Gut zu wissen

In Belebtschlammbecken von kommunalen Kläranlagen bauen Bakterien die im Abwasser enthaltenen Stickstoffverbindungen um. Warum also nicht dieses gut funktionierende Prinzip für die Aufbereitung von Gülle und Biogasgärresten nutzen? Diese Frage stellte sich David Din, Geschäftsführer der Firma Bluetector.
Jedoch enthalten Gülle und Gärreste mit rund 3 000 bis 4 000 mg pro Liter deutlich mehr Ammonium-Stickstoff als kommunale Abwässer. Deren Stickstofffracht liegt bei nur rund 50 mg pro Liter. Hohe Ammoniumgehalte sind für die biologische Aufbereitung in Kläranlagen problematisch. Denn es kann durch die Stoffwechselprodukte zur Hemmung der Bakterienaktivität kom­men. Um das zu verstehen, ist ein kleiner Exkurs in die Chemie nötig (siehe Kasten „Nitrifikation und Denitrifikation“).
Um optimale Bedingungen für die Bakterien zu erhalten, müssten Laugen und Säuren sowie Ethanol als Kohlenstoffquelle dazu dosiert werden. Das wäre für die Aufbereitung von Gülle und Gärresten viel zu teuer, wie David Din betont. „Deswegen mussten wir eine andere Lösung finden.“

Lösung für hohe Stickstoff­frachten

Bluetector unterstützt den mikrobiellen Prozess durch Zugabe von Bakterien und durch eine intelligente Steuerung. „Das Besondere an unseren Bakterien ist, dass sie weniger Sauerstoff für die Nitrifikation benötigen als die Bakterien in kommunalen Kläranlagen. Normalerweise brauchen die Bakterien eine Sauerstoffkonzentration von 1,5 bis 2,5 mg pro Liter. In unserer Anlage reichen 0,5 mg pro Liter“, sagt David Din. Das ist entscheidend, weil die Kompressoren für die Behälterbelüftung den meisten Strom brauchen. Ein geringer Sauerstoffbedarf der Bakterien spart Strom.
Die Bakterien kommen in der Natur vor. Die genaue Zusammensetzung der Bakterienstämme ist Betriebsgeheimnis. Bluetector liefert sie mit Maisstärke vermischt, die als kohlenstoffhaltige Nahrung dient. Pro Tonne Dünngülle im Klärbecken dosiert die Anlagensteuerung ca. 5 g der Bakterien-Maisstärke-Mischung dazu. Vorher wird die trockene Mischung mit dem aufbereiteten Prozesswasser angemischt und dann in den Membrantank gepumpt. Von dort gelangen sie mit dem im Membranfilter abgetrennten Klärschlamm in den Kreislauf.
Der Membranfilter ist die letzte Stufe des Klärprozesses. Das geklärte Wasser ist bräunlich, aber es riecht nicht. Das Wasser ist so zwar nicht Vorfluter-einleitfähig, doch es eignet sich zum Beispiel für die Bewässerung.

Mikrobieller Abbau im Klärbecken

Der mikrobielle Abbau des Ammoniums (NH₄₊) zu Luftstickstoff (N₂) erfolgt vorher in einem großen Klärbecken. Das Becken ist mit Trennwänden so unterteilt, dass in der Mitte ein kleiner, runder Behälter entsteht, der von einem äußeren Ring umgeben ist. An einer Stelle der runden Trennwand ist unten ein etwa 1 mal 1 m großer Durchlass. Durch diesen kann die Flüssigkeit vom inneren Bereich in den äußeren Ring gelangen.
Eine weitere Trennwand im äußeren Ring bewirkt, dass zwangsweise eine Strömung entsteht, weil die zu klärende Dünngülle kontinuierlich im inneren Bereich dazu gegeben wird. Sie gelangt von dort durch die Öffnung in der Trennwand in den äußeren Beckenring, bewegt sich hier einmal im Kreis bis zu einem Auslass. Über den Auslass gelangt die Flüssigkeit in den Mem­branfilter, der den Schlamm abfiltert.
Eine Exzenterschneckenpumpe fördert das Dicke wieder zurück in den inneren Bereich des Klärbeckens. Dort beginnt der Kreislauf von neuem. In den äußeren Beckenring blasen Kompressoren Luft ein. Über Belüftungsmembrane am Behälterboden perlen feine Luftbläschen in die Flüssigkeit und steigen nach oben. Hier fühlen sich die aeroben Bakterien wohl, die Ammonium zu Nitrit und Nitrat umwandeln.
Im inneren Beckenbereich herrschen hingegen anaerobe Bedingungen. Dort wandeln andere Bakterien Nitrat zu Luftstickstoff um. Sie brauchen für ihren Stoffwechsel keinen Sauerstoff, sondern Kohlenstoff. Der gasförmige, elementare Stickstoff entweicht in die Luft. Zur Erinnerung: Luft besteht zu rund 80 Prozent aus Stickstoffgas (N₂).

