Gut zu wissen

Verdunsten, kondensieren, verdunsten, kondensieren usw.: Das ist das Arbeitsprinzip der TerraOrganic HEF-Anlage, um Ammonium- und Ammoniak-Stickstoff aus dem Dünnsaft von Gülle oder Gärsubstrat zu extrahieren. Wie so eine Anlage genau funktioniert, haben wir uns an einer der drei in Schleswig-­Hol­stein installierten Anlagen angesehen.

Separation fest-flüssig

Wie bei jeder Gülle- und Gärrestaufbereitung ist der TerraOrganic HEF-Anlage eine Separation zur Fest-Flüssig-Trennung vorgeschaltet. Terrawater nutzt dafür ihre Anlage TerraOrganic FFT mit zweistufiger Separation. Diese arbeitet im ersten Schritt mit einer üblichen Pressschnecke und im zweiten Schritt mit einem Mikrofilter, der 50 µm Maschenweite hat. Die eingesetzte Separationstechnik der Marke Sepcom stammt von der Wamgroup.
In einem 20-Fuß-Container hat Terrawater außerdem die nötige Förderpumpe mit vorgeschaltetem Zerkleinerer und Puffertanks für das zu separierende Produkt (Gülle, Gärrest oder Rezirkulat), für den separierten Dickschlamm und für den filtrierten Dünnsaft (Filtrat) sowie die Anlagensteuerung untergebracht. Die Steuerung der FFT-Anlage kommuniziert mit der Steuerung der nachgeschalteten HEF-Anlage.
Das Sieben des Presssafts nach der Sepa­ration mit der Pressschnecke hat zwei Hintergründe: Zum einen soll die Viskosität der flüssigen Phase möglichst klein sein. Denn die nachgeschaltete Anlage zur Nährstofftrennung ist komplett aus Kunststoff gefertigt und verträgt deswegen keine hohen Drücke. Zum Anderen enthält der abgesiebte Dickschlamm einen wesentlichen Teil des Phosphors, der an den Feststoffen gebunden ist.
Je nach Einsatzstoff (Gülle oder Gärsub­-strat) hat der abgesiebte Dickschlamm einen Trockensubstanzgehalt (TS-Gehalt) von rund 11 % und enthält etwa 20 bis 70 % des Phosphors. Der Betreiber der Biogasanlage in Schafflund leitet den Dickschlamm in ein separates Lager, um ihn als phosphor-haltigen Wirtschaftsdünger gezielt einsetzen zu können.

Die HEF-Anlage im Container

Eine Pumpe fördert das dünnflüssige Filtrat aus der Separation für die nächste Verfahrensstufe zur TerraOrganic HEF-Anlage. Die Buchstaben HEF stehen für High Efficiency. Eine hohe Effizienz hat die Anlage laut Hersteller, weil sie die für den Prozess zugeführte Wärme durch eine integrierte Wärmerückgewinnung besonders gut ausnutzt. Die Verdunstungsrate liegt bei 2,6 l Wasser pro kWh Wärme.
Die Technik zur Nährstofftrennung besteht bei Terra­­water aus vier Hauptkomponenten: einem Kondensator, einem Wärmetauscher, einem Befeuchter und einem Luftwäscher. Diese Baugruppen sowie die Anlagensteuerung und ein Mischtank sind in einem 40-Fuß-Container eingebaut. Wie der Prozess in der HEF-Anlage abläuft, zeigt auch unsere Grafik. Als Erstes fließt das Filtrat in sechsundzwanzig schlangenförmig verlegten Rohrleitungen durch den Kondensator. Heiße Prozessluft strömt außen an den Leitungen vorbei.
So erwärmt die Luft zum einen das Filtrat, und zum anderen kondensiert der Wasserdampf aus der heißen Prozessluft. Dadurch entsteht zusätzlich Kondensationswärme. Die Prozessluft enthält Wasserdampf, weil sie das Wasser zuvor im Befeuchter aufgenommen hat. Anschließend läuft das vorgewärmte Filtrat durch den Wärmetauscher, wo es z. B. mit der Abwärme eines Biogas-Bhkws auf rund 75 bis 85 °C erhitzt wird. Auf der Biogas­anlage in Schafflund stehen dafür 160 kW Bhkw-Wärme zur Verfügung.

