohlendioxid und Redoxpotenzial 43
4.1.3 Selbsterhitzung 48
4.1.4 Trockenrückstand 53
4.1.5 CSB 57
4.1.6 BSB 63
5
4.1.7 Flüchtige organische Säuren 67
4.1.8 Ammonium-Stickstoff 96
4.1.9 Gesamtstickstoff 103
4.1.10 Organischer Stickstoff 109
4.1.11 Entseuchung 115
4.2 Versuche im quasikontinuierlichen Betrieb 118
4.2.1 Allgemeiner Fermentationsablauf 118
4.2.2 Quasikontinuierliche Versuche mit einer Belüftungsrate von 10 m³/(m³(cid:215)h) 122
4.2.3 Quasikontinuierliche Versuche mit einer Belüftungsrate von 15 m³/(m³(cid:215)h) 132
4.2.4 Quasikontinuierliche Versuche mit einer Belüftungsrate von 20 m³/(m³(cid:215)h) 134
4.3 Massenstrom-Bilanzen 147
4.3.1 CSB-Massenströme 147
4.3.2 BSB -Massenströme 148
5
4.3.3 Essigsäure-Massenströme 150
4.3.4 Propionsäure-Massenströme 151
4.3.5 NH N-Massenströme 152
4
4.3.6 Nges-Massenströme 155
4.3.7 Entseuchung 158
4.4 Demonstrationsanlage 163
4.4.1 Rohgüllezusammensetzung 163
4.4.2 Separation 163
4.4.3 Aerob-thermophile Belüftung 167
4.4.4 Abgaswäsche 172
4.4.5 Dekantierung 173
4.4.6 Feststoff-, Nährstoff- und Energiebilanz des Gesamtverfahrens 175
5 Diskussion 178
5.1 Stickstoffumsatz 178
5.2 Kohlenstoffumsatz 183
5.3 Entseuchung 186
5.4 Gesamtverfahren 187
6 Zusammenfassung 189
7 Literatur 191
8 Anhang 196
8.1 Verzeichnis der Abkürzungen 196
8.2 Analysenkurzbeschreibungen, Geräte und Chemikalien 199
Danksagung
1
1. Einleitung, Problemstellung und Zielsetzung
Mit einem Produktionswert von fast 10 Mrd DM [1] und einem Tierbestand von über 25 Mio.
Tieren, der von 226.500 Betrieben gehalten wurde [2], ist die Schweinehaltung in
Deutschland ein wesentlicher Wirtschaftsfaktor. 1996 betrug der Inlandsverbrauch an
Schweinefleisch 4,48 Mio t (Schlachtgewicht), was einem Pro-Kopf-Verbrauch von 54,7 kg
entsprach [2]. Diese intensive Schweinehaltung ist in Deutschland – wie auch in den
europäischen Nachbarstaaten - lokal und regional konzentriert. Allein im Bundesland
Niedersachsen wurden 1997 von knapp 30.000 Haltern mehr als 7,12 Mio Tiere gehalten [3].
Mehr als 62,5 % dieses Bestandes (4,35 Mio Tiere) entfiel 1996 auf den Regierungsbezirk
Weser-Ems. Mehr als 61 % davon (2,67 Mio Tiere) wurden allein in den Landkreisen
Cloppenburg, Vechta und Emsland gezählt. Die Schweinebestände, aber auch die Bestände
an Hühnern und Mastputen, haben in dieser Region in den letzten 25 Jahren deutlich
zugenommen, wobei sich bislang kein Ende dieser Entwicklung abzeichnet.
Dieser hohe und nach wie vor wachsende Tierbestand in diesen Regionen führt zu einem
erheblichen und lokal begrenzten Anfall von Wirtschaftsdüngern, dessen umweltverträgliche
und pflanzenbedarfsgerechte Verwertung auf den zur Verfügung stehenden landwirt-
schaftlichen Nutzflächen nicht mehr gegeben ist. Während Geflügeltrockenkot aufgrund
seiner Nährstoffgehalte transportwürdig ist und damit außerhalb der betroffenen Gebiete
verwertet werden kann, trifft dies auf flüssige Wirtschaftsdünger nicht zu. Problem-
verschärfend wirken sich in diesem Zusammenhang Tierseuchenfälle aus, bei deren
Eintreten ein Transportverbot von Wirtschaftsdüngern erfolgt.
Die Düngeverordnung [4] regelt die landwirtschaftliche Verwertung von Wirtschaftsdüngern.
Auf der Grundlage dieser Verordnung dürfen auf Ackerland im Betriebsdurchschnitt maximal
170 kg N/(ha(cid:215)a) und auf Grünland 210 kg/(ha(cid:215)a) in Form von Wirtschaftsdüngern
ausgebracht werden. Phosphor und Kalium dürfen nur in Mengen ausgebracht werden, die
der Höhe des Phosphor - und Kaliumentzuges des Pflanzenbestandes entsprechen. Bedingt
durch die hohen und nach wie vor wachsenden Tierbestände im Weser-Ems-Gebiet ist die
Einhaltung der Düngeverordnung und damit eine umweltverträgliche und pflanzenbedarfs-
gerechte Verwertung von Wirtschaftdüngern und anderen Reststoffen nicht mehr möglich.
Allein im Landkreis Cloppenburg fallen N-Überschüsse von mehr als 1460 t/a und im
Landkreis Vechta von 7240 t/a an [5]. Gasförmige Verluste bei Haltung, Lagerung und
Ausbringung von Wirtschaftsdüngern wurden bei der Bilanzierung noch nicht mit
berücksichtigt.