TS-Gehalt unter 3 Prozent

Wichtig für einen effizienten Betrieb der Bluetector-Kläranlage ist ein niedriger Trockensubstanzgehalt (TS-Gehalt) in der zu klärenden Flüssigkeit. Optimal wäre laut Hersteller ein TS-Gehalt von nur zwei bis drei Prozent. Dafür gibt es zwei Gründe: Je höher der Feststoffanteil im äußeren, aeroben Behälterring, desto weniger leistungsfähig sind die Bakterien dort. Zur Unterstützung ihrer Stoff­wechsel­tätigkeit müsste dann mehr Luft eingeblasen werden. Das kostet Energie. Zum anderen belasten die Feststoffe den Membranfilter.
Deshalb muss zwingend eine Separation vorgeschaltet sein, die viele Feststoffe abtrennt und so den TS-Gehalt im Flüssigen möglichst unter drei Prozent senkt.
Bluetector setzt hierfür den Vakuumseparator Vacusep von Betebe ein (profi 11/2019). Durch die Verwendung von Edelstahlsieben mit nur 50 µm kleinen Löchern lassen sich mit diesem auch sehr feine Feststoffe abtrennen. Die Dünngülle aus der Separation wird zunächst zur Zwischenspeicherung in einen Vorlagetank gepumpt und von dort kontinuierlich in den inneren Behälter gefördert, wo der mikrobielle Klärprozess beginnt.
Insgesamt etwa fünf bis zehn Tage bleibt die Gülle im Kreislauf, wobei dem Prozess am Membranfilter ständig geklärtes Wasser entzogen wird. Dadurch steigt mit zunehmender Betriebsdauer der TS-Gehalt in der Anlage. Das beeinträchtig mit der Zeit den Prozess und steigert den Energiebedarf. Um dem entgegenzuwirken, ist von Zeit zu Zeit eine zusätzliche Feststoffseparation des Behälterinhalts erforderlich.

Technik und Steuerung im Container

Die gesamte Technik der Anlage inklusive der elektronischen Steuerung ist in einem 40-Fuß-Container untergebracht. An diesen Container ist ein 20-Fuß-Container angedockt, in dem die Membranfilteranlage eingebaut ist.
Sensoren überwachen den Prozess. Sie messen in den Behältern und im Membrantank ständig den pH-Wert, die Temperatur, den Nitrat- und den Ammoniumgehalt sowie die Trübung und damit den TS-Gehalt. Entsprechend regelt die Anlagensteuerung die Zufuhr an frischer Gülle, deren Verweilzeit im Klärbehälter, das Zudosieren der Bakterienmischung und die Belüftungsintensität.
Alle Technikkomponenten wie Pumpen und Luftkompressoren sind für einen zuverlässigen Anlagenbetrieb doppelt vorhanden. So kann eine Pumpe oder ein Kompressor ausfallen, ohne dass deswegen der Prozess stoppt. Zudem überwacht Bluetector den Anlagenbetrieb aus der Ferne und kann per Fernsteuerung eingreifen.
Der Landwirt oder Biogasanlagenbetreiber vor Ort hat nichts weiter zu tun, als täglich einen Kon­trollgang zu unternehmen und mit einem mitgelieferten Laborset Proben des geklärten Wassers zu entnehmen. Auf Basis dieses Schnelltests kann Bluetector die Sensoren bei Bedarf nachkalibrieren.

Pilotanlage läuft

Die erste Pilotanlage der Bluebox Ultra läuft seit Juli 2019 auf einem landwirtschaftlichen Betrieb in 48268 Greven. Sie klärt hier täglich etwa 30 m³ Dünngülle aus separierten Biogasgärresten. Der Biogasanlagenbetreiber füttert seine Biogasanlage (Bemessungsleistung 570 kWel) zu 30 bis 35 Prozent mit Schweinegülle und zusätzlich mit Rindermist, Mais und CCM.
Wissenschaftlich begleitet wird der Betrieb der Bluetector-Anlage von der FH Münster. Erste Laboranalysen zeigen, dass der mi­krobielle Ammoniumabbau in der Bluetector-Anlage funktioniert — und das, obwohl beim Aufbau des Klärbeckens und bei der Peripherietechnik noch etwas improvisiert werden musste.
So wurde beispielsweise ein vorhandener Betonbehälter mit 600 m³ Volumen zum Klärbecken umfunktioniert. Dieser ist nur 5 m hoch, was laut David Din nicht optimal ist. „Für die Belüftung wäre eine Füllstandhöhe von 6 m besser.“ Außerdem kann es beim Anfahren oder bei Temperaturänderungen zu Schaumbildung im belüfteten Teil kommen. Ist der Behälterrand nicht hochgenug, quillt der Schaum darüber. Bluetector plant daher beim Bau neuer Anlagen, den Behälter mit 8 m hohen Wänden und Wasserdüsen zur Schaumbekämpfung auszustatten. Bei der Pilotanlage wurde am Betonbehälter ein Aufsatz aus Metall nachgerüstet, damit der Schaum Platz hat.
Als nicht besonders standfest erwiesen sich außerdem die Belüftungsmembrane aus Silikon. Das Material wurde mit der Zeit brüchig. Deswegen verwendet Bluetector jetzt Membrane aus Propylen-Dien-Kautschuke (EPDM), das widerstandsfähiger sein soll. Da die Belüftungselemente mit den Membranen am Behälterboden im äußeren Ring fest eingebaut sind, musste zum Tausch der Membrane der Behälter vollständig geleert werden. Mit zusätzlichen Absperrwänden für eine Teilentleerung will Bluetector die Wartungsfreundlichkeit verbessern.

Was uns sonst noch auffiel

Bildergalerie

Nitrifikation und Denitrifikation

Bluetector und Biatex

Fazit

Fazit

Bakterien bauen auch in der Natur Ammonium-Stickstoff zu Nitrat und schließlich zu Luftstickstoff um. In Belebtschlammbecken lässt sich dieser Prozess steuern und beschleunigen. Bluetector fügt dem Prozess zusätzlich eine eigene Bakterienmischung zu. Das Ergebnis der mikrobiellen Aufbereitung von Gärresten oder Gülle in der Bluetector Bluebox Ultra ist stickstoffarmes, aber braunes Wasser, das nicht stinkt. Langzeiterfahrungen mit dem neuen Aufbereitungsverfahren für Gülle und Gärreste liegen noch nicht vor.