Befeuchten und waschen

Nach dem Erwärmen der Dünngülle erfolgt der zweite Prozessschritt: die Befeuchtung. Der Befeuchter ist sechsstufig aufgebaut. Ein Auffangbehälter unter den Befeuch­tungs­-Elementen sammelt die Flüssigkeit. Von dort wird sie anschließenjd nach oben gepumpt und über die Befeuchter-Elemente verregnet. Diese Elemente bestehen aus übereinander gestapelten Kunststoffpaletten, die luftdurchlässig und wasserdurch­lässig sind.
Das heiße Filtrat rieselt also von oben durch die Elemente hindurch, während ein Gebläse Außenluft ansaugt und von unten im Gegenstrom durch die Rieselelemente bläst. Die Luft nimmt dabei sowohl Feuchtigkeit als auch den flüchtigen Ammonium-Stickstoff sowie den Ammoniak-Stickstoff auf. Gleichzeitig erwärmt sie sich.
Dieser Prozess passiert nicht nur einmal, sondern in Kaskaden insgesamt sechsmal nacheinander, damit zusammen mit dem Wasserdampf möglichst viel Ammonium und Ammoniak in die Luft gelangt.

Feuchte Luft, Wasser und ASL

Die befeuchtete Luft durchläuft dann einen dreistufigen Luftwäscher. Dort wird Schwefelsäure hinzugefügt. Damit stellt sich zum einen der pH-Wert für den Prozess passend ein, und zum anderen entsteht als Endprodukt eine Ammoniumsulfat-Lösung (ASL) mit einem Stickstoffgehalt von 8,5 Gewichtsprozent (Gew. %). Maximal sind 9 Gew. % Stickstoff bei der gegebenen Prozesstemperatur von 75 bis 85 °C möglich.
Nach der Luftwäsche enthält die heiße Luft viel Wasserdampf, aber nur noch wenig Ammonium und Ammoniak. Diese heiße Luft wird nun zur Vorwärmung der Dünngülle zum Kondensator geleitet. Dort kondensiert das Wasser aus der Luft. So produziert die HEF-Anlage etwa 5 m3 Wasser am Tag. Weitere 5 m3 Wasser bleiben in der warmen, feuchten Luft, die über den Schornstein entweicht. Das Kondensat verregnet der Betreiber am Standort auf seinen Flächen.
Außerdem produziert die Anlage je nach Durchsatz und Ammoniak-/Ammonium-Gehalt des Inputsubstrats bis zu 9 m³ ASL pro Tag. Täglich kann die HEF-Anlage 15 bis 240 m³ Filtrat behandeln. Das nach dem Prozess konzentrierte Filtrat wird in einem Zwischentank gesammelt und über einen Mischtank kontinuierlich dem Prozess erneut zugeführt. Der gesamte Prozess wiederholt sich so lange, bis die gewünschte Verdickung der Dünngülle erreicht ist. Bei Prozessbeginn beträgt deren Trockenmasse-Gehalt etwa 3 %, zum Schluss enthält die konzentrierte Dünngülle bis zu 7 % Trockensubstanz.

