Wie aus Biogasgülle Wasser und Nährstoffe werden

Viele Biogasprojekte scheitern, weil die Nährstoffentsorgung zu teuer wird. Daher sind Wege gefragt, die Gülle zu Wasser und transportfähigen Nährstoffen aufzubereiten.

Bei der Vergärung entsteht nicht nur Biogas, mit dem der Anlagenbetreiber Geld verdienen will. Zusätzlich fallen alle Stoffe, die während der Vergärung nicht in Methan oder Kohlendioxid umgewandelt werden, als Gärrest an. Doch die «Biogasgülle», wie sie Praktiker nennen, ist nicht etwa ein Abfallprodukt: Sie ist mit einem TS-Gehalt von 3 bis 5% dünnflüssiger und homogener als unvergorene Gülle. Der Stickstoff liegt als Ammonium in einer pflanzenverträglicheren Form vor. Ausserdem riecht sie nach Abbau der organischen Säuren weniger. Gerade in Ackerbauregionen ist der Gärrest daher als wertvoller Dünger nachgefragt.

Doch der Wassergehalt von 97% macht den Transport unwirtschaftlich. Dazu kommt, dass Nährstoffe wie Phosphor, Calcium, Kalium und Magnesium nicht abgebaut werden. «Eine 500 kW-Biogasanlage benötigt allein zur Unterbringung der Stickstoffmengen 350 ha, für Phosphor sind es 260 ha und für Kalium 180 ha», rechnet Ralf Block vom Planungsbüro Bigatec aus Rheinberg (Nordrhein-Westfalen) vor.

Für Biogaserzeuger in Veredelungsregionen wird das zunehmend zum Problem: Wer den Gärrest über die Güllebörse abgeben muss, zahlt dafür 7.50 bis 8.50 Euro/m³. Das bedeutet: Während Ackerbauern mit der Biogasgülle deutlich Mineraldünger einsparen, machen die Entsorgungskosten in Nährstoffüberschussgebieten so manches Biogasprojekt unrentabel.

Die Lösung könnte sein, den Gärrest so aufzubereiten, dass die enthaltenden Nährstoffe transportwürdig werden. Die Vorteile dabei:

• Der Landwirt spart die Kosten für die Gärrestentsorgung ein
• er benötigt weniger Endlagervolumen
• die Nährstoffbilanz beschränkt ihn nicht mehr hinsichtlich des Inputmaterials und der Anlagengrösse
• bei einer Totalaufbereitung erhält er verkaufsfähige Nährstoffe und Brauchwasser, was in einigen Betrieben zu weiteren Einsparungen verhilft

Doch die Aufbereitung hat ihren Preis und war bislang unrentabel. In jüngster Zeit sind neue Ansätze viel versprechend: Die Aufbereitung könnte heute schon günstiger sein als die Entsorgung über die Güllebörse kostet.

Übersicht 1: so viel kostet die Totalaufbereitung

Kosten Anlagengrösse 500 kW (rund 12000m3 / Jahr) 1 MW (rund 18000m3 / Jahr) 2 MW (rund 36000m3 / Jahr) mit Dekanter und Ultrafiltration € / Jahr 100041 109476 127672 € / m3 8.34 6.08 3.55 mit Dekanter, Ultrafiltration, Umkehrosmose € / Jahr 163936 182906 211466 € / m3 13.66 10.16 5.87 Die Kosten für die Aufbereitung von einem m3 Gärrest hängen von der Grösse der Biogasanlage ab.

Separierung: Fest- und Flüssigphase trennen

Die einfachste Lösung ist die Separierung. Dabei wird die Flüssigkeit in der Gülle mit Hilfe von Schneckenpressen oder Dekanterzentrifugen abgetrennt. Der gewünschte Trockensubstanzgehalt lässt sich teilweise an den Geräten einstellen und kann zwischen 25 und 40% variieren. Bei dieser Behandlung findet auch schon eine erste Trennung von Nährstoffen statt, wie Praxisversuche gezeigt haben: Während Stickstoff zu fast 90% in der Flüssigphase bleibt, enthält der Feststoffanteil bis zu 70% des Phosphates. Die Separierung kann vor oder nach der Vergärung stattfinden. Vor der Vergärung bringt sie einen Vorteil, dass im Fermenter kaum Schwimmschichten entstehen und daher weniger Rührleistung erforderlich ist. Ausserdem verringert sich das Fermentervolumen, da weniger unproduktives Wasser durch den Prozess geschleust wird. Die flüssige Phase kann als Flüssigdünger vor Ort ausgebracht werden, während sich die Feststoffe als Dünger im Gartenbau, als Einstreumaterial oder zur Kompostierung eignen. Interessant ist die Separierung vor allem dann, wenn sich die Feststoffe vermarkten lassen.