Eine nicht pflanzenbedarfsgerechte Ausbringung von Stickstoff im Rahmen der
Wirtschaftsdüngeranwendung führt in vielfacher Hinsicht zu Umweltbelastungen der
Kompartimente Luft, Boden und Wasser. Über den Luftpfad führt Ammoniak zu direkten
Pflanzenschäden (Blattchlorosen) sowie zu erhöhter Trockenstressempfindlichkeit [6].
Natürliche Vegetation ist in diesem Zusammenhang empfindlicher als landwirtschaftliche
Nutzpflanzen. Stickstoffarme Pflanzengesellschaften und Ökosysteme wie Hochmoore und
Mager- sowie Trockenrasen werden bei erhöhten Ammoniakimmissionen verdrängt.
Ammoniak wird von Nitrifikanten mikrobiell zu oxidierten Stickstoffverbindungen umgesetzt,
wobei Säuren entstehen. Diese Versauerung führt zur Schädigung von Oberflächen-
2
gewässern (Artenverarmung durch pH-Wertabsenkung) und schwach gepufferten Böden
(Rückgang der Makrofauna) sowie zur Zersetzung von Kalksteinbauten. Die
Bodenversauerung führt ferner zur Freisetzung von Schwermetallen und zu Wurzelschäden.
Neuartige Wäldschäden sind auch auf diese Umstände zurückzuführen. Hohe N-
Immissionen verursachen ein verstärktes Pflanzenwachstum, wobei leicht Mangel-
erscheinungen an anderen Nährstoffen auftreten [7]. Das Schädigungsrisiko für
Säureeinträge ist bei 90 % und für Stickstoff bei 99 % der Waldfläche Deutschlands
überschritten [8]. Bedingt durch eine Stickstoffüberversorgung kommt es zu einer verstärkten
Auswaschung von Nitraten in das Grundwasser, was zu einem stetigen Anstieg der
Nitratkonzentrationen des Trinkwassers in Deutschland führt [9]. Ein erheblicher Anteil von
Rohwasserbrunnen in Niedersachsen und Nordrhein-Westfalen weist Nitratkonzentrationen
von mehr als 50 mg/l auf [9]. Stickstoffeinträge in Oberflächengewässer führen zur
Eutrophierung, verbunden mit einem verstärkten Algenwachstum. Diese „Wasserblüten“, die
auch im Küstenbereich auftreten können, bedingen eine verstärkte Verschlammung der
Gewässer und verursachen bei ihrer Zersetzung einen erhöhten Sauerstoffbedarf, der zum
Absterben der Makrofauna führen kann.
Da die Tierhaltung Ammoniakemissionen von etwa 533.000 t/a und damit 82 % der
nationalen Emissionen verursacht [10], müssen in diesem Bereich entsprechende
Minderungsmaßnahmen ergriffen werden. Da die Gefahr von N-Verlusten in Gebieten mit
hoher Tierbestandsdichte besonders hoch ist und im wesentlichen auf die Verwertung von
Wirtschaftsdüngern zurückzuführen ist, bietet die Stickstoffabtrennung aus Gülle mit einer
aerob-thermophilen Belüftung eine Option, diese negativen Umweltwirkungen zu verringern.
Die Schweinehaltung verursacht ferner vielfältige Geruchsbelastungen in der Umgebung von
Stallanlagen (Haltung, Güllelagerung) sowie besonders bei der Ausbringung von Gülle. Der
Umfang dieser Emissionen sowie ihre stofflichen Grundlagen sind Gegenstand vielfältiger
Untersuchungen [11 - 14]. Die Geruchsemissionen haben eine sehr breite stoffliche Basis,
wobei die einzelnen Stoffe vielfach nur in sehr geringen Konzentrationen nachzuweisen sind.
Besonders geruchsrelevant sind daher Stoffe mit einer geringen Wahrnehmungsschwelle,
wobei Mercaptane, Thioether, Thioketone, Nitrile, Amine, aber auch organische Säuren wie
Butter- und Valeriansäure in ihrer hedonischen Wirkung als sehr unangenehm empfunden
werden. Besonders gering ist die Wahrnehmungsschwelle für Indol (0,00015 mg/m³),
Dimethylsulfid (0,006 mg/m³) und für Schwefelwasserstoff (0,025 mg/m³), während sie für
Ammoniak mit 4 mg/m³ vergleichsweise hoch ist [15]. Bei organischen Säuren liegen die
Geruchsschwellenwerte zwischen 0,001 mg/m³ (Buttersäure) und 2,7 mg/m³ (Essigsäure)
[16]. Die in vergleichsweise hohen Konzentrationen in der Gülle vorkommenden organischen
Säuren werden bei der Belüftung durch die nativ in der Gülle enthaltenen Mikroorganismen
oxidativ abgebaut, wobei als Reaktionsprodukte neben Biomasse und Abwärme geruchloses
Kohlendioxid und Wasser gebildet werden. Schwefelverbindungen wie Schwefelwasserstoff
und andere Sulfide werden zu Sulfaten oxidiert, die geruchlos sind. Die aerob-thermophile
Belüftung bietet somit die Möglichkeit, Geruchstoffe mikrobiell zu oxidieren und damit zu
einer deutlichen Verringerung der Geruchsbelastung beizutragen.
Veredelungsbetriebe mit Nährstoffüberschüssen müssen zur Einhaltung der
Düngeverordnung entweder Maßnahmen treffen, die den Nährstoffanfall im Betrieb
verringern (optimierte Fütterung, Bestandsabstockung) oder die überschüssige Gülle aus