Zwei Fahrweisen

Je nach Tagesdurchsatz ist die Verweilzeit des Filtrats im Systemkreislauf länger oder kürzer. Das bedeutet im Endeffekt, dass zwei Fahrweisen möglich sind. Eine Möglichkeit bedeutet wenig Durchsatz und eine lange Verweilzeit. Dafür entzieht die HEF-Anlage dem Filtrat im Verhältnis zur Inputmenge viel Wasser in Form von Dampf und Kondensat — eine Konzentration um bis zu 70 % ist bei 15 m³ Inputmenge pro Tag möglich (Verweilzeit 1 h 36 min/m³). Dafür ist bei dieser Fahrweise die tägliche ASL-Produktionsmenge eher gering, da wenig Flüssigkeit gewaschen wird.
Oder aber die Anlage fährt mit 240 m³ Inputmenge pro Tag (Verweilzeit 6 min/m³). Dann verdunstet sie im Verhältnis zur eingebrachten Menge nur wenig Wasser, weil innerhalb von 24 Stunden immer die gleiche Menge Wasser als Dampf oder Kondensat die Anlage verlässt. Dafür ist die gestrippte Ammoniom- und Ammoniak-Stickstoffmenge deutlich höher, so dass die Anlage mehr ASL pro Tag produziert.

Was uns sonst noch auffiel

Inklusive der vorgeschalteten Separation (Terra­Organic FFT Fest-Flüssig-Trennung) und Montage kostet diie TerraOrganic HEF-Anlage 530 000 Euro ohne Mehrwertsteuer. Alle Rohrleitungen sowie die Tanks für Schwefelsäure, ASL, kondensiertes Wasser, separierten Dickschlamm und das eingedickte Filtrat aus der HEF-Anlage muss der Betreiber selbst stellen.
Die Biogasanlage in Schafflund ist eine von insgesamt drei Biogasanlagen, die am Forschungsprojekt EneGüll (Energie aus Gülle) beteiligt sind. In dem von der Europäischen Union geförderten Projekt geht es darum, den Einsatz von Gülle als Biogassubstrat auszuweiten. Dazu soll der Gülle vorher durch Verfahren wie die Nährstofftrennung von Terrawater möglichst viel Stickstoff, Phosphat und Wasser entzogen werden.
Die Anlage in Schafflund erwärmt, befeuchtet, wäscht und kondensiert zur Zeit täglich 50 m³ Filtrat. Dabei entstehen als Produkt rund 1 m³ ASL am Tag. Außerdem verdunsten bei dieser Durchsatzmenge ebenfalls täglich 5 m³ Wasser, und weitere 5 m³ verlassen die Anlage als Kondensat. Geplant ist eine Steigerung der Durchsatzmenge auf 100 m³ und die Behandlung von Gülle vor der Verwendung als Biogassubstrat.
Terrawater bietet mit der TerraSaline eine weitere Anlagentechnik an, mit der sich aus dem flüssigen ASL schwefelsaures Ammoniak (SSA), also ein streufähiges Düngesalz, erzeugen lässt.

Bildergalerie

Fazit

Fazit

Das System zur Nährstofftrennung von ­Terrawater besteht aus zwei hintereinander geschalteten Anlagen: erst die Fest-Flüssig-Trennung TerraOrganic FFT und danach die Stickstoff-Strippung TerraOrganic HEF. Im ersten Schritt fallen als Produkte separierte Feststoffe mit 25 bis 30 % Trockensubstanz (TS), Dickschlamm mit etwa 11 % TS und Dünngülle mit rund drei % TS an.
Der Dickschlamm enthält viel Phosphat, und die Dünngülle den größten Teil des Stickstoffs. Im zweiten Schritt lässt sich dieser Stickstoff in Ammonium­sulfat-Lösung überführen, der dann kein Wirtschaftsdünger mehr ist.
Zweiter Vorteil: Wenn die Nährstofftrennung bei Gülle, die als Biogassubstrat eingesetzt werden soll, vorab erfolgt, so enthält die mit dem Verfahren eingedickte Gülle mehr Energie für die Biogaserzeugung und weniger prozesshemmenden Stickstoff. Ein durchaus spannendes Verfahren also, das mit 530 000 Euro ohne Mehrwertsteuer für die zwei Containeranlagen seinen Preis hat. Hinzu kommen noch die Kosten für Tanks und Leitungen.