Für weitere Aufbereitungen haben sich in der Praxis die Ultrafiltration und anschliessende Umkehrosmose als tauglich erwiesen. Bei der Ultrafiltration wird die Flüssigphase, das Fugat, durch spezielle Filter geleitet. Damit lassen sich Feststoffe und grössere, gelöste Moleküle zurückhalten. Bei der nachfolgenden Umkehrosmose sorgt eine halbdurchlässige Membran dafür, dass Wasser und noch enthaltende Nährstoffe wie Stickstoff oder Kalium getrennt werden. Übrig bleibt reines Wasser mit Trinkwasserqualitäten. Die Bilanz dieser Aufbereitung zeigt: Rund 16% der eingesetzten Masse wird bereits als Feststoff abgetrennt. Weitere 22% bleiben nach der Ultrafiltration und 14% nach der Umkehrosmose zurück, so dass rund 50% des eingesetzten Substrats am Ende als Wasser vorliegen. «Bei rund 50000 m³ Gärrest fallen jährlich 7500 t Feststoff und 8000 t Flüssigdünger an», rechnet block vor.

Aufbereitung teilweise günstiger als Güllebörse

Diese Systeme sind mittlerweile im Praxiseinsatz. Seit 1999 läuft in Holland eine Anlage des Schweizer Herstellers VP Hottinger, mit der in einem Schweinebetrieb jährlich 20000 m³ Gülle von 7000 Mastschweinen und 1400 Sauen aufbereitet werden. Die in Übersicht 1 aufgeführten Kosten hat Block am Beispiel dieser Anlage ermittelt. Ergebnis: In Abhängigkeit von der Anlagengrösse kann die Gärrestaufbereitung bis zu klarem Wasser bereits heute günstiger als die Entsorgung über die Güllebörse sein.

Wenn der Markt für die gewonnenen Nährstoffe gefunden sowie Einsparungen über die Verwendung des Wassers möglich werden, wird das Ergebnis noch positiver. Ausserdem ist bei breitem Einzug in die Praxis mit günstigeren Investitionskosten zu rechnen. «Wie weit ein Nährstoff dabei transportiert werden kann, ist immer abhängig vom Düngewert», meint Block.

Er will das Verfahren jetzt auch an einer Biogasanlage im Rheinland einsetzen. Geplant ist ausserdem, das gewonnene Biogas aufzubereiten und in das Gasnetz einzuspeisen. Damit wäre der Betreiber weder von den Nährstoffen noch von der elektrischen Leistung her in der Grösse der Anlage beschränkt.

Ebenfalls mit Ultrafiltration und Umkehrosmose arbeitete eine Pilotanlage der IMB Frings Watersystems GmbH aus Köln. Sie ist auf einer 836 kW-Biogasanlage in Lastrup/Emsland installiert. Eine technische Besonderheit: Die Ultrafiltration ist mit einem Schwingsieb ausgestattet, um Verstopfungen der Ultrafiltration mit Faserstoffen zu vermeiden.

In dem Betrieb fallen jährlich 20000 t Gärrest an. Die Aufbereitungsanlage hat einen Platzbedarf von 80 bis 100 m2 und kostet rund 340000 Euro. Bei Kapitalkosten von 77000 Euro pro Jahr (mit Kapitalkosten, ohne Reststoffentsorgung) liegen die Aufbereitungskosten bei 3.90 Euro pro Tonne.

Anstatt der Umkehrosmose lassen sich Nährstoffe auch mit einer chemischen Reaktion, der so genannten Fällung, aus der Flüssigphase entfernen. Nach diesem Schema hat die Poll Umwelt- und Verfahrenstechnik GmbH aus Selm (Nordrhein-Westfalen) die Zugabe von Magnesiumoxid und Phosphorsäure bei Schweinegülle nach der Filtration getestet. Ergebnis: Rund 31% des Ammonium-Stickstoffs und 95% des Phosphats liessen sich aus der Flüssigphase abscheiden. Dieses Verfahren wird bislang aber nicht in der Praxis eingesetzt.

Rund 140000 Tonnen Gärrückstand hat die 2.8 MW-Anlage der Biowend in Lüchow jährlich zu bewältigen. Die Anlage wird mit Mais, Schweine- und Rindergülle sowie 90000 Tonnen Rückständen aus der Stärkekartoffelindustrie beschickt. Wie Geschäftsführer Burkhard Heidler ausführt, wird der Gärrest zunächst mit Schneckenseparatoren mechanisch auf 25 Prozent Trockensubstanzgehalt entwässert. «Dieses Substrat ist stichfest und wird von den rohstoffliefernden Landwirten auf der Rücktour mitgenommen», führt Heidler aus.

Mit den rund 3 MW Abwärme aus dem Blockheizkraftwerk wird die Flüssigphase über eine Vakuumanlage eingedampft. Dabei entsteht ein Kondensat in Form von sauberem Brauchwasser. Die Eindampfquote liegt bei 60 bis 80%. Die Betriebskosten liegen bei 1.50 bis 1.90 Euro je Tonne Eingangssubstrat.

Die Aufbereitungsanlage hat die Pilotphase überstanden, jetzt entsteht eine zweite auf einer weiteren Biogasanlage.

Die Hese Umwelt GmbH (Gelsenkirchen) arbeitet zusammen mit der Naturdünger GmbH (Oschersleben) an einem Verfahren, um die Nährstoffe aus dem Gärrest abzutrennen und zu pflanzenverfügbaren Pellets aufzubereiten. Das Verfahren steht kurz vor der Praxisreife, ist vom Hersteller zu erfahren.

Auf vor der Vergärung entwässern

Entwässerte Gülle kann ein interessantes Gärsubstrat sein, meint Aad Wijngaard von der holländischen Wijngaard Engineering Services. «Nach der Entwässerung entsteht ein energiereiches Substrat, das mit Maissilage zu vergleichen ist», ist der Berater überzeugt. Die abgetrennte Flüssigkeit kann je nach Bedarf zu Wasser aufbereitet oder zur Düngung vor Ort eingesetzt werden.

«In Dänemark ist die Separierung vor der Vergärung schon viel weiter», stellt Preben Nissen von der dänischen Kemira GmbH fest. Der Hersteller für Gülletechnik hat eine Dreifachkombination aus Schneckenseparation, Siebband mit Trommel und Schraubenpresse entwickelt, die die Gülle entwässert. Es entsteht ein Substrat mit 32 bis 36 Prozent Trockensubstanzgehalt, das Methanerträge wie Getreide-Gaspflanzensilage oder Maissilage bringen soll. «Das Besondere für Regionen mit Nährstoffüberschuss: In der abgetrennten Flüssigkeit befindet sich nur Stickstoff, kein Phosphor mehr», berichtet Nissen. Der Phosphor ist überwiegend in der Festfraktion. Mit Flockungsmitteln kann man diesen Prozess weiter fördern. Da der Gärrest aufkonzentrierter ist, steigt damit auch die mögliche Transportwürdigkeit. Die komplette Anlage kostet rund 100000 Euro. Eine Weiterentwicklung ist eine mobile Anlage, die auf einem LKW untergebracht ist.

Fazit

Gerade in Veredelungsregionen wachsen die Kosten für die Gülleentsorgung. Mit der Gülleaufbereitung lassen sich flüssige Stoffe trennen. Noch recht teuer, aber stark im Kommen ist die Totalaufbereitung zu Wasser. Erste Anlagen sind praxisreif. Die Kosten dafür sind heute schon z.T. günstiger als die Vermarktung über die Güllebörsen und werden sich weiter reduzieren, wenn die Anlagen in Serienproduktion gehen. Interessant bleibt die Frage, ob sich jetzt ein Markt für die Nährstoffe entwickelt.